洪澤華，章佳君，周金鵬，謝文雅，陸志灃，賴 鵬

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性建模技術(shù)是電磁環(huán)境仿真中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成目標(biāo)的紅外輻射信號，為相應(yīng)的紅外探測器提供模擬的電磁環(huán)境。

復(fù)雜目標(biāo)的復(fù)雜性，表現(xiàn)為目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目標(biāo)與環(huán)境之間的交互關(guān)系復(fù)雜，目標(biāo)受大量非線性、不可控、不確定、難以預(yù)知等難以量化的因素的影響，不再是簡單的線性關(guān)系［1-2］，這使得復(fù)雜目標(biāo)電磁特性的建模仿真很難借助傳統(tǒng)的方法開展。傳統(tǒng)建模仿真是建立在相似性理論基礎(chǔ)之上［3］，通過對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬，使兩者之間具有相似性，用相似性中的類比方法來獲取結(jié)果，從而達(dá)到仿真的目的［4］。典型建模方法有基于人工智能技術(shù)的建模方法［5-6］、基于離散事件的建模方法［7-8］、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的建模方法［9-10］等，其建模仿真本質(zhì)上是建立在精確化和定量化的基礎(chǔ)之上［11］。而由于復(fù)雜目標(biāo)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)方法難以對復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性進(jìn)行實(shí)時的精確化和定量化描述，很難建立復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性仿真模型［12-13］。

基于大數(shù)據(jù)的復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性建模仿真方法，是直接以實(shí)際應(yīng)用、靶場試驗(yàn)、內(nèi)場試驗(yàn)、理論計(jì)算產(chǎn)生的復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性大數(shù)據(jù)為對象，采用大數(shù)據(jù)處理手段，建立電磁特性數(shù)據(jù)與復(fù)雜的變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜目標(biāo)電磁特性建模仿真。相對于傳統(tǒng)基于相似性原理的建模方法，基于大數(shù)據(jù)的建模，無需了解研究對象的運(yùn)行機(jī)理，避免了復(fù)雜目標(biāo)因其特征難以精確化和定量化描述而無法構(gòu)建仿真模型的情況。

1 大數(shù)據(jù)的獲取及特性分析

1.1 目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)的獲取

近年來，紅外熱成像日益廣泛地應(yīng)用于各種軍事技術(shù)中。紅外探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及目標(biāo)的紅外隱身性能都要求提供各種典型目標(biāo)的紅外輻射特性。紅外輻射是目標(biāo)重要的電磁特性之一，是目標(biāo)探測、定位、識別、跟蹤等研究的必須輸入，它為精確制導(dǎo)裝備提供目標(biāo)的紅外圖像特性，為裝備的紅外隱身材料和隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供量化的特征，也是紅外隱身效果評估的主要依據(jù)［14-15］。

隨著紅外技術(shù)研究的深入，目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)的來源也越來越廣泛，主要包括論證數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、偵察數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)獲取手段主要有兩種：外場實(shí)測，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模；數(shù)值模擬。

1）紅外傳感器探測數(shù)據(jù)。一切溫度高于絕對零度的目標(biāo)都會不停地向外輻射熱能，置于地面和天空背景下的軍事目標(biāo)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船等），由于它們一般都具有較高溫度的發(fā)動機(jī)，或由于高速飛行時劇烈壓縮空氣使蒙皮溫度升高，這些往往都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射，從而被紅外傳感器探測到。

紅外探測是目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)的主要來源之一。隨著紅外制導(dǎo)、情報(bào)偵察等領(lǐng)域的信息采集手段不斷加強(qiáng)，所產(chǎn)生的目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)爆炸式增長。以高分辨率紅外成像衛(wèi)星為例，每顆星每天產(chǎn)生1 TB 的高分辨率紅外圖像數(shù)據(jù)，一顆衛(wèi)星每年新增的數(shù)據(jù)量就將高達(dá)近400 TB。據(jù)估計(jì)，目前已積累的數(shù)據(jù)達(dá)到100 PB 以上。

2）數(shù)值模擬。數(shù)值模擬是開展目標(biāo)紅外輻射特性研究的重要手段，也是目標(biāo)紅外數(shù)據(jù)的主要來源之一。當(dāng)前，計(jì)算目標(biāo)的紅外輻射特性，一般從基本物理模型和過程出發(fā)，首先是計(jì)算目標(biāo)表面的溫度場，然后再考慮目標(biāo)與環(huán)境的交互關(guān)系、大氣傳輸效應(yīng)等因素，綜合得出目標(biāo)的紅外輻射特性數(shù)據(jù)。

實(shí)測、模擬是獲取目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)的兩個重要手段，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)測數(shù)據(jù)可信度最高，最能真實(shí)反映目標(biāo)的紅外輻射特性，但獲得實(shí)測數(shù)據(jù)的成本很高，且實(shí)測統(tǒng)計(jì)存在局限性，一般只能針對有限的狀態(tài)，適應(yīng)性較差；而模擬數(shù)據(jù)獲取成本低，基本不受外界條件限制，可以進(jìn)行各種邊界條件模擬，但模擬數(shù)據(jù)的可信度不高，只能部分反映目標(biāo)紅外輻射特性。

1.2 數(shù)據(jù)特性

在裝備的研制和使用過程中，已積累了海量的目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)，它們不但可以從不同側(cè)面描述目標(biāo)的紅外輻射特征，還能揭示目標(biāo)與外部環(huán)境的交互關(guān)系。它們有一部分是經(jīng)過處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也有大量未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存在以下主要特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)量大。海量性是目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)的重要特性，也是數(shù)據(jù)驅(qū)動的目標(biāo)紅外特性建模的基礎(chǔ)。目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)來源廣泛，僅衛(wèi)星探測的紅外圖像數(shù)據(jù)就已上100 PB，還有歷年的外場靶試探測數(shù)據(jù)、試驗(yàn)室的測試及仿真數(shù)據(jù)等，難以統(tǒng)計(jì)。

2）信息量大。目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)，有部分來源于試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，針對具體過程和主要變量，通過有目的性的設(shè)計(jì)而得到的，基本符合建模研究的要求，且覆蓋了大部分變量空間。因此，這些數(shù)據(jù)具有較多的有效信息。

3）形式多樣。目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)記錄了目標(biāo)在全生命周期內(nèi)所有狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多種多樣。此外，數(shù)據(jù)庫記錄的數(shù)據(jù)不僅包括關(guān)系數(shù)據(jù)，還有圖像傳感器和聲學(xué)傳感器記錄的聲像資料。這些結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)極大地豐富了目標(biāo)紅外特性大數(shù)據(jù)的類型，同時也帶來了更多的信息和挑戰(zhàn)。

4）數(shù)據(jù)增長速度快。目標(biāo)紅外輻射特性廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，眾多的試驗(yàn)、監(jiān)測和傳感裝備每秒鐘都產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速度達(dá)到了一個前所未有的水平。

5）具有相關(guān)性。由于影響目標(biāo)紅外特性的變量很多，且部分變量之間存在相關(guān)性和耦合性，一個輸入變量改變通常引起多個輸出變量跟隨變化，每個輸出變量的改變同時又是多個輸入綜合作用的結(jié)果。因而，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出相關(guān)性和耦合性。

6）樣本分布不均勻。在數(shù)據(jù)采集過程中，人們通常在關(guān)注點(diǎn)上采集的樣本較多，在其他方面樣本相對要少很多，這造成了樣本分布的不均勻性，使得樣本點(diǎn)集中在有限的空間里，給后續(xù)應(yīng)用帶來一定的挑戰(zhàn)。

2 復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性大數(shù)據(jù)知識表示

2.1 數(shù)據(jù)維數(shù)處理

由于影響目標(biāo)紅外輻射特性的變量較多，而且在大部分情況下，多變量之間常存在一定的相關(guān)性。當(dāng)變量較多且變量之間存在復(fù)雜關(guān)系時，會顯著增加建模的復(fù)雜性。因此，建模前必須要對輸入變量進(jìn)行降維和簡化。本文主要從兩個方面對高維的目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和簡化。

2.1.1 機(jī)理分析

基于先驗(yàn)知識和熱力學(xué)基本定律，對目標(biāo)紅外輻射特性各變量和主導(dǎo)變量之間的關(guān)系進(jìn)行機(jī)理分析，初步選擇對目標(biāo)紅外輻射存在較大影響的變量作為模型的輸入。

以空中高速飛行目標(biāo)為例，根據(jù)飛行器紅外特性產(chǎn)生機(jī)理分析，空中高速飛行器3 大輻射源分別是被加熱的尾噴管紅外輻射、發(fā)動機(jī)排出的高溫尾噴焰輻射和飛行器蒙皮輻射。其中，尾噴管紅外輻射和發(fā)動機(jī)排出的高溫尾噴焰輻射與飛行器發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、高溫尾噴氣體成分等有關(guān)；目標(biāo)的蒙皮輻射不僅與其本身大小，構(gòu)成機(jī)身的表面材料性質(zhì)有關(guān)，也和目標(biāo)的飛行速度、飛行高度以及周圍大氣環(huán)境有著密切關(guān)系。目標(biāo)的蒙皮輻射在不同波段所占的比重都不一樣，不同波段的紅外輻射也具有不同的作用。根據(jù)機(jī)理分析，初步得出影響飛行器紅外特性的因素有飛行器類型、飛行器的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度、大氣環(huán)境等。

2.1.2 主成分分析

機(jī)理分析法是一種定性的分析方法，難以定量地說明各輸入變量對目標(biāo)紅外輻射特征的影響程度。本文在機(jī)理分析得到的原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用主成分分析法，進(jìn)一步定量分析各輸入變量的影響程度，得到最終降維和簡化的變量組。

主成分分析是將具有一定相關(guān)性的變量組合成一組無關(guān)的新變量組。新變量應(yīng)盡可能多地反映原變量的信息，即var（x1）越大越好。var（x1）表示新變量x1的方差，該值越大，表示包含的信息量越多。如果x1不足表征原來的信息，則還需第2 個成分x2，且滿足

即與2 個新變量無相關(guān)。

主成分分析的典型步驟如下：

步驟1對目標(biāo)紅外輻射特性原始樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。

假定X為一個n×p的數(shù)據(jù)矩陣，由p個變量和n組數(shù)據(jù)樣本組成，即

標(biāo)準(zhǔn)化原始數(shù)據(jù)為

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的相關(guān)系數(shù)矩陣為

步驟2列出目標(biāo)紅外輻射特性主成分，并計(jì)算其貢獻(xiàn)率。

主成分表達(dá)式如下：

式中：ajp為相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征向量，相應(yīng)的特征值用(λ1，λ2，…，λp)表示。

每一個新變量的貢獻(xiàn)率為

主成分分析可得到p個成分，但是各主成分的方差是遞減的，即包含的信息量也遞減，因而，在實(shí)際應(yīng)用時，主成分個數(shù)可以根據(jù)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率來決定。為保證能充分反映原始數(shù)據(jù)信息量，一般要求貢獻(xiàn)率累計(jì)量達(dá)85%以上。

2.2 數(shù)據(jù)知識表示

根據(jù)主成分分析法所得到的主要因素構(gòu)建主要因素集合：F=｛F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)k｝，集合中的元素Fk（k=1，2，…，k）代表第k個影響目標(biāo)紅外輻射特性的主要因素。

根據(jù)主要因素集合F中的元素Fk組合形成目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字key（或稱為ID），與key 對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示為

其中，charac1、charac2 等是用于描述組成目標(biāo)紅外輻射特性的變量。上述關(guān)鍵字和對應(yīng)的數(shù)據(jù)組成（key，data）就是對目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)的知識表示。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索操作的規(guī)則知識可表示為

式中：fi為變量Fi對應(yīng)的值。

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜目標(biāo)紅外輻射特性建模方案

3.1 建模方案

數(shù)據(jù)驅(qū)動的目標(biāo)紅外輻射特性建模仿真方法的框圖如圖1 所示，主要包括以下步驟：

步驟1針對原始數(shù)據(jù)，先對目標(biāo)的紅外輻射特性產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，初步得出影響目標(biāo)的紅外輻射特性的所有可能的因素；然后，利用主成分分析法對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出影響目標(biāo)的紅外輻射特性的主要因素以及各主要因素的貢獻(xiàn)率。

步驟2根據(jù)主成分分析的結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)紅外輻射特性大數(shù)據(jù)知識表示。

步驟3根據(jù)用戶的輸入條件和規(guī)則知識，進(jìn)行大數(shù)據(jù)實(shí)時檢索。

步驟4判斷數(shù)據(jù)檢索是否成功，如果成功則輸出數(shù)據(jù)，完成建模仿真；如果未成功，則進(jìn)一步完善目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)或知識表示。

圖1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的目標(biāo)紅外輻射特性建模方法框圖Fig.1 Diagram of data-driven modeling for infrared radiation characteristic of targets

3.2 結(jié)果分析

以空中某型飛機(jī)目標(biāo)為例，說明數(shù)據(jù)驅(qū)動的目標(biāo)紅外輻射特性建模仿真方法。

在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法對飛機(jī)紅外輻射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出影響該飛機(jī)紅外輻射特性的主要因素為：飛行器類型、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度、飛機(jī)與探測器的相對位置、探測器工作波段。其中，相對位置包括：相對距離、俯仰角、偏航角。需要說明的是飛機(jī)類型、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度等變量是決定目標(biāo)紅外輻射的內(nèi)在本征變量。飛機(jī)與探測器的相對位置、探測器工作波段等變量是外在表征變量，它實(shí)際并不影響目標(biāo)的紅外輻射的本征特性，只是對探測得到的表征數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，但這也是建模所需考慮的一部分。

根據(jù)主成分分析得到主要因素集合F=｛Type，Engine，Speed，Height，Distance，Theta，Phi，Waveband｝，集合中的元素分別表示飛行器類型、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度、相對距離、俯仰角、偏航角、波段。根據(jù)集合F，構(gòu)建飛機(jī)紅外特性數(shù)據(jù)的key 為：Type_Engine_Speed_Height_Distance_ Theta_ Phi_band，飛機(jī)紅外特?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

其中，radiance 代表飛機(jī)的紅外輻射亮度，depth 代表圖像的每一個像素到探測器的距離。

假設(shè)用戶需要模擬飛機(jī)在某狀態(tài)的紅外輻射特性，如目標(biāo)類為F16 飛機(jī)，發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)為加力，飛行速度為0.9Ma，飛行高度為3 000 m，相對距離為135 m，俯仰角30°，偏航度210°，探測器工作波段為3～5 μm，則規(guī)則知識可表示為：

IF ＜Type=‘F16’and Engine=‘JL’and Speed=‘0.9’and Height=‘3 000’and Distance=‘135’and Theta=‘30’and Phi=‘210’and band=‘mIR’＞THEN ＜（key，data）＞。其中，key=F16_JL_0.9_3000_135_30_210_mIR，data 為與key對應(yīng)的紅外特性數(shù)據(jù)。

圖2 給出了基于大數(shù)據(jù)的F16 飛機(jī)紅外特性建模仿真結(jié)果，圖中只顯示了兩種key 的紅外特性仿真結(jié)果。其中，圖2（a）是發(fā)動機(jī)為額定狀態(tài)下F16飛機(jī)的紅外輻射特性圖像，飛機(jī)飛行速度0.5Ma，飛行高度200 m，俯仰角45°，偏航度135°；圖2（b）是發(fā)動機(jī)為加力狀態(tài)下F16 飛機(jī)的紅外輻射特性圖像，飛機(jī)飛行速度0.9Ma，飛行高度3 000 m，俯仰角30°，偏航度210°。

圖2 飛機(jī)紅外輻射特性模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of infrared radiation characteristics of aircraft

4 結(jié)束語

針對目標(biāo)紅外輻射特性建模仿真的復(fù)雜性，基于實(shí)際應(yīng)用、靶場試驗(yàn)、內(nèi)場試驗(yàn)、理論計(jì)算等過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，建立目標(biāo)輻射特性仿真模型。該方法避免了相似性原理難以開展非線性、不確定、難以預(yù)知等條件下的復(fù)雜對象建模的問題。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)不僅為復(fù)雜目標(biāo)紅外特性建模提供了更加高效的模式和手段，同時也革新了建模仿真的思維方式。