CN106529078A - 一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵的粒子建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，包括以下步骤：步骤一、确定面源诱饵初始布放状态，建立面源诱饵燃烧单元布放初始速度密度分布；步骤二、根据步骤一中得出的初始速度密度分布，建立面源诱饵燃烧单元空间散布密度分布函数和速度分布及其燃烧过程中的辐射亮度分布；步骤三、利用粒子系统实时生成面源燃烧单元粒子，并将步骤二中得出的燃烧单元空间散布密度分布、速度分布和燃烧单元辐射亮度分布，赋予每个燃烧单元粒子，形成面源诱饵辐射场；本方法通过三个方向燃烧单元运动位置估计实时燃烧单元密度分布函数，利用粒子系统生成相应分布的燃烧单元散布辐射粒子，从计算量和耗时上都远小于现在的面源诱饵建模方法。

Description

一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵的粒子建模方法

【技术领域】

本发明涉及一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子的建模方法。

【背景技术】

面源红外诱饵作为一种新型红外干扰，使用时，利用投放器发射至红外成像制导导弹引头视场内，将装有许多燃烧单元或爆炸后能形成许多燃烧单元的干扰弹在空中引爆，爆炸产生的能量将干扰弹的弹壳弹开，并将燃烧单元布散在空间，同时点燃每个燃烧单元，在空中形成大面积的红外干扰云，其红外光谱特征相似于被保护目标，形成与被保护目标相似的红外辐射场和空间热红外轮廓图，歪曲被保护目标热轮廓图，欺骗红外成像制导导弹，继而使导弹偏离被保护目标。

面源红外诱饵的仿真模型一般包括面源红外诱饵运动模型和面源红外诱饵辐射模型，由于面源红外诱饵是由大量燃烧单元组合形成干扰效果，因此，现有建模方法是建立单个燃烧单元的运动模型和辐射模型，初始化参数时设定爆炸造成的初速统计值以及燃烧参数，然后通过蒙特卡洛方法获取每一个燃烧单元的运动幅度参数，最后对每一个燃烧单元求取实时空间位置和辐射特征值，形成面源红外诱饵的仿真值，虽然该方法精度较高，但是计算量大。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，以解决现有技术中计算面源红外诱饵的仿真值计算量大、耗时长的问题。

本发明采用以下技术方案，一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，包括以下步骤：

步骤一、确定面源诱饵初始布放状态，建立面源诱饵燃烧单元布放初始速度密度分布；

步骤二、根据步骤一中得出的初始速度密度分布，建立面源诱饵燃烧单元空间散布密度分布函数和速度分布及其燃烧过程中的辐射亮度分布；

步骤三、利用粒子系统实时生成面源燃烧单元粒子，并将步骤二中得出的燃烧单元空间散布密度分布、速度分布和燃烧单元辐射亮度分布，赋予每个燃烧单元粒子，形成面源诱饵辐射场。

进一步地，步骤一具体采用如下方法实现：

确定被保护目标在地理坐标系中的速度(V_fx,V_fy,V_fz)，其中V_fx、V_fy、V_fz分别为被保护目标在地理坐标系中的x、y、z轴上的速度，燃烧单元的总数为N，燃烧单元爆炸时的速度分布V_X+,V_X-,V_y+,V_y-,V_z+,V_z-均服从正态分布N(V_b,δ_b)，且燃烧单元位置均集中于爆炸点(x₀,y₀,z₀)，得出面源诱饵燃烧单元各向速度密度分布为N(V_b+V_fx,y,z,δ_b)，其中(x₀,y₀,z₀)为地理坐标系的坐标原点。

进一步地，步骤二中建立面源燃烧单元空间散布密度分布和速度分布的具体方法如下：

2.1)根据燃烧单元运动时所受空气阻力方程

F_ZU＝k0.5ρSV²C_d，

得出每个燃烧单元受到的空气阻力，其中，F_ZU为空气阻力，方向与燃烧单元瞬时速度V相反，ρ为发射位置空气密度，V为燃烧单元的瞬时速度，S为燃烧单元燃烧时有效阻力面积，C_d为燃烧单元空气阻力系数，k为虚拟阻力系数；

2.2)t₁时刻X+方向燃烧单元密度分布数学期望为：

其中，F_ZUEX+＝k0.5ρS(V_X++V_fx)²C_d，t_Δ为仿真步长，m为燃烧单元的质量，V_X+为燃烧单元爆炸时在地理坐标系中X+方向上的速度；

2.3)t₁时刻X+方向燃烧单元速度分布数学期望为：

2.4)X+方向包含燃烧单元密度概率为0.95的分布点是：

其中，F_ZU0.95＝k0.5ρS(V_X++1.6δ_b+V_fx)²C_d；

2.5)获得X+方向包含燃烧单元速度概率为0.95的分布点为：

获得X+方向包含燃烧单元密度和速度分布方差δ_1sx+,δ_1vx+分别为：

δ_1sx+＝(S_1,0.95(x+)-S_1,E(x+))/1.6，δ_1vx+＝(V_1,0.95(x+)-V_1,E(x+))/1.6，

2.6)在t₁时刻X+方向燃烧单元密度分布服从N(S_1,E(x+),δ_1sx+)，速度分布服从N(V_1,E(x+),δ_1vx+)；

2.7)重复执行上述步骤得出在t₁时刻X-、Y+、Y-、Z+、Z-方向燃烧单元密度分布分别服从N(S_1,E(x-),δ_1sx-)、N(S_1,E(y+),δ_1sy+)、N(S_1,E(y-),δ_1sy-)、N(S_1,E(z+),δ_1sz+)、N(S_1,E(z-),δ_1sz-)，速度分布分别服从N(V_1,E(x-),δ_1vx-)、N(V_1,E(y+),δ_1vy+)、N(V_1,E(y-),δ_1vy-)、N(V_1,E(z+),δ_1vz+)、N(V_1,E(z-),δ_1vz-)；

2.8)递增时间t₁后，重复执行步骤2.1)-2.7)计算出下一时刻燃烧单元的密度分布和速度分布，直至得出所有时刻燃烧单元的空间散布密度分布和速度分布。

进一步地，当计算Y+、Y-方向燃烧单元空间密度分布和速度分布时，空气阻力分别为F_ZUEY+＝k0.5ρSV_Y+ ²C_d+mg和F_ZUEY-＝k0.5ρSV_Y- ²C_d-mg，其中，mg为燃烧单元的重力。

本发明的有益效果是：通过三个方向典型燃烧单元运动位置估计实时燃烧单元密度分布函数，利用燃烧单元散布密度获得红外辐射场分布，然后利用粒子系统实时生成相应分布的燃烧单元散布辐射粒子，形成红外面源诱饵仿真红外辐射云，可用于红外光电系统的实时仿真，从计算量和耗时上都远小于现在的面源诱饵建模方法。

【附图说明】

图1为发明一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法流程图；

图2为本发明中面源诱饵侧向红外仿真示意图；

图3为本发明中面源诱饵后向红外仿真示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、确定面源诱饵初始布放状态，建立面源诱饵燃烧单元布放初始速度密度分布；

步骤二、根据步骤一中得出的初始速度密度分布，建立面源诱饵燃烧单元空间散布密度分布函数和速度分布及其燃烧过程中的辐射亮度分布；

步骤三、利用粒子系统实时生成面源燃烧单元粒子，并将步骤二中得出的燃烧单元空间散布密度分布、速度分布和燃烧单元辐射亮度分布，赋予每个燃烧单元粒子，形成如图2、图3所示的面源诱饵辐射场。

该方法根据初面源诱饵燃烧单元布放初始速度密度分布为基础，通过三个方向典型燃烧单元运动位置估计实时燃烧单元密度分布函数，利用燃烧单元散布密度获得红外辐射场分布，然后利用粒子系统实时生成相应分布的燃烧单元散布辐射粒子，形成红外面源诱饵仿真红外辐射云可用于红外光电系统的实时仿真，从计算量和耗时上都远小于现有的面源诱饵建模方法。

本方案基于面源诱饵燃烧单元在空间中的初始速度分布函数，利用单方向燃烧单元的运动模型，求取x₊,y₊,z₊,x_-,y_-,z_-六个方向的空间分布数学期望和方差获得这六个方向的燃烧单元实时分布模型，通过粒子系统实时生成满足空间分布的要求面源诱饵燃烧单元粒子，然后将获取当前时刻燃烧单元的多光谱辐射亮度值，并赋予每一个燃烧单元粒子，以形成面源诱饵辐射场实现面源诱饵仿真。

步骤一具体通过以下方法实现：确定被保护目标在地理坐标系中的速度(V_fx,V_fy,V_fz)，其中，V_fx、V_fy、V_fz分别为被保护目标在地理坐标系中的x、y、z轴上的速度，燃烧单元总数N，令N个燃烧单元爆炸0时的速度分布V_X+,V_X-,V_y+,V_y-,V_z+,V_z-均服从N(V_b,δ_b)的正态分布，其中V_X+,V_X-,V_y+,V_y-,V_z+,V_z-分别为N个燃烧单元在地理坐标系中的x、y、z轴上的爆炸0时的速度，燃烧单元位置均集中于爆炸点(x₀,y₀,z₀)，即爆炸点(x₀,y₀,z₀)为地理坐标系的坐标原点。

2.1)根据燃烧物体燃烧运动时所受空气阻力方程,燃烧单元燃烧时受到的空气阻力大小为：F＝0.5ρSV²C_d，其中,F为空气阻力,方向与燃烧单元瞬时速度V相反；ρ为发射位置空气密度,单位为kg/m³，V为燃烧单元瞬时速度,单位m/s；S为燃烧单元燃烧时有效阻力面积,单位为m²；C_d为燃烧单元空气阻力系数；

但是，本方法采用方向虚拟阻力并不是单个燃烧单元，因此阻力公式为F_ZU＝k0.5ρSV²C_d，其中，F_ZU为虚阻力，k为虚拟阻力系数，该系数通过实际测量可得。

2.2)因此，以X+方向为例：t₁时刻有X+方向燃烧单元分布数学期望为：

其中，F_ZUEX+＝k0.5ρS(V_X++V_fx)²C_d，t_Δ为仿真步长，m为燃烧单元的质量，V_X+为燃烧单元爆炸时在地理坐标系中X+方向上的速度；

2.3)t₁时刻有X+方向燃烧单元速度分布数学期望为：

2.4)X+方向包含燃烧单元密度概率为0.95的分布点是：

其中，F_ZU0.95＝k0.5ρS(V_X++1.6δ_b+V_fx)²C_d；

2.5)获取X+方向包含燃烧单元速度概率为0.95的分布点为：

因此，可以获得X+方向包含燃烧单元密度和速度分布方差δ_1sx+,δ_1vx+，δ_1sx+＝(S_1,0.95(x+)-S_1,E(x+))/1.6，δ_1vx+＝(V_1,0.95(x+)-V_1,E(x+))/1.6，

2.6)通过上述描述可知在t₁时刻X+方向燃烧单元密度分布服从N(S_1,E(x+),δ_1sx+)分布，速度分布服从N(V_1,E(x+),δ_1vx+)分布；

2.7)重复执行上述步骤可得出在t₁时刻在坐标系中其它X-、Y+、Y-、Z+、Z-方向上燃烧单元密度分布分别服从N(S_1,E(x-),δ_1sx-)、N(S_1,E(y+),δ_1sy+)、N(S_1,E(y-),δ_1sy-)、N(S_1,E(z+),δ_1sz+)、N(S_1,E(z-),δ_1sz-)，速度分布分别服从N(V_1,E(x-),δ_1vx-)、N(V_1,E(y+),δ_1vy+)、N(V_1,E(y-),δ_1vy-)、N(V_1,E(z+),δ_1vz+)、N(V_1,E(z-),δ_1vz-)；

2.8)递增时间t₁后，重复执行上述步骤2.1)-2.7)计算得出下一时刻的燃烧单元的密度分布和速度分布，直至得出所有时刻燃烧单元的空间散布密度分布和速度分布，即获得任意时刻的燃烧单元空间散布密度分布和速度分布。

但是，当计算Y₊,Y_-方向燃烧单元空间密度分布和速度分布时，由于阻力是对速度发生变化，空气阻力分别为F_ZUEY+＝k0.5ρSV_Y+ ²C_d+mg和F_ZUEY-＝k0.5ρSV_Y- ²C_d-mg，其中，mg为燃烧单元的重力，F_ZU是随速度变化而发生变化，F_ZUX+0.95＝k0.5ρS(V_1,E(x+)+1.6δ_b+V_fx)²C_d也相应发生变化，俩式联立才能获得V_X+、F_ZUX+0.95，另外，F_ZUEY+＝k0.5ρSV_Y+ ²C_d+mg,V＝V_Y++1.6δ_b+V_fy，F_ZUEY-＝k0.5ρSV_Y- ²C_d-mg，V＝V_Y-+1.6δ_b+V_fy。

利用粒子系统实时生成面源燃烧单元粒子，并将上述燃烧单元的散布密度分布、速度分布赋予每一个燃烧单元粒子，且通过基于中波红外辐射计测量面源诱饵箔片燃烧过程中的辐射亮度，建立面源诱饵箔片燃烧辐射亮度分布，并赋予每个燃烧单元粒子，形成面源诱饵辐射场。

Claims (4)

1.一种适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定面源诱饵初始布放状态，建立面源诱饵燃烧单元布放初始速度密度分布；

步骤二、根据步骤一中得出的初始速度密度分布，建立面源诱饵燃烧单元空间散布密度分布函数和速度分布及其燃烧过程中的辐射亮度分布；

步骤三、利用粒子系统实时生成面源燃烧单元粒子，并将步骤二中得出的所述燃烧单元空间散布密度分布、速度分布和燃烧单元辐射亮度分布，赋予每个所述燃烧单元粒子，形成面源诱饵辐射场。

2.如权利要求1所述的适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，其特征在于，步骤一具体采用如下方法实现：

确定被保护目标在地理坐标系中的速度(V_fx,V_fy,V_fz)，其中V_fx、V_fy、V_fz分别为被保护目标在地理坐标系中的x、y、z轴上的速度，燃烧单元的总数为N，燃烧单元爆炸时的速度分布V_X+,V_X-,V_y+,V_y-,V_z+,V_z-均服从正态分布N(V_b,δ_b)，且燃烧单元位置均集中于爆炸点(x₀,y₀,z₀)，得出面源诱饵燃烧单元各向速度密度分布为N(V_b+V_fx,y,z,δ_b)，其中(x₀,y₀,z₀)为地理坐标系的坐标原点。

3.如权利要求2所述的适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，其特征在于，步骤二中建立面源燃烧单元空间散布密度分布和速度分布的具体方法如下：

2.1)根据燃烧单元运动时所受空气阻力方程

F_ZU＝k0.5ρSV²C_d，

得出每个所述燃烧单元受到的空气阻力，其中，F_ZU为空气阻力，方向与燃烧单元瞬时速度V相反，ρ为发射位置空气密度，V为所述燃烧单元的瞬时速度，S为所述燃烧单元燃烧时有效阻力面积，C_d为燃烧单元空气阻力系数，k为虚拟阻力系数；

2.2)t₁时刻X+方向燃烧单元密度分布数学期望为：

$S_{1,E(x+)}=(V_{X+}+V_{fx})t_{\mathrm{\Δ}}-0.5\frac{F_{ZUEX+}}{m}{t}_{\mathrm{\Δ}}^2,$

其中，F_ZUEX+＝k0.5ρS(V_X++V_fx)²C_d，t_Δ为仿真步长，m为燃烧单元的质量，V_X+为燃烧单元爆炸时在地理坐标系中X+方向上的速度；

2.3)t₁时刻X+方向燃烧单元速度分布数学期望为：

$V_{1,E(x+)}=(V_{X+}+V_{fx})-\frac{F_{ZUEX+}}{m}{t}_{\mathrm{\Δ}};$

2.4)X+方向包含燃烧单元密度概率为0.95的分布点是：

$S_{1,0.95(x+)}=(V_{X+}+1.6{\mathrm{\δ}}_b+V_{fx})t_{\mathrm{\Δ}}-0.5\frac{F_{ZU0.95}}{m}{t}_{\mathrm{\Δ}}^2,$

其中，F_ZU0.95＝k0.5ρS(V_X++1.6δ_b+V_fx)²C_d；

2.5)获得X+方向包含燃烧单元速度概率为0.95的分布点为：

$V_{1,0.95(x+)}=(V_{X+}+1.6{\mathrm{\δ}}_b+V_{fx})t_{\mathrm{\Δ}}-\frac{F_{ZU0.95}}{m}{t}_{\mathrm{\Δ}},$

获得X+方向包含燃烧单元密度和速度分布方差δ_1sx+,δ_1vx+分别为：δ_1sx+＝(S_1,0.95(x+)-S_1,E(x+))/1.6，δ_1vx+＝(V_1,0.95(x+)-V_1,E(x+))/1.6，

2.6)在t₁时刻X+方向燃烧单元密度分布服从N(S_1,E(x+),δ_1sx+)，速度分布服从N(V_1,E(x+),δ_1vx+)；

2.7)重复执行上述步骤得出在t₁时刻X-、Y+、Y-、Z+、Z-方向燃烧单元密度分布分别服从N(S_1,E(x-),δ_1sx-)、N(S_1,E(y+),δ_1sy+)、N(S_1,E(y-),δ_1sy-)、N(S_1,E(z+),δ_1sz+)、N(S_1,E(z-),δ_1sz-)，速度分布分别服从N(V_1,E(x-),δ_1vx-)、N(V_1,E(y+),δ_1vy+)、N(V_1,E(y-),δ_1vy-)、N(V_1,E(z+),δ_1vz+)、N(V_1,E(z-),δ_1vz-)；

2.8)递增时间t₁后，重复执行步骤2.1)-2.7)计算出下一时刻燃烧单元的密度分布和速度分布，直至得出所有时刻燃烧单元的空间散布密度分布和速度分布。

4.如权利要求3所述的适用于实时仿真的快速面源红外诱饵粒子建模方法，其特征在于，当计算Y+、Y-方向燃烧单元空间密度分布和速度分布时，空气阻力分别为F_ZUEY+＝k0.5ρSV_Y+ ²C_d+mg和F_ZUEY-＝k0.5ρSV_Y- ²C_d-mg，其中，mg为燃烧单元的重力。