基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理及關鍵技術研究

山 清

(中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009)

1 引 言

第四代紅外成像制導空空導彈具備對抗復雜紅外誘餌干擾及對目標關鍵要害部位進行精確打擊的能力[1-2],要求紅外成像導引頭能夠在復雜光電對抗條件下有效識別出飛機座艙、發動機等關鍵要害部位,所以導引頭的跟蹤點在導彈攻擊彈道過程中在不斷變化,越接近彈道末端導引頭跟蹤點變動越明顯[3-4],以往普遍采用的基于固定跟蹤點的紅外場景仿真原理性誤差將更加突出,會導致實際仿真產生的紅外圖像與應該呈現給導引頭的圖像在空間特征上存在巨大差異,無法真實考核導引頭對目標要害部位的識別及跟蹤性能,這就要求必需開展空空導彈變跟蹤點紅外場景仿真原理及關鍵技術研究。

從目前公開的文獻看[5-8],變跟蹤點紅外場景仿真研究的方向重點集中在場景建模及渲染生成方面,研究成果停留在對場景生成過程的研究,并且對影響跟蹤點動態仿真精度的誤差分析及建模方面未見研究成果。同時,根據制導武器半實物仿真的原理,變跟蹤點紅外場景仿真在工程具體應用中僅僅考慮變跟蹤點的場景生成過程是不夠的[9-14],還必須對變跟蹤點紅外場景仿真的原理問題、視線模擬問題及影響變跟蹤點場景仿真誤因素的分析及建模等問題進行研究,這方面的研究目前仍是空白。因此,有必要建立完備的變跟蹤點半實物仿真原理并對制約工程應用的關鍵技術進行研究。

2 固定跟蹤點紅外場景仿真問題分析

從紅外場景仿真的動態生成過程來看,通過固定跟蹤點紅外場景仿真實時生成的紅外場景的中心點是固定不變的,始終是預先人為指定的固定點,具體實現上通常選擇制導中心(如:飛機的質心、飛機的尾噴口、飛機的座艙等特征部位)作為仿真場景生成的固定中心點,仿真視線與導引頭光軸不重合,仿真原理如圖1所示。

圖1 固定跟蹤點紅外場景仿真原理示意圖

由圖1可知,該仿真方法的主要問題是存在失調角模擬誤差,導致該誤差的關鍵因素是變跟蹤點紅外場景生成誤差和變跟蹤點視線運動模擬誤差,下面對這兩類誤差產生的原理進行分析。

2.1 場景生成誤差對仿真失調角模擬的影響分析

固定跟蹤點仿真場景生成誤差主要由仿真場景生成所選擇的透視投影視錐體導致。由于導引頭探測系統實際工作過程是直接將三維空間場景通過透視投影轉換成了二維圖像；仿真過程中是通過建立基于固定跟蹤點視線的場景仿真視錐體,然后將三維空間場景通過透視投影轉換成二維圖像,以此來等效代替了導引頭探測系統的透視投影過程。

由于基于固定跟蹤點的仿真視錐體與導引頭視錐體同一時刻在空間上并不重合,因此視錐體空間指向的不一致導致了仿真產生的紅外場景的空間特征誤差,該仿真場景被導引頭識別后導致了跟蹤點識別誤差,進而產生了失調角模擬誤差。

2.2 視線模擬誤差對仿真失調角模擬的影響分析

為了更直觀地分析基于固定跟蹤點建模技術在仿真視線模擬方面導致的仿真失調角模擬誤差,假設固定跟蹤點建模技術導致的仿真場景生成誤差為零,則基于固定跟蹤點仿真原理呈現給導引頭的仿真場景空間特征誤差完全由視線模擬誤差決定。

由于導引頭探測系統實際工作過程產生的二維圖像的跟蹤點過導引頭光軸且像面與光軸垂直,而基于固定跟蹤點的視線模擬方法投射出的二維仿真場景的跟蹤點不一定垂直導引頭光軸且無法保證像面與導引頭光軸垂直。因此,該仿真場景被導引頭識別后同樣會導致導引頭跟蹤點的識別誤差,進而產生了失調角模擬誤差。

3 變跟蹤點紅外場景仿真原理研究

3.1 變跟蹤點紅外場景仿真特征分析

基于前面對固定跟蹤點紅外場景仿真原理的分析,提出基于變跟蹤點的紅外場景仿真特征如下:

1)從仿真場景的生成過程來看,仿真過程中實時生成的紅外場景的中心點是動態變化的,場景的中心點為導引頭光軸指向的透視投影點,因此仿真場景的中心點隨導引頭光軸指向的變化而動態調整；

2)從仿真場景空間關系模擬過程來看,仿真過程中將導引頭光軸的慣性空間指向作為仿真視線,以此來建立視線驅動模型,仿真視線運動模擬的是仿真場景中動態變化的中心點相對導彈質心連線的運動情況；

3)從仿真結果脫靶量計算方式來看,仿真脫靶量以導彈質心相對目標上理想攻擊部位的距離來衡量,導引頭能否有效識別并跟蹤目標上的理想攻擊部位,對仿真結果脫靶量有重要影響；

4)從仿真的逼真度來看,能夠有效考核導引頭跟蹤點的識別算法,并能夠從原理上避免固定中心點仿真原理帶來的失調角模擬誤差。

3.2 變跟蹤點紅外場景仿真原理設計

建立基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理,具體如圖2所示。

圖2 變跟蹤點紅外場景仿真原理示意圖

由圖2可知:

1)場景中心點動態變化(Pi)

仿真過程中根據戰情數據(主要包括:導引頭光軸指向、目標位置、目標姿態、導彈位置、導彈姿態信息等)的更新情況實時生成基于變定中心點Pi(0≤i≤n)的仿真場景時間序列T0,T1,T2,…,Tn。從生成的仿真場景序列可以看出,在全部場景序列中場景的中心點是動態變化的,任何一幀場景的中心均為導引頭光軸的透視投影點。

2)仿真視線與導引頭光軸重合

仿真過程中根據戰情數據(主要包括:導引頭光軸指向、目標位置、目標姿態、導彈位置、導彈姿態信息等)的更新情況實時構建基于變中心點Pi(0≤i≤n)的理論仿真失調角時間序列T0,T1,T2,…,Tn。從構建的理論仿真失調角序列可以看出,在全部的仿真失調角序列中均是基于變中心點Pi的仿真視線指向和基于導引頭光軸指向構建的,任何一幀的仿真視線均為動態變化的中心點Pi相對導彈的位置,即仿真視線過仿真生成的二維場景的中心且與相面垂直。

3)基于跟蹤點識別情況產生實際失調角

導引頭通過圖像識別算法將場景中的Si(0≤i≤n)點作為跟蹤點,并輸出基于Si(0≤i≤n)點的實際失調角序列。

3.3 變跟蹤點場景仿真消除失調角模擬誤差的原理分析

根據上述建立的基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理可以看出,在原理上不存在因仿真場景生成誤差和視線模擬誤差導致的失調角模擬誤差,下面對該原理設計消除固定跟蹤點紅外場景仿真原理誤差的機理進行分析如下:

1)基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理在設計上由于采用了與導引頭完全一致的視錐體,所以仿真視錐體與導引頭視錐體同一時刻在空間上完全重合,因此由空間三維場景向二維平面圖像的轉換模擬過程不存在仿真相似原理誤差,進而仿真生成的場景不會對導引頭跟蹤點的識別產生輸入性的附加誤差,這是變跟蹤點紅外場景仿真原理消除了固定中心點仿真原理失調角模擬誤差的一個原因；

2)基于變跟蹤點的仿真視線模擬原理在仿真過程中投射出的二維仿真場景的中心點與位標器回轉中心連線時刻與導引頭光軸重合,且投射的仿真二維像面與導引頭光軸時刻垂直,因此基于變跟蹤點的仿真視線模擬過程在實現空間相對關系的模擬實現上不存在仿真相似原理誤差,這是變跟蹤點紅外場景仿真原理消除了固定中心點仿真原理失調角模擬誤差的另外一個原因。

4 變跟蹤點場仿真工程實現關鍵技術研究

由基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理可知,導引頭框架角在基于變跟蹤點的紅外場景仿真應用過程中是一個非常關鍵的建模輸入物理量。因此,研究框架角對變跟蹤點場景仿真的影響有重要意義。下面分別對框架角測量誤差對變跟蹤點場景生成過程和變跟蹤點視線運動模擬過程的影響進行建模分析。

4.1 框架角對變跟蹤點場景生成過程影響建模

框架角的測量誤差直接影響紅外場景仿真攝像機光軸的空間指向,從而產生攝像機空間指向誤差。這一誤差直接影響到變跟蹤點紅外場景仿真視錐體的裁剪空間,所以最終會產生變跟蹤點仿真輸出圖像像素點覆蓋的區域誤差和像素點空間位置誤差,這是影響變跟蹤點場景仿真工程實現的一個關鍵點。

假設紅外場景仿真視口平面為紅外場景仿真物理輻射器件所在平面,本文以電阻陣列芯片為例進行建模。假設電阻陣列芯片由256×256個電阻陣列基本像素單元組成,每個像素單元等效為一個理想的點,像素點間距為d,各像素點在視口坐標系中的索引如圖3所示。

圖3 變跟蹤點場景仿真視口平面示意圖

根據圖3可知,仿真場景視錐體投影面的寬度和高度分別為:

W=255×d

(1)

H=255×d

(2)

令場景仿真視口平面內每個像素點p的坐標為p(xi,yj),則有:

(3)

假設視口平面到視點距離為F,觀察坐標系的坐標軸和視口平面坐標系坐標軸平行,且觀察坐標系的z坐標軸過視口平面的中心,在無攝像機空間指向誤差條件下的相對關系如圖4所示。

圖4 視口平面和觀察坐標系關系示意圖

根據圖4,可以計算出無攝像機空間指向誤差條件下理論視口平面內各像素坐標點在理論觀察坐標系中的坐標為:

(4)

(5)

由于導引頭框架角測量誤差的存在導致了攝像機的空間指向誤差。為了研究攝像機空間指向誤差對仿真圖像像素點空間位置誤差影響的數學模型,需要建立實際觀察坐標系和理論觀察坐標系間的相對空間關系。設實際觀察坐標系B相對理論觀察坐標系C的坐標變換矩陣為A,則:

(6)

上式中:

(7)

根據式(7)可得理論裁剪空間內的點在實際觀察坐標系下的投影線方程為:

(8)

由式(8)可以計算出理論裁剪空間內的點在實際視口平面上的投影坐標zci、ycj為:

(9)

為了定量衡量框架角測量誤差導致的仿真圖像像素點空間位置誤差,選擇同一空間點在理論視口平面和實際視口平面內投影的位置距離ERij作為誤差衡量尺度:

(10)

4.2 框架角對變跟蹤點視線模擬過程影響建模

導引頭框架角數據是變跟蹤點視線運動模擬建模的重要輸入。在基于變跟蹤點的紅外場景仿真過程中,視線運動指令的誤差間接導致了仿真系統呈現給導引頭的圖像出現旋轉,從而導致了仿真過程中呈現給導引頭的圖像與導引頭在實際飛行過程中能夠探測到的真實紅外圖像間的像素點存在空間位置上的不一致。

設理論光軸坐標系相對彈體坐標系的坐標變換矩陣為W,則:

W=Wy(GF)Wz(GW)

(11)

上式中:

設彈體坐標系相對仿真慣性坐標系的坐標變換矩陣為P,則:

P=Px(γ)Pz(?)Py(φ)

(12)

上式中:

由式(11)和式(12)得理論光軸坐標系相對仿真慣性坐標系的坐標變換矩陣M為:

M=WP

(13)

(14)

上式中:

(15)

(16)

將式(13)和式(15)代入式(16)得:

(17)

由式(17)可得實際仿真光軸坐標系相對理論光軸坐標系的坐標變換矩陣Δ為:

(18)

下面根據Δ計算視線運動指令誤差導致的仿真圖像各像素點的空間幾何位置偏差。設仿真圖像像素點在理論光軸坐標系中的坐標為zsi、ysj,則由式(1)～(3)得:

(19)

(20)

為了衡量視線運動指令計算誤差導致的仿真圖像像素點幾何位置誤差,選擇仿真圖像像素點在實際仿真光軸坐標系和理論光軸坐標系中相應像素的距離d_ERij來衡量,令:

(21)

5 仿真分析

為了分析導引頭框架角對變跟蹤點場景生及變跟蹤點視線運動模擬過程中導致的圖像像素空間誤差特性,基于上述建立的仿真模型,隨機選取一組典型仿真輸入參數進行仿真,仿真參數如表1所示。

表1 仿真輸出參數

導引頭框架角誤差對變跟蹤點場景生成過程像素點位置誤差影響的仿真結果如圖5所示,像素點空間位置誤差最大值為0.55 mm,且絕大部分像素點的位置誤差也在0.5 mm左右,折合成像素大約7.7個像素點誤差。

圖5 導引頭框架角誤差對像素點位置誤差的影響

導引頭框架角誤差直接導致了變跟蹤點場景視線運動模擬誤差,圖6是變跟蹤點視線運動模擬誤差對圖像像素點位置誤差影響的仿真結果。從圖6可以看出,圖像四個頂角區域的像素點位置誤差最大,向中心遞減,最大誤差為0.025 mm,折合成像素不到1個像素點,誤差相對較小。

圖6 視線運動模擬誤差對像素點位置誤差的影響

從仿真結果可以看出,變跟蹤點仿真圖像空間特征誤差對攝像機空間指向誤差敏感,對變跟蹤點視線運動模擬誤差不敏感。本文提出的變跟蹤點紅外場景仿真原理中引入的導引頭框架角對變跟蹤點紅外圖像的空間特征仿真精度有重要影響,因而在具體工程應用中應嚴格控制框架角測量誤差。

6 結 論

本文針對基于固定跟蹤點紅外場景仿真存在的問題進行了深入分析,然后重點在此基礎上提出了基于變跟蹤點的紅外場景仿真原理,并對影響變跟蹤點紅外場景仿真工程應用的關鍵誤差因素進行建模及定量仿真分析,進而指出了變跟蹤點紅外場景仿真誤差的敏感因素,可為變跟蹤點紅外場景仿真工程化應用提供技術參考。