OSSIM系統在導彈對抗中的紅外場景仿真應用?

滕小虎

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

紅外目標特性研究表明，真實目標的紅外特性受到很多因素的影響。這些因素包括光譜發射率、空間/體積輻射亮度分布、鏡面反射、反射的直射陽光、反射的環境光、大氣衰減等，都影響了目標瞬時特性。此外，作為包括暴曬、內部熱源、氣動加熱（空中目標）、導熱、對流和輻射等熱平衡的結果，目標紅外特性隨作用在目標上的內部和外部影響會有動態變化。現代傳感器系統有許多復雜的傳感器配套器件，性能取決于多種因素。在仿真過程中準確地描述紅外目標特性，渲染方程必須考慮到所有的影響因素。精確的基于物理模型的成像仿真系統可以極大地提高光學傳感器系統的開發效率。使用建模和仿真系統可以減少設計與研制的風險、降低費用并縮短開發周期。

2 OSSIM系統介紹

光電場景模擬器（Optronic Scene Simulator，OS?SIM）自2004年起開始研制，基于Denel內部自1990年起開發的第一代紅外仿真系統（Simulation for In?frared System，SIMIS），之后又使用先進C++技術完整地進行了重寫。OSSIM是第二代場景模擬器，可以在可見光和紅外頻段（覆蓋0.4μm～20μm頻譜范圍）生成任意復雜場景的合成圖像。OSSIM的主要應用包括以下領域的開發、優化和性能預測：1）導彈導引頭傳感器和熱成像系統；2）信號和圖像處理算法；3）傳感器算法；4）導彈導引頭對抗。OS?SIM也被用于：1）飛行測試準備；2）實時圖像的半實物仿真；3）紅外特性建模研究。

2.1 模型和方程

OSSIM系統以一系列平面、凸面或多邊形組成的三維復雜形狀，描述了目標的幾何形狀與地面的地形，每個多邊形均分配了光譜輻射度屬性、時變空間材質屬性和輻射度屬性。多邊形也可部分透明，以表示氣體云、干擾彈或飛機尾跡，使用熱平衡方程計算目標和地形輻射的溫度，特性輻射的主要貢獻者如式（1）所示，變量的定義如圖1。

圖1 OSSIM輻射度特性（變量定義見表1）的主要貢獻源

2.2 光學特性的渲染

精確的場景建模需要場景中所有目標反射、發射和傳輸輻射亮度成分計算，并確保在完整工作頻段內的精度。反射太陽輻射在短波區域占主導地位，而發射的輻射在長波區域內更突出一些。目標自身的光學特征影響特性，同時特性還受到周圍物體的影響。大氣對目標輻射的衰減和對目標輻射增加的路徑輻射顯著地影響了特性。

特性渲染系統一般作為大應用系統的組成部分，關鍵的要求是：1）輻射度精度使用基于物理的、光譜輻射度浮點圖像計算，典型覆蓋頻段范圍為0.4μm～20μm；2）精確的目標特性，包括自發輻射、反射和透射的太陽光、環境和天空輻射亮度；3）精確大氣路徑上光譜輻射亮度和透射比；4）支持多種不同的環境條件；5）精確的系統模型（傳感器，信號處理，萬向頭，導彈空氣動力和飛行性能）；6）全三維世界，目標可以在其中進行六自由度運動：保持靜止，在地面運動或是在空間飛行。

圖2 校核和驗證流程

2.3 校核和驗證

任何仿真系統的應用都是以用仿真試驗代替真實動態試驗為目的，以真實動態測量來進行校核和驗證仿真模型為手段，希望仿真計算提供精確合理的結果，用于替代真實動態測量，最終達到盡量少的消耗試驗資源，獲得目標的全面特性數據。在仿真研究中確定模型的三個確切的元素：1）物理現實模型；2）概念模型；3）仿真實現模型。圖2給出了這三個基本元素的關系。

在基于場景復雜的仿真設備環境下，場景描述的精度決定著模型的正確解釋和執行：首先，在實際測量期間的場景數據必須加以說明；其次，概念模型的參數必須是基于真實世界物理過程現實存在；最后，用于設置計算模型的場景參數必須是適用于真實場景。OSSIM系統的仿真建模的程序確保了概念模型合理地表現了現實，將仿真的結果與現場試驗的真實觀測結果進行對比并依據其進行驗證。

3 OSSIM仿真應用

3.1 導彈對抗紅外場景仿真實現概述

OSSIM使用有限差分方程庫來建立控制系統、飛行動力學和運動學的運動模型。對于紅外導彈對抗（圖3），用戶模塊由描述多種子系統的模型組成，這些模型包括：傳感器部件，圖像處理，機械萬向節，以及導彈動力學和運動學。萬向節模塊描述了萬向節機械特性、慣性和機械角度傳感器、傳感器平臺動力學和運動學以及穩定和跟蹤控制系統。跟蹤系統保持目標在傳感器視場的中心，并將目標視線速度作為輸出。導彈模塊使用目標視線速度來決定制導命令并相應調整導彈在空中的位置和姿態。

圖3 紅外導彈仿真模型組成

圖像渲染器從數據庫中提取三維場景數據，并同時在多頻段上渲染二維理想“高分辨”圖像。傳感器部件模塊模擬了傳感器硬件系統，視場，虛光和點擴散函數，機械圖像掃描，探測器類型，探測器噪聲和焦平面處理，電子信號傳遞函數，以及處理時間延遲。圖像處理器模塊處理探測器信號或圖像以確定用于目標引導和跟蹤的誤差信號。典型的處理包括探測算法，自動目標識別算法，自動跟蹤算法，抗干擾算法和控制算法。

3.2 導彈對抗紅外場景仿真開發重點

在OSSIM系統仿真過程中，傳感器模型依據傳感器硬件成像器工藝，將高分辨率圖像變換為場景圖像。仿真支持多種傳感器類型的建模，傳感器模型的輸出信號或圖像作為導彈圖像處理器的輸入。成像傳感器包含一般由振蕩或旋轉光學元件組成的機械掃描器。該模型模擬了光學系統、探測器和焦平面處理器以及原始的信號處理，通過變化瞬時觀察角同步在仿真中建模的掃描器的機械運動及電子器件的信號采樣獲得圖像構成。

3.2.1 傳感器算法開發

現代紅外傳感器使用復雜控制和校正算法以獲得需要的性能。在成像制導導彈的開發中，在首個硬件完成或測試以前，就開發并在仿真環境中評估了傳感器NUC、DCS和AGC算法。圖4給出了用于線性矢量掃描成像器的NUC和DCS校正算法的作用。為確保最優的和有效的算法開發，傳感器模型必須精確地考慮設計和實現中的微小的細節。

圖4 在DCS和NUC之前的（上），經DCS處理后（中），和經DCS和NUC處理后的多云天空的傳感器成像（下）

3.2.2 傳感器硬件開發

詳細的傳感器仿真模型的一個重要優勢是深入“傳感器電路”的信號可以在仿真中被方便地監測，例如，探測器電流或其它在焦平面處理器中的信號。很多這種信號的測量在硬件中是不可能的。仿真提供了深入了解和提升對硬件理解的環境。在實驗室中注意到的缺點和缺陷，常常通過比較仿真結果和實驗室測量來跟蹤。一個例子就是傳感器中的噪聲性能優化。仿真模型為硬件開發者提供了實際的預期傳感器背景噪聲等級。使用三維噪聲分析架構作為噪聲性能測量工具。該預估噪底作為硬件噪聲抑制工作的明確目標。

3.2.3 導引頭防護罩熱流模型

在超聲速導彈飛行中，導引頭防護罩前方空氣被壓縮加熱，空氣中的CO2變成重要的中紅外輻射源，OSSIM系統應用Bernstein給出的CO2頻段輻射模型相來預測防護罩加熱情況。圖5中的左上圖給出了在模擬飛行中的防護罩和壓縮空氣溫度的變化；輻射源的通量貢獻見左下圖；在高馬赫數時探測器電流的增加如右上圖所示；掃描器運動期間圖像漸變情況如右下圖所示。

圖5 模擬的超聲速導彈飛行的傳感器模型

3.2.4 圖像處理算法開發

OSSIM最全面的應用是用于導彈成像導引頭的圖像和信息處理算法的開發方面。詳細的傳感器模型生成接近真實硬件傳感器成像的圖像。在閉環六自由度仿真中開發目標探測、跟蹤和抗干擾算法，并在數千次模擬導彈飛行中進行評估和優化。在廣泛多樣的場景、背景雜波條件、飛行條件、目標部署和對抗項目中評估算法。對真實目標的導彈飛行試驗表明算法性能與在仿真中觀察到的完全一致。

3.3 導彈對抗紅外場景仿真示例

在仿真中，導彈模型實現計算調制盤上圖像的算法，然后旋轉或拖動圖像越過調制盤模式，計算瞬時探測器電流。通過在導彈的飛行中不斷重復依據導彈信號處理探測器的信號，導彈被制導飛向飛行器。由于導彈可以在地面上任何位置向飛行器發起攻擊，有必要對與攻擊導彈的距離和接近路線相關的干擾彈分配管理進行優化。

通過模擬導彈相對飛機以不同方位角θ和距離R發射，使用數千次仿真來評估干擾彈頻譜特性、發射方向和干擾彈順序安排的影響。圖6給出了一個弱點結果的例子。圖中的每一個點表示從該位置處發射的一枚導彈。如果對抗是有效的，能夠欺騙導彈遠離飛行器，脫靶距離很大，如果導彈離飛行器很近經過，飛行器就是易受攻擊的。目的是最大化深灰區域并最小化淺灰區域。一旦策略在仿真中被優化，就必須通過實際測試進行驗證。一些測試點的結果必然將與仿真不符，需要進一步的模型改進以及程序的重新設計。

圖6 飛行器弱點結果

4 結語

要評估出于安全或成本考慮而無法進行的現場試驗的場景下的系統性能，仿真是唯一的手段。現代成像系統的復雜性要求一個綜合的仿真環境，在其中傳感器、環境和目標的相互作用可以在不同的環境條件和多種場景中被建模、研究和評估。OSSIM仿真系統的廣泛使用總可使風險降低、成本下降，并縮短了開發時間規模。OSSIM仿真系統也被廣泛應用于一些項目的飛行試驗準備中，對飛行測試的優化和風險降低有重大貢獻。