0 引言
作战仿真是近年来军事领域变革的技术支柱之一,利用作战仿真模拟海战环境、重现对抗过程已经成为海战体系仿真、武器装备研制论证以及作战效能评估的重要手段[1-2]。20世纪70年代开始,欧美等国就提高了对红外成像作战仿真的重视度,美国是红外成像仿真技术的发源地,技术已应用于海湾战争、伊拉克战争以及日常的作战演练等,其余各国也各自研发了具备红外成像仿真的软件,如法国的SE-Workbench[3]、加拿大的ShipIR/NTCS[4]等。
国内作战仿真技术起步较晚[5],关于导引头的红外成像仿真技术研究还比较欠缺。娄树理等[6]根据红外物理和传热学知识完成了基于OpenGL的舰船目标红外图像模拟。陈青华等[7]基于Multigen Creator和Vega实现了舰船目标的红外辐射计算。钟国雳等[8]提出了一种基于JRM的战场环境红外图像生成方法。
这些研究多数是针对目标的静态红外辐射特征分析,关于作战仿真中导引头高速飞行状态下红外成像技术的研究还较少。针对上述问题,本文中基于国产数字地球仿真引擎提出了在作战仿真过程中的导引头红外实时成像过程模拟方法,为海面作战对抗仿真提供技术支撑。
1 舰船红外辐射特性建模
现代战争中,舰船是红外成像制导导弹的主要打击目标之一[9],本文中以海面舰船为目标进行导引头红外成像技术的研究。通过对舰船的自身辐射、背景辐射、内热源导热、面元间的热量传导和对流换热进行分析[10],建立热平衡方程并进行离散和数值求解得到舰船的温度分布和辐射亮度分布。
1.1 舰船温度分布建模
对于海面场景下舰船任一部位面元i的红外辐射都分为自身的红外辐射和对背景环境辐射的反射,假设舰船表面为灰体,则面元i自身的红外辐射可表示为
(1)
式(1)中:εi为舰船表面材质发射率,σ为黑体辐射常数,Ti为面元的表面温度。
面元i的背景环境辐射主要来自太阳辐射Esun,i、天空辐射Esky,i、海洋辐射Esea,i以及自身其他面元的辐射Eother,i,可表示为
Eenv,i=Esun,i+Esky,i+Esea,i+Eother,i
(2)
忽略隔热层的横向导热,舰船内热源对面元i的影响可表示为
(3)
式(3)中:Ai为面元i的面积,Tin为舰船舱内温度,di为面元i隔热层厚度,ki隔热层导热系数,hin为舱内对流系数。
面元i与相邻面元间存在热量传导,表示为
(4)
式(4)中:λ为材料导热率,unear,i为相邻面元的公共边长,Lnear,i为相邻面元中心点间的距离,Tnear表示相邻面元温度。
考虑舰船表面与空气有对流换热,表示为
Qconv,i=Aihi(Ti-Tout)
(5)
式(5)中:hi为对流换热系数,Tout为外表面空气温度。
假设面元处于热稳态,可得面元i热平衡方程[11-12]:
Qin,i+Qcond,i+Qconv,i+Eenv,i-Eself,i=0
(6)
以上建立了舰船温度分布模型,通过上述计算可得到舰船表面任一面元的温度。
1.2 辐射亮度计算建模
对所有面元联立热平衡方程求解得到舰船各面元温度,根据普朗克公式计算面元i的辐射亮度为
(7)
式(7)中:λ1和λ2为红外波段辐射积分上下限,c1为第1辐射常数,值取3.741 832×10-16 W·m2,c2为第2辐射常数,值取1.438 786×10-2 m·K。
以上建立了舰船辐射亮度计算模型,通过上述计算可得到舰船表面任一面元的零视距辐射亮度。
2 导引头动态成像过程建模
在作战仿真过程中,导弹的运动是高速而复杂的,涉及到弹目距离、视场角等多个参数的实时变化,同时导引头视场也随着导弹运动而不断更新,因此,为了更加准确地模拟导引头视场和红外图像,需要建立导引头动态成像过程模型,主要分为动态视场模型和动态成像模型两部分。
2.1 动态视场模型
红外成像导引头获取到的图像是以导引头为本地坐标系的第一人称视角图像,导引头在飞行过程中位置和姿态一直在发生变化,视线坐标系与场景坐标系关系如图1所示。
图1 坐标系关系
Fig.1 Coordinate system diagram
其中,Dx1y1z1表示场景坐标系;Mx2y2z2表示弹体坐标系;Oxyz表示红外成像导引头视线坐标系[13]。
假设初始时刻弹体无偏转,弹体各轴均平行于场景坐标系,当弹体发生偏转时,场景坐标系与弹体坐标系之间转换关系如下
LD→M=
(8)
式(8)中:υ为弹体俯仰角,ψ为弹体偏航角,γ为弹体滚转角。当红外成像导引头瞄准方向发生变化时,弹体坐标与视线坐标系之间的转换关系如下
(9)
式(9)中:θy为视线的空间方位角,θz为视线的空间俯仰角。
通过动态视场模型,可以获取到导引头与目标之间的距离、方位以及视场角。
2.2 红外成像模型
通过上述计算得到了舰船表面任一面元的辐射亮度,但在实际情况下,红外成像导引头接收到的辐射亮度并不是目标场景的直接辐射亮度,还需要考虑大气传输的影响,主要分为大气透过率对目标辐射的衰减和大气程辐射对目标辐射的增强[14] 2部分。将海面视为均匀的漫射灰体,天空视为覆盖在地平面上的穹顶,则目标场景到达导引头的红外辐射计算公式为
Lseeker,i=Li(Ti)·τpath+Latmo
(10)
式(10)中: Li(Ti)为面元i的零视距红外辐射亮度,τpath为目标场景到导引头探测器距离为path时的场景大气透过率,Latmo为大气程辐射。
红外图像的本质是灰度图像,因此要将计算出的导引头接收到的辐射亮度转换为图像不同部位的灰度等级。本文采用均匀量化[15-16]的方式,对导引头接收到的辐射亮度Lseeker与生成图像的灰度Gs进行线性转换,其转换关系如下
Gs=
(11)
式(11)中:Lmax为计算出的导引头接收到的辐射亮度最大值,Lmin为计算出的导引头接收到的辐射亮度最小值,Gmax为定义的最大灰度值,Gmin为定义的最小灰度值,本文Gmax取250,Gmin取0。
通过红外成像模型,可以得到面元在导引头生成的图像中对应的灰度等级。
3 导引头红外成像过程模拟流程
以海上作战对抗为背景,本文中设计红方多枚导弹攻击蓝方舰艇的作战想定。蓝方为一艘巡洋舰和一艘导弹驱逐舰组成的海面编队,其中巡洋舰静止在经度为118.692 5、纬度为22.577 8的海面上,导弹驱逐舰在经度为118.880 3、纬度为23.217 5的海面上,导弹驱逐舰配备一定的防空导弹对来袭反舰导弹进行拦截。红方得到对蓝方巡洋舰的攻击命令后发射了3枚红外成像制导的反舰导弹担任探测结果图像采集和攻击水面舰船的任务,导引头红外成像过程模拟流程如图2所示。
图2 导引头红外成像过程模拟流程
Fig.2 Seeker infrared imaging process simulation flow chart
3.1 实体建模与参数设置
作战仿真中,实体三维模型一般是使用专业的三维建模软件3ds max[17]进行构建,本文中以某舰船为目标,采用模块化的方法建立目标三维模型并进行网格划分,由于舰船结构复杂,对红外成像导引头来说很多结构是不影响探测的,可以将舰船结构简化为船体、前后甲板、烟囱、建筑部分和水下部分5部分,不同部分采用不同的面元划分,同时赋予各部分面元相应材质和红外纹理,通过数字地球自带的平台导出插件EOEMax生成.mesh模型文件、.scene场景文件、.material材质脚本文件和.DDS红外纹理文件,图3所示为该舰船网格划分后的三维模型。
图3 舰船三维模型
Fig.3 Three-dimensional ship model
参数设置主要是对仿真实体的相关参数进行设置,包括导弹的ID、发射角、方位角、常值俯仰角、发射点坐标、目标点坐标等,图4为弹道解算模块的参数设置界面。
图4 导弹的参数设置界面
Fig.4 Missile parameter setting interface
3.2 仿真引擎及场景选择
本次开发选择数字地球[18]仿真引擎作为导引头红外成像过程模拟的仿真引擎,数字地球仿真引擎是国内领先的三维数据和地理信息(GIS)集成的仿真引擎,组合了三维仿真软件与GIS软件的优势,不仅具有地理信息宏观地理数据的展示能力和虚拟现实的精致表现与交互能力,而且还具有视景功能齐全、自定义界面、国产化等特点。基于数字地球,选择南部某海域作为对抗仿真场景,设置自然环境、天气状况、海水参数、地形参数、可见范围等大气环境参数,表1为本次仿真大气环境参数设置。
表1 大气环境参数
Table 1 Atmospheric environmental parameters
参数值参数值大气模式标准大气天气状况无风无云海面温度/K288.15空气温度/K293.15空气湿度/%70风速/(m·s-1)0海拔高度/m0
3.3 辐射亮度计算
辐射亮度计算模块主要功能是构建舰船温度能量场,计算出每个面元的温度和零视距辐射亮度。数字地球仿真引擎初始对场景数据和参数信息进行加载,遍历目标舰船所有面元顶点数据和关联的材质编号,根据材质编号获取到材质的反射率、发射率等信息。通过舰船温度分布模型建立所有面元的稳态热平衡方程,联立所有面元的热平衡方程通过迭代法计算每个面元的温度,再根据式(7)计算出目标舰船在仿真波长下的零视距辐射亮度。温度场的计算需要大量的计算资源和时间,可以预先计算该工况参数下的温度场数据并生成红外纹理保存在面元红外纹理文件中供仿真时调用。
3.4 动态成像实时显示
仿真过程中导弹的运动可以根据预先定义的弹道轨迹文件来改变,也可以将配置好的红蓝方导弹的参数文件导入弹道解算模块,对多条弹道进行实时计算并使用UDP 通讯将数据传输给数字地球实时驱动导弹飞行仿真,再通过动态视场模型计算实现自由视场到导引头视场的转换,生成导引头视场角和视场条件下所看到的图像,最后由红外成像模型将目标不同部位的零视距辐射亮度转换为红外图像的灰度等级,生成目标的红外灰度图像进行实时显示,表2为制定的导弹飞行UDP通讯协议内容。
表2 导弹飞行UDP通讯协议内容
Table 2 Atmospheric environmental parameters
序号名称单位类型示例1时间sint5212消息类型1int13实体id1int34经度°double118.692 55纬度°double22.577 86高度°double0.5137偏航°double125.4098俯仰°double26.0789滚转°double1.56410速度m/sdouble1 693.18211弹目距离kmdouble2.5
大气透过率和大气程辐射一般使用精度较高的大气传输计算软件计算,然而在作战仿真中,直接调用大气传输计算软件无法满足实时性要求,本文中使用MODTRAN模型[19]依据作战场景中设置的弹目数据和不同工况条件下的大气参数计算出导引头在不同位置点的大气透过率和大气程辐射值并构建数据库,仿真过程中通过数据库进行插值得到导引头在不同位置点的τpath和Latmo。
4 动态成像过程仿真与分析
4.1 海上作战对抗仿真系统的开发
本文中基于QT框架和数字地球仿真引擎开发了海上作战对抗仿真系统,实现了弹道实时计算、导弹姿态输出、作战视场切换和探测图像采集等功能,为后续的导引头动态成像研究提供了仿真场景。图5为设计的想定作战对抗场景,红色迹线为红方发射的反舰导弹弹道轨迹,蓝色迹线为蓝方导弹驱逐舰发射的拦截弹弹道轨迹。
图5 作战对抗场景
Fig.5 Operational confrontation scenario
4.2 不同弹目距离成像过程的仿真
图6为在一次作战仿真中不同弹目距离时的导引头红外成像仿真图像,L为弹目距离,全场景窗口为导弹运动过程的整体三维视景显示,小窗口为导引头的动态实时红外仿真图像。同时,用户界面以标签的形式显示了导引头的状态参数,使用者能直观了解到每个作战单元的相关信息,满足作战仿真的推演功能需求。
图6 不同弹目距离时的红外成像仿真图
Fig.6 Infrared imaging simulation of different missile distancein combat and confrontation scenes
从图6可以看到,随着导弹与舰船距离减少,目标舰船在导引头视场的所占范围越来越大,红外特性逐渐明显,不同部位灰度等级不同,整体灰度变亮,符合大气传输理论和实际成像规律。图7为本次仿真中弹目距离与舰船灰度值之间的变化关系图。从图7可知,导引头与目标之间的距离是影响导引头红外成像的一个重要因素。
图7 弹目距离与舰船灰度值的变化关系
Fig.7 The relation between missile distance and ship gray value
4.3 不同攻击方位成像过程仿真
设置其中一枚红外成像制导导弹的弹道轨迹,使之从不同方位攻击该巡洋舰,图8为弹目距离0.25 km时不同攻击方位的红外仿真图像。
图8 不同攻击方位的红外成像仿真图
Fig.8 Infrared imaging simulation of different attack azimuth
当从舰船正上方攻击时,导引头的视场中舰船红外辐射主要是前后甲板和建筑部分2部分,灰度分布比较集中。当从舰船侧向攻击时,导引头的视场中舰船部分面积增大,由于舰船船体与前后甲板和建筑部分温度不同,灰度分布范围也随之扩大,同时舰船整体红外辐射强度和投影区域较大,更易于目标的识别和制导。
5 结论
提出一种面向作战仿真的导引头动态成像过程模拟方法并开发海上作战对抗仿真系统进行效果验证。仿真实验表明,侧向是红外成像制导的反舰导弹攻击舰船的最佳方向。本文中方法能提供不同弹目距离、不同攻击方位的导引头红外仿真图像,有效实现导引头红外探测、信息回传及图像展示,可视化程度和可扩展性高,为红外成像导引头的作战仿真系统提供了仿真思路。
[1] 赵彬,宏皓.基于作战仿真技术的装备体系研究平台发展综述[J].电子技术与软件工程,2022(2):244-247.ZHAO Bin,HONG Hao.Review on the development of equipment system research platform based on combat simulation technology[J].Electronic Technology &Software Engineering,2022(2):244-247.
[2] 彭超,董献洲,徐浩,等.作战仿真本体构建研究[J].指挥控制与仿真,2022,44(1):72-78.PENG Chao,DONG Xianzhou,XU Hao,et al.Research on combat simulation ontology construction[J].Comm-and Control &Simulation,2022,44(1):72-78.
[3] TANG Y,YANG W,ZHAO G,et al.Analysis and evaluation for the robustness of feature detection algorithm in medium-wave infrared scene[J].Proceedings of Spie the International Society for Optical Engineering,2013.
[4] RAMASWAMY S,VAITEKUNAS D A.3D Flare particle model for shipIR/NTCS[C]//SPIE Conference on Infrared Imaging Systems:Design,Analysis,Modeling,and Testing.W.R.Davis Engineering Limited,1260 Old Innes Road,Ottawa,Ontario,Canada K1B 3V3,2016.
[5] 李晨阳,李立钢,杨震,等.基于三维场景的红外成像仿真框架及实现[J].计算机仿真,2020,37(7):248-252.LI Chenyang,LI Ligang,YANG Zhen,et al.Framework and implementation of infrared image simulation based on 3d scene[J].Computer Simulation,2020,37(7):248-252.
[6] 娄树理,董言治,周晓东.基于OpenGL的舰船目标红外图像生成[J].弹箭与制导学报,2007,27(5):71-74.LOU Shuli,DONG Yanzhi,ZHOU Xiaodong.IR image generation of warship based on OpenGL[J].Journal of Projectiles,Rockets,MissilesandGuidance,2007,27(5):71-74.
[7] 陈青华,谢晓方,李宗升,等.舰船目标红外视景仿真研究[J].红外与激光工程,2008,37(S2):413-416.CHEN Qinghua,XIE Xiaofang,LI Zongsheng,et al.Research on infrared scene simulation of ship targets[J].Infrared and Laser Engineering,2008,37(S2):413-416.
[8] 钟国雳,廖守亿,杨薪洁.基于JRM的战场环境红外图像实时生成技术[J].红外技术,2024,46(2):183-189.ZHONG Guoli,LIAO Shouyi,YANG Xinjie,et al.Real-time ir image generation technology of battlefield environment based on JRM[J].Infrared Technology,2024,46(2):183-189.
[9] MARIA S.WILLERS,CORNELIUS J.WILLERS,Key considerations in infrared simulations of the missile-aircraft engagement[C]//Technologies for Optical Countermeasures IX,2012,Proc.of SPIE Vol.8543,85430N.
[10] 杨敏,李敏,易亚星,等.基于OGRE的海面舰船目标红外仿真方法[J].激光与红外,2017(1):53-57.YANG Min,LI Min,YI Yaxing,et al.Infrared simulation of ship target on the sea based on OGRE[J].Laser &Infrared,2017(1):53-57.
[11] ROBIN SCHOEMAKER,RIC SCHLEIJPEN,Evaluation tools for the effectiveness of infrared countermeasures and signature reduction for ships[C]//Infrared Imaging Systems:Design,Analysis,Modeling,and Testing XXI,2010,Proc.of SPIE Vol.7662,76620Q.
[12] 梁英,肖卫国,王力,等.舰船目标红外辐射特性建模与仿真技术研究[C]//中国指挥控制大会.2014.LIANG Ying,XIAO Weiguo,WANG Li,et al.The research of modeling and simulation technology for the infrared radiation characteristics of ship target[C]//China Command and Control Congress,2014.
[13] LUISA D.FAIRFAX,FRANK E.FRESCONI.Position estimation for projectiles using low-cost sensors and flight dynamics[J].Journal of Aerospace Engineering,2014,27(3):611-620.
[14] 吴冬晖.基于多任务贝叶斯压缩感知的探地雷达成像算法[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2021,38(1):57-61.WU Donghui.Ground penetrating radar imaging algorithm based on multi task bayesian compressive sensing[J].Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2021,38(1):57-61.
[15] 李成,李建勋,童中翔,等.红外成像制导末端局部图像识别跟踪研究[J].兵工学报,2015,36(7):1213-1221.LI Cheng,LI Jianxun,TONG Zhongxiang,et al.Research on partial image recognition and tracking in infrared imaging terminal guidance[J].Acta Armamentarii,2015,36(7):1213-1221.
[16] 张思韬,汪鸿祎,王绪泉,等.一种应用于短波红外焦平面的大动态范围像素级ADC[J].半导体光电,2022,43(2):341-346.ZHANG Sitao,WANG Hongyi,WANG Xuquan,et al.A wide dynamic range pixel level ADC for short-wave irfpa[J].Semiconductor Optoelectronics,2022,43(2):341-346.
[17] 周方方,司斌,王晖,等.红外图像仿真的发展综述[J].航空兵器,2013(2):5-13.ZHOU Fangfang,SI Bin,WANG Hui,et al.Review for simulation system of infrared image[J].Aero Weaponry,2013(2):5-13.
[18] 张芝源.基于数字地球的反航母作战仿真技术研究[D].太原:中北大学,2022.ZHANG Zhiyuan.Research on simulation technology of anti aircraft carrier combat based on digital earth[D].Taiyuan:North University of China,2022.
[19] BELOV A M,MYASNIKOV V V.Atmospheric correction of hyperspectral images using aapproximate solution of MODTRAN transmittance equation[J].Computer Optics,2014,38(3):489-493.