海面復雜紅外場景仿真系統(tǒng)

邵 楠，張 科，呂梅柏

(西北工業(yè)大學航天學院，陜西西安710072)

1 引言

隨著紅外探測與制導技術的飛速發(fā)展，海面紅外場景的計算機仿真生成技術在國防軍事領域有著重要的意義，在海面戰(zhàn)場勢態(tài)推演、反艦紅外武器方案評估、海面紅外目標跟蹤算法驗證等方面有著廣泛的應用［1］。對于海面戰(zhàn)場紅外場景的仿真問題，文獻［2］、［3］詳細討論了艦船的紅外圖像仿真，文獻［4］、［5］對煙幕紅外特性進行了研究，文獻［6］、［7］分析了紅外誘餌彈的紅外圖像仿真策略，文獻［8］、［9］討論了海面背景的紅外視景仿真，文獻［10］研究了大氣對目標紅外特性的影響。本文針對海面導彈—艦船紅外對抗中，導引頭視場中的紅外場景的計算機仿真問題進行了研究，詳細討論紅外場景生成中，場景空間參數(shù)和紅外圖特性的解算方法，并給出了海面復雜紅外場景的仿真生成方案。

2 系統(tǒng)概述

紅外場景生成系統(tǒng)的基本功能是根據(jù)實時戰(zhàn)場仿真條件，解算生成紅外成像導引頭探測器所成圖像。為了保證圖像生成的速度，我們對導引頭成像系統(tǒng)進行了簡化，由于仿真中所討論的空間高度遠小于地球半徑，因此在仿真中忽略了地球表面曲率的影響;系統(tǒng)假設導引頭成像系統(tǒng)滾轉通道理想解耦，光學成像系統(tǒng)與探測器信號處理系統(tǒng)處于理想工作狀態(tài);系統(tǒng)所仿真的是遠海岸的導彈—艦船紅外對抗，紅外圖像的背景以海面為主，不存在海岸的紅外特性。

系統(tǒng)主要包括場景空間參數(shù)解算、場景紅外特性計算、復雜場景的融合等幾個部分，圖1給出系統(tǒng)的結構示意。

圖1 海面復雜紅外視景仿真系統(tǒng)

3 空間參數(shù)解算

場景的空間參數(shù)包括物體空間參數(shù)和背景空間參數(shù)兩部分。物體的空間參數(shù)主要包括物體在圖像中的位置和物體的大小，對于可實現(xiàn)幾何外形描述的物體，空間參數(shù)還包括物體在視景中的姿態(tài);背景的空間參數(shù)主要是指海天線在圖中的位置。在仿真過程中，根據(jù)各個海面物體和導彈的空間位置，以及導引頭的視場方向，利用仿真中描述運動的各種坐標系之間的關系，來解算仿真視景中的各個空間參數(shù)。

3.1 坐標系定義

系統(tǒng)所涉及的坐標系包括地面坐標系、視線坐標系、圖像坐標系和體坐標系。下面給出這四個坐標系的定義。

3.1.1 地面坐標系Oxyz

與仿真系統(tǒng)的慣性坐標系重合，原點為仿真系統(tǒng)的參考原點，Ox軸指向參考原點的水平正前方，Oy軸指向原點的正上方，與Ox軸垂直，Oz垂直于xOy平面，方向按右手定則確定。

3.1.2 視線坐標系OLxLyLzL

原點位于導引頭框架中心，OLxL軸與導引頭光學系統(tǒng)的主光軸重合(即導引頭視線方向)，指向頭部為正;OLyL軸在光學系統(tǒng)縱向對稱平面內，與OLxL垂直，向上為正;OLzL軸垂直于xLOLyL平面，方向按右手定則確定。

3.1.3 圖像坐標系OPxPyP

原點在圖像右上方，橫向為x軸，向右為正，縱向為y軸，向下為正。

3.1.4 體坐標系OSxSySzS

原點在物體質心，OSxS軸與物體參考主軸(對于軸對稱物體，一般為對稱軸)重合，指向物體前方為正;OSyS軸位于物體縱向參考平面內，與OSxS垂直，向上為正;OSzS軸垂直于xSOSyS平面，方向按右手定則確定。

3.2 坐標系之間的關系

3.2.1 地面坐標系Oxyz與視線坐標系OLxLyLzL

這兩個坐標系之間的變換可以通過兩次旋轉實現(xiàn)。他們之間的相互方位可由兩個角度確定，分別定義如下:

(1)視線偏航角e1為視線方向矢量(即OLxL軸)在水平面xOz上的投影Ox'L與Ox軸的夾角，沿Oy向下看，當Ox軸逆時針方向轉到投影Ox'L上時，e1為正;

(2)視線俯仰角e2為視線方向矢量與水平面xOz之間的夾角，視線矢量在水平面上方時，e2為正。

設地面坐標系中的某一矢量(x，y，z)T在視線坐標系各軸上的分量分別為 xL，yL，zL，則:

3.2.2 視線坐標系OLxLyLzL與圖像坐標系OPxPyP

這兩個坐標系之間關系的描述用于最終確定視場中的各個物體的空間參數(shù)。設導引頭的瞬時視場角為θ，探測器所成圖像為K×K陣列。對于視線坐標系中的矢量(xL，yL，zL)T在圖像坐標系中的投影坐標為:

式中，η =θ/2。

3.2.3 地面坐標系Oxyz與體坐標系OSxSySzS

這兩個坐標系之間的關系可以用俯仰、偏航、滾轉三個角度來描述，其定義如下:

(1)偏航角ψ為OSxS軸在水平面上的投影與地面坐標系Ox軸之間的夾角。由Ox軸逆時針方向轉至OSxS軸的投影線時，偏航角ψ為正(轉動角速度方向與Oy軸的正向一致)。

(3)滾轉角γ為OSyS軸與包含OSxS軸的鉛垂平面之間的夾角。沿OSxS軸方向看，若OSyS軸位于鉛垂平面的右側，則γ為正(轉動角速度方向與OSyS軸的正向一致)。

設地面坐標系中的某一矢量(x，y，z)T在體坐標系各軸上的分量分別為 xS，yS，zS，則:

其中，

3.3 物體空間參數(shù)的解算

3.3.1 位置參數(shù)解算

每一仿真時刻，根據(jù)仿真場景中各個物體的運動學模型，解算得到當前各個物體的位置，即物體在地面坐標系的坐標{Pi|i=0，1，…n}，Pi表示第 i個物體的三維坐標。設P0為導彈的坐標，則第i個物體相對于導彈的相對位置矢量Pri=Pi－P0，i=1，…，n;將Pri帶入式(1)，得到視線坐標系下的各個相對位置矢量PL－ri;再利用式(2)～(3)，即可得到目標質心坐標在圖像坐標系中的投影位置。

3.3.2 尺寸參數(shù)解算

物體在圖像中的尺寸大小SP是根據(jù)當前導彈與物體的距離，將物體的實際空間尺寸S利用空間幾何關系按比例縮放得到的，其計算公式為:

式中，xr為 PL－ri在x方向的分量。

3.3.3 姿態(tài)參數(shù)解算

對于可以進行幾何外形描述的物體，還需要考慮物體投影到圖像上的姿態(tài)信息。物體在視場中的姿態(tài)用視線方向矢量在體坐標系中的兩個方向角來描述，方向角的定義與視線方向在地面坐標系中的方向角e1，e2的定義類似。

在解算姿態(tài)參數(shù)時，首先利用式(4)得到視線方向矢量在體坐標系下坐標(xS，yS，zS)T，然后解算視線方向矢量在體坐標系中的兩個方向角，從而得到物體在視場中的姿態(tài)。

本系統(tǒng)中，需要考慮姿態(tài)參數(shù)的物體只有艦船。船體的3D模型借助專業(yè)建模軟件3DS MAX搭建，然后提取各個視角下船體的影像，將其做成數(shù)據(jù)庫，在仿真運行時，根據(jù)實時解算出的船體在視場中的姿態(tài)，直接調用數(shù)據(jù)庫中相應的圖像。

3.4 背景空間參數(shù)的解算

海面背景的空間參數(shù)主要是海天線在圖中的位置。設探測器所在位置的的慣性系坐標為(x，y，z)T，視線偏航角與視線俯仰角分別為e1，e2，海面高度為hsea，則視線正前方海面上的一點(xa，ya，za)T可表示為:

利用式(1)～(3)可解算出該點在圖像中的位置坐標 xpa(e1，e2;a)，ypa(e1，e2;a)，當 a→ +∞時:

由于視線正前方無窮遠處的海面上的點一定位于圖像中的海天線上，因此，在導引頭滾轉通道理想解耦的前提下，海天線在紅外圖像中的位置為yp=yp∞。

4 紅外特性解算

系統(tǒng)需要考慮的紅外特性包括各種物體的紅外特性、海面背景的紅外特性以及大氣紅外特性。

4.1 各種物體紅外特性

紅外場景生成系統(tǒng)中所考慮的物體主要包括艦船、紅外誘餌彈和紅外干擾煙霧。

4.1.1 艦船紅外特性

艦船是一個比較復雜的紅外輻射源，它的紅外特性包括物質自身的紅外熱輻射和船體表面對環(huán)境中的紅外輻射(如日、月紅外輻射，大氣紅外輻射等)的反射;由于船體各個部分功能與結構的差異，船體各部分的紅外熱輻射特性也有所不同。文獻［2］、［3］詳細的討論了艦船的紅外特性精細模型與仿真方法，這類方法雖然模擬精度較高，但是運算量較大，不適合在本系統(tǒng)中使用;本系統(tǒng)所采用的方法是以艦船實測紅外數(shù)據(jù)為基準，根據(jù)仿真條件的要求加以適當修正，這樣既能滿足真實性，也同時能保證運算速度。

4.1.2 煙幕紅外特性

煙幕的紅外模型主要包括煙幕的衰減作用和煙幕自身的輻射特性兩個部分［4－5］。

煙幕的衰減特性用煙幕的透過率α來描述:

其中，C為煙幕濃度;S為光程;MC為消光系數(shù)，它與發(fā)煙劑性質、煙幕粒子的大小、輻射頻段、空氣相對濕度等有關［5］。

煙幕粒子的溫度衰減過程采用下式進行描述:

其中，T(t)是t時刻煙霧粒子的溫度;T0是煙霧粒子的初始溫度;Te是環(huán)境溫度;c是溫度衰減的控制系數(shù)［4］。根據(jù)黑體輻射理論，計算仿真波段內相應的黑體溫度對應的輻射量，即可實現(xiàn)對煙幕自身的輻射特性的仿真。

4.1.3 誘餌彈紅外特性

艦載紅外誘餌的的種類很多，本系統(tǒng)所考慮的主要是箔條點源誘餌彈。在使用這類誘餌彈時，一般會連續(xù)投放多枚，對成像導彈起到干擾作用。系統(tǒng)參考文獻［6］、［7］給出的實測的誘餌彈紅外輻射特性隨時間的變化曲線，來對誘餌彈的紅外輻射特性進行仿真。

4.2 海面紅外特性

海面背景的紅外特性與海水自身的紅外輻射以及海水表面對環(huán)境輻射的反射有關［8－9］。海面的紅外輻射模型可表示為

式中，Lsea為海水輻射亮度;Le為海面接收的天空背景輻射亮度;Lsund為太陽直射輻射亮度。max(0，cosnα)項來源于Phong光照模型，用于模擬海面對太陽直射輻射的鏡面反射效果;α是太陽輻射反射出射方向和探測器方向的夾角;n是高光系數(shù)，對于海面可取100～200之間的整數(shù)［9］。

4.3 大氣紅外模型

大氣紅外特性主要包括大氣衰減和路徑輻射兩個部分，通常采用LOWTRAN或MODTRAN進行計算［10］。仿真系統(tǒng)中，我們根據(jù)設定的環(huán)境條件(包括氣候、目標和探測器之間的距離、大氣溫度等)，采用 MODTRAN4.0［11］計算大氣紅外輻射特性。

5 海面復雜紅外場景生成

考慮到系統(tǒng)所生成的圖像是用于反艦導彈的紅外制導階段，這一階段的的持續(xù)時間較短。為了減小計算負擔，本系統(tǒng)假設在紅外制導攻擊過程中，艦船、背景以及大氣的紅外特性保持不變。海面戰(zhàn)場復雜紅外視景生成流程包含以下幾步:

a.根據(jù)設置的初始化仿真條件，解算艦船、背景和大氣的紅外特性;

b.根據(jù)仿真中各個物體的運動模型，得到各個物體的空間位置和導引頭視場方向，進而解算導引頭視場中各個物體和背景的空間參數(shù);

c.若當前仿真時刻存在誘餌彈或紅外煙幕，則根據(jù)相應物體當前狀態(tài)，解算其紅外特性;

d.海面紅外場景融合。首先，根據(jù)背景紅外特性，創(chuàng)建背景圖像;然后，按照物體距離導引頭由遠到近的順序，根據(jù)不同物體的紅外特性，依次融入各個物體;最后，根據(jù)大氣模型，對場景圖像做進一步處理，得到最終的紅外場景。

6 仿真結果

實驗中設計如下仿真場景來對本文討論的海面紅外場景仿真系統(tǒng)進行測試:初始時刻，導彈與艦船之間距離4000 m，且導彈與艦船質心位于相同高度;運行過程中，導彈保持恒定速度沿彈艦連線向著艦船飛行，導引頭視線方向始終朝向艦船，當彈艦相距3500 m時，艦船開始釋放紅外誘餌彈和紅外煙幕。下圖給出在這樣一過程中，不同彈艦距離下，仿真系統(tǒng)生成的紅外場景。

圖2 不同彈艦距離下仿真的紅外場景

由仿真結果可以看出，本文討論的海面紅外場景仿真系統(tǒng)生成的圖像，可以作為紅外成像反艦導彈導引頭所觀察到的視景，進行與之相關的計算機仿真研究。

7 結語

紅外視景計算機仿真技術在紅外目標跟蹤技術的研究、紅外武器研發(fā)評估等方面具有重要的意義。針對紅外成像反艦導彈與艦船對抗的計算機仿真中，導引頭視場計算機仿真問題，本文設計了海面復雜紅外場景仿真生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效的實現(xiàn)復雜的海面紅外場景的實時解算，可應用于反艦紅外武器方案評估、海面紅外目標跟蹤算法驗證等相關的仿真研究。

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