F-22A飛機隱身目標精細化建模

牛青坡， 劉建新， 周宗海

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽　471009)

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F-22A飛機隱身目標精細化建模

牛青坡， 劉建新， 周宗海

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽471009)

摘要：以F-22A飛機為代表的第四代戰(zhàn)斗機強調(diào)隱身性能， 機身和機翼高度融合， 目標外形變得更加復(fù)雜， 使得采用初等解析曲面組合的方法構(gòu)建目標模型計算的目標近場散射特性誤差增大。 本文在Pro/E軟件環(huán)境下采用自由曲面建模方法， 建立了基于F-22A飛機照片和三視圖中特征信息的F-22A目標精細化幾何模型， 該模型已在隱形目標近場散射特性的計算中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：目標模型； 精細化建模； 近場散射特性

0引言

目標幾何模型的建立是否準確與合理[1]， 對目標的電磁散射特性計算結(jié)果會產(chǎn)生影響。 傳統(tǒng)方法采用初等解析曲面(平面、柱面、球面、橢球面等)組合近似構(gòu)建目標模型， 然后對目標表面進行面元劃分, 將其分為四邊形小面元， 采用物理光學(xué)法進行目標散射特性計算。 而以F-22A飛機為代表的第四代戰(zhàn)斗機大大強調(diào)超隱身性能， 除采用吸波和透波涂層材料外， 大都采用翼身融合設(shè)計， 大量使用自由曲面使機翼與機身無縫隙連接， 高度融合， 這使得目標的重建變得困難。 對隱身目標進行全頻域仿真， 特別是高頻仿真需要目標模型具有更高的精度。 仿真波長的減小使得仿真計算對網(wǎng)格面元的曲率變得敏感， 采用初等解析曲面組合建模方法不能精確描述目標外形， 由此帶來目標散射特性， 特別是近場散射特性仿真誤差增大。 此外采用傳統(tǒng)方法對目標模型的修改費時費力。

計算機圖形學(xué)和計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的發(fā)展， 使得精確描述復(fù)雜外形目標體幾何模型得以實現(xiàn)[1]。 Pro/E軟件采用參數(shù)化實體建模技術(shù)， 使得目標的建模、網(wǎng)格的劃分、模型的修改變得十分方便。 本文基于目標三視圖和照片的特征提取， 使用Pro/E軟件可以實現(xiàn)對目標的快速建模， 并可以隨時修改目標小面元尺寸， 以適應(yīng)不同精度和速度的計算， 為F-22A隱身飛機的近場散射特性研究提供了精細化的目標模型。

1目標幾何建模理論

1.1　先驗信息的利用

飛機類目標主要由機頭、機翼、機身、座艙、尾翼和發(fā)動機等部件組成， 且飛機為對稱結(jié)構(gòu)， 其先驗信息主要是已知飛機的長度、翼展、高度和翼面積， 以及機翼前后緣、 后掠角等， 這些信息可在F-22A的公開資料中得到。 在飛機目標的三視圖中充分利用這些信息， 可以獲取機身、 機翼邊緣特征點信息。 F-22A飛機采用蝶形機翼、菱形進氣口、前機身截面呈菱形， 機身中段截面呈五角形， 尾段則減縮過度為扁平的矩形， 這種設(shè)計減少了雷達反射波沿原路反射的可能性， F-22A飛機的三視圖如圖1所示。

圖1　F-22A飛機的三視圖

1.2　特征信息的提取

對于機身部分， 僅靠三視圖不能完全確定曲面體形狀。

根據(jù)照相機透射模型可知， 已知攝像機的內(nèi)外參數(shù)， 對于空間目標已知點， 可以求得目標在圖像中點的坐標； 但是， 反過來已知圖像上坐標， 即使已知攝像機內(nèi)外參數(shù)， 目標的空間坐標也不能唯一確定， 其對應(yīng)為一條射線。 從圖象上恢復(fù)出真實目標的三維信息涉及計算機圖形學(xué)、攝影測量、機器視覺、逆向工程等理論知識， 其總體思路都是在未知攝像機內(nèi)外參數(shù)的情況下， 利用先驗信息， 通過幾何相似、幾何形狀約束法等相互關(guān)系先標定攝像機參數(shù)再確定目標的位置信息。

昂海松教授對由三視圖、照片和圖像灰度分布進行目標重建進行了深入研究[2]。 其主要思想是利用平行線在透視圖像上匯交的特點， 可以反求圖像的透視參數(shù)； 利用圖像對應(yīng)實體的正交關(guān)系和某一長度方向上尺寸， 求出其他方向上尺寸信息； 利用彩色圖像的明暗度提取部分曲面高度分布外形信息， 最后對生成的模型進行局部微調(diào)。

出于飛機隱身方面的考慮， F-22A飛機采用了平行設(shè)計來減少雷達波的散射， 其機翼前后緣、 各操縱舵面、 進氣道唇口、 各艙門、 口蓋縫隙等都相互平行， 以確保其雷達反射波的能量能集中在有限個若干峰值上。 充分利用這些平行信息能夠獲得若干特征信息。

1.3　曲線和曲面的擬合

由特征點生成曲線和曲面的方法較多， 曲線主要有三次B樣條曲線和NURBS曲線、Coons曲線、Bezier曲線等， 曲面主要是由相應(yīng)曲線對應(yīng)的曲面。 其中NURBS方法可以把規(guī)則曲面與自由曲面構(gòu)造為統(tǒng)一的曲面構(gòu)造形式， 即可以把不同階次的曲面(包括曲線、平面、二次曲面、自由曲面)統(tǒng)一構(gòu)造。

NURBS曲面定義如下：

(1)

式中： 0≤u， v≤1。 NURBS曲面可以保持參數(shù)的連續(xù)性，并可以通過修改控制因子靈活修改曲面形狀。

2F-22A目標精細化建模

2.1　目標曲面建模

采用Pro/E軟件進行F-22A飛機目標的重建方法[3]：

充分利用F-22A飛機先驗信息和結(jié)構(gòu)對稱信息， 先建立對稱的一半目標， 然后利用“鏡像”工具對稱得到目標整個外形。

目標的建模采用自上至下的頂層建模方式， 先對目標整體約束尺寸， 然后分別建立機頭、機身、機翼、座艙、尾翼、發(fā)動機口等部件， 將部件組合成一體。 F-22A飛機大量采用復(fù)合材料， 不同部件使用的材料不盡相同， 采用部件組合設(shè)計的好處是能夠?qū)Ω鱾€部件設(shè)置不同的材料， 以便于仿真時為各部件設(shè)置不同的電磁散射參數(shù)； 同時可以僅對某一部件， 如機頭的散射特性進行單獨的仿真分析。

各部件的建模充分利用三視圖中控制線進行， 利用頂視圖可以描述機翼外形和機頭截面曲線； 利用側(cè)視圖可以描述出大部分的機身上頂曲線、 下底曲線和垂直尾翼外形輪廓； 利用正視圖可以得出垂直尾翼傾斜角等信息和進氣道部分信息。 對于機身的自由曲面可以根據(jù)透視投影關(guān)系得出部分特征點信息。

對建立的曲線， 采用Pro/E 中“混合曲面”工具生成曲面， 將生成的曲面與實物圖對比， 發(fā)現(xiàn)不一致的地方增加控制點進行修改完善。

2.2　實體化和網(wǎng)格化

在CAD 軟件中只能對具有一定厚度的實體模型進行網(wǎng)絡(luò)化， 不能對沒有厚度的表面模型進行網(wǎng)格劃分， 因此在網(wǎng)格化之前必須對模型實體化。

在Pro/E中對模型進行實體化的方法有兩種， 一種是對曲面進行“加厚”， 但由于曲面具有一定厚度， 對其表面進行網(wǎng)格劃分時， 會形成雙層網(wǎng)格， 在仿真時， 就必須進行大量的遮擋判別， 影響仿真速度； 另一種是對曲面進行閉合， 進行“實體化”， 然后進行網(wǎng)格劃分。 因此， 本文選擇第二種方式進行“實體化”。

在“實體化”過程中， 必須仔細對曲面進行統(tǒng)一的參數(shù)化約束， 否則不能形成閉合曲面。

可以利用Pro/E的Mechanica分析模塊， 對目標實體表面進行面元劃分。 面元的尺寸可以自由設(shè)置， 方便修改， 并且可對不同曲面設(shè)置不同的面元大小。 在曲率大的部位設(shè)置小面元提高仿真精度， 在曲率小的部位為提高仿真速度設(shè)置大面元。 網(wǎng)格設(shè)置選擇三角形和四邊形， 點擊創(chuàng)建網(wǎng)格， 形成的目標有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2　目標表面網(wǎng)格劃分

形成目標網(wǎng)格模型后點擊FEM有限元分析， 并在運行FEM分析求解器中選擇“PTC FEM 中性格式”， 如圖3所示。 在元素中單擊“線性”， 在輸出選項中選擇“輸出到文件”， 點擊確定后， 輸入需要的文件名即可輸出FNF文件。 輸出的FNF文件中包含了目標網(wǎng)格模型的整個拓撲信息和載荷/約束信息。

圖3　目標表面網(wǎng)格劃分

2.3　模型的生成

生成的FNF文件不能直接用于仿真計算， 但FNF文件中包含了目標外形的拓撲結(jié)構(gòu)， 從中可以提取出仿真需要的小面元點坐標和法向量信息。

FEM 中性格式文件包含有關(guān)整個有限元模型的信息， 主要包括： HEADER 有關(guān)文件和 FEM 模型的一般信息、 ELEM_TYPES 元素類型的定義、 COORD_SYSTEMS 坐標系的定義、 MATERIALS 模型中使用的材料的定義、 PROPERTIES 模型中使用的元素屬性的定義、 MESH 模型的節(jié)點和元素的定義、 MESH_TOPOLOGY 模型的曲面和邊的定義、 LOADS 施加的載荷/約束集的說明、 ANALYSIS 分析類型的定義、 RESULTS 模型的運算結(jié)果的說明。

在FNF文件的HEADER部分中STATISTICS (STT) 指令提供有關(guān)模型中元素類型、坐標系、材料、元素屬性、節(jié)點及元素數(shù)目的信息。 此指令的格式如下：

%STATISTICS:num_elem_types

num_coord_systems num_materials

num_properties num_nodes num_elements

其中：num_elem_types為元素類型的數(shù)目； num_coord_systems為坐標系的數(shù)目； num_materials為模型中使用的材料的數(shù)目； num_properties為定義的屬性的數(shù)目； num_nodes為模型中節(jié)點的數(shù)目； num_elements為模型中元素的數(shù)目。

FNF文件的ELEM_TYPES部分包含了ELEM_TYPE (ETP) 指令， 其中SHELL (SHL)用于描述在目標外形模型中用的三角形和四邊形元素。

MESH段包含了模型的節(jié)點NODE和元素ELEM定義， 本段包含了面元的坐標和拓撲結(jié)構(gòu)。 需要注意的是MESH中node_id和elem_id序號都是從1開始， 區(qū)別于矩陣序號從零開始。

在文件的MESH_TOPOLGY段包含了模型的曲面和邊的定義。 對FNF文件采用Vc++編程即可讀取拓撲面元信息， 產(chǎn)生滿足自身需要的目標電磁散射特性仿真的目標模型格式文件。

模型生成后， F-22A目標精細化重建模型和F-22A飛機照片對比圖見圖4~5。 從圖中可知， 重建后的F-22A與真實飛機外形一致， 目標表面面元滿足表面光滑度要求， 可以用于目標的近場散射特性計算。

圖4　F-22A飛機照片

圖5　F-22A飛機精細化重建模型

3模型的仿真應(yīng)用

建立的模型是否能滿足目標電磁散射特性[8]仿真要求， 需要進行仔細的驗證。 此外， 模型的規(guī)模要適中， 既要滿足仿真精度要求， 也要滿足計算機仿真速度的要求。 精度太高， 仿真速度就會降低。

初次建立的F-22A模型采用先進性目標實體鏡像再進行網(wǎng)格劃分， 這樣目標實體雖然是完全對稱的， 但是面元自動劃分時， 由于大量自由曲面的存在， 網(wǎng)格小面元并不能完全對稱， 這樣在進行仿真計算時， 由于不對稱面元中心對輻射源和接收機的傾角不一致， 導(dǎo)致目標散射特性仿真結(jié)果關(guān)于方位角不對稱。 將方法改為利用飛機目標的對稱性， 先建立一半的目標模型并進行面元劃分， 再將得到的網(wǎng)格進行鏡像， 這樣得到的F-22A目標網(wǎng)格完全對稱， 消除了仿真結(jié)果的不對稱性。

建立的F-22A目標三維精細化模型可用于目標的近場電磁散射特性仿真計算,為研究引信對隱身飛機的啟動特性和引戰(zhàn)配合效果仿真提供了精細化的目標模型。

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Elaborate Modeling of F-22A Fighter Stealth Target

Niu Qingpo， Liu Jianxin， Zhou Zonghai

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Abstract:The fourth generation fighter represented by F-22A emphasizes on stealth performance, airframe and airfoil combine together highly, and the form of fighter becomes more complex, which increases the error of near-field scattering characteristic simulation result by using simple geometry to construct target model. In the Pro/E simulation environment, free-form surfaces are adopted to rebuild F-22A target elaborate geometry model, based on characteristic from the three views and photos of F-22A. This model has been used in near-field scattering characteristic simulation of stealth target.

Key words:target model; elaborate modeling; near-field scattering characteristic

作者簡介：牛青坡(1986-)， 男， 河南安陽人， 碩士， 研究方向為引信試驗與仿真技術(shù)。

收稿日期：2015-05-16

中圖分類號：TN011

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048(2015)06-0036-04