動(dòng)態(tài)場(chǎng)景目標(biāo)光、電特性仿真方法綜述

趙 濤,王振華,毛宏霞,包醒東,陳 軒

(1.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854;2.光學(xué)輻射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854)

0 引言

大量的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景目標(biāo)光、電特性數(shù)據(jù)獲取是開(kāi)展目標(biāo)特征提取和識(shí)別研究的必要條件,其中動(dòng)態(tài)場(chǎng)景包括不同的目標(biāo)軌跡、運(yùn)動(dòng)形式、傳感器布點(diǎn)和波形參數(shù)等,而且,光、電特性數(shù)據(jù)的獲取效率也是影響目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究的因素。

目標(biāo)光、電特性數(shù)據(jù)獲取主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算2種手段。實(shí)驗(yàn)測(cè)量包含靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量,盡管數(shù)據(jù)可信度高,但測(cè)量代價(jià)很大,時(shí)間周期較長(zhǎng),不能滿足目標(biāo)識(shí)別訓(xùn)練對(duì)大量動(dòng)態(tài)場(chǎng)景光、電特性數(shù)據(jù)的需求;而理論計(jì)算研究克服了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的缺點(diǎn),具有周期短、應(yīng)用平臺(tái)靈活、數(shù)據(jù)獲取多樣化的特點(diǎn),不僅是目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究的一種切實(shí)可行的途徑,而且是必不可少的研究手段。目標(biāo)特性理論計(jì)算分為基于物理模型的精確建模方法和基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的快速構(gòu)建2種方式。精確建模方法計(jì)算的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)置信度高,但效率較低,難以實(shí)現(xiàn)大量動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的光電特性計(jì)算,因此可作為目標(biāo)特性標(biāo)準(zhǔn)模型和標(biāo)稱值,用于其他計(jì)算方法的校驗(yàn)和評(píng)估。而后者通過(guò)計(jì)算觀察視線在目標(biāo)中的姿態(tài)角信息快速獲取目標(biāo)的光、電特性,該方法靈活設(shè)置傳感器、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)及軌跡等,能支撐目標(biāo)特性識(shí)別訓(xùn)練研究所需的大量動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)。盡管基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的快速構(gòu)建方法效率快,但因?yàn)閺?fù)雜目標(biāo)的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)計(jì)算耗時(shí)且數(shù)據(jù)量巨大,也面臨著動(dòng)態(tài)仿真實(shí)時(shí)效率和計(jì)算精度的瓶頸,國(guó)內(nèi)外已涌現(xiàn)一批目標(biāo)特性工程模型算法,用于解決目標(biāo)特性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大和重構(gòu)精度問(wèn)題。

本文針對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的光、電特性仿真問(wèn)題,結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果,給出基于物理模型的精確建模方法和基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的快速構(gòu)建2種理論計(jì)算方法的思路、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。基于物理模型的精確建模方法有效保證了目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的計(jì)算精度,基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的快速構(gòu)建在滿足數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上極大程度地減少加載數(shù)據(jù)量。電磁特性方面,基于目標(biāo)RCS的稀疏性性質(zhì),利用壓縮感知理論提取復(fù)雜目標(biāo)的散射中心數(shù)據(jù)集,并能保證較高的精度,避免了超分辨參數(shù)估計(jì)算法中的定階和精度問(wèn)題。紅外特性方面,通過(guò)建立彈道標(biāo)度因子、視向角標(biāo)度因子進(jìn)行修正,并考慮發(fā)射初溫、關(guān)機(jī)(分離)時(shí)間、關(guān)機(jī)(分離)傾角等的綜合影響,實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)庫(kù)的任意彈道下目標(biāo)特性的快速重構(gòu)。

1 電磁特性仿真

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景電磁特性仿真分為基于物理模型的電磁精確建模方法和基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真方法。其中,電磁精確建模方法采用低頻數(shù)值或高頻近似方法計(jì)算動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的電磁散射特性,精度高,但效率低,可作為標(biāo)準(zhǔn)模型和仿真數(shù)據(jù)基準(zhǔn);基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真方法基于目標(biāo)傳感器與目標(biāo)姿態(tài)生成動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的電磁特性,通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮算法降低目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)率,提高動(dòng)態(tài)加載的效率和精度。

1.1 電磁特性精確建模方法

在電磁特性精確建模方面,西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直處于領(lǐng)先地位,相繼開(kāi)發(fā)了一批復(fù)雜目標(biāo)電磁散射特性預(yù)估分析軟件,如美國(guó)國(guó)防電磁公司(DEMACO)的Xpatch[1-2]、波音航空公司的RECOTA[3],西班牙的GRECO[4]等。使用這些軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類復(fù)雜目標(biāo)電磁散射特性的快速準(zhǔn)確預(yù)估,為目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用提供很好的理論支持。其中,Xpatch是由空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)領(lǐng)導(dǎo)下的SAICDEMACO 開(kāi)發(fā)的用于預(yù)估雷達(dá)特征信號(hào)的首席高頻仿真軟件。早期的Xpatch版本使用立方體和平面元2種方法進(jìn)行幾何建模,使用射線追蹤(SBR)方法產(chǎn)生實(shí)際的三維目標(biāo)從0到3D 的雷達(dá)特征信號(hào),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)、高分辨距離像(HRR)和合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像的精確預(yù)估,包含目標(biāo)的一次反射(PO)、邊緣繞射(PTD)和多次反射(SBR)貢獻(xiàn)。Xpatch 4.0 以后的版本在CAD模型等表示方面做了重要的改進(jìn),增加了對(duì)包括裁剪曲面在內(nèi)的17種不同的基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范(IGES)實(shí)體的支持。該軟件仍在不斷完善中,將會(huì)集成低頻散射部分和高頻散射的高階散射的影響,從而實(shí)現(xiàn)全頻段的電磁仿真。

自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了復(fù)雜目標(biāo)電磁散射特性建模方法的研究,取得了一定的成果,開(kāi)發(fā)了一批用于復(fù)雜目標(biāo)電磁散射理論建模和目標(biāo)與環(huán)境電磁散射特性分析的軟件系統(tǒng)。如電子科技大學(xué)的A-UEST 軟件、北京航空航天大學(xué)的GRECO 軟件、北京理工大學(xué)的合元極軟件、東南大學(xué)的NESC 軟件、北京環(huán)境特性研究所RatsPro等。

雖然國(guó)內(nèi)在電磁散射建模領(lǐng)域取得較大的進(jìn)展,也開(kāi)發(fā)了多種電磁散射預(yù)估軟件,但是這些軟件的建模精度和處理復(fù)雜目標(biāo)電磁散射的能力都有待提高。以高頻方法為例,大規(guī)模面元模型的快速消隱、通用的自動(dòng)射線追蹤快速算法、曲面繞射和爬行波的準(zhǔn)確計(jì)算、阻抗邊緣的繞射計(jì)算等問(wèn)題都是需要關(guān)注和研究的課題。

近年來(lái),用于復(fù)雜目標(biāo)電磁散射計(jì)算的混合法得到迅速發(fā)展[5]。混合法吸收了不同方法的優(yōu)點(diǎn),又克服了各方法的缺陷,因此有助于解決復(fù)雜的散射問(wèn)題。例如,對(duì)于電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)的散射來(lái)說(shuō),除主要的散射效應(yīng)外,一般還包括多次繞射和高階散射效應(yīng),如行波、爬行波、表面導(dǎo)波以及諧振效應(yīng)等;對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)上的一些特殊部件,如飛行器進(jìn)氣道,一般帶有復(fù)雜終端,其散射問(wèn)題十分復(fù)雜,僅用高頻方法往往無(wú)法準(zhǔn)確求解。在這些情況下,使用混合法將凸顯其優(yōu)越性。因此對(duì)求解電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射來(lái)說(shuō),混合法提供了一條有效的技術(shù)途徑。

1.2 基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的工程仿真

基于靜態(tài)測(cè)量手段(暗室測(cè)量)或電磁仿真計(jì)算獲得目標(biāo)的全極化全空間RCS特性,并根據(jù)各個(gè)時(shí)刻目標(biāo)質(zhì)心相對(duì)于雷達(dá)天線相位中心的距離,計(jì)算由于目標(biāo)質(zhì)心平移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒相位信息,并調(diào)制在目標(biāo)的RCS序列數(shù)據(jù)上,即生成動(dòng)態(tài)電磁特性。該方法動(dòng)態(tài)生成方法較簡(jiǎn)單,但也面臨著大量的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源使得計(jì)算效率慢的難點(diǎn)。針對(duì)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)大使得仿真效率慢,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)壓縮和重構(gòu)進(jìn)行研究,僅需存儲(chǔ)有限參數(shù)值,而無(wú)需存儲(chǔ)RCS數(shù)據(jù),避免了巨量特性數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)且存儲(chǔ)空間大的工程問(wèn)題,克服了仿真效率和精度的瓶頸問(wèn)題。

數(shù)據(jù)壓縮的過(guò)程就是去除源文件中的冗余數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)化為較小的輸出文件的過(guò)程。對(duì)于任意非隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),利用其內(nèi)部固有的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可以得到一種更小的數(shù)據(jù)表示形式。數(shù)據(jù)壓縮分為無(wú)損和有損壓縮,若對(duì)壓縮之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反向處理,得到的結(jié)果與源文件完全一致,稱這種壓縮方法為無(wú)損壓縮,反之為有損壓縮。無(wú)損壓縮方案通常被用來(lái)壓縮文本等需要完全重建數(shù)據(jù)的文件,包括行程長(zhǎng)度編碼、霍夫曼編碼、字典方法等,其中又以字典方法使用最為廣泛。對(duì)于目標(biāo)特性數(shù)據(jù),無(wú)需保留它的全部細(xì)節(jié),同時(shí)大量電磁散射理論分析和實(shí)驗(yàn)表明,在高頻區(qū)域,目標(biāo)部分位置(即散射中心)電磁散射的相干合成即為該目標(biāo)總體的電磁散射,而這讓利用散射中心的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的高效壓縮成為可能[8-9]。

散射中心簡(jiǎn)潔明了地描述了雷達(dá)目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu),其內(nèi)涵也隨著電磁散射機(jī)理研究的深入和雷達(dá)系統(tǒng)不斷提高的性能而不斷擴(kuò)大,是高頻區(qū)目標(biāo)電磁散射的重要特征[9]。早期的散射中心是僅包含位置信息的簡(jiǎn)單點(diǎn),如今目標(biāo)各部分的局部特性也能夠利用散射中心的概念進(jìn)行表征。散射中心的概念,在許多領(lǐng)域都有著較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和較好的應(yīng)用前景[11-12]。

基于散射中心模型也有2種思路：1)散射中心參數(shù)估計(jì)方法。該方法對(duì)強(qiáng)散射中心的位置信息、散射類型、幅度等特性信息進(jìn)行估計(jì)提取,通過(guò)有限個(gè)散射中心參數(shù)表征目標(biāo)電磁特性。該方法數(shù)據(jù)壓縮率高,但面臨著散射中心數(shù)目(信源數(shù)目)和參數(shù)估計(jì)精度問(wèn)題。前者為模型的定階問(wèn)題,在信號(hào)處理領(lǐng)域,有最小信息準(zhǔn)則(AIC)、最小描述長(zhǎng)度準(zhǔn)則(MDL)[12]、蓋氏圓盤(pán)估計(jì)法[13]、基于奇異值分解[14]等方法,但靈活性差,通用性不好。而估計(jì)精度主要受限于參數(shù)化模型,對(duì)噴口、波導(dǎo)等凹腔體散射中心和細(xì)長(zhǎng)、球面等行波與蠕動(dòng)波散射中心等難以精確估計(jì),導(dǎo)致部分目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)精度不高。2)散射中心稀疏表征方法。該方法基于壓縮感知(CS)理論,結(jié)合正交匹配追蹤(OMP)方法求解優(yōu)化方程[15],可以獲取散射中心參數(shù)集,由于優(yōu)化方程中已設(shè)置與原始的RCS數(shù)據(jù)的精度大小,因此,該方法重構(gòu)生成的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)精度比散射中心參數(shù)估計(jì)方法高,但存在復(fù)雜目標(biāo)計(jì)算的散射中心數(shù)據(jù)多,壓縮率不高的問(wèn)題。

1.2.1 基于參數(shù)估計(jì)方法的散射中心模型

自20世紀(jì)60年代起,有關(guān)散射中心參數(shù)估計(jì)的研究廣泛開(kāi)展。1969年,CAPON 提出了極大似然估計(jì)(MLE)方法。1971年,WALKER 等提出了最小二乘估計(jì)(LSE)方法。1981 年,KAY 等總結(jié)并提出了PRONY 方法。1984年,IHARA[16]提出了最大熵估計(jì)(MEE)方法。1986 年,SCHMIDT等[17]基于信號(hào)子空間與噪聲子空間的正交性提出了多重信號(hào)分類(MUSIC)方法;ROY 等[18]基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)陣列提出一種信號(hào)參數(shù)估計(jì)(ESPRIT)方法。1995年,KUNDU 等提出了噪聲子空間分解(NSD)方法。1997年,HAN 等[19]提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。2003年,BETTAYEB[20]提出了基于遺傳算法的混合迭代方法。2005年,付麗華等提出了利用小波變換的方法。同時(shí),基于優(yōu)化算法的參數(shù)估計(jì)方法不斷出現(xiàn),如遺傳、粒子群、細(xì)菌群游算法等。2008年,ZHANG 等提出基于稀疏分解(SD)的方法。2013年,INCE等[21]提出了一種基于信號(hào)與噪聲子空間分離熵(E-MUSIC)的最大化的方法。

多維散射中心的參數(shù)估計(jì)可分為非參量方法和參量方法。前者的特點(diǎn)是不用求解包含有限參數(shù)的模型方程,而直接根據(jù)自身或自相關(guān)延時(shí)序列得到參數(shù)估計(jì);后者則是根據(jù)觀測(cè)過(guò)程的一些先驗(yàn)信息,來(lái)估計(jì)模型參數(shù)。最常用的非參量方法就是通常意義上的雷達(dá)目標(biāo)成像,以及LSE 方法、MLE 方法、基于小波變換的估計(jì)等。參量方法可以突破“瑞利限”,從而實(shí)現(xiàn)超分辨率信號(hào)恢復(fù)和估計(jì),MUSIC算法和ESPRIT 算法是此類方法的代表[22]。

近年來(lái),很多基于模型的特征分解方法不斷涌現(xiàn),通常是將狀態(tài)空間方法應(yīng)用于目標(biāo)散射參數(shù)提取和系統(tǒng)識(shí)別中。NAISHADHAM 等[23]為了估計(jì)衰減正弦信號(hào)的頻率和散射強(qiáng)度,將狀態(tài)空間方法用于處理時(shí)間序列數(shù)據(jù),效果顯著。BOWMAN等[24]利用狀態(tài)空間方法提取基于DE 模型的目標(biāo)散射中心徑向距離、衰減率和散射強(qiáng)度信息。CANDES等[25]利用恢復(fù)正弦信號(hào)的例子證明了同傳統(tǒng)方法相比,狀態(tài)空間方法在估計(jì)參數(shù)時(shí)對(duì)噪聲干擾的低敏感性。狀態(tài)空間法對(duì)系統(tǒng)極點(diǎn)沒(méi)有限制,且具有良好的噪聲抑制能力,可應(yīng)用的場(chǎng)景大大拓寬。

目前,常用的參數(shù)估計(jì)算法有：

1)基于三維FFT 的參數(shù)估計(jì)算法

對(duì)于理想點(diǎn)目標(biāo),基于三維FFT 算法能實(shí)現(xiàn)若干個(gè)強(qiáng)散射中心的參數(shù)估計(jì),但該方法受噪聲和雜波影響,且對(duì)距離和方位分辨單元內(nèi)的散射中心不能分辨。因此,該方法主要適合于簡(jiǎn)單強(qiáng)散射點(diǎn)組成的目標(biāo),對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),散射機(jī)理復(fù)雜的目標(biāo)難以達(dá)到準(zhǔn)確的結(jié)果。

2)基于三維MUSIC的參數(shù)估計(jì)算法

多重信號(hào)分類算法(MUSIC)基于信號(hào)與噪聲這2個(gè)子空間互相正交特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)參數(shù)信息的估計(jì),通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣的特征分解來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于上述2個(gè)子空間相互正交,當(dāng)信號(hào)模式矢量和信號(hào)相似度越高時(shí),其與噪聲子空間基的乘積越小,乘積的倒數(shù)越大。在這一過(guò)程中,通過(guò)相關(guān)求和減小噪聲擾動(dòng)的影響。

3)基于三維旋轉(zhuǎn)不變算法(ESPRIT)的參數(shù)估計(jì)算法

ESPRIT 是一種信號(hào)子空間的空間譜估計(jì)方法。其核心思想是利用陣列的自相關(guān)和互相關(guān)矩陣得到信號(hào)的旋轉(zhuǎn)算子,進(jìn)而計(jì)算出信號(hào)的頻率和衰減因子等參數(shù)。現(xiàn)在,ESPRIT 算法及其改進(jìn)算法已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)陣列信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)處理等場(chǎng)合。

4)基于三維RELAX 的參數(shù)估計(jì)算法

RELAX算法是一種基于非線性最小方差(NLS)準(zhǔn)則的參數(shù)估計(jì)方法。它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的FFT 運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn),適用于對(duì)由多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)組成的雷達(dá)目標(biāo)作特征提取。RELAX 算法本身對(duì)噪聲和雜波不作任何限定性假設(shè),它通過(guò)最小化非線性方差得到參數(shù)的估計(jì)值,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

5)基于狀態(tài)空間方法的參數(shù)估計(jì)

狀態(tài)空間方法是現(xiàn)代控制理論一種基于模型的特征分解方法,具有不限制雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形種類、噪聲抑制能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),狀態(tài)空間方法對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求不高,可以用于處理各散射中心強(qiáng)度與信號(hào)頻率、角度依賴關(guān)系不同的目標(biāo)特性數(shù)據(jù),適合提取具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)的散射中心參數(shù)。

1.2.2 基于壓縮感知的散射中心模型

借助散射中心概念,當(dāng)滿足一定條件時(shí),目標(biāo)的RCS可以看作由互相獨(dú)立的散射中心的貢獻(xiàn)合成得到的。這些散射中心在相應(yīng)的空間場(chǎng)景中,往往體現(xiàn)出較強(qiáng)的稀疏性。基于以上原因,借助于稀疏信號(hào)處理的相關(guān)理論,對(duì)目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理提取特征散射中心,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始RCS數(shù)據(jù)的壓縮與重構(gòu)。

假設(shè)測(cè)量信號(hào)RCS為矩陣b∈C M×1,在某個(gè)基或更一般的框架上是稀疏的或可壓縮的,則可以將其表示為觀測(cè)矩陣A∈C M×N與散射中心矩陣x∈C N×1相乘的形式,即

式中：A表示M×N的已知RCS測(cè)量或計(jì)算中的觀測(cè)參數(shù)矩陣,與測(cè)量頻率和觀測(cè)視角有關(guān);x通常被稱作目標(biāo)特性信號(hào),為b在A上的系數(shù),也就是稀疏問(wèn)題中需要恢復(fù)的未知信息;n表示噪聲和其他干擾信號(hào)。從數(shù)學(xué)角度看,每個(gè)測(cè)量信號(hào)都是樣本信號(hào)的線性組合,均包含了所有樣本的部分信息。由于通常測(cè)量信號(hào)的維度M遠(yuǎn)小于需要恢復(fù)的樣本信號(hào)的維度N,故式(1)所表示的線性方程組實(shí)際上是欠定的(病態(tài)問(wèn)題)。為了在測(cè)試數(shù)據(jù)不足的情況下求解式(1),需要利用x稀疏特性的先驗(yàn)信息。對(duì)于稀疏性最直接的度量是L0 范數(shù),因?yàn)椤瑇‖0表示x中非零元素的個(gè)數(shù)。現(xiàn)在已經(jīng)有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明,若x稀疏,則可通過(guò)式(2)的優(yōu)化問(wèn)題求解x,即

式中：σ表示與噪聲電平相關(guān)的誤差允許量。但是,最小L0 范數(shù)問(wèn)題是一個(gè)NP-Hard 問(wèn)題而無(wú)法求解。

該優(yōu)化方程是欠定方程,求解也變成了凸優(yōu)化問(wèn)題,目前已有多名學(xué)者提出CS方法計(jì)算,主要分三類：貪婪追蹤算法、凸松弛算法和組合算法。其中,比較常見(jiàn)有匹配追蹤算法(MP)[26]、正交匹配追蹤算法(OMP)[27]、正則化正交匹配追蹤(ROMP)算法[28]、基追蹤(BP)算法[29]等。

2 光學(xué)特性仿真

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景光學(xué)特性仿真分為固體目標(biāo)光學(xué)特性建模、高溫尾焰氣體目標(biāo)光學(xué)特性建模和背景輻射特性建模。其中,固體目標(biāo)光學(xué)特性主要采用考慮太陽(yáng)和地球熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)其表面溫度進(jìn)行求解,從而依據(jù)空間遮擋關(guān)系獲得不同觀測(cè)方向的紅外目標(biāo)特性[30]。由于其計(jì)算理論簡(jiǎn)單,對(duì)計(jì)算要求較小,因此對(duì)其理論建模的改進(jìn)需求較小。而對(duì)于背景輻射計(jì)算廣泛采用中分辨率大氣透過(guò)率計(jì)算程序(Modtran)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[31],其操作簡(jiǎn)單,且在對(duì)地觀測(cè)計(jì)算中具有較好的計(jì)算精度。因此,對(duì)于光學(xué)輻射特性研究主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫噴焰氣體流動(dòng)與紅外輻射特性。

2.1 噴焰氣體光學(xué)特性精確建模方法

目前,關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流動(dòng)與紅外輻射特性的研究主要以數(shù)值模擬為主[33-34],廣泛采用CFD 和DSMC算法來(lái)模擬不同流域下發(fā)動(dòng)機(jī)的噴焰流動(dòng)以獲得完整的流場(chǎng)參數(shù),采用視在光線法(LOS)、反向蒙特卡洛法(BMC)、有限體積法(FVM)等來(lái)計(jì)算噴焰的紅外輻射特性。數(shù)值方法的適應(yīng)范圍廣且精度高,但其計(jì)算量大,極為耗時(shí),尤其是針對(duì)高空噴焰的流場(chǎng)計(jì)算,即使采用“CFD+DSMC”耦合算法在解決大推力發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰流動(dòng)計(jì)算時(shí)仍存在巨大困難。因此對(duì)于工程應(yīng)用,快速可靠的紅外特性計(jì)算數(shù)理模型具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

2.2 噴焰氣體光學(xué)特性工程建模方法

對(duì)于噴焰高溫氣體的光學(xué)紅外特性工程仿真計(jì)算模型,由于其涉及尾焰流動(dòng)和高溫氣體的光學(xué)輻射2種不同的計(jì)算物理場(chǎng),需對(duì)這2種物理場(chǎng)分別建立工程計(jì)算模型。同時(shí)對(duì)于低空域內(nèi)的連續(xù)流噴焰和高空域稀薄流噴焰,其流動(dòng)特性具有較為明顯的不同,需采用不同的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。因此,對(duì)于噴焰氣體光學(xué)特性工程建模,涵蓋了低空連續(xù)流、高空稀薄流噴焰快速工程計(jì)算模型和噴焰光學(xué)紅外輻射快速計(jì)算模型3個(gè)方面。

2.2.1 連續(xù)流噴焰快速工程計(jì)算模型

噴焰流場(chǎng)求解計(jì)算的快速數(shù)理模型是指通過(guò)獲得近似理論方程的解析解,并采用經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)簡(jiǎn)化流場(chǎng)計(jì)算模型以減少計(jì)算量的一種流場(chǎng)求解模型。在20 世紀(jì)60—70 年代,ALBINI等[35-36]通過(guò)忽略流體黏性和擴(kuò)散效應(yīng),利用激波層近似理論總結(jié)出了來(lái)流馬赫數(shù)為3～5 的流場(chǎng)求解的解析式[36];ANDERSON 等[37]采用修正的拉格朗日有限差分法和有限速度化學(xué)反應(yīng)模型,對(duì)飛行高度在45 km左右的中流域噴焰流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)分布進(jìn)行了快速預(yù)估;WOODROFFE[38]結(jié)合伴隨流與噴焰間的流動(dòng)混合卷吸模型,建立考慮復(fù)燃效應(yīng)的噴焰射流段內(nèi)的一維預(yù)估工程算法,這種算法能夠快速獲得不同來(lái)流條件下噴焰射流段內(nèi)的基本參數(shù)。而在此后,研究者逐漸將噴焰按照不同特性劃分為不同區(qū)域,并對(duì)其分別研究。在噴焰核心區(qū),由于涉及復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)和混合邊界層,成為被研究關(guān)注的重點(diǎn)。如CRIST 等[39]結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和射流混合長(zhǎng)度理論,提出了高度欠膨脹射流馬赫盤(pán)流場(chǎng)求解半經(jīng)驗(yàn)公式;BAUER 等[40]將噴焰流體假定為無(wú)黏流,較為精細(xì)地建立起了能夠快速預(yù)估噴焰第一馬赫波的數(shù)理模型,其能夠與數(shù)值計(jì)算方法獲得吻合度很好的模擬結(jié)果;李海峰等[41]考慮了多噴管?chē)娧媪鲃?dòng)的相干結(jié)構(gòu),研究了四噴管燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)以及對(duì)其的預(yù)估方法;郜冶等[42]以射流沖擊結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立起了噴焰沖擊平面和斜面的馬赫波流動(dòng)參數(shù)預(yù)估方法;肖育民等[43]以噴焰分區(qū)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立起了欠膨脹超音速噴焰自由射流的工程計(jì)算模型。

2.2.2 稀薄流噴焰快速工程計(jì)算模型

由于稀薄流計(jì)算的DSMC 存在著模型適用性差、計(jì)算量大、計(jì)算周期長(zhǎng)的問(wèn)題。因此高空稀薄環(huán)境下的噴焰流動(dòng)數(shù)理模型一直受到廣泛的關(guān)注。針對(duì)100 km 以上高空區(qū)域,HILL 等[44]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)噴焰的特征尺寸與噴焰阻力和動(dòng)壓的比值相關(guān)聯(lián),進(jìn)而由此提出了預(yù)估噴焰尺寸和形狀的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｖ?ALBINI等[45-48]研究了連續(xù)流高度膨脹時(shí)的極限轉(zhuǎn)角變化問(wèn)題,結(jié)果發(fā)現(xiàn)高空噴焰近場(chǎng)參數(shù)同噴管出口極坐標(biāo)下的極徑平方和極角的余弦值具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)作用,并以此研究結(jié)果為基礎(chǔ)建立了用于高空稀薄氣體環(huán)境下噴焰流動(dòng)的COSINE-LAW模型。CAI等[48-51]依據(jù)無(wú)碰撞自由分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ),建立起了高空稀薄氣體環(huán)境下的噴焰流場(chǎng)計(jì)算工程模型,這種模型與DSMC模擬的結(jié)果吻合很好,并逐漸被應(yīng)用到了高空噴焰流場(chǎng)計(jì)算和氣體分子與壁面碰撞的分析當(dāng)中。在國(guó)內(nèi),劉青云等[51]利用均勻激波層理論、真空膨脹模型和牛頓激波層理論建立起了一種針對(duì)高空噴焰的氣體在真空中膨脹的簡(jiǎn)單分析模型。陳兵等[52]采用SIMONS快速計(jì)算法模擬了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)在真空環(huán)境下的噴焰流場(chǎng),并得到了符合流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的結(jié)果。高空稀薄氣體環(huán)境下噴焰數(shù)理模型為快速有效預(yù)估高空復(fù)雜噴焰提供了條件,但目前已有的計(jì)算模型還存在對(duì)高速稀薄自由來(lái)流碰撞效應(yīng)預(yù)估不足、適用范圍窄等問(wèn)題。因此結(jié)合稀薄氣體環(huán)境下噴焰流動(dòng)的機(jī)理和特性,繼續(xù)對(duì)高空噴焰數(shù)理模型發(fā)展和完善,仍然是對(duì)噴焰流場(chǎng)繼續(xù)研究的重要內(nèi)容。1999年,黃琳[53]將SIMONS模型的計(jì)算結(jié)果與DSMC 法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明SIMONS模型是目前分析高空稀薄氣體環(huán)境下噴焰流動(dòng)最簡(jiǎn)單、復(fù)雜程度最低的方法,其可以被用來(lái)對(duì)噴焰核心區(qū)內(nèi)流場(chǎng)的工程預(yù)估。整體而言,我國(guó)在高空噴焰問(wèn)題上的研究雖然做了一些工作,但與國(guó)外相比存在著較大的差距。

2.2.3 噴焰輻射特性快速工程計(jì)算模型

目前對(duì)于噴焰輻射特性計(jì)算同樣存在快速工程計(jì)算的需求,1972年,PEARCE[54]采用一種簡(jiǎn)化的數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算了噴焰對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)底部的輻射加熱作用,并進(jìn)行了相應(yīng)的理論和試驗(yàn)分析。1979年,美國(guó)建立了針對(duì)噴焰紅外計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)輻射傳輸模型(SIRRM),其采用六流法處理粒子散射問(wèn)題,從而針對(duì)低空流域的紅外輻射特性進(jìn)行數(shù)值模擬[55]。1981年,MALKMUS等[56]完善了光譜數(shù)據(jù)的獲取和譜帶模型的計(jì)算方法,并對(duì)熱流法進(jìn)行改進(jìn)之后,開(kāi)發(fā)出了SIRRM-II模型。1984年,NELSON[57]采用SIRRM-II模型對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的紅外輻射特性進(jìn)行了較為深入的研究,并定量分析了Al2O3粒子對(duì)噴焰紅外輻射信號(hào)的影響。

2.3 基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的工程仿真

2.3.1 噴焰紅外特性數(shù)據(jù)重構(gòu)

不同高度下發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰呈現(xiàn)出不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),但是在小的高度區(qū)間內(nèi)噴焰的流動(dòng)形態(tài)存在一定程度的“相似”,主要受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、彈道高度上的大氣環(huán)境參數(shù)、彈道速度的影響。

低空噴焰紅外輻射特性工程模型通過(guò)研究提取典型高度的輻亮度,研究給出隨彈道速度的彈道標(biāo)度因子和視向標(biāo)度因子,基于統(tǒng)計(jì)譜帶模型,采用理論計(jì)算公式,實(shí)現(xiàn)任意彈道的2個(gè)預(yù)警波段的噴焰紅外輻射特性實(shí)時(shí)生成。高空噴焰紅外輻射特性工程模型通過(guò)提取典型高度的輻亮度,隨高空密度和速度的標(biāo)度律,采用標(biāo)度律公式,實(shí)現(xiàn)高空噴焰紅外輻射特性實(shí)時(shí)生成。真空噴焰內(nèi)核流區(qū)由于存在著復(fù)雜的耗散過(guò)程,理論計(jì)算存在著一定的難度,目前國(guó)內(nèi)外尚未獲得解析求解方法,但通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)它滿足簡(jiǎn)單的標(biāo)度關(guān)系,可以基于推力的估算方法給出噴焰紅外輻射特性。

2.3.2 空間目標(biāo)平均溫度重構(gòu)模型

空間目標(biāo)紅外輻射特性主要受3個(gè)外部因素的影響：1)上升段的氣動(dòng)加熱;2)中間飛行段下墊面對(duì)目標(biāo)的輻射;3)初始溫度對(duì)目標(biāo)平均溫度的影響。由于前2個(gè)因素對(duì)目標(biāo)輻射特性的影響隨彈道的不同而有所差異,因此對(duì)目標(biāo)紅外輻射特性的影響因素主要是彈道和發(fā)射初溫。

在上升段,目標(biāo)所受氣動(dòng)熱主要由目標(biāo)所在高度以及速度決定。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)固定時(shí),目標(biāo)在該發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間內(nèi)的合速度主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間決定。當(dāng)目標(biāo)的合速度相同時(shí),飛行高度取決于目標(biāo)在上升過(guò)程中的傾角。對(duì)于典型的彈道,當(dāng)每一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)(分離)時(shí)間和助推級(jí)關(guān)機(jī)(分離)時(shí)的彈頭飛行傾角確定時(shí),其在上升段過(guò)程中的飛行軌跡基本相同。由上述可以得出,彈道對(duì)目標(biāo)在上升段所受氣動(dòng)熱的影響可以由每一級(jí)的分離時(shí)間、分離時(shí)彈頭傾角確定。在中段,下墊面對(duì)目標(biāo)的輻射決定于目標(biāo)在中段的飛行彈道軌跡。彈道導(dǎo)彈在最后一級(jí)助推級(jí)關(guān)機(jī)或分離時(shí)的飛行狀態(tài)決定導(dǎo)彈在關(guān)機(jī)后的彈道軌跡,因此最后一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)(或分離)時(shí)間和關(guān)機(jī)(分離)傾角決定了目標(biāo)在飛行過(guò)程中下墊面對(duì)目標(biāo)輻射的影響程度。

綜上所述,中段目標(biāo)平均溫度變化主要受到3個(gè)彈道特征分類參數(shù)的影響,即發(fā)射初溫、關(guān)機(jī)(分離)時(shí)間、關(guān)機(jī)(分離)傾角。因此在典型目標(biāo)中段飛行的有限時(shí)間內(nèi),對(duì)于不同的發(fā)射條件,目標(biāo)表面平均溫度均可通過(guò)改變以上幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前,空天動(dòng)態(tài)場(chǎng)景光、電特性仿真技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注,其仿真精度和效率影響著各型傳感器跟蹤和識(shí)別能力的發(fā)展。本文對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的光、電特性精確建模和基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的工程仿真方法的思路、發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行闡述,對(duì)其中存在的問(wèn)題、后續(xù)研究方向進(jìn)行了分析。但由于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真的應(yīng)用面較廣,還有許多問(wèn)題有待研究。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能的不斷提升,在電磁特性方面,基于電磁特性數(shù)據(jù)庫(kù)的工程仿真模型能夠在保證壓縮效率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高目標(biāo)特性重構(gòu)的精度,更為接近精確理論建模方法的結(jié)果;在光學(xué)特性方面,基于光學(xué)特性數(shù)據(jù)的重構(gòu)方法不僅能夠較好保持精度,還能進(jìn)行實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)的仿真模擬,對(duì)工程應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)效果。