复杂战场环境下红外成像制导导弹的攻防对抗仿真技术研究综述-范晋祥

复杂战场环境下红外成像制导导弹的攻防对抗仿真技术研究综述范晋祥，柴娟芳（上海机电工程研究所，上海201109）摘要：近年来，精确制导系统所面临的目标、环境、任务使命发生了显著的变化，包括红外成像末制导系统在内的弹载精确末制导系统，面临着战场环境的日益复杂化和目标特性的不确定性所带来目标识别和抗干扰难题。由于复杂作战环境下的强抗干扰能力是对新装备和发展的红外成像制导导弹的一项重要要求，对于导引头设计者而言，必须在覆盖宽泛的作战场景和目标及干扰特征条件下全面地验证其信号处理和抗干扰算法，对于导弹使用方而言，必须对复杂战场环境下红外成像制导导弹的交战效果进行全面的评估，这就需要建立相应的评估手段，能够逼真地模拟复杂战场环境和红外成像制导导弹及其交互作用的攻防对抗仿真系统就是一种有效的评估手段。本文分析了复杂战场环境和目标特性的不确定性给精确制导系统所带来的挑战，分析了复杂战场环境下红外成像制导导弹的攻防对抗仿真需求，并介绍了国外发展的典型的复杂战场环境下红外成像制导导弹攻防对抗仿真系统。关键词：复杂战场环境；红外成像制导；红外场景仿真；攻防对抗仿真1引言红外制导导弹采用由军事平台（飞机、海军舰艇）所辐射的红外辐射来探测、截获、跟踪和拦截并摧毁这些军事平台，自红外制导导弹诞生以来，已经有将近五十年的发展历程，红外制导导弹在防空、反舰、对地打击、反导等领域得到了广泛的应用。为了对抗红外制导导弹，各种军事平台也发展、应用并持续地演进各种红外对抗手段，如红外诱饵干扰、红外隐身、定向红外干扰，以提高军事平台的安全性。红外制导导弹和军事平台抗红外制导导弹的对抗，推动着红外干扰系统和红外抗干扰系统的持续的演进，如红外诱饵挫败常规的红外点源制导导引头，智能化的红外成像制导导引头挫败红外诱饵干扰，定向红外干扰挫败智能化红外制导导引头。复杂作战环境下的强抗干扰能力是对新装备和发展的红外成像制导导弹的一项重要要求，在各类精确制导导弹的威力和能力不断提高的情况下提高军事平台的生存能力是对军事平台的一项重要需求。无论是红外制导导弹设计师还是军事平台的红外对抗系统的设计师，准确地掌握有关目标红外特征现象学、军事平台所采用的干扰技术、导弹的性能（探测性能、导弹的最大交战距离等）、红外制导导弹所采用的抗干扰技术等方面的知识，对于发展和改进红外干扰措施和抗干扰系统是至关重要的，都必须考虑在覆盖宽泛的作战场景和目标及干扰特征条件下，全面地验证其在复杂战场环境下红外成像制导导弹的交战效果进行全面的评估，以进一步提高红外干扰和红外抗干扰技术的效能，这就需要建立相应的评估手段，这就需要发展能够逼真地模拟复杂战场环境和红外成像制导导弹及其交互作用的攻防对抗仿真系统。2复杂战场环境下红外成像制导导弹的攻防对抗仿真需求发展保护飞机的红外对抗措施的是为了对抗红外制导导弹，发展红外导引头的抗干扰措施是为了应对干扰对抗措施，攻防对抗过程是一个双方博弈的动态过程。因此，红外对抗措施对红外制导导弹的干扰性能的评估，以及红外导引头抗各类红外干扰措施的抗干扰性能的评估，都应当在基于导弹-飞机的交战过程动态地进行。对真实世界中的导弹-飞机攻防对抗的仿真需要4个关键的仿真单元：（1）飞机或舰艇等目标；（2）红外诱饵等干扰措施；（3）背景环境；（4）防空导弹，包括弹体、飞行控制、引信、推进、数据链、战斗部和导引头等几个子系统。红外成像制导导弹的导引头为飞行控制系统提供使导弹能拦截飞机目标的操纵指令，包括：(1)为导引头提供气动和气象防护的头罩；（2）将入射的场景红外辐射聚焦到探测器上的光学系统；（3）使光轴瞄准所识别的目标，并使图像的抖动最小的稳定框架系统；（4）敏感所汇聚的目标和场景的红外辐射并产生图像的红外探测器；（5）处理、分析图像信息并为导弹制导的跟踪回路提供跟踪误差的图像处理器。图1概括了对成像仿真的关键需求和对每个实际的单元的相关的关键仿真需求。图1对红外成像仿真的关键需求2.1目标、干扰和背景红外成像仿真需求随着红外成像导引头的发展和越来越广泛的应用，要求具备与红外成像导引头的复杂性相适应的强有力的开发环境。现代红外成像制导导弹信号处理和抗干扰技术的研发需要一个不断重复地试验、训练和试验的开发过程，必须具备能够覆盖宽泛的作战场景和目标及干扰特征条件、逼真模拟目标和对抗措施特征的高质量的仿真图像，需要有一个基于计算机的目标、环境及干扰的成像仿真环境，以全面地评价抗干扰效果。对这样的用于攻防对抗仿真的红外成像仿真系统的关键的需求是：1）在所有谱段的精确的辐射量仿真，包括对阳光反射和目标及场景的热辐射量的精确的仿真，提供正确的颜色比；2）对由空气动力学或热力学加热决定的辐射源表面温度特性的精确的仿真；3）高拟真度的几何和空间纹理建模，提供目标和对抗措施的形状的精确仿真；4）目标、干扰和导弹的真实的6自由度动力学和运动学特性仿真；5）目标特征和背景的详细的建模；6）精确的大气传输和路径辐射模型；7）对场景图像在辐射量、空间和时间特性上进行真实的渲染；8）完备的传感器建模，考虑到主要的和次要的成像效应。飞机等目标、诱饵及其他干扰手段和背景环境构成了部分场景，并影响着在导弹导引头传感器图像中的光斑的表观。为了逼真地模拟光斑特征，必须采用由物理定律描述的目标和诱饵的几何形状、红外特征、运动特性，所采用的物理定律涉及到辐射度学、通过媒介（大气）的辐射传输、几何和特征描述、热特性、时间演化特性和六自由度运动学及空气动力学。杂波中的目标识别是导弹目标检测算法开发者所面临的一个主要的挑战，晴朗的天空、太阳、云、地形和海面是导弹导引头图像中的主要背景杂波，也必须采用基于物理规律的建模。红外特征模型如图2所示，它试图模拟由导弹的红外传感器所获取的各个红外源所辐射的能量流，由导弹的红外传感器所获取的红外能量包括位于红外传感器视场内的所有的物体的自辐射、以及传输的和反射的辐射，这意味着特征模型包括多个物体的红外特性（辐射、反射率和透过率）以及大气条件。物体的红外特性可能随着观察角度的变化而变化，而且与它们的温度和环境有关。在真实世界中，有很多变量影响着红外特征，特征模型不可能包括所有的变量，但可能实现好的近似。为了提供辐射量得到确认的传感器图像，渲染方程必须包括自身的热辐射、日照反射和天空、周边环境的辐射和大气效应。图2光学辐射特征的主要分量图3OSSIM的红外成像导弹闭环仿真模型组2.2对导弹及其红外成像导引头的仿真需求导弹弹体是真实世界中导引头的载体，需要弹体飞行特性的精确的模型，以采用导引头提供的用于导弹制导的目标视线操控导弹飞向目标。这些需求可以通过空气动力学、飞行控制伺服、自动驾驶仪和制导与导航算法的详细的模型来得以满足。在这些模型中必须采用在以下领域的物理规律：（1）时域特性，（2）6自由度运动学，（3）空气动力学，（4）机械特性和（5）控制系统。导弹导引头需要实现三个主要的单元：（1）提供红外图像的传感器硬件系统，（2）分析用于目标探测和跟踪的图像的图像处理器，（3）为导弹制导提供信号的框架平台。传感器硬件结构确定图像渲染器的空间分辨率，仿真的导引头图像必须在规定的光谱波段，采用所需要的空间分辨率，采用浮点计算和抗混淆方法进行渲染。多色图像（对于双色导弹导引头）必须对真实世界的传感器进行精确的配准。传感器建模必须反映真实硬件导引头传感器的特性，必须支持对各种传感器（如调制盘扫描器、扫描探测器或凝视阵列传感器）的建模。在这一模型中，探测器决定图像的几何以及多色光谱域。视场确定在真实的世界中观察的范围，图像质量影响图像光斑的形状和时域特征，并需要对传感器光学系统、头罩加热、探测器特性（如非均匀性）、探测器和电路噪声、扫描机构效应和温度随时间的变化进行细致的建模。需要一个电子信号传递函数处理能力以提供得到与真实硬件相同的标定的灰度图像。需要建模系统的时间延迟以考虑到系统中可能影响目标跟踪的时域效应。需要一个图像处理开发环境以支持对图像处理、目标跟踪和导弹制导算法的优化。图像处理算法需要精确的图像以支持用于目标检测和跟踪及干扰抑制的光斑动力学、时域、形状和颜色特征的计算。导引头框架平台稳定传感器视线，使之不受导弹振动和基座运动的影响。跟踪系统响应图像处理算法并保持将目标跟踪在传感器视场的中心，并将目标视线转率作为导弹制导系统的输入。对机械框架、惯性和角度传感器、稳定和控制系统的仿真需要对时域特性、六自由度运动学、机械特性和控制系统进行精确的建模。3国外典型的复杂战场环境红外成像制导导弹攻防对抗仿真系统3.1基于Optronic系统仿真器（OSSIM）的红外成像制导导弹攻防对抗仿真系统OSSIM是一个基于物理的场景仿真器，它能产生覆盖0.4-14微米谱段的可见光和红外波段的任意复杂场景的合成图像，如相对于晴朗的天空、有云的天空和地形与海杂波背景观察各种飞机、导弹和其他机载、海基和地面物体和干扰对抗措施的图像。OSSIM的主要用途包括导弹导引头传感器和热成像系统、信号和图像处理算法、传感器算法、导弹导引头抗干扰和飞机针对导弹攻击的自卫的开发、优化和性能预测。系统采用波段内光谱辐射量和浮点图像渲染实现物理方程，同时在几个波段产生辐射度精确的图像。为了提供正确的颜色比，目标和背景特征辐射量包括自辐射、反射的太阳照射、周边的辐射和天空辐射。对由气动加热或太阳加热造成的表面温度特性进行了建模。高拟真度的三维复杂机体几何模型和时变的空域纹理建模提供目标、干扰对抗措施和背景的形状和纹理的细节变化。部分透明性允许精确地表示气体云、对抗诱饵和飞机尾喷焰。全范围的MODTRAN大气建模，包括光谱衰减和路径辐射可以通过嵌入MODTRAN计算机代码来获得。对在真实世界中所有物体的动力学和运动学特性进行了6自由度建模。一个先进的库为控制系统建模提供支持。飞机、诱饵干扰和导弹等采用由一系列平坦的和凸状的多边形构成的三维复杂外形描述，每个多边形被分配一个光谱辐射特性，支持对光谱选择辐射体（如飞机和导弹尾喷焰）的建模。采用纹理对多边形进行渲染，从而能实现对物体（对象）的表面的空间变化的建模。多边形也可以是部分透明的以表示气态云。多边形的温度是采用包括对所有热源（白天的太阳能流入量、热动力学、内部热源和气动加热）的建模的热平衡方程计算的，特征建模也包括对象的特征的时变特性建模。导弹子系统模拟真实世界硬件的运行，包括功能能力、性能和性能降低效应。对于一个红外成像导弹应用（图3），子系统模型描述导弹的各个子系统：传感器子系统、图像处理、机械框架，以及导弹动力学和运动学（制导，空气动力学和飞行）。一个场景的单元是在包括动态和/或静态的物体、干扰对抗、地形和各种背景物体的三维虚拟世界数据库中描述的，包括实际的大气条件。图像渲染器从数据库中提取三维的场景数据并渲染“理想的”二维图像。这些图像是以比导引头摄像头分辨率更高的分辨率计算的。专业用户应用传感器子组件模块将渲染的“高分辨率”图像处理成一个时变的数字信号或图像，传感器模块通常考虑了视场、光学渐晕和点扩展函数、机械图像扫描、探测器类型、探测器噪声和焦平面阵列处理、电子信号传输函数，以及处理时间延迟。目标是在仿真中计算出与真实世界的传感器图像非常相近的图像。这种仿真结构允许终端用户方便地将信号/图像处理算法集成到仿真环境中。图像处理模块处理探测器信号或图像以确定用于目标瞄准和跟踪的误差信号，典型的处理包括探测算法、自动目标识别算法、自动跟踪算法、抗干扰算法和控制算法。在内建的、用户可扩展的有限微分方程库中实现非常复杂的运动学和空气动力学（如导弹控制系统、飞行动力学和运动学运动）。采用目标跟踪算法计算的误差信号被输入到框架和导弹仿真器模块。机械框架稳定传感器视轴，使之不受振动和基座运动的扰动，框架模块描述框架机械特性、惯性和机械角度传感器、传感器平台动力学和运动学以及稳定和跟踪控制系统。跟踪系统使目标保持在传感器视场中心并提供目标视线角速率作为输出。导弹模块采用目标视线角速率来确定制导指令，并调整在真实世界中导弹的位置和姿态，该模块包括导弹空气动力学、飞行控制伺服、自动驾驶仪、制导和控制