基于SE-Work-Bench的紅外面源干擾建模仿真

沈濤，李凡，宋敏敏

（1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.上海航天控制技術研究所，上海 201109）

0 引言

隨著現代科技的不斷發展，無人飛行器系統攻防對抗之間的博弈競爭越發激烈，紅外面源干擾（誘餌）作為一種新型對抗無人飛行器的手段/裝置，相比于傳統的點源干擾方式，擁有諸多方面的優勢［1］。紅外面源干擾光譜輻射特性逼真度高，在探測器典型探測波段內，其光譜輻射特性與目標高度相似；輻射能量強且輻射面積大，其能量可遠大于目標也可與目標相近，能對主要以能量為判斷門限的識別算法造成嚴重干擾，且面源干擾能在空中形成大面積的輻射云團/絮狀物，可有效遮蔽、保護目標；面源干擾在作用過程中，產生的寬頻段紅外輻射可覆蓋3～5 μm和8～12 μm的2個主要的大氣窗口；面源干擾起燃速度快，達到有效輻射強度的時間短，且燃燒輻射時間長，足以保護目標脫離探測器視場［2］。鑒于紅外面源干擾的諸多優勢，很多國家都集中了大量的資源進行相關技術的研究，從歷史發展來看，紅外干擾/誘餌是有記錄的最早應用于實際戰爭的紅外對抗手段，也是目前應用范圍最廣、費效比最高、使用最成功的紅外對抗應用。美國等已研制成功多型系列化、體系化、規模化的面源干擾及投放裝置，可覆蓋諸多具體應用場景，國內研究起步較晚，主要研究領域集中于面源干擾燃燒材料制備、主要技術指標特性分析、計算機仿真等領域，對于材料特性以及整個紅外面源干擾（誘餌）的生成研究還比較稀缺。

隨著計算機技術的發展，半實物仿真在無人飛行器科研生產及制造全生命周期內都發揮著重要作用［3］。在內場半實物仿真中，對產品的目標識別算法鑒別面源干擾的能力驗證是十分必要的，目前的仿真方法多為先離線渲染包含目標與干擾信息的探測器對應視場下的二維圖像，再將序列圖像傳送至目標模擬器，通過半實物仿真試驗系統對產品的目標識別算法進行驗證。一旦仿真狀態發生變化，就需要重新離線渲染，過程繁瑣。本文通過粒子系統結合SE-Work-Bench軟件平臺實現了實時、動態、三維場景下的紅外面源干擾建模，并依托于實測數據提取出的關鍵統計信息，實現了三維場景下紅外面源干擾實時動態投放的渲染仿真，促進了半實物仿真試驗系統的相關仿真驗證能力的提升，更好地服務于無人飛行器系統科研生產任務的順利完成［4］。

1 機載紅外面源干擾機理分析

1.1 常見裝置介紹

機載紅外面源干擾裝置主要包括投擲式、拖曳式、吊艙式、伴飛式等［5］，如圖1所示。投擲式紅外面源干擾裝置使用投放器進行投放，代表性的產品有美國合金表面公司生產的 MJU-50/B、MJU-51B紅外面源干擾裝置，可覆蓋載機發動機紅外頻譜區，且作用期間不會產生可見光。拖曳式面源紅外干擾裝置采用專用平臺，使用的材料能產生與目標紅外輻射強度及光譜分布相同/相似的紅外輻射，從而逼真地保護目標載機。另外，此種材料作用時，可見光波段不可見。除了輻射特性外，拖曳式面源干擾裝置產生的紅外面源干擾軌跡與目標相同，而且能將不同角度、運動速度下收集的紅外目標信號強度信息預先存貯在計算機程序中，通過電子結構控制材料燃燒速度模擬目標的紅外特性變化，從而產生長時間、逼真度模擬目標的紅外特性，作用時間可長達1 min。代表性的產品有美國雷聲公司和合金表面公司聯合研制的ALE-50拖曳紅外干擾系統。吊艙式面源紅外干擾裝置可掛載大量的燃燒材料，可作為先發制人式干擾使用，在進入危險區域/被攻擊區域之前即可提前釋放，代表性的產品有美國雷聲公司開發“彗星”型號吊艙，可應用于大型飛行器的保護，作用時間可長達5 min，并經過多次多類型飛行試驗驗證。伴飛式紅外面源干擾是未來先進干擾技術發展的重點方向之一，它采用伴飛與面源干擾復合的技術體制。

圖1 常見機載紅外面源干擾裝置（按應用形式分類）

目前常見的紅外面源干擾使用的材料主要有自燃液體材料和自燃箔片，如圖2所示，自燃液體紅外誘餌（liquid pyrophoric）采用羥基鋁作為誘餌材料，羥基鋁從容器噴嘴噴出后，在空氣中被迅速點燃，形成強烈的紅外輻射信號，其形成的火焰可達幾米，與噴氣式飛機羽煙的實際尺寸十分接近，可有效保護目標。自燃箔片是由美國合金表面公司（ASC）研發的一種表面多孔合金材料（SMD），其與空氣接觸時，會發生劇烈的氧化反應，產生800°C以上高溫，產生的紅外輻射特性能逼真地模擬載機的羽煙溫度和輻射光譜，是目前發展最成熟的面源干擾材料，已發展并應用于多套系統，其中MJU-49/B主要被美國海軍用以保護直升機和噴氣機，MJU-50/B可以保護低信號特征的戰斗機、運輸機和直升機，MJU-52/B（BOL-IR）由瑞典薩伯公司和合金表面公司聯合研制，目前已經成功應用于多款戰斗機。

圖2 常見機載紅外面源干擾裝置（按材料分類）

1.2 運動學分析

面源干擾中，最常用的就是自燃箔片，自燃箔片［5］被密封在發射筒內，完全隔離空氣，發射出筒瞬間，與空氣充分接觸后，便迅速氧化，發出高強度紅外輻射能量，其投放示意圖如圖3所示。實際應用過程中，箔片的拋散運動是成百上千個金屬薄片的劇烈氧化反應形成的云團狀的復雜運動。

圖3 面源紅外干擾自燃箔片投放示意圖

下面以一個自燃箔片（金屬薄片）分析其干擾運動特性［6］，建立坐標系如圖4所示。設地面坐標系為OgXgYgZg，其中OgXg與地球表面相切，指向射向為正；OgZg與地球表面垂直，向上為正，重力沿OgZg的負向；OgZg垂直于平面OgXgYg，構成右手坐標系。

圖4 坐標系示意圖

假定投放瞬間，載機坐標系OXYZ與地面坐標系OgXgYgZg方向一致，通過坐標系平移可以相互轉換，此時面源干擾裝置坐標與載機坐標一致，設M點為某瞬時時刻面源干擾裝置投放出筒點，N點為M點在平面OXY上的投影，向量ON與X正方向的夾角為?，向量OM與向量ON的夾角為θ，則燃燒金屬片在空中運動方程為：

式中，vx、vy、vz為金屬薄片在當前時刻速度方向在x、y、z方向上的速度分量，ax、ay、az分別為當前時刻金屬薄片加速度在x、y、z方向上的加速度分量，t為當前時刻。

則有：

式中，F為金屬薄片脫離發射筒與空氣接觸時瞬間所受到的空氣阻力，m為金屬薄片燃燒單元質量，則有：

式中，ρ為大氣密度，v為金屬薄片瞬時速度，S為金屬薄片燃燒時有效阻力面積，Cd為金屬薄片阻力系數。其中，大氣密度ρ隨著高度H變化而變化，可由下式求得：

面源紅外干擾裝置發射后，金屬薄片在空中除受地球重力、空氣阻力、即時風力、風向、溫度濕度等外界因素影響外，其自身質量也會隨著燃燒減少，則其阻力面積也隨之減少。這些內外因素都會影響其運動軌跡。此外，上千金屬薄片在陸續出筒過程中會發生多體頻繁碰撞，多金屬薄片之間會形成相互干擾，會擾動、加熱空氣，使氣動效應發生變化，單純的質點運動模型難以直接描述清楚面源干擾金屬薄片的運動特性；而且，金屬薄片出筒發生劇烈氧化作用后，金屬薄片還會發生自由翻轉運動，相互之間還存在多體繞流影響。經過多重因素作用后，紅外面源干擾裝置在空中形成近似橢圓形/絮狀干擾區域，輻射能量強于或近似于目標，從而起到迷惑敵方系統、保護己方目標的作用。

2 實測數據分析

對某設備采集的面源干擾信息進行處理，剔除非正常數據，將信息存儲為圖像格式，并對得到的序列圖像進行處理，如圖5所示，提取目標與干擾區域的關鍵統計學信息，包括目標與干擾區域的能量信息、尺寸信息、軌跡信息等。

圖5 紅外面源干擾的關鍵統計學信息提取

經過數據分析，紅外面源干擾區域的幾何中心移動軌跡與能量中心移動軌跡基本一致，選取能量中心軌跡作為統計結果，如圖6所示。

圖6 紅外面源干擾統計信息

3 粒子系統

粒子系統是一種廣泛應用于模擬發動機尾焰、爆炸、干擾、船行波、尾跡、雨雪的手段，由很多不同強度、變化規律、壽命、軌跡的粒子模擬構成對上述復雜效應的仿真，粒子系統提供 了很多參數，用以實現各種復雜效果。通過對紅外面源干擾金屬箔片的質點運動方程的計算，結合從實測數據提取的干擾的尺寸、能量、軌跡（曲線）變化信息，建立粒子系統參數輸入模型，并在SE-Work-Bench軟件中渲染仿真，將渲染仿真的結果與實測數據進行對比，針對實測信息提取未能覆蓋的部分，引入先驗知識與經驗知識進行輔助，對渲染仿真結果進行判定，不符合要求的返回粒子系統參數輸入模型，重新設計參數，直至滿足需求，如圖7所示。

4 SE-Work-bench渲染仿真

首先，在SE-Work-bench軟件中，建立旋翼直升機模型，完成幾何模型建模、貼圖繪制、紋理映射、材質分類、紅外預計算。之后建立粒子系統模型，輸入一組典型粒子系統模型參數，如表1所示。

表1 基于實測數據的紅外面源干擾參數

在SE-Work-bench軟件中進行實時渲染，得到不同時刻下的三維場景下的實時紅外面源干擾投放圖像，如圖8所示。

圖8 實時投放紅外面源干擾仿真圖像

5 結束語

真實情況下，紅外面源干擾裝置在空中發生劇烈氧化反應時，影響其紅外輻射效果的因素有很多，很難將所有因素都考慮周全，在處理實測信息過程時，本文將探測器和大氣傳輸效應做理想化處理，在后續的研究過程中，需要收集更多的外場采集信息，并將探測器效應和大氣衰減效應充分考慮進去，建立更加科學合理的粒子參數模型，從而得到更加真實的紅外面源干擾建模仿真效果。