hla环境下海天背景目标红外成像实时仿真系统分析-analysis of real-time simulation system for infrared imaging of haitian background targets in hla environment.docx

1绪 论1.1论文的研究背景及意义随着红外成像技术的迅速发展，事关国防安全的先进红外成像制导和红外对抗 系统的研制、军用红外成像探测设备的更新换代愈加紧迫。如何快速、高效率地研 制在各种复杂红外背景环境和干扰下能准确捕获目标的红外成像制导系统，研制有 效避开敌方红外制导攻击的红外隐身武器及红外对抗手段，已成为现代战争高科技 对抗的关键问题之一[1,2]。研制性能优良的红外成像系统，需要在实战可能处于的各 种复杂气象条件（雨、雪、雾、霾等）和复杂环境条件（深空、低空、海天背景、 海洋背景、地面背景等）下进行大量的测试、训练和评估。传统的靶场试验不仅需 要耗费大量的人力物力，而且也很难获得各种气象条件和复杂环境条件下的红外图 像。在测试、训练和评估不充分的情况下，很难提高系统的实战性能。红外成像系统计算机数字仿真和半实物仿真技术应运而生，为解决上述难题提 供了一种经济、有效的途径。红外成像仿真是红外成像系统数字仿真和半实物仿真 的基础[3]。随着计算机软硬件的发展，利用计算机仿真各种指定参数的战场环境已经 成为可能。通过建立目标及背景的几何模型，结合红外辐射理论可以仿真生成指定 目标、背景环境、气象条件和探测器成像特性等参数下的红外图像。利用这些在指 定参数下仿真生成的红外图像不仅可为红外成像系统的性能评价和改进提供分析依 据，而且可以作为武器系统数字仿真和半实物仿真系统的注入信号来测试、评估武 器系统的作战性能，此外利用其重复再现各种战场环境来训练武器系统操作人员。 国际权威统计资料显示：在导弹系统研发过程中，采用仿真技术可以大幅度地减少 导弹实弹试验次数，节约研制经费，并且明显缩短了研制周期[4]。为了发展我国的红外成像仿真技术，满足军事和民用对该技术的需求，开展本 论文研究是非常必要而有实际意义的。本文涉及的海天背景和目标红外成像实时仿真模块作为防空导弹红外导引头仿 真系统的一个子模块，为防空导弹红外导引头仿真系统提供注入信号。防空导弹红外导引头仿真系统作为分布式海天环境作战仿真系统中的一个仿真结点，根据注入信号检测并跟踪目标。它基于高层体系结构（High Level Architecture，缩写为 HLA， 是一个通用的分布式仿真技术框架，它定义了构成仿真各部分的功能与相互之间的 关系，而非一系列的数据交换标准，从更高层次上规划了仿真开发、建模、设计整 个过程中应遵循的规则）接收和传输仿真数据，为防空导弹导航控制仿真结点提供 目标方位偏差，以引导防空导弹不断接近并摧毁目标。此外，在分布式海天环境作 战仿真系统中还有很多其它仿真结点，包括：无人飞行器仿真结点、潜艇仿真结点、 水面舰艇仿真结点等。利用这些分布式仿真结点构造复杂的虚拟战场环境，有以下 用途和意义：（1）验证和评估红外成像仿真系统的性能指标；考察防空导弹对目标的识别、 跟踪、精确打击以及抗干扰的能力。（2）为目标如何进行红外伪装、干扰、隐身等对抗措施提供重要指导意义。（3）仿真生成的红外图像序列可以作为各种目标检测、跟踪算法性能评估的信 号源。1.2红外成像仿真的研究现状红外成像仿真技术最初是为了提高红外成像导引头性能的需要而产生的。随后， 其应用扩展到航空、航天等领域。利用计算机生成的景物红外图像已应用于红外成 像系统评估、算法改进、人员训练、光电对抗技术、遥感测量以及传感器的景物表 示等众多方面[5]。鉴于红外成像仿真技术极其重要的应用价值，自上世纪 70 年代末， 各发达国家纷纷投入大量的人力物力进行研发，取得了许多卓有成效的研究进展。从红外成像仿真的实施上，主要包括以下两方面的内容。1.2.1背景及目标几何模型背景以及目标几何建模是红外视景成像仿真中的一个重要组成部分。对其的研 究也是计算机图形学和虚拟现实研究中的热点问题之一。接下来将阐述本文涉及的 自然场景以及军事目标建模方面的国内外研究情况，包括如下几个方面：1）海面的几何建模海面由于其随机性和不规则性，要对其进行逼真地模拟非常困难。关于海面建模的研究已经有二十多年的历史。到目前为止，海面建模仿真主要有如下几类方法：（1）基于流体力学的方法：在流体力学领域，Navier-Stokes 方程被用来描述不可压缩的粘性流体的运动。 实际上这种方法适用面很广，其在计算机图形领域常常被用来建立水波模型。根据 流体所受到的重力、压强梯度力、科氏力和摩擦力等，在给定适当的边界条件以及 动量和质量守恒的约束条件下，通过求解 Navier-Stokes 方程可以得到流体质点在任 意时刻的状态，进而得到波浪的形态。该方法所生成的海浪形状非常接近真实的物 理现象，但是如果只是求解二维 Navier-Stokes 方程，即把水流的形状看作一个高度 场，则难以体现陡峭的波峰及卷曲的波形；如果采用三维 Navier-Stok