基于虛幻引擎的紅外成像激光對(duì)抗模擬系統(tǒng)

鐘 強(qiáng),何衡湘,唐 鈺,賈榮華,李玲慧

(西南技術(shù)物理研究所,成都 610041,中國(guó))

0 引 言

紅外成像由于其全天候工作特性,廣泛應(yīng)用于光電偵察與精確制導(dǎo)領(lǐng)域[1-2]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光定向壓制干擾逐漸成為紅外成像系統(tǒng)的主要對(duì)抗手段[3]。紅外成像探測(cè)器在受到激光干擾時(shí),會(huì)在圖像中形成形狀各異的高亮度光斑,使得成像系統(tǒng)無法正常識(shí)別與捕獲目標(biāo)。在模擬其激光干擾效果時(shí),通?？刹捎脭?shù)字仿真的方法[4-8]。目前的仿真大多基于干擾功率的調(diào)整,只能得到激光干擾光斑的面積大小對(duì)比,未加入場(chǎng)景模擬,無法映射光斑面積與干擾距離、成像視場(chǎng)等的關(guān)系。在紅外場(chǎng)景仿真方面,主要是以視景仿真軟件為主,開展目標(biāo)與場(chǎng)景的紅外成像模擬[9-12],其視景范圍較小,且在場(chǎng)景渲染效果上不夠真實(shí)。

虛幻引擎最早作為游戲開發(fā)引擎而面世,是一款高效、全能的實(shí)時(shí)渲染引擎,獨(dú)有的藍(lán)圖可視化腳本系統(tǒng)能極大地提高開發(fā)效率,加上其強(qiáng)大的模型與場(chǎng)景編輯、渲染功能,可用于紅外成像干擾方面的仿真與模擬。本文作者利用虛幻引擎構(gòu)建紅外成像激光對(duì)抗模擬系統(tǒng),將激光干擾效果可視化、場(chǎng)景化,實(shí)現(xiàn)高逼真度的紅外成像激光對(duì)抗模擬。

1 紅外成像模擬

1.1 場(chǎng)景設(shè)置

在虛幻引擎中導(dǎo)入場(chǎng)景、激光干擾源及紅外成像系統(tǒng)的模型,利用虛幻引擎的地形編輯功能,構(gòu)建出對(duì)抗場(chǎng)景。虛幻引擎默認(rèn)場(chǎng)景單位為cm,本系統(tǒng)場(chǎng)景尺寸大小600000 cm×600000 cm。虛幻引擎默認(rèn)坐標(biāo)軸系為(x,y,z),為絕對(duì)坐標(biāo)系。x軸正方向?yàn)榍胺?圍繞x軸旋轉(zhuǎn)為滾動(dòng);y軸正方向?yàn)橛曳?圍繞y軸旋轉(zhuǎn)為俯仰;z軸正方向?yàn)樯戏?圍繞z軸旋轉(zhuǎn)為偏轉(zhuǎn),下同。將場(chǎng)景位置坐標(biāo)設(shè)置為(0 cm,0 cm,0 cm),此時(shí)場(chǎng)景邊緣在x方向、y方向最小值為-300000 cm,最大值為300000 cm。場(chǎng)景整體選取為山區(qū),有較少植被覆蓋。由于地形高低起伏不規(guī)則,且有低洼處,場(chǎng)景設(shè)置位置坐標(biāo)后在z方向最小值為-3800 cm,最大值為24070 cm。場(chǎng)景中繪制彎曲環(huán)繞的公路,公路紋理材質(zhì)設(shè)置為柏油路。干擾源模型為輪式車輛,靜止放置于坐標(biāo)點(diǎn)(19872 cm,17078 cm,2454 cm),天氣設(shè)定為無云且有較強(qiáng)光照,最終得到場(chǎng)景效果圖見圖1。

圖1 場(chǎng)景效果圖Fig.1 Rendering of the scene

1.2 紅外成像模擬

自然界任一溫度高于絕對(duì)零度的物體時(shí)刻都在向外界輻射熱能,且輻射能的強(qiáng)弱與物體的表面材料屬性以及溫度都有直接的關(guān)系[13]。在紅外成像場(chǎng)景中,不同物體或同一物體的不同部位所表現(xiàn)出的紅外特征都存在差異[14]。在虛幻引擎中,通過設(shè)置冷熱成像的底色與表色,利用場(chǎng)景深度與物體的自定義深度進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)物體與場(chǎng)景的紅外成像。可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)紅外成像的模擬:(a)創(chuàng)建紅外成像材質(zhì)、材質(zhì)實(shí)例以及紅外成像用戶界面,將紅外成像材質(zhì)實(shí)例拖入到紅外成像用戶界面中;(b)添加控件組件,將其選擇為創(chuàng)建好的紅外成像用戶界面;(c)創(chuàng)建紅外成像渲染材質(zhì),將材質(zhì)域設(shè)置為“后期處理”,編輯紅外成像渲染材質(zhì)藍(lán)圖,創(chuàng)建紅外成像渲染材質(zhì)實(shí)例,紅外成像渲染材質(zhì)實(shí)現(xiàn)原理見圖2;(d)紅外成像系統(tǒng)藍(lán)圖中添加“場(chǎng)景捕獲組件2D”,將紋理目標(biāo)設(shè)置為成像紋理,后期處理材質(zhì)中添加熱成像渲染實(shí)例。

圖2 紅外成像渲染材質(zhì)實(shí)現(xiàn)原理Fig.2 Implementation principle of infrared imaging rendering materials

接下來設(shè)置干擾源及紅外成像系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)定紅外成像系統(tǒng)視場(chǎng)為8°,分辨率為640×480,在場(chǎng)景中的初始位置為(50052 cm,-37695 cm,34193 cm)。調(diào)節(jié)紅外成像系統(tǒng)指向信息為(2.88°,-25.85°,119.2°),虛幻引擎默認(rèn)指向軸系為(滾動(dòng),俯仰,偏轉(zhuǎn)),下同。干擾源位置不變,坐標(biāo)保持(19872 cm,17078 cm,2454 cm),將其輪胎及發(fā)動(dòng)機(jī)艙等部位模型的自定義深度通道勾選,模擬熱成像,運(yùn)行系統(tǒng),得到紅外成像效果圖,如圖3所示。

圖3 紅外成像效果圖Fig.3 Rendering of infrared imaging

2 激光干擾模型構(gòu)建

激光對(duì)紅外成像系統(tǒng)干擾的機(jī)理實(shí)質(zhì)上是利用激光能量來輻照紅外成像系統(tǒng)的探測(cè)器,在圖像上形成形狀各異的飽和亮斑[15]。亮斑的大小與到達(dá)探測(cè)器靶面的激光功率密度以及探測(cè)器單像元飽和時(shí)的激光功率密度有關(guān)[16-17]。激光傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 激光傳輸示意圖Fig.4 Laser transmission diagram

根據(jù)干擾激光的發(fā)射功率P和束散角Θ,可計(jì)算出激光到達(dá)被干擾目標(biāo)探測(cè)器靶面的功率密度ρ(W/cm2):

(1)

式中:ρ為功率寬度(W/cm2);P為干擾激光功率(W);τ1為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的透過率;τ2為干擾激光單程傳輸?shù)拇髿馔高^率;θ為激光光軸對(duì)紅外成像系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)角(°);L為干擾距離(m);Θ為激光束散角(mrad);D為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;d為激光在探測(cè)器上的彌散斑;D2/d2為光學(xué)系統(tǒng)的增益。

激光單程傳輸?shù)拇髿馔高^率,計(jì)算方法[18]見下:

τ2=exp(-β×L)

(2)

β=(3.91/V)(0.55/λ)p

(3)

式中:β為大氣衰減系數(shù);L為干擾距離(km);V為能見度(km);λ為干擾激光波長(zhǎng)(μm);p是與V有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),V<6 km時(shí),p=0.585V1/3;V≥6 km時(shí),p=1.3。

激光光斑飽和區(qū)域半徑r與到探測(cè)器靶面功率密度的關(guān)系[19]見下:

(4)

式中:ρ0為單像元飽和時(shí)的激光功率密度閾值。

3 激光對(duì)抗模擬

通過激光干擾模型模擬生成激光光斑。激光光斑在虛幻引擎中實(shí)質(zhì)是粒子系統(tǒng),其輻射區(qū)域大小由接收到的幅值信息即激光光斑飽和區(qū)域半徑?jīng)Q定。激光對(duì)抗模擬時(shí),干擾源始終保持靜止?fàn)顟B(tài),其坐標(biāo)位置不變,為(19872 cm,17078 cm,2454 cm)。調(diào)整紅外成像系統(tǒng)的位置、視場(chǎng)角及指向信息,完成不同距離、不同視場(chǎng)以及干擾激光不同入射角度的激光對(duì)抗模擬。模擬時(shí)干擾源激光發(fā)射功率、束散角均保持不變。

3.1 不同距離的對(duì)抗模擬

紅外成像系統(tǒng)設(shè)置視場(chǎng)角為8°,持續(xù)向干擾源逼近,干擾源保持在視場(chǎng)中心位置附近。取逼近過程中的紅外成像系統(tǒng)3個(gè)位置坐標(biāo),干擾源向目標(biāo)發(fā)射激光,將不同距離下干擾前后成像效果進(jìn)行對(duì)比分析,效果圖見圖5。

圖5 不同距離下激光對(duì)抗模擬Fig.5 Laser countermeasure simulation at different distances

模擬結(jié)果表明,隨著干擾距離的減小,到達(dá)探測(cè)器表面的激光功率密度增加,激光光斑飽和區(qū)域半徑相應(yīng)增大,即干擾光斑的面積變大。

3.2 不同視場(chǎng)的對(duì)抗模擬

將紅外成像系統(tǒng)位置調(diào)整為(-52310 cm,189867 cm,279673 cm),指向信息調(diào)整為(3.27°,-56.0°,-66.8°),視場(chǎng)角設(shè)置為8°、6°和4°,干擾源保持在視場(chǎng)中心位置附近。干擾源向目標(biāo)發(fā)射激光,將不同視場(chǎng)條件下干擾前后成像效果進(jìn)行對(duì)比分析,效果圖見圖6。

圖6 不同視場(chǎng)下激光對(duì)抗模擬Fig.6 Laser countermeasure simulation in different fields of view

模擬結(jié)果表明,隨著視場(chǎng)角的縮小,紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)增益隨之增大,到達(dá)探測(cè)器表面的激光功率密度增加,激光光斑飽和區(qū)域半徑r相應(yīng)增大,即干擾光斑的面積變大。

3.3 不同入射角度的對(duì)抗模擬

將紅外成像系統(tǒng)位置調(diào)整為(-50042 cm,205575 cm,229543 cm),視場(chǎng)角設(shè)置為8°,調(diào)整紅外成像系統(tǒng)指向信息,將干擾源成像在視場(chǎng)中心、右上角及左側(cè)中部位置。干擾源向目標(biāo)發(fā)射激光,將干擾前后成像效果進(jìn)行對(duì)比分析,效果圖見圖7。

圖7 不同入射角度下激光對(duì)抗模擬Fig.7 Laser countermeasure simulation at different laser incident angles

模擬結(jié)果表明,在干擾距離及視場(chǎng)角不變的情況下,調(diào)整紅外成像系統(tǒng)指向,干擾源出現(xiàn)在紅外成像系統(tǒng)視場(chǎng)的不同位置,此時(shí)激光入射角度在±4°范圍內(nèi)變化,但這幾乎不影響到達(dá)探測(cè)器表面的功率密度,干擾光斑面積也幾乎沒有變化,這一現(xiàn)象符合干擾光斑的空間平移不變性[20]。

4 結(jié) 論

以虛幻引擎作為開發(fā)工具,完成紅外成像激光對(duì)抗的干擾效果模擬。本系統(tǒng)作為光電對(duì)抗仿真模擬基礎(chǔ)平臺(tái),集成了大氣透過率模型,當(dāng)增加對(duì)抗目標(biāo)的紅外輻射特性后,可用于光電對(duì)抗裝備對(duì)紅外目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤仿真,系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng),為光電對(duì)抗虛擬仿真研究提供了新的途徑。

下一步可將紅外制導(dǎo)模型加入到系統(tǒng)中,構(gòu)成一個(gè)集探測(cè)、識(shí)別、捕獲、對(duì)抗以及評(píng)估為一體的全閉環(huán)動(dòng)態(tài)對(duì)抗模擬系統(tǒng),具有較廣闊的應(yīng)用前景。