JP2569272B2 - 電気光学的ターゲットおよび背景シミュレーション - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、コンピュータ
実行シミュレーションシステムおよび方法に関し、特
に、ミサイル追跡システムの設計および試験に使用され
るシミュレートされた映像を生成するコンピュータ実行
の電気光学的ターゲットおよび背景シミュレーションシ
ステムおよび方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータモデルからの総合の映像の
生成は、動的なセンサ／追跡システムをシミュレートす
る通常の方法として認められている。特に、高い忠実度
のシミュレーションを開発するときに高性能の戦闘ミサ
イルシステムの設計および試験を容易にする。しかしな
がら、モデルからの高い忠実度の映像は、莫大な計算供
給源を必然的に要求する。コンピュータ技術における新
しい進歩および関係した減少しているコストがこの方法
を可能にする。

【０００３】距離の閉鎖による実際的な背景にターゲッ
トを与える方法は、ターゲットを自主的に得て、背景あ
るいは偽ターゲットを排除するように設計された電気光
学的および多重スペクトル（電気光学的および無線周波
数）探索装置の正確な評価のために必要とされる。従来
は、ターゲットを得て、背景および対応手段を無視する
探索装置の能力は、設定数の限定された地上操縦を含む
高価な実地試験によって実証されることができる。さら
に、高い解像度の探索装置は、ターゲットの様々な部分
に感受性がある。それ故、全体の探索装置−ミサイル概
念の正確な評価は、探索装置開発問題の設計段において
早期には実現されない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】実時間における電気光
学的な映像を同時に発生することが可能な柔軟なシミュ
レーションの開発は、設計者が設計段階の早期に提案さ
れた探索装置および追跡装置のパラメータを試験し正確
にすることを可能にする。このようなシミュレータは、
概算された時間内に行う探索装置シミュレーションおよ
び実時間内に行うブレッドボード探索装置ハードウェア
にインターフェイスすることを可能にしなければならな
い。

【０００５】このようなシミュレータのサブコンポーネ
ントのモデルは２つの種類に分類される。モデルの第１
の組は、シミュレーションの実行毎に１度実行される。
これらのモデルは、ターゲットおよび背景の形状および
熱特性モデルを含む。背景に関して、これらのモデル
は、情景における各材料がどのように環境と相互作用す
るか、すなわち、各材料の１度の温度変化のために要求
されるエネルギー利得、および温度および波長の関数と
して材料によって放射されるエネルギが各材料によって
どのように得られ、失われるかの環境的モデルを含む。
ターゲットに関して、エンジンのような内部熱供給源お
よびそれらの排気、およびターゲット運動から生じる表
面加熱をモデル化しなければならない。

【０００６】モデル成分の第２のカテゴリーはターゲッ
ト運動の力学をモデル化し、シミュレーションの各時間
ステップに対する電気光学的情報を生成することであ
る。これらのアルゴリズムは、慣例通りコンピュータを
使用したそれぞれシミュレートされた映像の数百万の浮
動小数点式の計算を必要とする。実時間特性を達成する
ために、現在存在するものよりもさらに効果的なアルゴ
リズムを設計し、進歩した同時処理技術を使用する迅速
な特別な目的のコンピュータハードウェアでこれらのア
ルゴリズムを実行することが必要となる。

【０００７】それ故、本発明の目的は、ミサイル追跡シ
ステムの設計および試験に使用されるシミュレートされ
た映像を生成するコンピュータ実行電気光学的ターゲッ
トおよび背景シミュレーション方法を提供することであ
る。さらに、本発明の目的は、ミサイル探索装置によっ
て使用される凝視検出器アレイの現実的な人工的、およ
びまたは自然の背景および対応手段における複雑な空中
および地上ターゲットの赤外線、可視光および紫外線ス
ペクトル領域の映像を生成することを可能にする実時間
多重スペクトルターゲットおよび背景情景生成器を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
を実行するため、本発明は、ミサイル搭載電気光学的探
索装置システムの設計および試験を容易にするために使
用される合成映像を生成するためのコンピュータベース
熱情景シミュレーションシステムおよび方法である。情
景は、利用可能なターゲットおよび背景データベースフ
ァイルから選択された目標物体および背景から成る。固
定あるいは運動の目標物体は、それらの３次元表面をカ
バーする小さな平坦なファセットを組合わせることによ
ってモデル化される。各ファセットは、モデル化された
表面の熱および光学特性を有するデータベースファイル
に関係する。背景は、地球の表面を表しているピラミッ
ドの床面および地平線の上の映像を表しているピラミッ
ドの側面を有する情景の範囲を限定するピラミッドの内
表面上にモデル化される。ピラミッド表面は、表面部分
を表す三角形のファセットに分けられる。各ファセット
は、背景材料を構成している背景データベースファイル
から選択された一様な組織が割当てられる。シミュレー
ションは、ミサイルの６つの自由度シミュレーションで
使用されるように設計され、瞬間的探索装置視準線、探
索装置位置、探索装置方向、目標物体方向および位置、
および背景に基づいたミサイル探索装置によって見られ
るような映像を生成する。探索装置と目標物体間のアス
ペクト角度および距離包囲率は、映像生成手順によって
処理される。投影された映像は、探索装置の焦点平面上
に放射分布を生成するために探索装置の光学的点広がり
関数に関して回旋される。焦点平面放射分布のサンプリ
ングはモデル化され、探索装置から信号プロセッサへの
出力データ流が生成される。

【０００９】特に、本発明は、ミサイル搭載電気光学的
探索装置システムの設計および試験を容易にする合成映
像を生成する電気光学的ターゲットおよび背景シミュレ
ーションシステムである。システムは、シミュレートさ
れた背景が生成され、境界が映像情景の範囲を特定する
ピラミッドを構成する映像情景を限定しているデータを
具備している背景データベースを具備し、それにおいて
ピラミッドは地平線の背景表面を限定しているピラミッ
ドベースおよび地平線の背景表面の上方を限定している
ピラミッド側面に分けられ、各表面は一様な組織の三角
形の領域を具備し、ターゲットデータベースは背景デー
タベースから生成される背景に重ねられるシミュレート
された目標物体を表している複数の三角形の目標物体フ
ァセットを具備している。処理手段は、得られたデータ
を処理し、総合の映像を生成するために背景およびター
ゲットデータベースに結合される。

【００１０】処理手段は、映像情景の表面放射写像を供
給する放射写像手順を含んでいる複数の信号処理手順
と、ターゲットおよびミサイル重心位置および方向を示
しているデータを処理し、３次元の探索装置フレームを
供給する座標変換手順と、目標物体上の影になった区域
を決定するシャドー手順と、探索装置の視野から覆い隠
される目標物体ファセットを除去する隠れた表面除去手
順と、背景およびターゲットデータベースから探索装置
の焦点平面までの透視投影手順と、背景およびターゲッ
トの放射強度に対する大気中の影響を決定し、それに応
じて映像を変化させる距離および天候状態データを処理
する大気減衰および散乱手順と、放射分布が合成映像を
構成する探索装置の焦点平面上の放射分布を生成させる
探索装置の光学的な点広がり関数に関して投影された映
像を回旋することによって探索装置の焦点平面上に２次
元映像を供給する光回旋手順とを具備する。

【００１１】本発明は、総合の映像を生成する電気光学
的ターゲットおよび背景シミュレーション方法を企図す
る。本発明の方法は、処理方法において実行されたステ
ップを具備し、各データベースにおけるデータにより動
作する。

【００１２】

【実施例】図面を参照すると、図１は、本発明の原理に
よるシミュレーション方法20を使用しているコンピュー
タ実行の電気光学的ターゲットおよび背景シミュレーシ
ョン（ＴＡＢＳ）システム10の構成を示しているブロッ
ク図である。特に、シミュレーションシステム10の機能
的な概観は図１に示されている。将来の変化および増加
が容易に行われるように、モジュール方法がシミュレー
ションシステム10において使用されている。

【００１３】シミュレーションシステム10は、３次元タ
ーゲット／プルームデータベース11、３次元背景データ
ベース12、対応手段データベース13により使用され、要
求されたとき各データベース11，12，13をアクセスする
映像生成方法20（手順20あるいはアルゴリズム20）を実
行し、ミサイル搭載電気光学的探索装置システムの設計
および試験を容易にする合成映像を生成するように構成
される映像発生器30から構成されている。映像発生器30
において実行される映像生成手順20は、ターゲットを形
成する各ターゲットファセットの放射輝度、プルーム点
放射、背景領域の平均放射値、太陽の位置、および大気
の状態を決定するように構成されている放射写像（radi
ance mapping）手順21、座標変換手順22、探索装置視野
窓クリッピング手順23、シャドーおよび隠れた表面除去
手順24、透視投影手順25、大気減衰および散乱手順26お
よび光学的回旋手順27を具備する。

【００１４】シミュレーション手順20に供給される複数
の入力は、放射写像手順21によって使用される探索装置
動作周波数帯域、座標変換手順22によって使用される世
界座標におけるターゲットおよびミサイル重心位置、窓
クリッピング手順23によって使用される探索装置視野デ
ータ、および大気の減衰および散乱手順26によって使用
される距離、天候状態および太陽位置データを含んでい
る。複数の出力は、シミュレーション手順20によって生
成される放射写像手順21からの表面放射写像、座標変換
手順22によって出力される３次元探索装置フレーム、透
視投影手順25によって供給される２次元映像平面、光学
的回旋手順27によって供給される探索装置焦点平面上の
２次元映像を含んでいる。

【００１５】図２は、図１のシステム10のハードウェア
ブロック図を示す。システム10は、例えば、映像発生器
30、走査発生器40、ＩＲ信号プロセッサ50およびミサイ
ル運動シミュレーション60から構成されている。走査発
生器40は、ミサイル運動シミュレーション60、ＩＲ信号
プロセッサ50および映像発生器30とインターフェイスす
るＩＮＭＯＳトランスピュータ（Ｔ）、および図示され
たようなパイプライン構成に配置されたＡＴ＆Ｔ型ＤＳ
Ｐ３２Ｃプロセッサのような４個のデジタル信号プロセ
ッサ42（ＤＳＰ）から構成されている。走査発生器ハー
ドウェアに必要なメモリは、全体で約２２０キロバイト
である。実時間の制約に応じるため、映像発生器30の機
能は１６ＡＴ＆Ｔ ＤＳＰ３２Ｃ ＤＳＰプロセッサ42
のアレイを使用して実行され、走査発生器40は４ＡＴ＆
Ｔ ＤＳＰ３２Ｃ ＤＳＰプロセッサ42のアレイ上で実
行する。

【００１６】図３を参照すると、システム10および手順
20のＩＲ映像発生器30および走査発生器40に関するフロ
ー図を示す。本発明の手順20を実行する映像発生器の実
時間実行は、背景放射投影25、ターゲット放射投影26、
光にじみ回旋27の３つの基本的な部分に分割される。走
査発生器40は、映像における個々の検出器位置（走査モ
デル45）の決定、画素補間46、火炎放射投影47、および
検出器電子装置モデル48の４つの基本的な機能から成
る。計算リソースの効果的な使用のため、これらの機能
は図３に示されるように分離され、織り合わされる。Ｉ
Ｒ映像発生器30は外挿された探索装置およびターゲット
位置、およびミサイル運動シミュレーション60から得ら
れる方向コサインデータを処理する。走査発生器40は、
実際の探索装置位置および方向コサインデータ、および
ミサイル運動シミュレーション60から得られた実際のタ
ーゲット位置データを処理する。検出器出力データおよ
び回転位相を含んでいる走査発生器40からの出力データ
は、処理のために信号プロセッサ50に光学的に結合され
る。

【００１７】図４は、本発明の原理による映像発生を概
略的に示す。探索装置15を含んでいるミサイル14は、シ
ミュレートされたターゲットの方向に、すなわち地球の
表面上の位置の方へ飛行する。本発明のシステム10およ
び手順20は、探索装置15がミサイル14がターゲットへの
飛行経路を飛行するときに「見える」映像情景16を生成
するように構成される。

【００１８】ターゲット、背景および対応手段データベ
ース11乃至13（図１参照）は予め限定され、ハードある
いは光ディスク（図示されていない）上に記憶される。
各データベース11，12，13は目標物すなわちモデル化さ
れた材料を特徴づける幾何学的、熱的および光学的性質
から構成されている。各データベース11，12，13の構造
を図５を参照して説明する。図５は、図１のシミュレー
ションシステム10および手順20において使用される各デ
ータベース11乃至13の典型である背景データベース11か
ら形成される映像情景16の構造を示す。映像情景16は背
景32および目標物体33から成る。背景32は、境界が映像
情景16の範囲を特定するピラミッド34の表面上に限定さ
れる。ピラミッド34は、地平線背景表面38より下を限定
するピラミッドベース35および地平線背景表面38より上
を限定するピラミッド側面37ａ乃至37ｄの２つの部分に
論理的に分けられる。ピラミッド34の各表面は、背景デ
ータベース12において利用可能な組織から選択される一
様な材料の組織の三角形の領域３９に分けられる。各領
域39の境界線は、透視投影手順25における領域探索時間
を最小化するために順序づけられた検索テーブルに記憶
される。各領域はデータベース11において適用可能な組
織から材料のタイプが指定される。モデル化された組織
は、それだけに限定はされないが、成長中の畠、ダート
な道路、耕地、成長中および休眠中の長い草、成長中お
よび休眠中の短い草、砂、水、氷、舗装表面、地平線上
の雲、地平線上の山および澄んだ空を含む。様々な背景
領域39の境界は、時計回りの方法で横断される直線部分
によって限定される。背景データベース12は、普通の天
候状況および太陽位置データを含む。これは、非常に多
数の異なる情景16が背景データベース11におけるデータ
から迅速に組立てられることを可能にする。

【００１９】放射写像手順21によって供給される放射写
像は、映像情景16の成分に強度値を割当てる。背景、タ
ーゲットおよび対応手段データベース11乃至13は、使用
者によって限定された方法で映像情景16に写像される。
ターゲット14、ミサイル探索装置15、対応手段および太
陽18の位置は、ピラミッド34の床部に中心を有する慣性
座標系に関して定められる。背景、ターゲットおよび対
応手段データベース11乃至13は、図５、６および７に示
されているような放射に関する情報および映像情景16の
空間的特徴を含む。

【００２０】図６の（ａ）を参照すると、目標物体33
は、視野あるいは何か他の照射を暗くする映像情景16に
おける物体に限定される。目標物体33は、それらの可動
性およびタイプにしたがって分類される。可動目標物体
33は、戦車、トラックおよび航空機のような人造の物
体、および雲のような自然の物である。不動目標物体33
は、建物、ダムおよび道路のような人造の物体、および
木、岩および丘のような自然の物体である。特に、図６
の（ｂ）は、ターゲットデータベース11から得られた典
型的なターゲット14（目標物体33）の詳細を示す。図６
の（ｂ）におけるターゲット14は、本発明による隠れた
表面の除去後のエグゾセミサイルのワイヤフレームモデ
ルを表す。各目標物体33に関するデータベースは、目標
物体33あるいはターゲット14の表面およびその表面に対
する垂線上の点によって限定される１組の小さな平坦な
ファセット19から構成されている。ファセット19はピラ
ミッドの側面37ａ乃至37ｄと同様である。各ファセット
19は、一様な放射の所定の表面区域を表す。各ファセッ
ト19は、表された面積の光学特性に対応している光学特
性が割当てられている。データベース11における特性
は、波長、温度、比熱、および表面温度の関数として反
射率、放射力、および透明度を含む。この情報により、
関心のある周波数帯域における放射され、反射された放
射が計算される。各目標物体の最初の位置および方向
は、実行時間にデータベース11の一部分として読取られ
る。可動目標物体32に関して、それらの位置および方向
はシミュレーションの各時間ステップで更新される。可
動目標物体32は、世界座標系に関する運動に関する３つ
の回転自由度および３つの変換自由度を有する。さら
に、航空機モデルは、放射されたプルーム放射のスペク
トルおよび空間的分配をエミュレートするように設計さ
れた気体プルームモデルを有する。データベース11にお
ける目標物体32は、それに限定されないが、ＭＩＧ−２
１戦闘航空機、ＭＩＧ−２７戦闘航空機、Ｔ−６２戦
車、エグゾセ空対地ミサイル（図６の（ｂ）参照）およ
び一般的なＩＣＢＭを含む。

【００２１】図７を参照すると、対応手段データベース
13に使用される対応手段モデルは自由落下の花火火炎の
対応手段モデルである。このデータベース13は、燃焼プ
ロフィル対時間、燃焼温度、落下中の空気力学的抗力に
関する寸法パラメータ、映像上の重畳に関する拡張され
たにみじパターン、およびターゲット14に関する最初の
位置および速度から成る。火炎放射は火炎温度に基づい
た論理的計算から得られる。

【００２２】本発明のシミュレーションシステム10およ
び手順20は、ミサイル探索装置15の分析および設計にお
ける応用に関する背景およびターゲット強度写像を形成
するために開発された。再び図４を参照すると、本発明
によって行われる全体的映像生成処理を示す。システム
10および手順20は、使用者によって定められた位置にお
けるピラミッド上に写像される様々なタイプの背景を使
用する。背景あるいはターゲット14は、ＩＲスペクトル
におけるエネルギー源である。源の強度は、その温度お
よび放射率によって決定される。以下は、本発明のシス
テム10および手順20において使用された映像生成コード
を証明するために使用される式である。

【００２３】映像生成手順20の実行時、ターゲット14は
選択された背景における予め限定された飛行の軌跡にし
たがって飛行され、ミサイル探索装置15は探索し始め、
ミサイル／探索装置15の発射後の追跡が始められる。タ
ーゲット14の形状に相対的な探索装置15はこのように確
立され、適切な座標変換22に関して使用される。周波数
帯域、開口、および点間隔関数のような探索装置15の特
徴は、探索装置15によって見られるような背景32、ター
ゲット14および火炎（対応手段）の映像を生成するため
に使用されている。映像16は、探索装置視準線および位
置が時間によって変化するときに探索装置15に動的に与
えられる。

【００２４】図４に示された電気光学的映像生成手順20
は、探索装置15の映像平面上の映像情景16を含むデータ
を投影し、各領域および目標物体によって覆われた画素
を適当に組織化することによって映像を生成する。生成
された映像は、探索装置15の視野の中心線上に中心を有
する。映像生成手順20は、探索装置15の中央の光線上に
中心を有する検出器解像度より少なくとも３倍高い角解
像度を有している画像アレイで開始する。情景データは
探索装置フレームに変換され、背景で開始し、情景にお
ける最も遠い目標物体から最も近い目標物体まで動作す
るこのアレイ上に投影される。各サブ画素あるいはアレ
イ素子は、サブ画素上に投影された最後の目標物体によ
って完全に満たされると仮定される。映像生成手順20
は、図１に示された７つの動作あるいは手順21乃至27に
分けられる。これらの手順21乃至27は、３つのデータベ
ース11乃至13に含まれた情報を採用して、探索装置15に
よって見られる映像を生成する情報を得る。

【００２５】放射写像手順21は、データベース11乃至13
におけるパラメータに基づいた映像情景16の成分に強度
値を割当てる。源からの放射は、温度および照射に依存
している。背景に関して、背景温度を決定するために使
用されるエネルギー保存の式は次のとおりである。

【００２６】

【数１】 ここで、ｔ０は日の出の時刻であり、ｔ１は時間τにわ
たって積分されたシミュレーション時刻であり、Ｃ_spは
材料の比熱であり、Ｅｓ（τ）は太陽18による表面上の
エネルギーすなわち太陽の負荷である。Ｅ_SUB （τ）
は、表面より下のエネルギーに対する対流エネルギー損
失あるいは利得である。温度が分かると、帯域（Ｒ_e ）
における放射はプランクの式を積分することによって決
定される。

【００２７】

【数２】 ここでε（λ）は所定の波長λに対する材料の放射率で
あり、ｈはプランク定数であり、ｃは光の速度であり、
ｋはボルツマン定数である。放射の値が計算されると、
それらは空間的情報と共にデータベース11中に負荷され
る。利用可能であるとき、較正されたイメージデータは
背景領域の放射および組織のためにも使用される。

【００２８】目標物体に関して、目標物体における各フ
ァセット19は一様な放射の所定の表面積を表す。各ファ
セット19は、表された面積に対応している光学特性を割
当てられている。データベース11中の特性は、波長の関
数として反射率、放射率および透明度、温度、比熱およ
びサブ表面温度を含む。この情報によって、関心のある
帯域における放射された、および反射された放射が計算
される。ターゲット14のファセット温度Ｔは次のとおり
である。

【００２９】

【数３】 ここで、Ｔ∞は周囲の空気の温度であり、Ｒは再生係数
（０．９と１．０の間）であり、ｙは大気に対する比熱
の割合であり、Ｍはターゲット14の速度（マッハ数）で
ある。

【００３０】ファセットから反射されたパワーは、散乱
および鏡面反射に対して以下の式を使用して計算され
る。

【００３１】

【数４】 ここで、Ｒ_D は散乱反射されたパワーであり、Ｒ_S は鏡
面反射されたパワーである。散乱反射は、このシミュレ
ーションに関して本質的にLambertianであると仮定され
る。鏡面反射は、幾何学的な鏡面反射角度の周囲の小さ
い角度にわたって広がっている鏡のようなものである。
これらにおいて、式Θ_I は入射光と表面垂線の間の角度
であり、Θ_s は鏡面反射光と視線ベクトルの間の角度で
あり、Θ_mは鏡面反射が見られる最大角度であり、Ｒ_I
（λ）は波長λで表面に入射する光であり、ρ_D （λ）
およびρ_S （λ）は散乱および鏡面反射係数である。各
ファセット19からの全体の放射は次のとおりである。

【００３２】 Ｒ（Θ_I ，Θ_s ）＝Ｒ_E ＋Ｒ_D （Θ_I ，Θ_s ） プルームは、一様な温度、化学的組成および圧力の領域
として処理される。各領域およびその領域における各分
子のスペシーに関して、放射Ｒ_I は次の計算による。

【００３３】

【数５】 ここでρ_i はスペシーｉの密度であり、ζ_v,i は状態の
振動の退縮であり、μはガスの化学的電位であり、ｈは
プランク定数でありν_i はｉ番目の振動状態の振動周波
数であり、α_v,j は光量子放射による状態に関する減衰
率であり、τは観察期間である。計算された強度は背景
に加えられる。

【００３４】システム10および手順20において使用され
た対応手段は火炎である。火炎発光は、火炎温度に関す
るプランク式を積分することによって決定される。火炎
は、この温度で放射している一様な範囲の固定面積とし
て処理される。図７は、対応手段データベース13の内容
を示す。火炎は、何等かの方法でターゲットの特徴と整
合するか、ターゲット14を誘導させるのに十分に長い探
索装置15を隠すか、または散らすように設計された強度
の源である。それらは中央からの距離が増加するときに
減少する一様な温度の領域を有するプルームに類似して
いる。

【００３５】座標変換手順を使用している全座標変換
は、次の式のマトリックスを使用して実行される。

【００３６】

【数６】 ここでｄｃ_ijは２つの座標系の相対的な方向を定める方
向コサインであり、（ｘ_r ，ｙ_r ，ｚ_r ）は２つの座標
系の原点の間のオフセットを定めるベクトルである。

【００３７】赤外線シミュレーションに関して、６つの
座標系が存在し、一般によく知られている通常の座標描
写を使用する。座標系描写は、図８（ａ）乃至（ｆ）に
示されている。

【００３８】ミサイルシミュレーション慣性からＴＡＢ
Ｓ慣性への固定された回転は次のとおりである。

【００３９】

【数７】 ミサイル探索装置15からＴＡＢＳ探索装置15への固定さ
れた回転は次のとおりである。

【００４０】

【数８】 ミサイルターゲット14からＴＡＢＳターゲット14への固
定された回転は次のとおりである

【００４１】

【数９】 シャドーおよび隠れた表面除去手順24は論理的に非常に
類似している。シャドーは太陽18の方へは向けられてい
ない表面による目標物体上の影にされ、または表面に太
陽光線があたるが同じ目標物体の別の部分によって暗く
される面積の決定である。隠れた表面除去は探索装置15
の方へは向けられていない表面のための探索装置15の視
野からの暗くされた目標物体ファセットの除去であり、
表面にあてる探索装置15からの視線の暗さは同じ目標物
体の別の部分によって暗くされる。影および隠された表
面除去手順24は２段階の手順である。第１の段階はファ
セット垂線と太陽あるいは探索装置15へのベクトルの間
の内積を計算する。内積が負である場合、ファセットは
太陽18あるいは探索装置15の方へは向けられず、したが
って影あるいは不明瞭としてフラグを付される。第２の
段階は互いにファセットを比較し、太陽18あるいは探索
装置15からファセット19までの視線が別のファセット19
によって妨害されるか否かを決定する。それが妨害され
る場合、ファセット19は影あるいは不明瞭にされるとし
てフラグを付される。

【００４２】透視投影25は、強度値の画素写像中におけ
る探索装置15によって見られる３次元の情景16の一部の
写像である。探索装置15によって観察される部分は、探
索装置視野、探索装置位置、および探索装置15の視線に
よって定められる。情景16の一部はターゲット14を含む
かもしれなし、含まないかもしれない。投影手順25は、
通常１０度より小さい全体の視野に対して小さい角度を
仮定する。情景16における点が投影される位置は、次の
式によって与えられる。

【００４３】

【数１０】 ここで、ｘ、ｙおよびｚは、ＴＡＢＳミサイル座標系に
おける探索装置フレームの点の位置である。背景領域に
関して、領域の境界は探索装置映像平面上に投影されラ
スター走査手順を使用して満たされる。ターゲットに対
して、ターゲットファセット19は探索装置映像平面上に
投影され、投影される画素の視野を満たすと仮定され
る。範囲包囲に関して、ファセット19が満たす多数の画
素はファセット19の寸法の増加を考慮して増加される。

【００４４】図１０の（ａ）および（ｂ）を参照する
と、背景映像ルーチンは点座標変換手順および背景領域
投影手順を含み、背景は三角形55によって限定される。
多角形領域を処理するために必要とされる命令よりも三
角形55を処理するために必要とされる命令は少ない。本
発明の映像方法において、三角形55は１時に１つ処理さ
れる。それは、三角形55あるいは三角形55の一部分が探
索装置15の視野56に含まれる場合に最初に決定される。
図１０の（ａ）は、視野に部分的に含まれた三角形55を
示す。視野56に含まれた背景三角形55の区域の境界点57
が識別されると、新しい三角形55ａ、55ｂが図１０の
（ｂ）に示されるように形成される。それぞれ新しく形
成された三角形55ａ、55ｂに含まれた画素は、元の領域
に関係した放射値が割当てられる。新しい三角形55を形
成する理由は速度のためである。１つの多角形を形成
し、それに含まれた画素を満たすよりも新しい三角形55
を形成し、それらに含まれた画素を満たすほうがはや
い。

【００４５】本発明のシステム10および手順20のプルー
ム映像部分は、座標変換手順22および透視投影ルーチン
25を含む。プルーム変換および投影方法22、25は、ボリ
ューム素子モデルに基づいている。このモデルにおける
プルームは等しい寸法のボリューム素子に分けられる。
各ボリューム素子の中心点は、ターゲットハードボディ
アルゴリズムを使用している探索装置フレームに変換さ
れる。変換後、各点の放射値は投影する画素に合計され
る。各素子の放射値は、プルームにおけるボリューム素
子の中心点の位置およびプルームの領域のガス力学から
決定される。プルームボリューム素子は、点がプルーム
内に一様に分配されるようにプルーム内に配置される。

【００４６】大気の減衰は、波長、エアゾール、温度、
時刻およびその他の関数に依存する。状況および環境
は、良く知られているＬＯＷＴＲＡＮ６の大気モデルを
使用している減衰係数を生成する。放射における効果は
次のとおりである。

【００４７】

【数１１】 ここでＲ_S は源からの放射強度であり、Ｒ_A は大気放射
強度であり、αは減衰係数であり、ｒは源までの距離で
あり、ｚは探索装置フレームにおける源位置のｚ成分で
ある。

【００４８】本発明の方法において実行される光回旋27
を説明する。所定の探索装置15の光学特性は、その光学
的な点広がり関数を決定するためにＯＳＬＯ、ＣＯＤＥ
ＶおよびＡＣＯＳ Ｖのような良く知られているソフ
トウェアを使用してモデル化されている。点広がり関数
は、点広がり関数における円対称を仮定する通常の立方
体スプライン技術を使用するカーブ適合である。光のに
じみの核は、検出器のフットプリント上のΔａ、Δｂの
角度的オフセットを中心とする点源の点広がり関数を積
分することによって計算される。この手順に関して、点
広がり関数は画素上に中心を有すると仮定され、Δａ、
Δｂは画素スぺーシングの整数倍である。光のにじみの
核は、その隣の画素からある画素に集中された検出器上
のエネルギ入射に対する貢献を表す。

【００４９】非常に明るい源に関して、回折論理から得
られた拡張されたにじみのパターンおよび開口形状が形
成される。一般に、回折にじみパターンは変換される関
数として開口を使用して２次元フーリエ変換を得ること
によって形成される。パターンは、立方体スプライン関
数を使用して曲線に適合される。この関数は、大きな角
度的オフセットに拡張する上記のような検出器フットプ
リントによって積分される。この核は火炎および太陽18
に関する強度にじみをモデル化するために使用される。

【００５０】回旋手順27において使用された光のにじみ
関数を有する映像を回旋するための式は次のとおりであ
る。

【００５１】

【数１２】 ここで、Ｋ_k,1 は光伝達関数である。

【００５２】本発明の方法において実行された走査発生
器40を説明する。所定の検出器が一時に情景16において
見える位置は次のとおりである。

【００５３】（Ａ，Ｂ）_D ＝Ｔ_R ［（Ａ，Ｂ）_D0＋
（Ａ，Ｂ）_S ］＋（Ａ，Ｂ）_J ＋（Ａ，Ｂ）_G ＋（Ａ，
Ｂ）_TS ここで、（Ａ，Ｂ）_i は半径中の映像における検出器オ
フセットであり、Ｄ０は探索装置15の中央線からの検出
器の固定された幾何学的オフセットであり、Ｓはスピン
位相であり、Ｊはジンバル位置におけるジターランダム
雑音であり、Ｇは映像の位置に関するジンバル運動であ
り、Ｔ_S は映像が生成された相対的なターゲット探索装
置位置における変化であり、Ｔ_R はミサイルロールから
生じるジンバル中央線を中心とする探索装置ヘッドの回
転である。

【００５４】これらのそれぞれの運動の効果は図９に示
されている。検出器位置は、映像サンプル速度で更新さ
れる。スピン位相は完全なモータを仮定するので、各時
間ステップに関するテーブル検索によって決定される。
各時間ステップにおけるジター位置は、決定されるべき
平均および標準的偏差に関するガウスランダム数テーブ
ルを使用して決定される。ジンバル運動位置、ロール回
転マトリックス、および相対的なターゲット−探索装置
運動位置は、実際の探索装置方向コサイン、相対的なタ
ーゲット−探索装置位置、外挿された探索装置方向コサ
イン、および映像が生成されたターゲット探索装置位置
から決定される。実際の探索装置方向コサイン、慣性座
標における探索装置位置、および慣性座標におけるター
ゲット位置は１ミリセカンドの速度で更新される。探索
装置座標系は探索装置中央線に沿ったｘ軸を有し、Ａ軸
は探索装置に沿って見えるときは右側にあり、Ｂ軸は下
方にある。

【００５５】ジンバル運動は、次のとおりである。

【００５６】（Ｘ，Ａ，Ｂ）_GSx ^T ＝［ＤＣ］
_WSx （Ｘ，Ｙ，Ｚ）_GW ^T ここで、（Ｘ，Ａ，Ｂ）_GSx は外挿されたフレームにお
けるジンバル中央線に沿った単位ベクトルであり、［Ｄ
Ｃ］_WSx は世界座標から外挿された探索装置フレームに
変換する方向コサインマトリックスであり、（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）_GW ^T は世界フレームにおけるジンバル中央線に沿っ
た単位ベクトルである。（Ｘ，Ｙ，Ｚ）_GW ^T は、実際の
方向コサインマトリックスの第１の行である。この式
は、それぞれ１ミリセカンドの位置の更新に１度行われ
る。

【００５７】ロール変換マトリックスは次の式によって
決定される。

【００５８】（Ｘ，Ａ，Ｂ）_ASx ^T ＝［ＤＣ］
_WSx （Ｘ，Ｙ，Ｚ）_AW ^T ここで、（Ｘ，Ａ，Ｂ）_ASx は外挿されたフレームにお
けるジンバルＡ軸に沿った単位ベクトルであり、（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）_AW ^T は世界フレームにおけるジンバルＡ軸に沿
った単位ベクトルである。（Ｘ，Ｙ，Ｚ）_GW ^T の項は、
方向コサインマトリックスの第２の行である。このベク
トルのＡおよびＢ成分は、ロール角度のコサインおよび
サインである。ロール回転マトリクックスは次のとおり
である。

【００５９】

【数１３】 これらの式は、１ミリセカンドの位置の各更新に１度実
行される。

【００６０】相対的なターゲット−探索装置運動を説明
する。相対的なターゲット−探索装置運動によって生じ
るオフセットは、実際の相対的なターゲット−探索装置
位置を次の式を使用して外挿された探索装置フレームに
変換することによって決定される。

【００６１】 （Ｘ，Ｙ，Ｚ）_TSx ＝［ＤＣ］_WSx （Ｘ，Ｙ，Ｚ）_TSa ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）_TSx は外挿された探索装置フレ
ームにおけるターゲット位置であり、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
_TSa は世界フレームにおける相対的なターゲット−探索
装置位置である。投影され外挿された探索装置フレーム
における投影され外挿されたターゲット位置は次のとお
りである。

【００６２】（Ａ，Ｂ）_pxt ＝（Ｙ，Ｚ）_xt／Ｘ_xt ここで、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）_xtは外挿された探索装置フレー
ムにおける外挿されたターゲット位置である。この情報
は４０ミリセカンドの速度で更新される。投影されたタ
ーゲット位置は次のとおりである。

【００６３】（Ａ，Ｂ）_pat ＝（Ｙ，Ｚ）_TSx ／Ｘ_TSx 相対的なターゲット−探索装置運動オフセットは次のと
おりであり、１ミリセカンドの速度で更新される。

【００６４】 （Ａ，Ｂ）_TS＝（Ａ，Ｂ）_pxt −（Ａ，Ｂ）_pat 映像インデックスへの映像座標の変換を説明する。上記
の式を使用して計算された座標は次の式による画素数に
変換される。

【００６５】（Ｉ，Ｊ）_D ＝Ｎ＊（Ａ，Ｂ）_D ここで、Ｎは次のとおりである。

【００６６】Ｎ＝ＲＮ₀ ／Ｒ₀ ここで、Ｒ₀ は映像が生成される距離であり、Ｎ₀ は距
離Ｒ₀ における１ラジアン当りの画素数であり、Ｒはタ
ーゲット14までの現在の距離である。Ｎ₀ ／Ｒ₀の比は
映像フレーム毎に１度計算され、Ｎは１ミリセカンド毎
に１度更新される。アレイインデックス（Ｉ，Ｊ）_D は
各検出器の映像サンプル毎に１度更新される。

【００６７】画素補間法を説明する。検出器の画素の寸
法およびスピンの速度を与えると、検出器は各サンプル
間の画素の約３分の２移動する。それ故、約３分１の時
間で検出器は２つの連続的なサンプル上に、および、時
折、対角線に沿って画素を横切る場合の３つの連続的な
サンプル上に同じ画素をサンプル化する。パルス形状の
近似を改善するため、画素は次の式を使用して線形に補
間される。

【００６８】Ｗ＝（１−ａ）＊（１−ｂ）＊Ｗ（Ｉ，
Ｊ）＋ａ＊（１−ｂ）＊ｂ＊Ｗ（Ｉ，Ｊ＋１）＋ａ＊ｂ
＊Ｗ（Ｉ＋１，Ｊ＋１） ここで、Ｗ（ｉ，ｊ）はｉ，ｊ画素の強度であり、Ｉお
よびＪは検出器と整列される画素の整数インデックスで
あり、ａおよびｂは次のとおりである。

【００６９】ａ＋Ｉ' −Ｉ および ｂ＝Ｊ' −Ｊ ここで、Ｉ' およびＪ' は映像における検出器位置の浮
動小数点式のｘおよびｙ座標である。

【００７０】火炎位置および放射投影を説明する。火炎
位置および強度は、火炎ターンオン強度および火炎ター
ゲット切離し速度の正確なモデル化をさせる映像サンプ
ルルーチンにおいて更新される。世界座標における火炎
位置は次の式を使用して更新される。

【００７１】Ｐｉ＝Ｐ_io＋Ｖ_ioΔｔ および Ｖｉ＝Ｖ_io＋ｄＶ_ioｎ（Ｖ）_Δｔ＋ＡΔｔ ここで、Ｐ_io，Ｖ_ioおよびＡは、ｉ番目の火炎に対する
前の位置、速度および加速度のベクトルであり、ｄは抗
力係数であり、ｎは速度の適当な累乗指数であり、Δｔ
は時間ステップである。システムは、同時に見える視野
における約５０の火炎まで更新する。所定の火炎の強度
は、記憶装置に記憶された時間の関数として強度バーン
プロフィルによって与えられる。所定の火炎からの所定
の検出器における入射強度は次のとおりである。

【００７２】Φ_i,D ＝（Ａ，Ｂ）_D （Ｙ，Ｚ）_i ／Ｘ_i
およびＩ＝Ｉ_i （ｔ）Ｄ（Φ_i,D） ここで、Ｉ_i （ｔ）は時間ｔにおける火炎強度であり、
Φ_i,D は火炎位置と検出器の視線ベクトルの間の角度で
あり、Ｄ（Φ_i,D ）は検出器における入射強度の有理数
である。

【００７３】検出器の雑音は、予め定められた平均およ
び標準的な偏差を有する瀘波されたガウス分布としてモ
デル化される。所定の映像サンプルに対する雑音の貢献
は、テーブル検索によって決定され、検出器の電圧出力
に合計される。この動作は、映像サンプル速度で実行さ
れる。サンプルおよび積分関数は、各検出器の映像サン
プルを合計することによってモデル化される。映像サン
プルの和はＩＲ信号プロセッサ50によって使用され、所
望であれば、探索装置15がターゲット14へミサイル13を
誘導するために配置されたミサイル14の誘導を制御する
データを計算する。

【００７４】このように、ミサイル追跡システムの設計
および試験において使用されるシミュレートされた映像
を生成する新しい改善された電気光学的ターゲットおよ
び背景シミュレーションシステムおよび方法が開示され
ている。上記説明された実施例が単に本発明の原理の応
用を表す多くの特定の実施例の幾つかを示していること
は理解されるべきである。多数の、およびその他の変形
は、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに当業者に
よって容易に実施されることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理によるシミュレーション方法を使
用しているコンピュータ実行電気光学的ターゲットおよ
び背景シミュレーションシステムのブロック図。

【図２】図１のシステムのハードウェアブロック図。

【図３】本発明のシステムおよび方法によって実行され
るＩＲ映像生成および走査生成のフロー図。

【図４】本発明の原理による映像生成の概略図。

【図５】図１のシステムおよび方法において使用される
背景データベースの構造図。

【図６】図１のシステムおよび方法において使用される
ターゲットデータベースの構造図および図１のターゲッ
トデータベースから得られる典型的なターゲット（目標
物体）の詳細図。

【図７】図１のシステムおよび方法において使用される
対応手段データベース図。

【図８】図１のシステムおよび方法において使用される
座標系。

【図９】映像における検出器位置および図１のシステム
および方法において使用されるシミュレートされた検出
器における様々な運動パラメータの効果を示す図。

【図１０】視野内に部分的に含まれる背景三角形および
背景三角形の可視領域から形成される新しい三角形を示
す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユン − コー・イン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92670、プラセンティア、サン・アンセ ルモ・レーン 312 (56)参考文献 特開 平４−344687（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−267284（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−24777（ＪＰ，Ｕ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シミュレートされた背景が生成され、境
   界が映像情景の範囲を特定するピラミッドを構成する映
   像情景を限定するデータを含み、ピラミッドが地平線背
   景表面の下方を限定するピラミッドベースおよび地平線
   の背景表面の上方を限定するピラミッド側面に分けら
   れ、各表面が一様な組織の三角形の領域を具備する背景
   データベースと、 背景データベースから生成される背景にかぶせるように
   構成されるシミュレートされた目標物体を表している複
   数の三角形の目標物体ファセットを具備しているターゲ
   ットデータベースと、 背景およびターゲットデータベースに結合され、得られ
   たデータを処理し、合成映像を生成する処理手段とを具
   備し、この処理手段が、 映像情景の表面放射写像を供給する放射写像手順と、 ターゲットおよびミサイルの質量中心位置および方向を
   示しているデータを処理し、３次元の探索装置映像フレ
   ームを供給する座標変換手順と、 目標物体上の影になった区域を決定するシャドー手順
   と、 探索装置の視野から覆い隠される目標物体ファセットを
   除去する隠れた表面除去手順と、 背景およびターゲットデータベースから探索装置の焦点
   平面までの背景３次元写像の透視によって２次元映像平
   面を生成する透視投影手順と、 放射分布が合成映像を有する探索装置の焦点平面上に放
   射分布を生成するために探索装置の光学的な点広がり関
   数によって投影された映像を回旋することによって探索
   装置の焦点平面上に２次元映像を生成する光学的回旋手
   順とを有していることを特徴とする合成映像を生成する
   電気光学的ターゲットおよび背景シミュレーションシス
   テム。
2. 【請求項２】 前記処理手段が背景およびターゲットの
   放射強度に対する大気の効果を決定するために距離およ
   び天候状況データを処理し、それに応じて映像を変化さ
   せる大気の減衰および散乱手順を有する請求項１記載の
   電気光学的ターゲットおよび背景シミュレーションシス
   テム。
3. 【請求項３】 自由落下発火装置火炎を表している対応
   手段モデルを具備している対応手段データベースを具備
   し、燃焼プロフィル対時間、燃焼温度、落下中の空気力
   学的抗力の寸法パラメータ、映像上への重畳のための拡
   張されたにじみパターン、およびターゲットに関する最
   初の位置および速度を示しているデータを含み、火炎放
   射が火炎温度に基づいた計算から得られ、処理手段が合
   成映像を生成するためにそこから得られたデータを処理
   するために対応手段データベースに付加的に結合されて
   いる請求項１記載の電気光学的ターゲットおよび背景シ
   ミュレーションシステム。
4. 【請求項４】 自由落下発火装置火炎を表している対応
   手段モデルを具備している対応手段データベースを具備
   し、燃焼プロフィル対時間、燃焼温度、落下中の空気力
   学的抗力の寸法パラメータ、映像上への重畳のための拡
   張されたにじみパターン、およびターゲットに関する最
   初の位置および速度を示しているデータを含み、火炎放
   射が火炎温度に基づいた計算から得られ、処理手段が合
   成映像を生成するためにそこから得られたデータを処理
   するために対応手段データベースに付加的に結合されて
   いる請求項２記載の電気光学的ターゲットおよび背景シ
   ミュレーションシステム。
5. 【請求項５】 処理手段が映像情景に関して探索装置の
   視野の範囲を限定するために探索装置視野データを処理
   する探索装置視野および窓クリッピング手順を具備して
   いる請求項１記載の電気光学的ターゲットおよび背景シ
   ミュレーションシステム。
6. 【請求項６】 処理手段が映像情景に関して探索装置の
   視野の範囲を限定するために探索装置視野データを処理
   する探索装置視野および窓クリッピング手順を具備して
   いる請求項２記載の電気光学的ターゲットおよび背景シ
   ミュレーションシステム。
7. 【請求項７】 処理手段が映像情景に関して探索装置の
   視野の範囲を限定するために探索装置視野データを処理
   する探索装置視野および窓クリッピング手順を具備して
   いる請求項３記載の電気光学的ターゲットおよび背景シ
   ミュレーションシステム。