一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法
【专利摘要】本发明提出一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，该方法主要应用于防空导弹武器系统的全数字仿真和半实物仿真试验中的场景生成。复杂红外环境建模主要由通用红外环境仿真模型、目标红外辐射特征数据库、目标红外辐射特征模型库、海面背景红外辐射特征数据库、海面背景红外辐射特征模型库等部分组成。采用该方法可以建立满足防空导弹综合仿真需求的高逼真度和高分辨率的红外复杂环境，而且增强了模型的可扩展性、可重用性和互操作性，以及支持多分辨率的系统仿真，为评估导弹武器系统在复杂战场环境下的作战效能提供了有效依据。
【专利说明】一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及成像数字建模与仿真领域，具体涉及一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法。
[0003]【背景技术】
[0004]随着红外成像仿真技术的快速发展，红外成像制导系统仿真在目标探测、识别、复杂场景模拟及制导系统性能评估等方面具有明显的优势，逐渐成为制导系统仿真发展的一个重要方向。
[0005]红外复杂场景建模是完成成像制导系统全数字仿真和半实物仿真的关键技术之一，它包括对目标、环境以及传感器建立相应的物理模型和数学模型。国内经典的成像制导系统仿真采用导弹与目标的相对运动形式出现在仿真回路中，该模型结构体现为目标与导弹、导引头与环境之间相互耦合。但在红外复杂环境建模与仿真中会表现出一定的约束性，模型的开发和重用性不高，也难以对其进行扩展实现多对多综合频谱交战级仿真。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，可应用于制导控制系统全数字仿真和半实物仿真并支持多光谱扩展和工程级联合建模。
[0008]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为，一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，所述建模方法包括以下步骤:
步骤一，生成目标和海面背景红外辐射特征数据库；
步骤二，利用步骤一所建立的数据库和目标运动规律，生成目标和海面背景红外辐射特征模型；
步骤三，建立通用红外环境仿真模型；
步骤四，装配仿真并配置仿真剧情；
步骤五，由红外探测器模型向通用红外环境仿真模型发送探测请求信号；
步骤六，通用红外环境仿真模型根据红外探测器的探测参数，解算瞬时视场内的目标和背景，红外辐射传播代理向目标发送渲染请求；
步骤七，视场内的目标和背景根据探测器相关参数，生成各自的红外辐射特征图像，并返回给通用红外环境仿真模型；
步骤八，通用红外环境仿真模型合成红外场景图像，并发送给红外探测系统模型；步骤九，红外探测系统模型接收到红外场景图像后，进行信号处理以完成对目标的探测，导引头则根据信号处理结果调整跟踪回路，实现导引头小回路的闭环跟踪； 步骤十，制导控制系统根据导引头回路生成的导引信号，按一定的制导方式，控制导弹飞行目标，完成制导系统的闭合。
[0009]其中，步骤一所述目标和海面背景红外特征数据库是把红外辐射特性的角度分布和光谱分布数据按照相应格式或结构进行存放和管理而建立的。
[0010]步骤二所述红外辐射特征模型可以根据输入的目标运动规律得到目标飞行姿态角、目标速度等信息。
[0011]步骤二所述红外辐射特征模型可以根据输入的探测器瞬时视场、探测斜矩和视线方位角、俯仰角，通过调用红外辐射特征数据库得到目标在探测器视场内的目标和海面背景的二维渲染图像。
[0012]所述该渲染图像由辐射图像和距离图像组成，每帧辐射图像、距离图像的像素点数与探测器面元数相等。
[0013]步骤三所述红外环境仿真模型由红外辐射传播代理、红外探测器接口、目标红外福射特征接口等组成。
[0014]所述红外辐射传播代理包括红外大气传输效应模型接口、红外成像复杂场景合成处理接口和坐标系管理模块。
[0015]所述红外探测器接口定义了具体探测器模型和红外辐射传播代理之间的接口规范。
[0016]所述目标红外辐射特征接口则定义了具体目标红外辐射特征模型与红外辐射传播代理模型之间的接口规范。
[0017]步骤四所配置的仿真剧情中可设定单个目标和背景，也可设定多个目标和背景。
[0018]本发明与现有技术相比具有的优点是:
(I)消除目标与导弹、导引头与环境之间相互耦合的关系，使各模型具有可扩展性和可重用性，在仿真剧情配置时，可以设置多个探测器模块和多个目标模块进行信息交互，实现多对多综合频谱交战仿真。
[0019](2)基于联合建模与仿真环境(JMASE)采用面向对象的设计思想，将目标模型、环境模型与弹体模型分离，建立满足高逼真度和多分辨率的红外复杂场景，增强模型的可扩展性和可重用性，从而实现多光谱交战级仿真。
[0020](3)利用目标和海面背景红外辐射特征数据库建立相应的红外辐射特征模型库，在通用红外环境仿真模型上对目标和海面背景进行红外环境的管理和计算，从而实现复杂红外场景的生成。
[0021]
【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明复杂红外环境建模组成框图；
图2是本发明通用红外环境仿真模型组成框图；
图3是本发明本发明红外复杂环境建模框图。
[0022]
【具体实施方式】
[0023]以下将结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步详细描述。[0024]如图1所示，本发明提出了一种支持多频谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其工作原理为:
(1)红外探测系统模型根据导弹-目标相对运动关系解算出探测斜距、视线方位角、视线高低角等探测参数，然后向通用红外环境仿真模型发送探测请求信号；
(2)通用红外环境仿真模型收到探测请求信号以后，根据探测斜距、探测器瞬时视场、探测器面元数、视线方位角、视线俯仰角等输入参数计算探测器视场范围内的目标和背景，然后通用红外环境仿真模型向这些目标和背景发送渲染请求信号；
(3)每个目标和背景在收到通用红外环境仿真模型发送的渲染请求事件信号以后，根据当前目标姿态的偏航角、目标姿态的俯仰角、探测斜距、探测器瞬时视场、探测器面元数、视线方位角、视线俯仰角等输入参数解算各自的二维辐射特征图像，并发送给通用红外环境仿真模型；
(4)通用红外环境仿真模型收集完所有目标和背景的辐射特征图像信息后，再对包含有目标和背景的所有辐射特征图像进行合成，并施加红外大气传输效应影响，最后将合成的红外场景图像发送给红外探测系统模型；
(5)红外探测系统模型接收到红外场景图像后进行信号处理以完成对目标的探测，导引头则根据信号处理结果调整跟踪回路，实现导引头小回路的闭环跟踪；
(6)制导控制系统根据导引头回路生成的导引信号，按一定的制导方式，控制导弹飞行目标，完成制导系统的闭合。
[0025]本发明实例所提供的一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，具体步骤包括:
步骤一，生成目标和海面背景红外辐射特征数据库
目标与海面背景的红外辐射特征不同，将各个目标和海面背景红外辐射特性的角度分布和光谱分布数据按照相应的格式或结构，进行存放和管理，分别建立相应的红外辐射特征数据库。
[0026]目标和海面背景红外辐射特征数据库提供了原始的初始数据，首先根据目标的材料、结构、热特性，以及大气、目标周围环境及过去的热状态来计算目标的温度分布和红外辐射特征分布，形成目标的红外辐射特征数据库；由于海面环境特性受海洋区域的影响很大，需要分别针对不同海情、包含海天线的海面背景、包含海面亮带的海面背景进行红外辐射特征计算，形成海面背景的红外辐射特征数据库。
[0027]步骤二，生成目标和海面背景红外辐射特征模型
目标和海面背景红外辐射特征模型库建立在步骤一生成的目标和海面背景红外辐射特征数据库和目标运动规律基础上。按照通用红外环境仿真模型的目标红外辐射特征接口规范，如探测器工作波段、大气条件(大气温度、流速)、环境参数(太阳直射的入射角)、目标飞行高度、目标飞行速度(Ma)、目标发动机工作状态等，以及目标运动规律建立目标和海面背景红外辐射特征模型。
[0028]该模型可以根据输入的目标运动规律得到的目标飞行姿态角、目标速度等信息，也可根据输入的探测器瞬时视场、探测斜矩和视线方位角、俯仰角，通过调用红外辐射特征数据库得到目标在探测器视场内的目标和海面背景的二维渲染图像。该渲染图像由辐射图像和距离图像表征。每帧辐射图像、距离图像的像素点数与探测器面元数相等，其中辐射图像表示目标的辐射亮度信息；距离图像表示目标的空间位置信息。
[0029]其中，目标运动规律描述了目标的运动模型。例如飞机在突防和实施战斗任务中的航线分巡航、寻找攻击目标、机动规避、武器发射、脱离战区等几个阶段。每个阶段的航线可由各子航线组成，包括直线、圆弧、椭圆、双曲线、抛物线、三次样条插值曲线等。目标运动模型运行以后，生成目标平台在各仿真时刻的位置
(W),速度(KU，加速度OpaP 4)，姿态。在仿真配置阶段，通过创建多
个目标演员并设置不同的运动规律，即可获得从不同地点、朝不同方向、以不同速度飞行的目标对象，每个目标分别具有不同的红外辐射特性，从而构成逼真的多目标仿真环境。
[0030]步骤三，建立通用红外环境仿真模型
如图2所示，通用红外环境仿真模型是一个模块化的面向对象的红外成像仿真环境，主要由红外辐射传播代理、红外探测器接口、目标红外辐射特征接口等组成,共同完成红外辐射信号在红外环境下的通用管理和计算。提供3?5μπι光谱以及其他光谱范围内红外辐射信号在大气中的传输效应计算以及各种红外辐射信号的产生、收集和合成。
[0031]红外辐射传播代理包括红外大气传输效应模型接口、红外成像复杂场景合成处理接口和坐标系管理模块。红外大气传输效应模型接口定义了红外大气传输效应模型与红外辐射传播代理之间的接口规范，以方便红外大气传输效应模型的插接使用。红外大气传输效应模型用于计算各种天候条件下红外辐射传输路径上大气透过率、程辐射和单次散射太阳辐射，为红外成像复杂场景合成处理模块提供大气效应影响输入。红外成像复杂场景合成处理接口则定义了具体合成处理模块与红外辐射传播代理之间的接口规范。具体场景合成处理模块完成红外复杂场景的合成，它根据探测器的工作波段、探测斜距、视场角合成一张包含探测器视场范围内各个目标、干扰以及背景的红外辐射特征图像，并对该合成图像的每个像素点施加大气效应影响。坐标系管理模块用来确定当前是否使用了地形模型并且定义它的空间方位。
[0032]红外探测器接口定义了具体探测器模型和红外辐射传播代理之间的接口规范，是用户定义红外探测器模型的基类。
[0033]目标红外辐射特征接口则定义了具体目标红外辐射特征模型与红外辐射传播代理模型之间的接口规范，以帮助用户建立足够精确的目标红外辐射特征模型。
[0034]步骤四，装配仿真并配置仿真剧情；
利用联合建模与仿真环境(JMASE)中的装配工具对开发好的目标和背景模型进行装配，通过编译生成可重用库。根据仿真剧情设定，调用可重用库中的演员和组件，并对各演员和组件的参数进行正确的配置。在仿真剧情中可设定单个目标和背景，也可设置多个目标一起参与仿真。
[0035]步骤五，由红外探测器模型向步骤三中建立的通用红外环境仿真模型发送探测请求信号；
红外探测系统模型根据导弹-目标相对运动关系解算出探测斜距、视线方位角、视线高低角等探测参数，然后向红外辐射传播代理发送探测请求信号
步骤六，通用红外环境仿真模型根据红外探测器相关参数解算瞬时视场内的目标和背
旦
牙、；
通用红外环境仿真模型中的红外辐射传播代理收到请求事件消息以后，根据探测器相关参数计算探测器视场范围内的目标数，然后红外辐射传播代理向这些目标发送渲染请求。
[0036]步骤七，视场内的目标和背景根据探测器相关参数生成各自的红外辐射特征图像，并返回给通用红外环境仿真模型；
目标在收到红外辐射传播代理发送的渲染请求事件消息以后，通过空间服务计算当前时刻探测器质心位置相对于目标质心位置的斜距，以及探测器视线的方位角和俯仰角，然后生成自身红外辐射特征图像信息，并返回给红外辐射传播代理；
步骤八，通用红外环境仿真模型合成红外场景图像。
[0037]当所有目标的辐射特征图像信息都返回给红外辐射传播代理以后，红外辐射传播代理根据红外成像复杂场景合成方法对所有目标信号图像进行合成，其中通过红外大气传输效应模型对所有像素点施加大气影响，最后将合成的场景图像返回给红外探测系统模型。
[0038]步骤九，红外探测系统模型接收到红外场景图像后，进行信号处理以完成对目标的探测，导引头则根据信号处理结果调整跟踪回路，实现导引头小回路的闭环跟踪；
步骤十，制导控制系统根据导引头回路生成的导引信号，按一定的制导方式，控制导弹飞行目标，完成制导系统的闭合。
[0039]如图3所示，本发明红外复杂环境建模主要组成部分为通用红外环境仿真模型、目标和海面背景红外辐射特征数据库、目标和海面背景红外辐射特征模型库。本发明基于联合建模与仿真环境(JMASE)采用面向对象的设计思想，将目标模型、环境模型与弹体模型分离，建立满足高逼真度和多分辨率的红外复杂场景，增强模型的可扩展性和可重用性，从而实现多光谱交战级仿真。
[0040]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出各种修改和变形，这些修改和变形也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤: 步骤一，生成目标和海面背景红外辐射特征数据库； 步骤二，利用步骤一所建立的数据库和目标运动规律，生成目标和海面背景红外辐射特征模型； 步骤三，建立通用红外环境仿真模型； 步骤四，装配仿真并配置仿真剧情； 步骤五，由红外探测器模型向通用红外环境仿真模型发送探测请求信号； 步骤六，通用红外环境仿真模型根据红外探测器的探测参数，解算瞬时视场内的目标和背景，红外辐射传播代理向目标发送渲染请求； 步骤七，视场内的目标和背景根据探测器相关参数，生成各自的红外辐射特征图像，并返回给通用红外环境仿真模型； 步骤八，通用红外环境仿真模型合成红外场景图像，并发送给红外探测系统模型；步骤九，红外探测系统模型接收到红外场景图像后，进行信号处理以完成对目标的探测，导引头则根据信号处理结果调整跟踪回路，实现导引头小回路的闭环跟踪； 步骤十，制导控制系统根据导引头回路生成的导引信号，按一定的制导方式，控制导弹飞行目标，完成制导系统的闭合。
2.根据权利要求1所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:` 步骤一所述目标和海面背景红外特征数据库是把红外辐射特性的角度分布和光谱分布数据按照相应格式或结构进行存放和管理而建立的。
3.根据权利要求1所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于: 步骤二所述红外辐射特征模型可以根据输入的目标运动规律得到目标飞行姿态角、目标速度等信息。
4.根据权利要求1所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:步骤二所述红外辐射特征模型可以根据输入的探测器瞬时视场、探测斜矩和视线方位角、俯仰角，通过调用红外辐射特征数据库，得到目标在探测器视场内的目标和海面背景的二维渲染图像。
5.根据权利要求4所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于: 所述该渲染图像由辐射图像和距离图像组成，每帧辐射图像、距离图像的像素点数与探测器面元数相等。
6.根据权利要求1所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:步骤三所述红外环境仿真模型由红外辐射传播代理、红外探测器接口、目标红外辐射特征接口等组成。
7.根据权利要求6所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:所述红外辐射传播代理包括红外大气传输效应模型接口、红外成像复杂场景合成处理接口和坐标系管理模块。
8.根据权利要求6所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:所述红外探测器接口定义了具体探测器模型和红外辐射传播代理之间的接口规范。
9.根据权利要求6所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法，其特征在于:所述目标红外辐射特征接口定义了具体目标红外辐射特征模型与红外辐射传播代理模型之间的接口规范。
10.根据权利要求1所述的支持多光谱交战级仿真的复杂红外环境建模方法,其特征在于: 步骤四所配置的 仿真剧情中可设定单个目标和背景，也可设定多个目标和背景。
【文档编号】G05B17/02GK103869708SQ201210539201
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月14日 优先权日:2012年12月14日
【发明者】陆志沣, 李凡, 张励, 张宏俊, 张苏佳, 赵海生 申请人:上海机电工程研究所