基于Pro/E的隱身目標建模及引信仿真應用

牛青坡,劉建新,高 寵

(中國空空導彈研究院, 河南 洛陽 471009)

在引信仿真應用研究中，目標模型是引信與目標虛擬試驗的試驗對象。目標模型建立是否準確與合理[1]，對引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。特別是第四代戰(zhàn)斗機廣泛采用外形隱身和材料隱身技術(shù)，使得目標的精細化建模成為影響仿真結(jié)果置信度的重要因素。

國外尤其是美國特別重視目標幾何建模在目標及環(huán)境特性研究中的作用，資助了自動化建模項目，開發(fā)了二維數(shù)字圖像到三維建模的轉(zhuǎn)換工具。為了保證計算的準確性，通過大量實測數(shù)據(jù)的校核驗證和不斷持續(xù)改進和完善，最后形成了大批具有高置信度的模型軟件，例如電磁高頻散射近似軟件Xpatch多目標散射復合軟件CrossFlux等。

國內(nèi)高校和科研院所也對目標幾何建模進行了深入研究[2]，但自動化水平和效率與國外相比還有一定差距。本文針對引信仿真目標建模的應用需求，基于Pro ENGINEER(簡寫為Pro/E)軟件，通過目標三視圖提取目標表面特征信息，進行目標三維重建，使用FEM分析模塊建立了自適應剖分的網(wǎng)格模型?；诿嬖ㄋ枷?，利用物理光學法和改進等效電磁流(MEC)[3]計算了其近場散射特性。

1 引信仿真對目標建模的需求

引戰(zhàn)系統(tǒng)是空空導彈的重要組成部分，決定著對目標的毀傷效果，其對付的目標類型存在多樣性和復雜性，包含殲擊機、轟炸機、巡航導彈、直升機和無人機等各種機型，目標尺寸從一米左右的小型無人機到幾十米的戰(zhàn)略轟炸機和無人機；引戰(zhàn)系統(tǒng)需要對各種目標的散射特性、對目標的啟動特性、引戰(zhàn)配合、毀傷效果，以及對干擾的抑制效果進行大量仿真，這就需要建立精細化的目標模型。

引信仿真[4]研究引信、戰(zhàn)斗部、目標及環(huán)境之間的相互作用問題。它能夠模擬導彈末端各種交會條件下引信對目標作用，通過對目標表面進行剖分形成小面元(三角形或四邊形)，綜合物理光學法和等效電磁流法，可得到目標的近場RCS并計算引信接收目標反射信號的變化及引信的響應，做出對引信啟動特性和戰(zhàn)斗部毀傷效果的綜合評價。

引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真需要建立目標的三維實體模型。一方面,第四代戰(zhàn)斗機采用翼身融合設計等技術(shù)，使得采用簡單的平面、柱面、球面、橢球面近似組合構(gòu)建的目標模型逼真度不高；另一方面，戰(zhàn)斗機采用大量復合材料，其吸波和透波性能與金屬材料區(qū)別很大，需要賦予目標不同部件不同的電磁散射屬性。

無線電引信和激光引信都是近程探測裝置，相比于遠程雷達，目標不能看作點目標，而屬于體目標，同時存在局部照射情況。建立的目標模型能夠根據(jù)目標的外形、材料等信息計算目標在引信工作頻率的，各種交會條件下的近場RCS。

此外，引信仿真應用中，對于面元大小，一般要求以小面元代替原始曲面所造成的拱高誤差應小于引信波長的1/16，或者面元邊長尺寸小于波長1/3。為了對付隱身目標和提高抗干擾能力，引信探測裝置向毫米波和納秒激光脈沖方向發(fā)展，仿真波長的減小使得仿真計算對網(wǎng)格面元的曲率變得敏感。因此，需要進行目標的精細化建模，提高仿真結(jié)果的置信度。

2 基于Pro/E的目標建模

在對目標特性建模中，需要對目標幾何模型進行大量的編輯和處理，包括從已有2D數(shù)字圖像到3D模型的生成、模型的實體化和網(wǎng)格化、幾何模型的修復和校驗等。

雖然國內(nèi)的目標建模技術(shù)與國外還存在一定差距，但計算機圖形學和計算機輔助設計(CAD)技術(shù)的發(fā)展，使得精確描述復雜外形目標體幾何模型得以實現(xiàn)。

2.1 Pro ENGINEER

早期的目標建模采用對標準體(球、橢球、圓柱、錐體等)進行精確數(shù)學描述，然后采用組合的方式建立模型，后來基于autoCAD的三維軟件制作DXF等模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點數(shù)組?，F(xiàn)在Pro/E、UG以及CITIA軟件等三維建模軟件都含有NURBS方法[5]，并在航空航天、造船與汽車等行業(yè)得到了廣泛的應用，可以應用于目標建模領(lǐng)域。其中，Pro/E軟件[6]在目標幾何建模方面具有較大優(yōu)勢，它是一個采用參數(shù)化設計、基于特征的實體建模工具，特別是在曲面生成方面，可以方便地生成基于曲面邊界的混合自由曲面，這使目標的建模和模型的修改十分方便。Pro/E還可進行有限元分析(FEM)及后處理，這種工具可以用于目標的表面元自動劃分，可根據(jù)仿真需求自動調(diào)整面元大小，這個優(yōu)點使得目標表面不同粒度的網(wǎng)格劃分也十分方便。

基于Pro/E軟件可以實現(xiàn)目標的精細化建模。首先，基于目標三視圖和照片等先驗信息進行目標的特征提取；其次，使用Pro/E軟件參數(shù)化建模軟件實現(xiàn)對目標快速建模，形成實體模型；然后，對實體模型目標表面進行有限元分析，進行表面自動網(wǎng)格劃分；最后，對目標模型校驗、修復進行進一步優(yōu)化，形成最終的精細化模型。

2.2 基于先驗信息的三維重建

對于已有三維實體模型的目標建模，可以通過激光掃描將三維實體數(shù)字化，構(gòu)建目標的數(shù)字化模型[7]。但對于引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真，多數(shù)目標沒有實體模型，只能通過有限的2D照片以及外形尺寸參數(shù)重構(gòu)三維模型。

對于飛機類目標，有很多已知的先驗信息可以利用。飛機都是對稱結(jié)構(gòu)，還可以知道飛機的長度、翼展、高度和翼面積以及機翼前后緣后掠角等信息。例如，F(xiàn)-35A飛機的外形尺寸[8]如表1所示。

F-35A飛機采用梯形中單翼，常規(guī)水平尾翼、外傾雙垂尾、無隔板固定式進氣道、雙曲度進氣道，機翼和尾翼前緣后掠35°、后緣前掠15°，垂尾后掠35°、外傾25°，并針對正前方進行了隱身優(yōu)化。采用整機計算機模擬(綜合進氣道、吸波材料/結(jié)構(gòu)等的影響)，可以保證機體表面采用連續(xù)曲面設計。F-35A飛機三視圖如圖1所示。

利用Pro/E軟件進行F-35A飛機的建模時，首先利用三維尺寸信息，建立邊緣特征點(頂點)；其次，充分利用三視圖信息，以及飛機的對稱性結(jié)構(gòu)和機翼前后緣平行特征對三幅圖像中的特征點進行相互匹配。

由特征點可生成目標的邊緣曲線。由特征點生成曲線的方法較多，常用的是NURBS曲線，它可以把規(guī)則曲面與自由曲面構(gòu)造為統(tǒng)一的曲面構(gòu)造形式，即可以把不同階次的曲面(包括曲線、平面、二次曲面、自由曲面)統(tǒng)一起來構(gòu)造，符合飛機翼身融合設計的機翼表面。利用特征點，進行“樣條曲線”草繪的F-35A飛機表面骨架模型如圖2所示。

Pro/E 中“混合曲面”工具，可以生成光滑自由曲面。然后對生成的曲面與實物圖對比，發(fā)現(xiàn)不一致的地方增加或修改特征點參數(shù)進行優(yōu)化。

2.3 目標實體化和表面網(wǎng)格化

在Pro/E中對模型表面進行表面網(wǎng)格化劃分[9]，可以使用Mechanica分析模塊。Mechanica模塊不能對沒有厚度的表面模型進行有限元分，因此必須先將模型轉(zhuǎn)變成實體模型。在“實體化”過程中，需要對曲面進行統(tǒng)一的參數(shù)化約束，尤其注意各曲面結(jié)合處，否則不能形成閉合曲面。

應用Pro/E軟件的FEM分析，選擇“邊界”進行表面網(wǎng)格劃分，選擇“控制”設置面元控制參數(shù)，并設置面元的類型是三角形四邊形，以及優(yōu)化步驟。點擊創(chuàng)建網(wǎng)格，形成的目標有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

網(wǎng)格面元的尺寸可以自由設置，方便修改，并且可以對不同目標的不同部位設置不同的面元大小。在曲率大的部位設置小面元提高仿真精度，在曲率小的部位設置大面元提高仿真速度。

2.4 模型的轉(zhuǎn)換

對模型表面進行有限元劃分后，可以生成包含表面面元信息的FNF文件。但此文件并不適合直接用于引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真計算，F(xiàn)NF文件中包含了目標外形的拓撲結(jié)構(gòu)。例如，在FNF文件的ELEM_TYPES部分包含了ELEM_TYPE (ETP) 指令，其中SHELL (SHL)，用于三角形和四邊形元素描述在目標外形模型中的三角形和四邊形。但還包含很多冗余信息，同時缺少目標表面材料的電磁散射系數(shù)等屬性信息。這就需要對FNF文件進行處理，提取出仿真需要的面元信息，產(chǎn)生滿足引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真匹配的目標模型格式文件。生成的F-35A精細化模型如圖4所示。

2.5 模型的校驗與優(yōu)化

建立的模型是否能滿足目標電磁散射特性仿真要求，需要進行仔細的校驗和優(yōu)化并增加目標材料電磁散射系數(shù)屬性等信息。例如，F(xiàn)-35A飛機復合材料結(jié)構(gòu)占30%， F-35的翼面采用單塊式結(jié)構(gòu)、將機翼和機身集成為一體，減少了許多接頭和連接件，機翼上下蒙皮采用傳統(tǒng)的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料。垂尾和水平尾翼采用鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)。由于并不知道目標飛機真實材料的散射系數(shù)，可以先采用全金屬模型進行計算，然后對國內(nèi)已知的復合材料進行測試得到散射系數(shù)后，采用比對的方式進行計算和仿真，不斷優(yōu)化模型。其次，還要對面元的大小對仿真的精度和效率的影響進行分析，優(yōu)化面元大小。

3 引信仿真應用

建立了精細化的目標模型，就可以進行引信仿真應用。采用面元法并利用物理光學法和改進的等效電磁流方法，計算某交會條件下引信對F-35A飛機的動態(tài)RCS。如圖5所示。

采用Pro/E建立的目標模型，可以應用于引信虛擬試驗的視景仿真[10]，在表面模型內(nèi)部增加易損性模型，還可以分析引信對目標的引戰(zhàn)配合和毀傷效果[11]。

4 結(jié)論

本文對引信仿真中的目標建模進行了論述，重點研究了基于Pro/E軟件的目標建模方法，提取目標三視圖中特征點信息，采用混合曲面建模重構(gòu)目標三維模型，并實現(xiàn)表面自適應網(wǎng)格劃分，該方法可以快速高效建立各種目標模型，這對研究引信對不同目標的啟動特性和引戰(zhàn)配合以及毀傷效果，優(yōu)化引信設計起到了較好的作用。該方法還可以擴展應用于其他目標建模，提高仿真結(jié)果的置信度，降低試驗費用。

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