滕小虎

（中國人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

紅外目標(biāo)特性研究表明，真實(shí)目標(biāo)的紅外特性受到很多因素的影響。這些因素包括光譜發(fā)射率、空間/體積輻射亮度分布、鏡面反射、反射的直射陽光、反射的環(huán)境光、大氣衰減等，都影響了目標(biāo)瞬時特性。此外，作為包括暴曬、內(nèi)部熱源、氣動加熱（空中目標(biāo)）、導(dǎo)熱、對流和輻射等熱平衡的結(jié)果，目標(biāo)紅外特性隨作用在目標(biāo)上的內(nèi)部和外部影響會有動態(tài)變化。現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)有許多復(fù)雜的傳感器配套器件，性能取決于多種因素。在仿真過程中準(zhǔn)確地描述紅外目標(biāo)特性，渲染方程必須考慮到所有的影響因素。精確的基于物理模型的成像仿真系統(tǒng)可以極大地提高光學(xué)傳感器系統(tǒng)的開發(fā)效率。使用建模和仿真系統(tǒng)可以減少設(shè)計與研制的風(fēng)險、降低費(fèi)用并縮短開發(fā)周期。

2 OSSIM系統(tǒng)介紹

光電場景模擬器（Optronic Scene Simulator，OS?SIM）自2004年起開始研制，基于Denel內(nèi)部自1990年起開發(fā)的第一代紅外仿真系統(tǒng)（Simulation for In?frared System，SIMIS），之后又使用先進(jìn)C++技術(shù)完整地進(jìn)行了重寫。OSSIM是第二代場景模擬器，可以在可見光和紅外頻段（覆蓋0.4μm～20μm頻譜范圍）生成任意復(fù)雜場景的合成圖像。OSSIM的主要應(yīng)用包括以下領(lǐng)域的開發(fā)、優(yōu)化和性能預(yù)測：1）導(dǎo)彈導(dǎo)引頭傳感器和熱成像系統(tǒng)；2）信號和圖像處理算法；3）傳感器算法；4）導(dǎo)彈導(dǎo)引頭對抗。OS?SIM也被用于：1）飛行測試準(zhǔn)備；2）實(shí)時圖像的半實(shí)物仿真；3）紅外特性建模研究。

2.1 模型和方程

OSSIM系統(tǒng)以一系列平面、凸面或多邊形組成的三維復(fù)雜形狀，描述了目標(biāo)的幾何形狀與地面的地形，每個多邊形均分配了光譜輻射度屬性、時變空間材質(zhì)屬性和輻射度屬性。多邊形也可部分透明，以表示氣體云、干擾彈或飛機(jī)尾跡，使用熱平衡方程計算目標(biāo)和地形輻射的溫度，特性輻射的主要貢獻(xiàn)者如式（1）所示，變量的定義如圖1。

圖1 OSSIM輻射度特性（變量定義見表1）的主要貢獻(xiàn)源

2.2 光學(xué)特性的渲染

精確的場景建模需要場景中所有目標(biāo)反射、發(fā)射和傳輸輻射亮度成分計算，并確保在完整工作頻段內(nèi)的精度。反射太陽輻射在短波區(qū)域占主導(dǎo)地位，而發(fā)射的輻射在長波區(qū)域內(nèi)更突出一些。目標(biāo)自身的光學(xué)特征影響特性，同時特性還受到周圍物體的影響。大氣對目標(biāo)輻射的衰減和對目標(biāo)輻射增加的路徑輻射顯著地影響了特性。

特性渲染系統(tǒng)一般作為大應(yīng)用系統(tǒng)的組成部分，關(guān)鍵的要求是：1）輻射度精度使用基于物理的、光譜輻射度浮點(diǎn)圖像計算，典型覆蓋頻段范圍為0.4μm～20μm；2）精確的目標(biāo)特性，包括自發(fā)輻射、反射和透射的太陽光、環(huán)境和天空輻射亮度；3）精確大氣路徑上光譜輻射亮度和透射比；4）支持多種不同的環(huán)境條件；5）精確的系統(tǒng)模型（傳感器，信號處理，萬向頭，導(dǎo)彈空氣動力和飛行性能）；6）全三維世界，目標(biāo)可以在其中進(jìn)行六自由度運(yùn)動：保持靜止，在地面運(yùn)動或是在空間飛行。

圖2 校核和驗(yàn)證流程

2.3 校核和驗(yàn)證

任何仿真系統(tǒng)的應(yīng)用都是以用仿真試驗(yàn)代替真實(shí)動態(tài)試驗(yàn)為目的，以真實(shí)動態(tài)測量來進(jìn)行校核和驗(yàn)證仿真模型為手段，希望仿真計算提供精確合理的結(jié)果，用于替代真實(shí)動態(tài)測量，最終達(dá)到盡量少的消耗試驗(yàn)資源，獲得目標(biāo)的全面特性數(shù)據(jù)。在仿真研究中確定模型的三個確切的元素：1）物理現(xiàn)實(shí)模型；2）概念模型；3）仿真實(shí)現(xiàn)模型。圖2給出了這三個基本元素的關(guān)系。

在基于場景復(fù)雜的仿真設(shè)備環(huán)境下，場景描述的精度決定著模型的正確解釋和執(zhí)行：首先，在實(shí)際測量期間的場景數(shù)據(jù)必須加以說明；其次，概念模型的參數(shù)必須是基于真實(shí)世界物理過程現(xiàn)實(shí)存在；最后，用于設(shè)置計算模型的場景參數(shù)必須是適用于真實(shí)場景。OSSIM系統(tǒng)的仿真建模的程序確保了概念模型合理地表現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)，將仿真的結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)的真實(shí)觀測結(jié)果進(jìn)行對比并依據(jù)其進(jìn)行驗(yàn)證。

3 OSSIM仿真應(yīng)用

3.1 導(dǎo)彈對抗紅外場景仿真實(shí)現(xiàn)概述

OSSIM使用有限差分方程庫來建立控制系統(tǒng)、飛行動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)的運(yùn)動模型。對于紅外導(dǎo)彈對抗（圖3），用戶模塊由描述多種子系統(tǒng)的模型組成，這些模型包括：傳感器部件，圖像處理，機(jī)械萬向節(jié)，以及導(dǎo)彈動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)。萬向節(jié)模塊描述了萬向節(jié)機(jī)械特性、慣性和機(jī)械角度傳感器、傳感器平臺動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)以及穩(wěn)定和跟蹤控制系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)保持目標(biāo)在傳感器視場的中心，并將目標(biāo)視線速度作為輸出。導(dǎo)彈模塊使用目標(biāo)視線速度來決定制導(dǎo)命令并相應(yīng)調(diào)整導(dǎo)彈在空中的位置和姿態(tài)。

圖3 紅外導(dǎo)彈仿真模型組成

圖像渲染器從數(shù)據(jù)庫中提取三維場景數(shù)據(jù)，并同時在多頻段上渲染二維理想“高分辨”圖像。傳感器部件模塊模擬了傳感器硬件系統(tǒng)，視場，虛光和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，機(jī)械圖像掃描，探測器類型，探測器噪聲和焦平面處理，電子信號傳遞函數(shù)，以及處理時間延遲。圖像處理器模塊處理探測器信號或圖像以確定用于目標(biāo)引導(dǎo)和跟蹤的誤差信號。典型的處理包括探測算法，自動目標(biāo)識別算法，自動跟蹤算法，抗干擾算法和控制算法。

3.2 導(dǎo)彈對抗紅外場景仿真開發(fā)重點(diǎn)

在OSSIM系統(tǒng)仿真過程中，傳感器模型依據(jù)傳感器硬件成像器工藝，將高分辨率圖像變換為場景圖像。仿真支持多種傳感器類型的建模，傳感器模型的輸出信號或圖像作為導(dǎo)彈圖像處理器的輸入。成像傳感器包含一般由振蕩或旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件組成的機(jī)械掃描器。該模型模擬了光學(xué)系統(tǒng)、探測器和焦平面處理器以及原始的信號處理，通過變化瞬時觀察角同步在仿真中建模的掃描器的機(jī)械運(yùn)動及電子器件的信號采樣獲得圖像構(gòu)成。

3.2.1 傳感器算法開發(fā)

現(xiàn)代紅外傳感器使用復(fù)雜控制和校正算法以獲得需要的性能。在成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的開發(fā)中，在首個硬件完成或測試以前，就開發(fā)并在仿真環(huán)境中評估了傳感器NUC、DCS和AGC算法。圖4給出了用于線性矢量掃描成像器的NUC和DCS校正算法的作用。為確保最優(yōu)的和有效的算法開發(fā)，傳感器模型必須精確地考慮設(shè)計和實(shí)現(xiàn)中的微小的細(xì)節(jié)。

圖4 在DCS和NUC之前的（上），經(jīng)DCS處理后（中），和經(jīng)DCS和NUC處理后的多云天空的傳感器成像（下）

3.2.2 傳感器硬件開發(fā)

詳細(xì)的傳感器仿真模型的一個重要優(yōu)勢是深入“傳感器電路”的信號可以在仿真中被方便地監(jiān)測，例如，探測器電流或其它在焦平面處理器中的信號。很多這種信號的測量在硬件中是不可能的。仿真提供了深入了解和提升對硬件理解的環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室中注意到的缺點(diǎn)和缺陷，常常通過比較仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測量來跟蹤。一個例子就是傳感器中的噪聲性能優(yōu)化。仿真模型為硬件開發(fā)者提供了實(shí)際的預(yù)期傳感器背景噪聲等級。使用三維噪聲分析架構(gòu)作為噪聲性能測量工具。該預(yù)估噪底作為硬件噪聲抑制工作的明確目標(biāo)。

3.2.3 導(dǎo)引頭防護(hù)罩熱流模型

在超聲速導(dǎo)彈飛行中，導(dǎo)引頭防護(hù)罩前方空氣被壓縮加熱，空氣中的CO2變成重要的中紅外輻射源，OSSIM系統(tǒng)應(yīng)用Bernstein給出的CO2頻段輻射模型相來預(yù)測防護(hù)罩加熱情況。圖5中的左上圖給出了在模擬飛行中的防護(hù)罩和壓縮空氣溫度的變化；輻射源的通量貢獻(xiàn)見左下圖；在高馬赫數(shù)時探測器電流的增加如右上圖所示；掃描器運(yùn)動期間圖像漸變情況如右下圖所示。

圖5 模擬的超聲速導(dǎo)彈飛行的傳感器模型

3.2.4 圖像處理算法開發(fā)

OSSIM最全面的應(yīng)用是用于導(dǎo)彈成像導(dǎo)引頭的圖像和信息處理算法的開發(fā)方面。詳細(xì)的傳感器模型生成接近真實(shí)硬件傳感器成像的圖像。在閉環(huán)六自由度仿真中開發(fā)目標(biāo)探測、跟蹤和抗干擾算法，并在數(shù)千次模擬導(dǎo)彈飛行中進(jìn)行評估和優(yōu)化。在廣泛多樣的場景、背景雜波條件、飛行條件、目標(biāo)部署和對抗項(xiàng)目中評估算法。對真實(shí)目標(biāo)的導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)表明算法性能與在仿真中觀察到的完全一致。

3.3 導(dǎo)彈對抗紅外場景仿真示例

在仿真中，導(dǎo)彈模型實(shí)現(xiàn)計算調(diào)制盤上圖像的算法，然后旋轉(zhuǎn)或拖動圖像越過調(diào)制盤模式，計算瞬時探測器電流。通過在導(dǎo)彈的飛行中不斷重復(fù)依據(jù)導(dǎo)彈信號處理探測器的信號，導(dǎo)彈被制導(dǎo)飛向飛行器。由于導(dǎo)彈可以在地面上任何位置向飛行器發(fā)起攻擊，有必要對與攻擊導(dǎo)彈的距離和接近路線相關(guān)的干擾彈分配管理進(jìn)行優(yōu)化。

通過模擬導(dǎo)彈相對飛機(jī)以不同方位角θ和距離R發(fā)射，使用數(shù)千次仿真來評估干擾彈頻譜特性、發(fā)射方向和干擾彈順序安排的影響。圖6給出了一個弱點(diǎn)結(jié)果的例子。圖中的每一個點(diǎn)表示從該位置處發(fā)射的一枚導(dǎo)彈。如果對抗是有效的，能夠欺騙導(dǎo)彈遠(yuǎn)離飛行器，脫靶距離很大，如果導(dǎo)彈離飛行器很近經(jīng)過，飛行器就是易受攻擊的。目的是最大化深灰區(qū)域并最小化淺灰區(qū)域。一旦策略在仿真中被優(yōu)化，就必須通過實(shí)際測試進(jìn)行驗(yàn)證。一些測試點(diǎn)的結(jié)果必然將與仿真不符，需要進(jìn)一步的模型改進(jìn)以及程序的重新設(shè)計。

圖6 飛行器弱點(diǎn)結(jié)果

4 結(jié)語

要評估出于安全或成本考慮而無法進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)的場景下的系統(tǒng)性能，仿真是唯一的手段?，F(xiàn)代成像系統(tǒng)的復(fù)雜性要求一個綜合的仿真環(huán)境，在其中傳感器、環(huán)境和目標(biāo)的相互作用可以在不同的環(huán)境條件和多種場景中被建模、研究和評估。OSSIM仿真系統(tǒng)的廣泛使用總可使風(fēng)險降低、成本下降，并縮短了開發(fā)時間規(guī)模。OSSIM仿真系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于一些項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)準(zhǔn)備中，對飛行測試的優(yōu)化和風(fēng)險降低有重大貢獻(xiàn)。