凝视红外成像制导系统数学建模与仿真技术.pdf

凝视红外成像制导系统数学建模与仿真技术 第六图书馆 基于凝视红外成像制导工作的原理 论述了凝视红外成像末制导系统虚拟样机及其工作环境建模方法 介绍了红外成像制导仿真 系统数学软硬件环境和仿真方法 给出了初步的数学仿真结果 对开展凝视红外成像末制导系统技术研究具有指导意义 基于凝 视红外成像制导工作的原理 论述了凝视红外成像末制导系统虚拟样机及其工作环境建模方法 介绍了红外成像制导仿真系统数 学软硬件环境和仿真方法 给出了初步的数学仿真结果 对开展凝视红外成像末制导系统技术研究具有指导意义 红外成像制导 模型 仿真红外与激光工程陈澄 石静 费锦东中国航天科工集团二院二部 北京1008542007第六图书馆 第六图书馆 第 3 6巷 第 1 期 V0 1 3 6 No 1 红 外与 激光 工程 I n fra r e d a n d La s e r En g i n e e r i n g 2 0 0 7年 2月 F e b 2 0 0 7 凝视红外成像制导系统数学建模与仿真技术 陈澄 石静 费锦 东 中国航天科工集团 二院二部 北京 1 0 0 8 5 4 摘 要 基 于凝视 红 外成像 制 导 工 作 的原 理 论 述 了凝 视 红 外成 像 末制 导 系统 虚 拟样 机 及 其 工作 环境建模 方法 介绍了红外成像制导仿真 系统数学软硬件 环境和仿真方法 给 出了初步的数 学仿真结 果 对开展凝视红外成像末制导 系统技术研 究具有指导意义 关键 词 红外成 像 制导 模 型 仿 真 中图分类 号 T N 2 1 文献标 识码 A 文章 编号 l 0 0 7 2 2 7 6 2 1 1 7 0 1 0 0 1 8 0 5 M a t h e ma t i c s mo d e l i ng a n d s i mu l a t i o n t e c hn o l o g y f o r s t a r i n g I R i ma g i n g g ui d i n g s y s t e m CHEN Ch e n g S HI J i ng F EI J i n d o n g T h e 2 n d D e p a r t me n t o f t h e S e c o n d A c a d e my C h i n a A e r o s p a c e S c i e n c e a n d I n d u s t r y C o r p o r a t i o n Be i j i n g 1 0 0 8 5 4 Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n s t a r i n g I R i ma g i n g g u i d i n g wo r k p r i n c i p i u m t h e v i r t u a l s t a r i n g I R i ma g i n g g u i d i n g s y s t e m mo de l a n d the wo r k e n v i r o n me n t mo d e l i n g me tho d a r e d i s c u s s e d Th e n I R i ma g i n g g u i d i n g s i mu l a t i o n s ys t e m ma the ma t i c s e n v i r o n me n t o f h ard ware a n d s o f t ware i s i n t r o d u c e d F i n a l l y ma the ma t i c s i mu l a t i o n r e s u l t i s p r e s e n t e d The s e are s i g n i fic e n t f o r the r e s e arc h o f the s t a r i n g I R i ma g i n g g u i d i n g s y s t e m t e c h n o l o g y Ke y wo r d s l R i ma gi n g g u i d i n g M o d e l S i mu l a tio n 0 引言 凝视红外成像制导技术 的发展 使其应用越来越 广泛 如何对凝视红外成像末制导系统性能指标进行 合理地优化 对其 战术性能进行准确地评价 是 目前 凝视红外成像制导末制导系统技术研究 的一个热点 问题 国内外传统 的凝视红外成像末制导系统性能评 估方法有静态性能测试 动态性能测试 半实物仿真 试验 外场挂飞和跟飞 这些方法能够准确地对末制 导系统单项性能指标进行测试考核 但难以系统准确 地评价其战术性能 伴随当今数字虚拟技术 的发展 凝视红外成像末制导系统虚拟样机研究 日臻完善 利 用计算机数学仿真技术 能够更好地实现对末制导系 统指标优化和战术性能综合评价u 虚拟样机是对客观物理对象的模型化描述 文中 所论述 的虚拟样机是指基于凝视红外成像末制导系 统物理工作过程 的模型化描述 利用计算机仿 真手 段 将所建立的凝视红外成像末制导系统虚拟样机放 在一个数字虚拟工作环境 中 实现虚拟样机工作过程 的全数字模拟 评价其工作性能 高速飞行器凝视红 外成像末制导 系统 的工作 环境包括 目标背景干扰环 境 飞行状态环境和气动光学效应环境 从凝视红外成像末制导系统虚拟样机建模方法 凝视红外成像末制导系统工作环境建模方法 红外成 像末制导计算机数学仿真系统和数学仿真结果 与分 析等 四个方面来介绍凝视红外成像制导系统数学建 模与仿真技术 收稿 日期 2 0 0 6 0 8 1 1 修 订 日期 2 0 0 6 1 0 2 O 作者 简 介 陈 澄 1 9 7 9 一 男 江 苏江 阴人 工程 师 硕 士生 主 要从 事 气动 光学 和虚 拟样 机研 制 等方 面 的研究 E ma i l c c p l a y 1 2 6 c o m 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第1期 陈 澄等 凝视 红外成像制导 系统数 学建模与仿真技术 1 9 l 凝视红外成像末制导系统虚拟样机建模 红外成像末制导系统虚拟样机数学模型的构成 如 图 1 所 示 图 1红 外 成 像 末 制 导 系 统 虚 拟 样 机 数 学 模 型 幽 Fi g 1 S c h e ma ti c s o f I R i ma g i n g g u i d i n g s ys t e m v i r t u a l p r o t o t yp e ma t h e m a t i c s mo d e l 模拟 的 目标环境红外辐 射通过光学头罩 由红外 光学 系统和红外热像系统 构成 的红外传感器实时接 收 接收到的红外场景信息经过红外信号处理器处理 后 得 到 目标视线轴和光轴的偏差角 传送 到伺服跟 踪单元 实现导引头对 目标 的跟踪 并输 出导引头 目 标视线角和角速率信息 1 1 光 学头罩 数学 模 型 光学侧窗头罩为红外成像 导引头提供安装空间 和工作环境 侧面安有红外 窗口 用于红外成像导引 头对 目标的探测与跟踪 带有光学成像探测制导系统 的高速飞行器在大气层 内飞行时 光学头罩与来流之 间形成复杂的流场 对光学成像探测系统造成热 热 辐射和图像传输干扰 引起 目标图像偏移 抖动 模 糊 影响高速拦截导弹的探测跟踪效果 针对侧窗的不 同透过率 和窗 口传输效应进行建 模 不同的光线入射角度 侧窗材料 侧窗温度场和热响 应 以及温度场而导致的应力应变都会引起侧窗透过率 的变化和光学传输效应 影响红外末制导系统成像 根据飞行器在每个仿真时刻 的飞行速度 高度和 姿 态 以及典 型 状态 下 的热 环 境 通 过 窗 口材料 热 响应 计算和光学计算 就可以得到气动热窗 口光学 引起的 像偏移 像模糊 像抖动造成的 目标角位置测量误差 和透 过率 特性 每种气体组分 的辐射 出射度可从高温气体光谱 辐射数据库 中求 出 对各种气体组分辐射出射度进行 累加 就可以得到高速流场气体的光谱辐 射亮 度分 布 再在成像探测系统 口径 内沿 L O S路径积分 就可 得 到 L OS方 向上 高速 流场 气 动 热辐 射 强度 光学 窗 口的热辐射准确性 主要依赖光学窗 口材料 的发射率 8和光学窗 口的温度分布 它 可近似 为灰体辐射过 程 窗 口材料发射率受窗 口的粗糙度 温度和材质的 影 响 1 2 导 引头 光 学 系统 模 型 红外光学 系统将 目标和场景成像在探测 器的焦 平面上 完成对 目标和场景辐射能的收集 它 由反射 镜 光学 透镜 和镜 筒组 成 根据红外成像探测 系统参数 如 光学系统焦距 透过率 像质 像素数 像元尺寸 应用光学传递函数 来描述其成像质量 红外成像光学系统质量一般 由孔 径受限衍射和镜头几何像差决定 设其综合 的点扩散 函数 为 P x Y 则 光 学 系统 的传 递 函数 为 OT FO f F P x Y 1 1 3 红 外 热像 系统 数学 模 型 1 3 1系统带宽与噪声带宽计算 对于凝视成像系统 设信 号的读 出速率为 单位为 MHz 则驻 留时间为 L 2 1 0 0 系统带宽 为 A f 亩 等 效 噪声带 宽 为 a f 寺 4 1 3 2等效噪声温差的计算 等效噪声温差 N E T D 的计算公式为 E 5 A d 7 o C 2 6 6 l D x 其 中 x J 尺 T d X 入 l 入 2 入 P 6 式中 为测量温度 K R 为黑体 的光谱辐 出度 F 为光学系统 F数 为等效噪声带宽 为探测器峰 值波长 A d 为探测器单元 的面积 凡为系统 串扫单元 数 为光学系统透过率 C 为第二辐射系数 6为光 学系统弥散损失 6 为 电子线路信号传递损失 D 为探测器峰值 比探测率 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 红外与激光工程 第 3 6卷 1 3 3噪声等效通量密度 NE F D 的计算 凝视 红 外成 像 系 统 的 灵 敏度 由其 系 统 时 间噪声 和空间噪声 空间不均匀一致性 决定 2 其时间噪声记作 N E F D 计算公式为 脚 垒 L 7 0 f 0 D 6 6 l 式中 O l 为水平方向的分辨率 为垂直方向的分辨率 D n 为光学系统口径 凝视成像系统空间噪声辐照度 N E F D 为 N E F D u a t 3 t b 8 式 中 为空间均匀不一致性 孝为凝视器件有效面积 填充系数 l b 为背景辐射亮度 综合红外成像探测系统的时间噪声和空间噪声 声 得系统的总灵敏度 M D 为 N E F D VN E F D N E F D 9 于是等效噪声灰度为 G N E F D 1 0 w m 1 4 信 号处 理数 学模 型 1 目标检测数学模型 基于信号检测理论 的 目标检测模块根据 目标的 辐射强度 背景 的辐射亮度 b 大气平均光谱透过 率 弹 目距离等计算导引头对 目标的探测信噪比 探 测概率 当信噪比大于设定值时 目标被检测到 转入 窗 口跟踪 实际生成场景中的 目标检测模块将 生成 的场景 信息 进行二维 抓 图 形成模拟输入导引头信号处 理的真实灰度场景 实际生成场景中的 目标检测模块 模拟导引头信号处理器 中 目标检测模块实现对 目标 的检 测 检测 出 目标 后 进行 窗 口跟踪 2 目标稳定跟踪误差模型 当窗 口跟踪连续 5帧未丢失 目标时 导引头转入 稳定跟踪工作方式 信号处理器对 目标在视场 中位置 检测存在误差 虚拟样机 中 该误差模型可用几何误 差方法和 目标位置图像检测方法两种方式产生 基于几何误差方法的 目标稳定跟踪误差模型取 大于给定值时 信号处理能够实现对 目标 的稳定跟 踪 此时对 目标的跟踪角位置为 8 H 8 H 8 H 8 v 8 v 1 1 误 差 由导 引头 成像 系 统分 辨率决 定 图像检测方法的 目标 稳定跟踪误差模型模 拟导 引头信号处理器中目标位置计算模块 确定 目标在导 引头 视 场 中 的位 置 检测 出 目标后 给 出实 际 检测 到 的目标角位置数据 8 8 1 5 视线跟踪系统数学模型 导引头设计有角预置 角稳定和角跟踪三个工作 回路 其中角预置回路完成飞行器 中末制导交班时的 视线引导 角稳定回路完成 目标检测识别时导引头视 线对弹体扰动的去耦 保持视线在惯性空 间的稳定 同时也是角跟踪 回路 的内回路 角跟踪 回路是导引头 的主要工作 回路 完成对 目标的视线跟踪 同时测量 目标视线角速率 1 捷联安装方式下 角预置回路也成为导引头角跟 踪 回路的内回路 通过角度运算 的方式实现角跟踪和 对角速度解耦 导引头原理如图 2所示 图 2 导 引 头 结 构 框 图 Fi g 2 S c he ma t i c s o f s e e k e r 图 2中 为导引头传感器模型 wo s 为导引 头两维伺服系统校正 网络数学模型 为导引头 两维伺服系统数学模型 为导引头两维伺服系 统负反馈数学模型 为两维速率陀螺数学模型 q为视线角速率 为弹体扰动 捷联稳定 导引头 的接收机处 的输 出与 目标视线 角速率成正 比 受到弹体扰动的影响 可以通过配置 参数降低弹体扰动的影响 达到解耦 的目的 2 凝视红外成像制导系统工作环境建模方法 2 1 动态红外场景产生模型 2 1 1场景 生成 中 目标 大 小的确 定 整个场景的总像素为对应传感器的像素 目标所 占像素为给定 目标姿态和距离的情形下 在传感器上 光学投影 所覆盖 的像 素 即对应 的 目标 显示像素 为 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 l期 陈澄 等 凝 视 红 外 成 像 制 导 系统 数 学建 模 与 仿 真技 术 2 1 手 D 1 2 式中 为 目标在场景 中的显示像数 D为 目标尺寸 尺为弹 目相对距离 为传感器光学系统 的焦距 d为 传感器像元尺寸 a为导引头瞬时视场 2 1 2传 感 器光敏 上 产 生 目标 的 照度值 x l 0 下 l T 1 3 4 F 2 1 3 目标 显示 照度值 计 算 1 点 目标情 形 E D x 1 4 4 o t F R 2 面 目标情 形 E A T 1 5 4 F 式中 为 目标的辐射亮度 2 1 4背景 显 示照度 值 导引头对面源背景成像 背景产生的照度值为 Eb b 1 6 4 2 1 5天 空背景 红 外 目标 特性 红外成像探测 的实质就是在背景中检测 目标 背 景的辐射将直接影响对 目标探测 的信噪比 因此必须 考 虑背景 辐 射 的影 响 由红 外 辐射 理论 可 知 天 空背 景的辐射特性一般可近似用等效的黑体来表示H 1 天 空背景对应的光谱辐出度为 RA b 1 7 J L e 一1 背景的辐射亮度为 2 I R b A d A 一 1 8 2 2 干扰环 境 模型 红外干扰是指阻挠和削弱敌方 有效运用红外波 谱而采用 的一切措施 用于保护作 战系统免受红外飞 行器的攻击 目前主要对红外烟幕弹和红外诱饵进行 仿真建模 1 烟 幕干 扰 烟幕是一种气溶胶 是光学不均匀介质 其微粒 的大小 形状 表面状况和光学性质随着入射光波长 的变化而变化 烟幕干扰 的主要作用是对 目标的遮蔽 效应 是通过烟幕对辐射传输时 的衰减来 实现的 可 分为被动式和主动式遮蔽效应 2 红外诱饵 为 了实 现诱 骗 红外 制 导武 器 保 护 已方 目标 的 目 的 红外诱饵必须满足如下要求 1 峰 值 强 度 诱 饵 弹在 工 作 波 段 内必 须 有 足够 的 至少是可靠的辐射强度 这是最基本的要求 2 作用时间 是指 目标不再处在攻击者视场之 前 保持可信特征的持续时间 诱饵 的持续时间最好 足够长 确保 目标不被重新捕获 3 光谱特性 大多数诱饵是化学发热源 按黑体 或灰体的特性辐射 4 弹 出速 度 诱 饵 必 须 布 置在 能 被 威 胁 物 容 易 发 现 的位置 并 以威胁 物 跟踪 极 限 内 的速 率 与 目标分 离 还需 要 知道 攻击 者 的走 向 和视 场 5 气 动 特 性 诱 饵 应 该有 一 定 的 运 动轨 迹 以免 被 攻击 者识 别 针对以上红外诱饵的各类特性 进行红外诱饵的 仿真建模 仿真时考虑红外诱饵特性与 目标特性之间 的对 比和联系 更为真实地模拟 目标背景干扰环境 2 3 飞行器飞行状态环境参数模型 飞 行 器 在 空 中的 运 动 是 一 种 复 杂 的 多 自由度 飞 行 对末制导探测系统影响的参数可分为弹体飞行参 数和导引头所处位置振动特性参数两方面 飞行参数 包括 飞 行 他 置 y Z 飞行 速 度 飞 行 姿 态 0 等参数 振动参数包括导引头所处位置 个 方 向振动的幅频特性 这些参数将通过理论 弹道计算 和飞行器模态分析来确定 2 4 气 动光 学效 应环 境 模型 气 动光 学 效 应 使 光 学 探 测 制 导 系 统 对 目标 探 测 信噪比降低 从 而减小 了对 目标的探测距离 严重时 甚至形成 热障 而淹没需探测的 目标信号 对 目标 的 检测识别概率降低 抗诱饵 识别假 目标能力降低 严 重时甚至无法检测识别 目标 对 目标的视线 角位置测 量发 生 偏 折 视 线 角速 率 发 生 抖 动 而 引起 探 测 制 导 精度急剧下降 产生 的气动热环境影 响光学头罩工作 性能 严 重 时甚 至对 光学 头罩 产 生热 破 坏作 用 高速流场 光学传输效应计算分平 均密度场模 型 和脉动密度场模型两部分 平均密度场模型应用的光 学 方法 为光 学追 迹法 和物 理光 学 方 法 湍 流 脉动 统计 模 型应 用 的光学 方法 为 统计 光 学方 法 将这 两 个分 量 建立起来的模型称作栅格模型和子栅格模型 栅格模 型被看作流场的平均密度模型 子栅格模型被看作流 场 的湍 流脉 动统 计密 度 模型 J 在建立流场光学传输理论后 可以分析高速流场 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 红外与激光工程 第 3 6卷 光学传输效 对导引头信噪 比 目标视线角位置以及 视线角速率的影响 为高速飞行器红外成像探测制导 系 统设计 提供 理论基 础 3 红外成像末制导计算机数学仿真系统 红外成像末制导系统虚拟样机数学仿真系统利 用分布式计算机仿真技术 将所建立凝视红外成像末 制导探测系统虚拟样机和典型 目标 与干扰环境数学 模型 末制导工作环境数学模型以及末制导控制系统 数学模型集成起来 形成一套高拟真度的 具有气动 光学效应影响分析的末制导仿真系统 实现对凝视红 外成像末制导系统总体设汁 末制导探测系统性能和 末制导精度等的仿真分析 红外成像制导系统仿真在四台计算机上实现 各 个仿真节点通过网络通讯模式 C S结构进行连接 主 控机与其他客户端机采用广播方式交互信息 各仿真 节点分别 由主控机 三维场景计算机 二维场景计算 机和人眼观察三维场景计算机组成 4 数 学仿真结果 与分 析 根据以上的凝视红外成像末制导数学仿真建模 典型状态下仿真结果如图 3 图 7所示 图 3 图 4为 仿真过程 中探测器输出的控制系统 的视线角随时间 变化的曲线 图 5 图 6为仿真过程 中探 测器输出的 控制系统的视线角速率随时间变化的曲线 从图中可 以看到视线角速率 的实际值与理论值 的曲线几乎重 合 图 7为进行 5 O次仿真后统计出的脱靶量分布图 通过多个典型状态的仿真 最后可 以得到脱靶量与各 典型状态之间的变化关系 1 O 0 05 o 00 0 05 O 01 0 l 5 图 3视线 角 q 3随时 问 变 化 的曲线 图 F i g 3 LOS q 3 V e r S U S t i me 4 0 3 5 3 0 2 5 20 1 5 1 O 0 2 4 6 8 l 0 r S 图 4视线 角 q 随 时间 变 化 的曲线 图 Fig 4 LOS q v e r s u s ti me O 2 4 6 8 1 0 r S 图 5视线角速率 d q 一 卢 随 时间变 化 曲线 图 Fi g 5 LOS r a t e d q JB v e r s u s ti me 0 2 4 6 8 1 0 t S 图 6视 线角 速率 d q s 随 时 间变 化曲线 图 Fi g 6 LOS r a t e dq v e r s us t i me 参考文献 图 7 5 O次 脱靶 量结 果分 布 图 Fi g 7 Mi s s d i s t a n c e r e s u l t s o f 5 O time s 1 YA NG X i a o d u a n C H EN H o n g L i n D e v e l o p me n t s t a t e o f s i mu l a t i o n s y s t e m f o r i n f r a r e d g u i d e d we a p o n s J I n f r a r e d a n d La s e r E n g i n e e r i n g 杨 晓段 陈鸿林 红外制导 武器仿 真系统 的 发 展概 况 红外 与激 光工 程 1 9 9 8 2 7 6 1 6 1 9 2 C HA R L E S S H R OB E R T E A R US S L F e t a1 D e v e l o p me n t o f a fi r e f o r g e t i ma g i ng i n f r a r e d s e e k e r mi s s i l e s i mu l a t i o n I C S P I E S i g n a l a n d I ma g e P r o c e s s i n g S y s t e m P e r f o r ma l i c e Ev a l u a t i o n Si mu l a t i o n a nd M o