CN112215957A - 一种空中目标红外特性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空中目标红外特性仿真方法，用于解决解决现有技术的红外仿真存在成本过高，且当距离和工况变化时，检测精度变低的缺陷。空中目标红外特性仿真方法包括：空中目标形态模拟步骤，用于通过图形软件构建目标的三维模型；红外辐射特性模拟步骤，用于根据原型数据建立发射特性模型和反射特性模型，并进行模型的可视化；运动特性模拟步骤，用于将目标轨道数据做坐标转换，以供仿真平台读入。本发明的一个应用是激光武器空中防御系统。

Description

一种空中目标红外特性仿真方法

技术领域

本发明涉及红外视景仿真系统领域，具体涉及一种空中目标红外特性仿真方法。

背景技术

随着信息化战争的到来，其所呈现的高技术性、局部性、非对称性、精确打击等特点对武器装备提出了新的需求。各类典型目标与环境的红外辐射特性作为目标探测、识别和跟踪的重要特征依据，一直以来都是各国研究的热点。现有技术中往往对目标的形态和仿真参数追求较高的相似度，但忽略了不同探测距离、不同工况对仿真技术的影响，这将导致成本过高，并且当工况变化时，会存在检测精度较低的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决现有技术的红外仿真存在成本过高，且当距离和工况变化时，检测精度变低的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种空中目标红外特性仿真方法，包括：空中目标形态模拟步骤，用于通过图形软件构建目标的三维模型；红外辐射特性模拟步骤，用于根据原型数据建立发射特性模型和反射特性模型，并进行模型的可视化；运动特性模拟步骤，用于将目标轨道数据做坐标转换，以供仿真平台读入。

优选地，当存在目标结构文件时，空中目标形态模拟步骤包括：通过通用图形软件对目标结构文件进行读取和解析，得到目标造型文件；利用目标造型文件中描述的目标几何结构信息，使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；使用三维模型构建软件对目标表面进行网格优化；按照红外辐射组成将目标表面划分为多个网格组。

优选地，当不存在目标结构文件时，空中目标形态模拟步骤包括：直接输入目标的几何结构信息，使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；使用三维模型构建软件对目标表面进行网格优化；按照红外辐射组成将目标表面划分为多个网格组。

优选地，当目标在探测设备上的显示大小小于预设像素尺寸时，通过底层绘图方式实现形体仿真。

优选地，红外辐射特性模拟步骤包括：获取目标表面的辐射特性原型数据；具体包括目标自身反射数据、自身发射数据、尾焰辐射数据；其中目标自身反射数据通过目标表面的涂层数据获得，自身发射数据通过目标自身温度分布数据获得；尾焰辐射通过目标尾焰温度分布数据获得；使用目标的涂层数据和漫反射模型建立目标反射特性模型；并使用目标表面温度场、表面材料发射率和普朗克定律计算目标红外辐射强度，建立目标发射特性模型；将辐射特性模型的参数输入给计算机模型，并对等效发射率、等效反射率、等效辐射强度进行标定，使计算机模型能够在虚拟光环境中显示的光学特性符合预设的准确程度。

优选地，运动特性模拟步骤中，目标轨道数据为预设通用轨迹。

优选地，空中目标形态模拟步骤还用于根据目标所处的不同探测距离以及不同工况构建三维模型的形态。

优选地，红外辐射特性模拟步骤还用于根据目标所处的不同探测距离以及不同工况建立红外特性模型。

优选地，所述仿真平台为VegaPrime平台。

本发明的有益效果是：生成红外图像的周期短、实时性高，能够解决红外图像获取困难的问题，在一个实施例中，与实测数据相比本发明的真实度能够达到70％，能够取代一部分场外实验。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一个实施例的流程图；

图2为红外辐射影响因素的示意图；

图3为探测器实际探测到的辐射组成；

图4(a)为F22的三维模型图；图4(b)为F22的结构示意图；

图5为以F22为目标的蒙皮三维网格图；

图6为一个实施例中考虑到不同探测距离、不同工况的目标特性模拟的技术方案原理框图；

图7(a)为一个实施例的空中目标红外仿真图；

图7(b)为一个实施例的空中目标红外实测图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种空中目标红外特性仿真方法，如图1所示，包括：

步骤S1，空中目标形态模拟步骤，用于通过图形软件构建目标的三维模型。

步骤S2，红外辐射特性模拟步骤，用于根据原型数据建立发射特性模型和反射特性模型，并进行模型的可视化。

步骤S3，运动特性模拟步骤，用于将目标轨道数据做坐标转换，以供仿真平台读入。

本发明用于模拟空中目标的红外特性，并通过仿真平台输出仿真视频或仿真图像，即通过本发明的方法，仿真平台能够模拟出较为真实的红外场景。

影响空中目标红外辐射特性的因素如图2所示，包括地球背景(地表+大气)、天空背景、太阳辐射，探测器接收目标辐射的同时还接收背景辐射、大气辐射。分析空中目标辐射特性时，要考虑地球背景(地表+大气)、天空背景、太阳辐射、大气衰减与增强。空中目标红外特性的模拟仿真通常要求能逼真模拟目标的形体、尺寸、亮度、运动速度、运动轨迹，要对目标的形态、红外辐射特性、运动特性进行仿真。如图3所示。

为此，本发明提出了解决方案，将空中目标红外特性仿真分为形态仿真、辐射特性仿真、运动特性模拟三个部分，其中目标形态模拟步骤用于通过图形软件构建目标的三维模型。红外辐射特性模拟步骤，用于根据原型数据建立发射特性模型和反射特性模型，并进行模型的可视化。运动特性模拟步骤用于将目标轨道数据做坐标转换，以供仿真平台读入。

空中目标形态模拟步骤S1进一步包括：

步骤S1A：若存在目标结构文件，则通过通用图形软件对目标结构文件进行读取和解析，得到目标造型文件；利用目标造型文件中描述的目标几何结构信息，使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；使用三维模型构建软件对目标表面进行网格优化；按照红外辐射组成将目标表面划分为多个网格组。“通用图形软件”可以为CAD，通过CAD的固有功能可以生成造型文件；“三维模型构建软件”可以为Creator或3DsMax。以F22为例，图4(a)和图4(b)示出了F22的三维图和结构图，可以通过软件从结构图中提取参数化数据。即如果存在目标造型文件，则可以通过CAD提取出其中的几何结构信息，再根据提取出的参数化数据利用Creator等工具重建出三维几何结构，网格数以千位单位，不可过多。之后再对网格进行优化精简，按照红外辐射组成将目标表面分为多个网格组。优化时需要考虑目标的距离而采用不同的优化方式。图5示出了一种F22的蒙皮三维网格，其中不同灰度的区域代表不同的网格组，即需要根据目标的结构进行网格区域划分。

步骤S1B：若不存在目标结构文件，那么无法根据目标结构文件提取出目标造型文件，此时可以直接输入目标几何结构信息，再使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；并且同样地使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建。

进一步地，如果目标距离较远，在探测设备上小于预设的像素点尺寸时，可能通过上述方法无法准确表现目标的结构特性，此时模型表现的结构特性通过底层绘图的方式实现形体仿真。

在进行形态模拟步骤时，主要考虑不同探测距离的形态模拟以及不同工况下的形态模拟，例如目标中若存在一个结构，在选定的探测距离下不能忽略，则进行网格优化时也应当予以保留。同样地，目标在不同工况下可能存在形态变化，例如F22或其他飞行物在执行不同功能时外形结构会发生变化，因此也需要根据目标在不同工况下的不同结构分别进行三维模型构建。如某飞行物在3种工况下会发生外形结构变化，则根据不同工况下的结构构建3种相应的三维模型，以更好地在虚拟环境中模拟飞行物，使红外探测器等设备在观测仿真图像/视频时得到的测试数据能够与现实场景中一致。

红外辐射特性模拟步骤S2进一步包括：

步骤S21：获取目标表面的辐射特性原型数据；具体包括目标自身反射数据、自身发射数据、尾焰辐射数据；其中目标自身反射数据通过目标表面的涂层数据获得，自身发射数据通过目标自身温度分布数据获得；尾焰辐射通过目标尾焰温度分布数据获得。

步骤S22：目标辐射特性模型包括反射特性模型和发射特性模型；使用目标的涂层数据和漫反射模型建立目标反射特性模型；并使用目标表面温度场、表面材料发射率和普朗克定律计算目标红外辐射强度，建立目标发射特性模型。

步骤S23：将辐射特性模型的参数输入给计算机模型，并对等效发射率、等效反射率、等效辐射强度进行标定，使计算机模型能够在虚拟光环境中显示的光学特性符合预设的准确程度。标定工作要经过反复预判、测量、标定。等效辐射强度可以使用如下公式进行模拟：

其中Gx为点目标目标的仿真灰度，Ex为目标的辐射能量，Emax、Emin为视场需仿真的最大能量与最小能量，Gman、Gmin为仿真画面中最大灰度值与最小灰度值。

在进行辐射特性仿真步骤时，也需要考虑不同探测距离下的红外特性仿真以及不同工况下的红外特性仿真。例如目标在不同位置区间内的红外特性不同，则可以根据距离设置不同的红外特性参数；或者当目标处于不同工况时，红外特性不同，则可以根据不同工况设置不同的红外特性参数。如某飞行物在一定距离外其上的某结构的红外辐射大幅减弱，则在此距离区间内该结构的红外辐射可以忽略；或者该飞行物在不同工况下的红外特性不同，则可以根据其工况设置不同的红外特性参数。如某部件在某工况下由非工作状态转变为工作状态，致使其温度增高，进而影响该部件表面的发射特性，据此可以对每个可能在特定工况下发生红外特性变化的部件根据不同工况分别设计红外特性参数，这样多种部件的多种工况进行组合可形成多种红外特性参数组合，能够更为准确地反映现实情况中目标在不同工况下的红外特性。

本发明提出的这种根据工况和距离进行仿真的方案，可以表示为如图6所示的原理框图，该方案能够解决现有技术中的仿真图像/视频的真实度不高的缺陷，例如对于具有多种工况的飞行物，现有技术只提供一种形态和一种红外特性参数，现有技术的关注点往往是对目标的形态和仿真参数追求较高的相似度，但事实上随着距离的增加，对形态相似度和仿真参数的准确度是逐渐降低的，并且从不同距离观测到的目标形态也能存在差异，因此可以根据距离设置三维模型数据，能够在不损失真实度的情况下减少开发成本以及运算开销。另一方面，对于多种工况的飞行物，其在被观测到的期间内可能因工况发生变化而导致形态发生变化，现有技术未考虑到这种情况，因此可能导致在进行半实物仿真时，待测设备得到的仿真测试效果较好，但是投入实际使用时又无法准确侦测和识别工况变化的目标。通过本发明提供的方法，能够让红外仿真更接近真实情况，进而能够使红外仿真的测试结果能够客观评价待测设备的性能。

运动特性模拟步骤S3中，目标轨道数据为预设通用轨迹。即可以预先设置轨迹数据文件，通过预设通用轨迹、预留读入或者通讯接口加载的方式，将轨迹数据文件读入到仿真平台中。由于目标轨道数据使用的坐标系与仿真平台不同，因此还需要通过目标坐标系、发射坐标系或伺服角度间坐标系进行坐标转换，以得到仿真平台所需的坐标形式。进行坐标变换时，根据角度旋转的角度和顺序关系，依次选取对应的转换公式计算。本发明的一个实施例中，使用的仿真平台为专业视景仿真平台VegaPrime，该平台保证了轨道数据在软件内部的精确定位。

<实施例>

本实施例中用于解决空中目标仿真的方案包括形态仿真、红外辐射特性仿真以及运动特性仿真：

1.空中目标形体仿真的解决方案

空中目标的形体仿真采用下面三步实现：

①目标几何造型文件的解析。采用目前较为通用的造型软件CAD实现目标结构文件的读取与解析，得到目标造型文件。如果没有目标结构文件，直接进行下一步。

②目标三维几何结构重建。利用目标造型文件中描述的目标几何结构信息，或直接输入目标几何结构信息，使用Creator、3DsMax等软件对目标的三维几何结构进行重建，网格数以千为单位，不可过多；

③目标表面面元优化，网格划分。以不损失重要的物理细节为原则，使用Creator、3DsMax等软件对目标表面进行网格优化精简；按照红外辐射组成划分目标表面为多个网格组。要考虑目标距离采用不同优化方式。

目标距离较远，在探测设备上小于几个像素点时，以上方法无法准确表现目标结构特性，模型表现的结构特性使用底层绘图方式实现。

2.辐射特性仿真的解决方案

空中目标辐射特性逼真模拟，需要考虑目标的表面发射特性、反射特性模型，解决方法如下。

①获取目标表面的辐射特性原型数据。

目标辐射信号来源于目标自身反射、自身发射、尾焰辐射。反射特性需要的原型数据是目标表面涂层数据，发射特性需要目标自身温度分布、目标尾焰温度分布数据。

②建立辐射特性模型。

目标辐射特性模型包括发射特性模型和反射特性模型；使用涂层数据和漫反射模型建立目标反射特性模型。使用目标表面温度场、表面材料发射率和普朗克定律计算目标红外辐射强度，建立目标发射特性模型。

③辐射特性模型可视化

辐射特性模型可视化是分解辐射特性模型参数给计算机模型的过程，使得计算机模型在虚拟光环境中显示的光学特性逼真准确，内容有分解标定等效发射率，等效反射率，等效辐射强度等。标定工作要经过反复预判、测量、标定，复杂漫长。等效辐射强度使用如下公式模拟：

Gx为点目标目标的仿真灰度，Ex为目标的辐射能量，Emax、Emin为视场需仿真的最大能量与最小能量，Gman、Gmin为仿真画面中最大灰度值与最小灰度值。

3.运动特性模拟的解决方案

视景仿真中，目标轨道数据采用预设通用轨迹或预留读入、通讯接口加载的方式。仿真软件的坐标系多是目标坐标系，是以目标初始位置为原点的东北天坐标系，目标轨道数据需要做坐标转换后读入。

运动特性仿真中经常涉及目标坐标系、发射坐标系、伺服角度间的相互转换，由于转换公式多且重复性高，因此在此给出坐标变换的基本数学公式：

绕X轴旋转α角

绕Y轴旋转β角

绕Z轴旋转γ角

进行坐标变换时，根据角度旋转的角度和顺序关系，依次选取对应的转换公式计算。

本例中使用的仿真平台是国内外一流的专业视景仿真平台VegaPrime平台保证了轨道数据在软件内部的精确定位。

本实施例的空中目标的红外仿真无论在军事与民用领域中均有广泛的应用，软件生成红外图像具有周期短、实时性高的特点，可以很好地解决红外图像获取难的问题，通过与真实图像对比可以发现，在相同探测条件下仿真得到的图像与真实探测结果相似度很高。在一个实测场景中，在测试激光武器空中防御系统中使用了上述方法，经过测试，使用此方法可以部分取代外场实验。图7(a)为生成的仿真图，图7(b)为实测图，从图中可以看出本实施例生成的仿真图像和视频与实拍图像的真实度非常接近，在所示的观测尺度下可以认为仿真图像能够取代场外实验。与实测数据对比，本例能够达到70％的真实度，真实度的计算方法可以参考公开文本CN110473169A。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，包括：

空中目标形态模拟步骤，用于通过图形软件构建目标的三维模型；

红外辐射特性模拟步骤，用于根据原型数据建立发射特性模型和反射特性模型，并进行模型的可视化；

运动特性模拟步骤，用于将目标轨道数据做坐标转换，以供仿真平台读入。

2.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，当存在目标结构文件时，空中目标形态模拟步骤包括：

通过通用图形软件对目标结构文件进行读取和解析，得到目标造型文件；

利用目标造型文件中描述的目标几何结构信息，使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；

使用三维模型构建软件对目标表面进行网格优化；按照红外辐射组成将目标表面划分为多个网格组。

3.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，当不存在目标结构文件时，空中目标形态模拟步骤包括：

直接输入目标的几何结构信息，使用三维模型构建软件对目标的三维结构进行重建；

使用三维模型构建软件对目标表面进行网格优化；按照红外辐射组成将目标表面划分为多个网格组。

4.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，当目标在探测设备上的显示大小小于预设像素尺寸时，通过底层绘图方式实现形体仿真。

5.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，红外辐射特性模拟步骤包括：

获取目标表面的辐射特性原型数据；具体包括目标自身反射数据、自身发射数据、尾焰辐射数据；其中目标自身反射数据通过目标表面的涂层数据获得，自身发射数据通过目标自身温度分布数据获得；尾焰辐射通过目标尾焰温度分布数据获得；

使用目标的涂层数据和漫反射模型建立目标反射特性模型；并使用目标表面温度场、表面材料发射率和普朗克定律计算目标红外辐射强度，建立目标发射特性模型；

将辐射特性模型的参数输入给计算机模型，并对等效发射率、等效反射率、等效辐射强度进行标定，使计算机模型能够在虚拟光环境中显示的光学特性符合预设的准确程度。

6.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，运动特性模拟步骤中，目标轨道数据为预设通用轨迹。

7.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，

空中目标形态模拟步骤还用于根据目标所处的不同探测距离以及不同工况构建三维模型的形态。

8.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，

红外辐射特性模拟步骤还用于根据目标所处的不同探测距离以及不同工况建立红外特性模型。

9.根据权利要求1所述的空中目标红外特性仿真方法，其特征在于，

所述仿真平台为VegaPrime平台。

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