紅外誘餌彈的視景仿真

郭亞峰， 吳慶憲， 姜長生

(南京航空航天大學，南京 210016)

0 引言

紅外制導導彈一直是軍用飛機最大的威脅，因此如何保護飛機使其免遭紅外制導導彈的攻擊仍是各國軍方面臨的重大課題。就目前而言，利用紅外誘餌彈對紅外制導導彈進行干擾仍是最有效的對抗手段。雖然國內外對紅外誘餌彈的輻射模型和運動方式［1-2］等有所研究，但大多都為數學模型，不能直觀表示對抗結果。本文采用視景仿真來研究紅外誘餌彈的干擾效果，使紅外對抗的過程更加直觀，降低了實彈測試的危險和成本。通過視景仿真又可找到紅外誘餌彈的最優干擾參數，訓練飛行員掌握紅外誘餌彈最佳發射時機和發射后的規避動作。通過仿真敵方紅外誘餌彈的干擾特征可以得知敵方紅外誘餌彈的弱點，提高紅外制導導彈的命中率。

1 紅外誘餌彈干擾原理

根據紅外輻射原理，任何溫度高于絕對零度的物體都會產生紅外輻射。空中軍事目標由于高速和高機動的需求，往往具有大功率的發動機，這就產生了高強度的紅外輻射源。雖然大氣會對紅外輻射產生一定的吸收，但對1 ～1.3 μm、3 ～5 μm 和 8 ～14 μm 波段的紅外輻射吸收比較弱，紅外制導導彈利用此波段，根據飛機輻射的紅外能量對飛機進行跟蹤。由于紅外誘餌彈的紅外輻射和目標的紅外輻射比較接近，且輻射能量大于目標輻射能量，當飛機受到紅外制導導彈攻擊時，可投放紅外誘餌彈。這樣在紅外制導導彈的視場中將出現兩個目標，此時紅外制導導彈不跟蹤任何一個目標，而跟蹤其能量中心。

如圖1所示，α為導彈視場角，紅外誘餌彈的干擾過程就是利用紅外誘餌彈改變紅外制導導彈視場方向，使目標飛機脫離導彈視場的過程。由紅外誘餌彈的干擾機理可知紅外誘餌彈在使用時有一些戰術要求［3］:紅外干擾波段必須與被干擾導彈的工作波段一致或接近;紅外誘餌彈的輻射能量必須大于被保護目標的紅外輻射能量;紅外誘餌彈燃燒的持續時間應大于3 s以使被保護目標有足夠時間逃出尋敵器視場;必須保證把紅外誘餌彈投射到尋的器的跟蹤視場內;紅外誘餌彈和飛機的分離速度不能過大。

圖1 紅外誘餌彈干擾原理示意圖Fig.1 Infrared decoy interference schematic diagram

2 紅外誘餌彈的特性

2.1 紅外誘餌彈的輻射特性

紅外誘餌彈的輻射特性［4］如圖2所示。

圖2 紅外誘餌彈輻射特性Fig.2 Infrared radiation characteristics of the decoy

圖中，紅外誘餌彈高度H=600 m，紅外誘餌彈速度V=290 km/h。紅外誘餌彈的輻射特性會隨高度和速度的不同而改變，在仿真時應該根據其在對應狀態下的輻射特性進行仿真。

本文用函數擬合紅外誘餌彈的輻射特性曲線，然后把函數的輸出轉換為粒子系統的粒子數目，這樣就可以利用粒子系統的粒子數目表示紅外誘餌彈的輻射特性。效果如圖3所示。T=0 s為誘餌彈起燃時刻;T=0.5 s為誘餌彈燃燒上升時刻;T=2 s為誘餌彈持續燃燒時刻;T=4 s為誘餌彈燃燒下降時刻。

圖3 紅外誘餌彈仿真圖Fig.3 Simulation images of infrared decoy

2.2 紅外誘餌彈的運動特性

誘餌彈投射出去后主要受到空氣阻力、重力的作用，空氣阻力產生的加速度［5］方向與誘餌彈運動方向相反:

式中:ρa為大氣密度;v是速度;g為重力加速度;β為彈道系數，且

式中:m為干擾彈重量;Cd為阻力系數;Aref為阻力系數相關的參數，一般為誘餌彈的最大截面積。當誘餌彈向上發射時，誘餌彈的加速度為

當誘餌彈向下發射時，誘餌彈的加速度為

由此可以計算出誘餌彈的速度，為

然后通過對速度進行三維空間分解，這樣就可以計算出誘餌彈在空間中的坐標，描繪出誘餌彈的軌跡。

式中，x、y、z為誘餌彈的空間位置。

圖4為紅外誘餌彈的運動軌跡。圖中上面一條軌跡為飛機飛行軌跡，在0時刻，飛機向下方投放誘餌彈。誘餌彈投放后并沒有馬上和飛機拉開距離，而是過了一段時間才開始急速下降。

圖4 紅外誘餌彈運動軌跡Fig.4 Infrared decoy trajectory

2.3 紅外誘餌彈的幾何特性

圖5為F15戰斗機正在密集單發投放紅外誘餌彈。從圖中可以得知紅外誘餌彈在空中燃燒時可以分為兩部分:一部分為發光部分;另一部分為燃燒產生的煙霧。只有發光部分產生的紅外輻射能影響紅外制導導彈，起到干擾的作用［6］。紅外誘餌彈在飛行時會產生拖尾現象，圖5最下方一顆紅外誘餌彈表現得尤為明顯。隨著紅外誘餌彈的燃燒紅外誘餌彈的質量和體積也會逐漸減小。

在仿真時，本文采用球體作為紅外誘餌彈的幾何模型，根據紅外誘餌彈體積的減小速度來改變模型的幾何半徑。紅外誘餌彈的拖尾部分采用粒子系統來模擬。通過設置粒子運動的速度和方向可以控制紅外誘餌彈拖尾的長度和方向。

圖5 F15戰斗機投放誘餌彈Fig.5 F15 releasing infrared decoy

3 紅外成像

紅外成像在紅外誘餌彈視景仿真中至關重要，因為成像的好壞決定以后研究的科學性和實用性。一般成像算法都采用普朗克定律來實現［7-8］。

普朗克定律:對于表面溫度為T，光譜范圍在［λ1，λ2］內的物體的光譜輻出度為

式中:c1=3.742×10-16W·m2;c2=1.438×10-2m·K。

成像前設定目標各部分的溫度值，然后對溫度進行灰度化，通過普朗克定律求出各部分在紅外導引頭上所輻射的能量，加入大氣衰減，再用式(8)將能量進行灰度化，得到目標的紅外圖像。

式中:I(x，y)為(x，y)處的灰度值;W(x，y)為(x，y)處接收到的輻射能量;Wmax為接收到的最大能量;Wmin為接收到的最小能量;N為灰度等級。

因為光學系統、電子系統和彈目的運動都會對產生的紅外圖像有一定的影響，使圖像變得模糊，所以在得到的圖像上應加入噪聲的干擾，使圖像更接近真實的紅外圖像［9］，如圖6 所示。

圖6 紅外仿真圖像Fig.6 Infrared image of simulation

4 結果分析

整個程序的視景仿真圖像如圖7所示，比較圖7與圖5可以發現，仿真結果和實際圖片除了沒有紅外誘餌彈產生的煙霧外，其余部分都很接近。在圖3中可以清晰地看出，紅外誘餌彈的拖尾現象和體積隨著時間而逐漸減小，雖然本仿真程序運用了大量粒子系統，但運行速度相當快。

圖7 紅外誘餌彈視景仿真圖Fig.7 The images of infrared decoy visual simulation

本文主要工作是利用粒子系統對紅外誘餌彈進行視景仿真。與其他仿真方式相比較，采用粒子系統可以精確模擬紅外誘餌彈的輻射特性和幾何特性。

5 結束語

紅外誘餌彈的視景仿真是為研究紅外誘餌彈的最優干擾效果和紅外制導導彈的抗干擾算法提供一個研究平臺，所以后期應該加入紅外制導導彈模型和紅外抗干擾算法，以此對整個仿真環境進行擴充，增強程序的功能。

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