CN104732019A - 海面红外对抗仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种海面红外对抗仿真系统包括:场景模拟单元、红外探测单元、干扰单元和控制单元。场景模拟单元用于模拟海面目标与打击的对抗场景,对抗场景中设置多个元素,元素至少包括:目标;红外探测单元用于从对抗场景中搜索目标;干扰单元用于设置干扰参数和干扰策略,生成并发射干扰;控制单元用于控制红外探测单元在对抗场景中搜索目标,并在目标遭受打击时,控制干扰单元发射干扰。本发明的仿真系统,具有实时、高效、可扩展性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域,尤其涉及一种海面红外对抗仿真系统。
背景技术
随着图像技术的发展,现在有很多仿真平台,如远距离对抗模拟作战系统,远距离坦克激光对抗训练系统等。但是目前的仿真系统均不能对打击目标的红外信息和可见光信息同时进行仿真,并且不能完成复杂的对抗仿真。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提出一种具有实时、高效、可扩展性强的海面红外对抗仿真系统。
为了实现上述目的,本发明实施例提出一种海面红外对抗仿真系统,包括:场景模拟单元,用于模拟海面目标与打击的对抗场景,所述对抗场景中设置多个元素,所述元素至少包括:目标;红外探测单元,用于从所述对抗场景中搜索所述目标;干扰单元,用于设置干扰参数和干扰策略,生成并发射干扰;控制单元,用于控制所述跟踪单元在所述对抗场景中搜索所述目标,在所述目标遭受打击时,控制所述干扰单元发射所述干扰。
根据本发明实施例的海面红外对抗仿真系统,抽象出了仿真过程中的各个元素,红外探测单元能够实时计算可见光场景和相应的红外成像,控制单元用于当目标遭受打击时,控制目标选择干扰策略,即控制干扰单元发射干扰。本发明实施例的仿真系统仿真了红外成像、干扰的发射和演变、红外跟踪过程,并且能够有效展示仿真的动态过程。
在一些示例中,所述仿真系统还包括:噪声单元,用于模拟所述红外探测单元的噪声,所述噪声单元由所述控制单元控制。
在一些示例中,所述红外探测单元包括:红外成像模块,用于生成所述对抗场景的红外图像;跟踪模块,用于从所述红外图像中搜索所述目标。
在一些示例中,所述红外成像模块还用于:获取所述多个元素的环境参数,根据所述环境参数获取光谱辐射出射度;根据所述光谱辐射出射度获取预定波长区间的辐射亮度;根据所述辐射亮度获取大气对红外辐射的影响;根据所述辐射亮度对不同情形下的所述目标进行红外渲染;建立大气传输模型,并根据所述大气传输模型实现对所述影响的模拟。
在一些示例中,所述跟踪模块还用于:获取当前所述红外图像的目标区域;对所述红外图像的当前帧的所述目标区域进行分析以获取分析结果,根据所述分析结果获取目标通道;对所述当前帧的所述目标区域进行双后向映射,获取映射图;获取所述目标在所述映射图的中心。
在一些示例中,所述干扰包括冷干扰和热干扰。
进一步地,在一些示例中,应用粒子演化模型模拟所述干扰。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的海面红外对抗仿真系统的结构框图;
图2是本发明一个实施例的对抗场景模拟示意图;
图3是本发明一个实施例的不同距离下,用雾化模拟大气透过率与程辐射的效果示意图;
图4是本发明一个实施例跟踪过程示意图;
图5是本发明一个实施例的跟踪效果示意图;
图6是本发明一个实施例的干扰示意图;和
图7本发明一个实施例的对抗仿真过程示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
参见图1,本发明实施例的海面红外对抗仿真系统100包括:场景模拟单元101、红外探测单元102、干扰单元103和控制单元104。
场景模拟单元101用于模拟海面目标与打击的对抗场景,对抗场景中设置多个元素,元素包括:目标。红外探测单元102用于从对抗场景中搜索目标。干扰单元103用于设置干扰参数和干扰策略,生成并发射干扰。控制单元104用于控制红外探测单元102在对抗场景中搜索目标,在目标遭受打击时,控制干扰单元103发射干扰。
具体的,场景模拟单元101用于模拟海面目标与打击的对抗场景,即呈现可见光的三维场景。对抗场景中设置多个元素,元素包括:目标、干扰装置、红外探测器、环境等。在本发明的一个示例中,目标包括舰船。环境主要负责仿真计时、海洋模型数据的更新等。
在实际实现过程中,对抗场景是由Qt的Graphics View实现的。仿真系统100有一个大背景来呈现可见光的三维场景,并在其上浮动着一些元素(称为Item),而这正是GraphicsView的设计目标,如图2所示。这些Item在Graphics View中可以很方便地定制。GraphicsView的思想是模型视图分离,场景Graphics Scene确定内容,Graphics View确定显示结果。本发明实施例的仿真系统100使用的View和Scene大小一致,可以看到所有场景。
可见光三维场景是用OpenGL渲染的。Graphics View并不直接支持OpenGL,通过将QGLWidget设置为QGraphicsView的视口,然后在QGraphicsScene中的背景设置代码中嵌入并渲染OpenGL代码。可见光场景可以通过鼠标左键的滑动进行水平旋转,鼠标右键的滑动进行水平移动,Ctrl+鼠标左键的滑动进行俯仰视角变换。
另外,场景模拟单元101抽象出仿真过程中的各个元素并设计接口,采用动态链接库(dll)的形式封装模块的具体实现,使得本发明实施例的仿真系统100具有高度的可扩展性。
以上元素的具体实现都被封装在一个dll中,主程序通过一个接口来使用这些dll。以舰船为例。舰船提供了如下接口:
(1)构造函数,载入干扰策略dll,载入干扰装置dll;
(2)初始化Initialize(),完成舰船数据的初始化,包括舰船的位置、方向,舰船上干扰装置的初始化等。
(3)更新Update(),负责经过一个时间步长后,舰船的位置和速度的更新。舰船在不同阶段的更新策略是不一样的,比如正常情况下应该匀速前进,但是探测到干扰后就应该发射干扰,准备规避。
(4)设置舰船参数。
(5)设置天气信息。
(6)设置威胁。根据威胁的信息参数,进行设置。
主程序通过这些接口就可以操作具体舰船,这是C++虚函数的动态性完成的。每一个dll实际上只导出了两个函数:CreateObject和ReleaseObject。前一个函数创建一个实际的舰船对象,后一个函数释放传入的舰船对象,其他dll则创建和释放相应的模块。这种模块化的设计可以使仿真系统100具有高度的可扩展性,通过替换dll就可以实现新的仿真功能。
红外探测单元102用于从对抗场景中搜索目标。
在本发明的一个实施例中,红外探测单元102包括:红外成像模块10和跟踪模块20。红外成像模块10用于生成对抗场景的红外图像。跟踪模块20用于从红外图像中搜索目标。
在本发明的一个示例中,红外成像模块10采用基于OpenGL的红外成像。
(1)获取多个元素的环境参数,根据环境参数获取光谱辐射出射度。
红外成像的基本原理是红外辐射。黑体的红外辐射的性质是本系统物体红外辐射的基础模型,依据黑体辐射定律是普朗克公式(1),计算场景中舰船、干扰的辐射波长λ、温度T等环境参数对光谱辐射出射度Mλ的影响。
Mλ表示黑体的光谱辐射出射度,反映黑体在波长λ到λ+dλ间隔内的辐射出射度。h为普朗克常数,约取h=6.63×10-34J·s。c为光速,约取c=3×108m/s。λ表示黑体辐射中的某个波长位置。常用单位μm,国际单位m。e为欧拉常数,约取e=2.718。k为波尔兹曼常数,约取k=1.38×10-23J/K。T表示黑体温度,通常温度采用的单位为摄氏度(℃),但是在普朗克公式(1)中,甚至整个红外辐射相关的公式中,温度一律采用单位开尔文(K)。两者的换算关系为0℃=273.15K。
(2)根据光谱辐射出射度获取预定波长区间的辐射亮度。
在实际情况中,计算非黑体辐射的发射率ε,即非黑体的辐射出射度与同温度的黑体的辐射出射度之比,∈=M'/M,λ1到λ2的辐射亮度为:
(3)根据辐射亮度获取大气对红外辐射的影响。
计算大气对红外辐射的影响,包括大气的透过率和程辐射(path radiance)。
其中大气透过率是由于大气对红外辐射的吸收造成的影响,如公式(3);
Ldes与Lsrc分为别传输之后与传输之前的辐射亮度。
定义消光系数(extinction coefficient),并根据公式(5)分离距离的影响。
τ(r)=e-ar (4)
大气的透过率是复杂的曲线,上面采用的都是该波段下的平均透过率参数。系统采用三个大气窗口:短波段大气窗口(波长1-3)、中波段大气窗口(波长3-5)和长波段大气窗口(波长8-12)。本发明实施例的仿真系统100对3个波段的成像分别进行了处理。
程辐射是大气自身发射红外辐射造成的影响。仿真系统100采用非黑体,其发射率等于吸收率,而吸收率可以由透过率得到:
∈=1-τ (5)
综合前面的导出公式,得到:
(4)根据辐射亮度对不同情形下的目标进行红外渲染
本发明实施例的仿真系统100将OpenGL对象设置材质为“发光材质”,将物体本身作为光源模拟红外辐射。对物体发光亮度的数值设定全部都在可见光的范围。其大小可与固定波段内的红外辐射亮度相关联。具体步骤如下:
获取或者设定目标的温度T,同时设定探测目标的波段,一般为大气窗口中的某一个;波长最小值为λ1,最大值为λ2;
将上述数据代入到公式3中,得到该物体在波段内的红外辐射亮度L;
定义一个映射f:R+→RGBA,将L映射到彩图或灰度空间。f是将设定的最小值与最大值范围内的数值线性拉伸并量化到[0,255]区间或者[0,256*3-1]区间的函数。
将上一步得到的伪彩色或灰度数据代入到OpenGL的发光材质设置命令当中,实现渲染。
经过上述步骤即可对不同情况的红外目标进行红外渲染。
(5)建立大气传输模型,并根据大气传输模型实现对影响的模拟。
在实际过程中,模拟大气传输模型,首先要获取不同环境条件下,各个距离下的大气透过率数据,本系统采用了拟合的方式。具体步骤如下:
运用仿真程序MODTRAN等数据资料,获取所需条件的数据;
对所查数据结合消光率公式5,可以拟合得到该设定条件下的消光率的估计大小
消光率是距离无关的量,因此给定任何一个新的距离,大气透过率的估计值都可以用代入到公式5得到;
将代入到公式7中,得到程辐射的估计值
本发明实施例的仿真系统100采用OpenGL中“雾化效果”中的GL_EXP模式,对大气传输模型进行模拟。GL_EXP可以产生如公式7的雾化因子f。
f=e-density*z (7)
density为可供用户设定的雾密度。z表示观察视点与目标的距离。
而在RGBA模式下,雾化因子f对渲染的影响可用公式8来表示。
C=fCi+(1-f)Cf (8)
Ci表示雾化前物体的颜色。Cf表示可供用户设定的雾气的颜色。C表示经过雾化后输出的颜色。f表示雾化因子。
设定雾密度density为消光系数a,雾化因子在数值上等于透过率。设定雾化前物体颜色与目标的辐射颜色对应,雾气的颜色Cf与程辐射大小对应,对应方式为上面步骤3所述的映射。
红外大气传输的透过率模拟以及程辐射的模拟效果如图3所示。
跟踪模块20用于从红外图像中搜索目标。
具体的,结合图4,跟踪模块20的实现过程如下:
(1)获取当前所述红外图像的目标区域。
获取当前红外图像It中的目标区域。在实际过程中,这一步可由操作员手动完成,或用海天线分割等算法自动找到目标。在比较复杂的场景中,自动获取目标的准确性取决于充分的先验知识。
(2)对红外图像的当前帧的目标区域进行分析以获取分析结果,根据分析结果获取目标通道。
在本发明实施例的仿真系统100中,红外窗口本质上是一个贴上一张红外图片的Item。红外图片是根据当前的场景实时生成的。红外窗口中的搜索窗口内显示当前的跟踪目标。
当前帧的搜索窗内目标区域I′t的数据进行直方图统计和Mean Shift聚类,使图像的灰度值被分为多个簇(如簇1,簇2,簇3,…),即通道。根据预定条件,在直方图的各个通道中选择一个作为目标通道。
进一步的,将非目标通道归入负域,同时对目标通道进行归一化处理。
(3)对当前帧的目标区域进行双后向映射,获取映射图。
用快速的Mean Shift聚类方法在红外搜索窗口I′t+1内数据的直方图进行聚类。在图I′t+1上应用双后向映射,得到映射图Jt+1。
(4)获取所述目标在所述映射图的中心。
在映射图Jt+1上应用Mean Shift算法来获取目标在图像的中心,Mean Shift算法的窗口大小由上一帧的目标窗口决定。
依据前一帧对下一帧进行更新的算法不断获取每一帧的目标通道。重复执行(2)~(4),更新目标区域和搜索窗口的尺寸。跟踪模块20的典型运行效果参见图5。
另外,在实际的仿真系统100中,跟踪模块20由跟踪设备实现。俯视图窗口显示了当前跟踪设备和舰船的相对位置关系、干扰的布放位置、跟踪设备的观察方向和飞行方向。俯视图窗口是利用QPainter绘制的2D图形,也是一个Item。俯视图窗口可以通过滚轮(如果当前鼠标指针停在俯视图窗口上面)进行缩放。
右下角的控制菜单是一个可以隐藏起来的Item,本质上是一张图片。点击控制菜单的不同部分就可以触发不同的功能,包括开始、暂停、停止、退出、随机参数设置、基础参数设置、界面设置(控制可见光场景、红外窗口、俯视图等窗口的显示和隐藏)。
此外,在本发明的一个实施例中,干扰包括冷干扰和热干扰。
本发明实施例的仿真系统100提供了两种干扰:具有遮蔽作用的冷干扰(称为烟雾)和具有诱饵作用的热干扰(称为面源)如图6所示。
两种干扰都是在空气中的扩散过程,在本发明的一个是实施例中,应用粒子演化模型模拟干扰。
粒子演化模型:
粒子在空气中主要受到重力、浮力、空气摩擦力、风力的作用,这四个力可以归结成:
竖直方向影响的加速度因子G、与粒子速度方向相反的摩擦影响的加速度因子Fr、与风速相同方向的风力影响加速度因子W。
G、Fr、W都是标量,相应的则是带上相应方向的向量。运动参数p、v、a的演化模型可以按照如下方程。
p′=p+vΔt×SmallRand() (9)
v′=v+aΔt×SmallRand() (10)
其中p′v′、a′表示新时刻粒子的位置、速度、加速度,s是任意方向上粒子的投影面积。为了增加随机性,运动参数演化模型都乘以了一个SmallRand()。SmallRand()表示一个接近1的随机数,如0.99到1.01的均匀分布。
加速度的计算考虑到了重力、浮力与体积有关,空气摩擦力(即空气阻力)与粒子在速度方向的投影面积有关,风力等效为一个风速方向的外力,用表示。
其他参数的演化模型采用最简单的线性演化模型。如公式:
r=t/l (12)
c′=rc1+(1-r)c2 (13)
t表示粒子的存在时间,l表示粒子的生命,r代表粒子存在时间占粒子生命的比例。其他参数如s、α、T与此类似。
这里使用线性演化模型,渲染模型。根据需要也可以地改用其他模型,如指数衰减模型、螺旋波动模型。
渲染模型的核心是解决参数显示问题,确定如颜色、透明度、尺寸等参数。
每一个粒子使用一个用烟雾状纹理做贴图的正方形面片表示,面片的法线方向使用Billboarding来确定。正方形面片的尺寸为
假定每一个粒子始终在燃烧,那么其颜色由自身辐射确定,可以大致用色温来表示。通过查表的方法可以快速得到温度对应的颜色值。
透明度是烟雾密度的函数,烟雾密度越大,透明度越小。透明度的取值范围是[0,1]。烟雾密度接近空气密度的时候,透明度应该取值为0。根据这些信息,本文使用方程(14)来计算透明度。其中α是透明度,C是可以调节的比例系数。
在面源的仿真中,面源的产生分为两个部分:烟幕单元和伞挂单元。烟幕单元爆炸剧烈,产生大量的燃烧碎块并迅速下落,下落的过程中释放烟雾,烟雾滞留在空中,形成干扰。爆炸过程由一个粒子系统实现;下落的每一个碎块也各自用一个独立的粒子系统实现,其初始位置和速度也由一个粒子系统产生,不过只使用其中粒子的速度和位置。伞挂单元持续燃烧释放烟雾,因而也是由一个粒子系统实现,只是粒子系统资源充足,可以释放很多粒子。烟雾干扰相当于只有面源干扰中烟幕单元中的烟幕部分,因而可以只使用一个粒子系统实现。
另外,在本发明一个实施例中,仿真系统100还包括:噪声单元105。噪声单元105用于模拟红外探测单元102的噪声,噪声单元105由控制单元104控制。
例如,在实际运行过程中,仿真系统100的运行流程图如图7。程序运行后,先创建窗口相关的各个部分,然后初始化一个Simulation的数据结构。Simulation数据结构包含了整个仿真过程中用到的信息,包括所有的参数信息、舰船(内有干扰装置、干扰)、跟踪设备模块(内有跟踪模块)、环境、噪声,另外还有仿真时间步长、红外成像缓冲区、当前仿真状态信息(包含各个模块的当前状态,跟踪设备和舰船的距离信息)。红外成像缓冲区属于红外探测器,设计为跟踪设备的一部分。
进入仿真主循环后,程序每过一个时间步长按照图7中的主循环顺序更新数据,直到最后仿真结束。判断结束的方式:如果上一个时间点的跟踪设备和舰船的距离小于当前的跟踪设备和舰船的距离,说明跟踪设备和舰船已经到达最小距离;到达最小距离时,如果跟踪设备和舰船的距离小于毁伤距离,判断命中,否则未命中。
根据本发明实施例的海面红外对抗仿真系统,抽象出了仿真过程中的各个元素,红外探测单元能够实时计算可见光场景和相应的红外成像,控制单元用于当目标遭受打击时,控制目标选择干扰策略,即控制干扰单元发射干扰。本发明实施例的仿真系统仿真了红外成像、干扰的发射和演变、红外跟踪过程,并且能够有效展示仿真的动态过程。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种海面红外对抗仿真系统,其特征在于,包括:
场景模拟单元,用于模拟海面目标与打击的对抗场景,所述对抗场景中设置多个元素,所述元素至少包括:目标;
红外探测单元,用于从所述对抗场景中搜索所述目标;
干扰单元,用于设置干扰参数和干扰策略,生成并发射干扰;
控制单元,用于控制所述红外探测单元在所述对抗场景中搜索所述目标,并在所述目标遭受打击时,控制所述干扰单元发射所述干扰。
2.如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,还包括:
噪声单元,用于模拟所述红外探测单元的噪声,所述噪声单元由所述控制单元控制。
3.如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述红外探测单元包括:
红外成像模块,用于生成所述对抗场景的红外图像;
跟踪模块,用于从所述红外图像中搜索所述目标。
4.如权利要求3所述的仿真系统,其特征在于,所述红外成像模块还用于:
获取所述多个元素的环境参数,根据所述环境参数获取光谱辐射出射度;
根据所述光谱辐射出射度获取预定波长区间的辐射亮度;
根据所述辐射亮度获取大气对红外辐射的影响;
根据所述辐射亮度对不同情形下的所述目标进行红外渲染;
建立大气传输模型,并根据所述大气传输模型实现对所述影响的模拟。
5.如权利要求3所述的仿真系统,其特征在于,所述跟踪模块还用于:
获取当前所述红外图像的目标区域;
对所述红外图像的当前帧的所述目标区域进行分析以获取分析结果,根据所述分析结果获取目标通道;
对所述当前帧的所述目标区域进行双后向映射,获取映射图;
获取所述目标在所述映射图的中心。
6.如权利要求1所述的仿真系统,其特征在于,所述干扰包括冷干扰和热干扰。
7.如权利要求6所述的仿真系统,其特征在于,应用粒子演化模型模拟所述干扰。
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