紅外誘餌彈的視景仿真

郭亞峰， 吳慶憲， 姜長生

(南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

0 引言

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈一直是軍用飛機(jī)最大的威脅，因此如何保護(hù)飛機(jī)使其免遭紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的攻擊仍是各國軍方面臨的重大課題。就目前而言，利用紅外誘餌彈對紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行干擾仍是最有效的對抗手段。雖然國內(nèi)外對紅外誘餌彈的輻射模型和運(yùn)動方式［1-2］等有所研究，但大多都為數(shù)學(xué)模型，不能直觀表示對抗結(jié)果。本文采用視景仿真來研究紅外誘餌彈的干擾效果，使紅外對抗的過程更加直觀，降低了實(shí)彈測試的危險(xiǎn)和成本。通過視景仿真又可找到紅外誘餌彈的最優(yōu)干擾參數(shù)，訓(xùn)練飛行員掌握紅外誘餌彈最佳發(fā)射時機(jī)和發(fā)射后的規(guī)避動作。通過仿真敵方紅外誘餌彈的干擾特征可以得知敵方紅外誘餌彈的弱點(diǎn)，提高紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的命中率。

1 紅外誘餌彈干擾原理

根據(jù)紅外輻射原理，任何溫度高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生紅外輻射。空中軍事目標(biāo)由于高速和高機(jī)動的需求，往往具有大功率的發(fā)動機(jī)，這就產(chǎn)生了高強(qiáng)度的紅外輻射源。雖然大氣會對紅外輻射產(chǎn)生一定的吸收，但對1 ～1.3 μm、3 ～5 μm 和 8 ～14 μm 波段的紅外輻射吸收比較弱，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈利用此波段，根據(jù)飛機(jī)輻射的紅外能量對飛機(jī)進(jìn)行跟蹤。由于紅外誘餌彈的紅外輻射和目標(biāo)的紅外輻射比較接近，且輻射能量大于目標(biāo)輻射能量，當(dāng)飛機(jī)受到紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊時，可投放紅外誘餌彈。這樣在紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的視場中將出現(xiàn)兩個目標(biāo)，此時紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈不跟蹤任何一個目標(biāo)，而跟蹤其能量中心。

如圖1所示，α為導(dǎo)彈視場角，紅外誘餌彈的干擾過程就是利用紅外誘餌彈改變紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈視場方向，使目標(biāo)飛機(jī)脫離導(dǎo)彈視場的過程。由紅外誘餌彈的干擾機(jī)理可知紅外誘餌彈在使用時有一些戰(zhàn)術(shù)要求［3］:紅外干擾波段必須與被干擾導(dǎo)彈的工作波段一致或接近;紅外誘餌彈的輻射能量必須大于被保護(hù)目標(biāo)的紅外輻射能量;紅外誘餌彈燃燒的持續(xù)時間應(yīng)大于3 s以使被保護(hù)目標(biāo)有足夠時間逃出尋敵器視場;必須保證把紅外誘餌彈投射到尋的器的跟蹤視場內(nèi);紅外誘餌彈和飛機(jī)的分離速度不能過大。

圖1 紅外誘餌彈干擾原理示意圖Fig.1 Infrared decoy interference schematic diagram

2 紅外誘餌彈的特性

2.1 紅外誘餌彈的輻射特性

紅外誘餌彈的輻射特性［4］如圖2所示。

圖2 紅外誘餌彈輻射特性Fig.2 Infrared radiation characteristics of the decoy

圖中，紅外誘餌彈高度H=600 m，紅外誘餌彈速度V=290 km/h。紅外誘餌彈的輻射特性會隨高度和速度的不同而改變，在仿真時應(yīng)該根據(jù)其在對應(yīng)狀態(tài)下的輻射特性進(jìn)行仿真。

本文用函數(shù)擬合紅外誘餌彈的輻射特性曲線，然后把函數(shù)的輸出轉(zhuǎn)換為粒子系統(tǒng)的粒子數(shù)目，這樣就可以利用粒子系統(tǒng)的粒子數(shù)目表示紅外誘餌彈的輻射特性。效果如圖3所示。T=0 s為誘餌彈起燃時刻;T=0.5 s為誘餌彈燃燒上升時刻;T=2 s為誘餌彈持續(xù)燃燒時刻;T=4 s為誘餌彈燃燒下降時刻。

圖3 紅外誘餌彈仿真圖Fig.3 Simulation images of infrared decoy

2.2 紅外誘餌彈的運(yùn)動特性

誘餌彈投射出去后主要受到空氣阻力、重力的作用，空氣阻力產(chǎn)生的加速度［5］方向與誘餌彈運(yùn)動方向相反:

式中:ρa(bǔ)為大氣密度;v是速度;g為重力加速度;β為彈道系數(shù)，且

式中:m為干擾彈重量;Cd為阻力系數(shù);Aref為阻力系數(shù)相關(guān)的參數(shù)，一般為誘餌彈的最大截面積。當(dāng)誘餌彈向上發(fā)射時，誘餌彈的加速度為

當(dāng)誘餌彈向下發(fā)射時，誘餌彈的加速度為

由此可以計(jì)算出誘餌彈的速度，為

然后通過對速度進(jìn)行三維空間分解，這樣就可以計(jì)算出誘餌彈在空間中的坐標(biāo)，描繪出誘餌彈的軌跡。

式中，x、y、z為誘餌彈的空間位置。

圖4為紅外誘餌彈的運(yùn)動軌跡。圖中上面一條軌跡為飛機(jī)飛行軌跡，在0時刻，飛機(jī)向下方投放誘餌彈。誘餌彈投放后并沒有馬上和飛機(jī)拉開距離，而是過了一段時間才開始急速下降。

圖4 紅外誘餌彈運(yùn)動軌跡Fig.4 Infrared decoy trajectory

2.3 紅外誘餌彈的幾何特性

圖5為F15戰(zhàn)斗機(jī)正在密集單發(fā)投放紅外誘餌彈。從圖中可以得知紅外誘餌彈在空中燃燒時可以分為兩部分:一部分為發(fā)光部分;另一部分為燃燒產(chǎn)生的煙霧。只有發(fā)光部分產(chǎn)生的紅外輻射能影響紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，起到干擾的作用［6］。紅外誘餌彈在飛行時會產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，圖5最下方一顆紅外誘餌彈表現(xiàn)得尤為明顯。隨著紅外誘餌彈的燃燒紅外誘餌彈的質(zhì)量和體積也會逐漸減小。

在仿真時，本文采用球體作為紅外誘餌彈的幾何模型，根據(jù)紅外誘餌彈體積的減小速度來改變模型的幾何半徑。紅外誘餌彈的拖尾部分采用粒子系統(tǒng)來模擬。通過設(shè)置粒子運(yùn)動的速度和方向可以控制紅外誘餌彈拖尾的長度和方向。

圖5 F15戰(zhàn)斗機(jī)投放誘餌彈Fig.5 F15 releasing infrared decoy

3 紅外成像

紅外成像在紅外誘餌彈視景仿真中至關(guān)重要，因?yàn)槌上竦暮脡臎Q定以后研究的科學(xué)性和實(shí)用性。一般成像算法都采用普朗克定律來實(shí)現(xiàn)［7-8］。

普朗克定律:對于表面溫度為T，光譜范圍在［λ1，λ2］內(nèi)的物體的光譜輻出度為

式中:c1=3.742×10-16W·m2;c2=1.438×10-2m·K。

成像前設(shè)定目標(biāo)各部分的溫度值，然后對溫度進(jìn)行灰度化，通過普朗克定律求出各部分在紅外導(dǎo)引頭上所輻射的能量，加入大氣衰減，再用式(8)將能量進(jìn)行灰度化，得到目標(biāo)的紅外圖像。

式中:I(x，y)為(x，y)處的灰度值;W(x，y)為(x，y)處接收到的輻射能量;Wmax為接收到的最大能量;Wmin為接收到的最小能量;N為灰度等級。

因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和彈目的運(yùn)動都會對產(chǎn)生的紅外圖像有一定的影響，使圖像變得模糊，所以在得到的圖像上應(yīng)加入噪聲的干擾，使圖像更接近真實(shí)的紅外圖像［9］，如圖6 所示。

圖6 紅外仿真圖像Fig.6 Infrared image of simulation

4 結(jié)果分析

整個程序的視景仿真圖像如圖7所示，比較圖7與圖5可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果和實(shí)際圖片除了沒有紅外誘餌彈產(chǎn)生的煙霧外，其余部分都很接近。在圖3中可以清晰地看出，紅外誘餌彈的拖尾現(xiàn)象和體積隨著時間而逐漸減小，雖然本仿真程序運(yùn)用了大量粒子系統(tǒng)，但運(yùn)行速度相當(dāng)快。

圖7 紅外誘餌彈視景仿真圖Fig.7 The images of infrared decoy visual simulation

本文主要工作是利用粒子系統(tǒng)對紅外誘餌彈進(jìn)行視景仿真。與其他仿真方式相比較，采用粒子系統(tǒng)可以精確模擬紅外誘餌彈的輻射特性和幾何特性。

5 結(jié)束語

紅外誘餌彈的視景仿真是為研究紅外誘餌彈的最優(yōu)干擾效果和紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾算法提供一個研究平臺，所以后期應(yīng)該加入紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈模型和紅外抗干擾算法，以此對整個仿真環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)充，增強(qiáng)程序的功能。

［1］葉本志，蔡希昌，邱娜，等.紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展［J］.紅外與激光工程，2007，36(s2):39-42.

［2］淦元柳，王曉飛，郭寶錄.國外面源型紅外誘餌技術(shù)的裝備與發(fā)展［J］.艦船電子工程，2009，29(9):23-27.

［3］金政芝，杜文紅，王星，等.紅外誘餌彈建模與視景仿真實(shí)現(xiàn)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(6):31-34.

［4］洪洋，張科，李言俊.紅外誘餌彈的干擾模型與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(2):463-366.

［5］盧君，徐大偉，石永山.機(jī)載紅外誘餌彈的運(yùn)動軌跡模型及發(fā)展方向［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2004，19(3):10-14.

［6］王洪強(qiáng)，方洋旺，伍有利，等.紅外誘餌彈干擾特性與仿真［J］.火力與指揮控制，2010，35(4):25-28.

［7］趙超，楊號.紅外制導(dǎo)的發(fā)展趨勢及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.電光與控制，2008，15(5):48-53.

［8］徐南榮，卞南華.紅外輻射與制導(dǎo)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1997:9-18.

［9］楊東升，孫嗣良，戴冠中.基于三維模型的飛機(jī)紅外圖像研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28(5):758-763.