CN104765930A - 空中红外目标对抗仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种空中红外目标对抗仿真系统，包括：场景模拟单元、红外目标探测单元、干扰单元和控制单元。场景模拟单元用于模拟空中飞机目标与红外目标探测单元的对抗场景，其中，对抗场景中设置多个元素，元素至少包括：目标；红外目标探测单元，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目标探测单元在对抗场景中搜索目标并完成对目标的跟踪识别任务。本发明的仿真系统，具有实时、高效、可扩展性强的优点。

Description

空中红外目标对抗仿真系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种空中红外目标对抗仿真系统。

背景技术

随着图像技术的发展，目前出现了很多仿真平台与软件，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探测跟踪过程中的飞机目标和干扰共存情况下的高动态、复杂过程进行仿真，并且各模块之间的信号交互不方便，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，本发明的目的在于提出一种具有实时、高效、可扩展性强的空中红外目标对抗仿真系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出一种空中红外目标对抗仿真系统，包括：场景模拟单元，用于模拟空中目标与红外目标探测单元的对抗场景，其中，对抗场景中设置多个元素，所述元素至少包括：目标；红外目标探测单元，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，用于控制红外目标探测单元在对抗场景中搜索目标并完成对目标的跟踪识别任务。

根据本发明实施例的空中红外目标对抗仿真系统，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探测器得到的电信号，控制单元控制红外目标探测单元在对抗场景中搜索目标并完成对目标的跟踪识别任务。本发明实施例的仿真系统仿真了十字型红外探测臂电信号、干扰的发射和演变过程、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，所述红外目标探测单元进一步包括：红外目标辐射探测模块，用于生成所述对抗场景中十字型探测臂上的电压信号信息；跟踪模块，用于从所述十字型红外探测臂上的电压信号信息中搜索所述目标。

在一些示例中，所述红外目标辐射探测模块还用于：获取所述多个元素的环境参数，并根据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大气对红外辐射的影响影响的模拟。

在一些示例中，所述跟踪模块还用于：获取当前时刻所述十字型红外探测臂上的电压信号，并据此判断飞机目标与干扰的相对位置关系，分析飞机目标与干扰是否已经分离，如果已经分离，则识别出飞机目标，排除干扰，跟踪飞机目标，如果没有分离，则跟踪干扰与飞机目标这个整体。

在一些示例中，所述干扰包括干扰个数、干扰强度、干扰投射方向、干扰投射角度、干扰重量和干扰体积。

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空中红外目标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十字型红外探测器光学系统示意图；

图4是本发明一个实施例探测器信号采样系统示意图；

图5是本发明一个实施例的幅值变化率和幅值特征对比图；

图6是本发明一个实施例的跟踪过程中波门变化图；

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。

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，本发明实施例的空中红外目标对抗仿真系统100包括：场景模拟单元101、红外目标探测单元102、干扰单元103和控制单元104。

场景模拟单元101用于模拟空中目标与红外目标探测单元102的对抗场景，其中，对抗场景中设置多个元素，元素包括：目标。红外目标探测单元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。控制单元104用于控制红外目标探测单元102在对抗场景中搜索目标并完成对目标的跟踪识别任务。

具体的，场景模拟单元101用于模拟空中目标与红外目标探测单元的对抗场景，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，目标包括大飞机、小飞机。环境主要负责仿真计时、空中模型数据的更新等。

在实际实现过程中，对抗场景是由MFC实现的。仿真系统100有一个半球形的天空背景和一个大的沙漠背景来共同呈现可见光的三维场景，并在伴随着半球形天空的旋转，模拟出云的运动，如图2所示。可见光三维场景是用OpenGL渲染的。可见光场景可以通过键盘A、D进行水平旋转，键盘W、S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，以干扰为例。干扰提供了如下接口：

(1)构造函数，载入干扰策略；

(2)初始化Initialize()，完成干扰弹数据的初始化，包括干扰的粒子个数，抛出速度等。

(3)更新Update()，负责经过一个时间步长后，干扰弹的位置和速度的更新。干扰弹受到空气阻力和重力的影响，其速度是一直需要更新的。

(4)设置干扰参数。

红外目标探测单元102用于从对抗场景中搜索目标。

在本发明的一个实施例中，红外目标探测单元102进一步包括：红外目标辐射探测模块10和跟踪模块20。红外目标辐射探测模块10用于生成对抗场景的十字型红外探测臂上的电信号信息。跟踪模块20用于从得到的十字型上外探测臂上的电压信号信息中搜索目标。

在本发明的一个示例中，红外目标辐射探测模块10采用基于OpenGL生成相应的三维场景，而十字探测器信号利用实际探测器信息来进行仿真，得到最后的信号，并通过OpenGL来显示。

(1)根据十字型红外探测臂的工作原理，得到探测器信号扫描圆。

十字型探测器的光学接收系统工作过程如图3所示。

具体地说，红外光学信号进入十字型点源探测器后，经凹面主镜反射至探测器光学系统的次镜，次镜将信号汇聚至探测器平面，信号根据光学透镜的物理参数形成一定半径的光学弥散圆。驱动电机通过转轴控制次镜旋转，相应改变弥散圆位置，在探测器平面形成信号扫描圆。

十字型探测器的信号采样系统工作过程如图4所示。

探测器平面由十字型排列的探测阵列组成，具有四路探测臂，分为方位通道(上下探测臂)和俯仰通道(左右探测臂)两部分。探测阵列具有光导性，当扫描圆的像点扫过探测器瞬间，光敏电阻的阻值发生变化，引起同一通道两侧电阻值变化，产生脉冲信号。

当信号扫描圆圆心与探测器平面原点重合时，扫描圆经过相邻两路探测臂所需时间一致，反映在采样信号上即相邻两路的信号脉冲等间隔出现。当扫描圆圆心与探测器平面原点不重合时，随目标偏离原点的距离和方位不同，信号脉冲的出现时间与间隔不相同。四路探测臂上的信号情况完整反映了实际目标在探测器平面的投影位置。

进一步地，各路探测臂产生的信号脉冲经过前置放大器，对数放大器，开关电路和采样保持缓冲的作用形成有效硬件信号作为硬件跟踪算法的输入源。

根据上述步骤，可以得到探测器处的电信号。

(2)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；

本发明实施例的仿真系统100对大气传输模型进行模拟，根据大气透过率与干扰的辐射强度，可以得到探测器处的辐射强度。

跟踪模块20用于从十字型红外探测臂上的电压信号中搜索目标。

具体的，跟踪模块20的实现过程如下：

对目标进行跟踪是利用幅值变化率准则和自适应波门准则。

幅值变化率定义为Δv_i,t＝(v_i,t-v_i,t-1)/v_i,t-1，其中v_i,t和v_i,t-1表示t时刻和t-1时刻探测器相同位置的信号强度。

定义|v_i-v_std|表示可能目标的幅值与标准信号的差值，Δv_i-Δv_std表示其幅值变化率与标准信号的差值，f表示二者以w₁比例融合计算的结果，如式(1)。

f_i＝f(v_i,Δv)＝w₁*|v_i-v_std|+(1-w₁)*|Δv_i-Δv_std|   (1)

真实目标m满足f_m＝min(f₁,...,f_i,...,f_n)。

在跟踪过程中的应用如图5所示。其中图5(a)和(c)表示使用幅值变化率特征与幅值特征结合后目标判定的结果，图5(b)(d)表示只使用幅值特征进行目标判定的结果。(a)和(b)表示将信号源独立显示下信号产生结果，其中红色(幅值较低者)表示目标，绿色和蓝色表示干扰。(c)和(d)表示将信号叠加后在探测上的真实结果。矩形框框住区域(波门)表示探测器选择的可能目标区域结果。

在初始条件下目标向自身两侧各抛出一个干扰(干扰1与2)，干扰抛出时刻相距t。由于干扰与目标的相对位置移动，先抛出干扰(干扰1)与目标信号先分离形成信号A，此时后抛出干扰(干扰2)与目标信号仍交叠，在探测器上呈现完整信号B。v_A表示信号A幅值，v_A＝v₁，v_B表示信号B幅值，v_B＝v₂+v_target。因此尽管v_target更接近标准信号v_std，但由于干扰的叠加作用，其整体幅值dis(v_B,v_std)>dis(v_A,v_std)，按照幅值准则造成判断错误(如图5(b)、图5(d))。

使用幅值变化率准则，对于信号A和信号B分别满足式(2)和(3)。

$r_A=\frac{v_A+{\mathrm{\Δv}}_A-v_A}{v_A}=\frac{v_1+{\mathrm{\Δv}}_1-v_1}{v_1}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_1}{v_1}---\left(2\right)$

$r_B=\frac{v_B+{\mathrm{\Δv}}_B-v_B}{v_B}=\frac{v_2+v_t+{\mathrm{\Δv}}_2+{\mathrm{\Δv}}_t-(v_2+v_t)}{v_2+v_t}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_2+{\mathrm{\Δv}}_t}{v_2+v_t}---\left(3\right)$

标准信号的幅值变化规律接近目标幅值变化规律

干扰1和2可近似认为幅值变化规律一致，即v₁＝v₂，Δv₁＝Δv₂，目标幅值变化速度小于干扰 $\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_t}{v_t}<\frac{\mathrm{\&Delta;}{v}_1}{v_1}=\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_2}{v_2}.$

因此根据幅值变化率准则，计算dis(r_d,r_A)和dis(r_d,r_B)。又因为r_d<r_A,r_B，因此min(r_A,r_B)为所求目标。

$r_A-r_B=\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_1}{v_1}-\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_2+{\mathrm{\&Delta;v}}_t}{v_2+v_t},$ 又因为v₁＝v₂，Δv₁＝Δv₂， $\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_t}{v_t}<\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_1}{v_1}$

$r_A-r_B=\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_1(v_1+v_t)-v_1({\mathrm{\&Delta;v}}_1+{\mathrm{\&Delta;v}}_t)}{v_1(v_1+v_t)}=\frac{{\mathrm{\&Delta;v}}_1{v}_t-v_1{\mathrm{\&Delta;v}}_t}{v_1(v_1+v_t)}>0,$ 即信号B为所选择目标。

通过幅值变化率特性选择真实目标。

除了根据幅值变化率特性选择真实目标外，在跟踪过程中，还需使用自适应波门来限定探测器的观测范围。

波门即探测器跟踪窗，限定了探测器的观测范围。跟踪算法仅会对波门内的信号进行处理，而忽略波门外的信号。当抛出干扰数量较多时，可能固定波门条件下目标和干扰仍未能达到分离的状态，此时波门需要自适应的增加，以包含所有信号，避免目标的误检。同时，波门内只有目标信号存在时，应该尽量减小波门宽度使得其紧锁目标，避免外界因素的影响。因此针对不同的条件，算法应能自适应选用不同宽度的波门，使得波门内信号有效且稳定。

窄波门定义为仅包含目标，宽度为w_n。宽波门定义为包含目标可能出现的位置，宽度为w_w＝3·w_n。自适应波门特征的使用需要结合跟踪算法的状态建模。当算法处于跟踪状态时，采用较窄的波门框住目标；当算法处于等待分离状态时，使用较宽的波门；当算法处于判断状态时，根据可能的目标区域对波门边界进行修正。

图6(a)-图6(d)给出自适应波门条件下的信号分离过程中的波门变化情况。初始目标跟踪条件下(图6(a))使用窄波门。当目标信号与干扰信号混合时采用宽波门(图6(b))，由于运动过程中目标信号未分离，因此扩大波门，包含可能的目标位置(图6(c))，最终目标分离后根据前面设计的准则判定目标位置(图6(d))。

由于跟踪过程中探测器与目标距离R逐渐接近，目标幅值V与距离R的平方成反比V＝C/R²，因此实际的目标信号的幅值特征在干扰目标分离过程中有所变化，在使用标准信号判断时应该对标准信号的幅值特征进行修正。

随着距离R减小，目标与探测器相对移动相等的距离ΔR在幅值上产生不相等的幅值增幅ΔV。

采用二次方程形式对目标幅值变化进行预测，v(t)＝a₀t²+a₁t+a₂根据稳定跟踪时标准信号确定系数：设t₁,...,t_m时刻稳定跟踪，对应的信号幅值为v₁,...,v_m，预测系数满足式(4)。

$\left(\begin{array}{ccc}m& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^2& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^2& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^3& \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_i\\ \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i{v}_i\\ \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_i^2{v}_i\end{array}\right)---\left(4\right)$

本发明实施例的仿真系统100提供了红外点源干扰。干扰弹在空气中主要受到重力、空气阻力的作用，并且在抛出干扰时，干扰具有初速度。

设定干扰弹从飞机上以一定速度抛出，其水平和垂直方向运动方程如下：

$\frac{{\mathrm{dv}}_c}{\mathrm{dt}}=-g+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a{C}_d{A}_{\mathrm{ref}}{v}^2}{2*w}*\frac{v_c}{v}---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a{C}_d{A}_{\mathrm{ref}}{v}^2}{2*w}*\frac{v_s}{v}---\left(6\right)$

其中，ρ_a为大气密度，v是速度，g为重力加速度，其中w为干扰弹重量，C_d为阻力系数，A_ref为与阻力系数有关的参考面积,一般取弹丸最大横截面积,由下式定义:

$w=w_0-\frac{w_1}{T}*t$

其中w₀为干扰弹全重量,为干扰弹全部燃烧时间,t为干扰弹燃烧时间,w₁为干扰弹装药重量。

v_c和v_s分别为干扰弹在竖直和水平方向的速度。

注意(1)、(2)两式构成了一个一次非线性常微分方程组，且系数是时变的，解析解不易计算；即便得到了解析解的表达式，利用计算任意时刻的速度值也会比较复杂，从而执行效率不高。所以，我们采用数值的方法进行求解，将(5)、(6)两式离散化，改写为如下的差分方程组：

$v_c(t+\mathrm{\&Delta;t})-v_c\left(t\right)=-g+\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a{C}_d{A}_{\mathrm{ref}}}{2*(w_0-\frac{w_1}{T}*t)}*v_c\left(t\right)*v\left(t\right),(t>=0)$

$v_s(t+\mathrm{\&Delta;t})-v_s\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a{C}_d{A}_{\mathrm{ref}}}{2*(w_0-\frac{w_1}{T}*t)}*v_s\left(t\right)*v\left(t\right),(t>=0)$

其中，v_c(0)＝V_c0,v_s(0)＝V_s0，V_c0,V_s0是自行设定的两个常数，其他参数的含义与上面提到的相同。

利用这两个方程可以方便地由初值迭代得到任意时刻t的速度大小，同时可以利用水平/竖直速度序列的前N项部分和代表时刻N的水平/竖直位移量。

应用粒子演化模型模拟干扰，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。

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飞机目标的距离小于当前的跟踪设备和飞机目标的距离，说明跟踪设备和飞机目标已经到达最小距离；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空中红外对抗仿真系统，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十字型红外探测臂电压信号，控制单元用于选择干扰策略，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十字型红外探测臂及其工作过程、干扰的发射和演变、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 (6)

1.一种空中红外目标对抗仿真系统，其特征在于，包括：

场景模拟单元，用于模拟空中目标与红外目标探测单元的对抗场景，其中，所述对抗场景中设置多个元素，所述元素至少包括：目标；

红外目标探测单元，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，用于控制所述红外目标探测单元在对抗场景中搜索目标并完成对目标的跟踪识别任务。

2.根据权利要求1所述的空中红外目标对抗仿真系统，其特征在于，所述红外目标探测单元进一步包括：

红外目标辐射探测模块，用于生成所述对抗场景中十字型探测臂上的电压信号信息；

跟踪模块，用于从所述十字型红外探测臂上的电压信号信息中搜索所述目标。

3.如权利要求2所述的仿真系统，其特征在于，所述红外目标辐射探测模块还用于：

获取所述多个元素的环境参数，并根据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大气对红外辐射的影响影响的模拟。

4.如权利要求2所述的仿真系统，其特征在于，所述跟踪模块还用于：

获取当前时刻所述十字型红外探测臂上的电压信号，并据此判断飞机目标与干扰的相对位置关系，分析飞机目标和干扰是否已经分离，如果已经分离，则识别出飞机目标，排除干扰，跟踪飞机目标，如果没有分离，则跟踪干扰与飞机目标这个整体。

5.如权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述干扰包括干扰个数、干扰强度、干扰投射方向、干扰投射角度、干扰重量和干扰体积。

6.如权利要求5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。