红外诱饵弹的视景仿真

郭亚峰， 吴庆宪， 姜长生

(南京航空航天大学，南京 210016)

0 引言

红外制导导弹一直是军用飞机最大的威胁，因此如何保护飞机使其免遭红外制导导弹的攻击仍是各国军方面临的重大课题。就目前而言，利用红外诱饵弹对红外制导导弹进行干扰仍是最有效的对抗手段。虽然国内外对红外诱饵弹的辐射模型和运动方式［1-2］等有所研究，但大多都为数学模型，不能直观表示对抗结果。本文采用视景仿真来研究红外诱饵弹的干扰效果，使红外对抗的过程更加直观，降低了实弹测试的危险和成本。通过视景仿真又可找到红外诱饵弹的最优干扰参数，训练飞行员掌握红外诱饵弹最佳发射时机和发射后的规避动作。通过仿真敌方红外诱饵弹的干扰特征可以得知敌方红外诱饵弹的弱点，提高红外制导导弹的命中率。

1 红外诱饵弹干扰原理

根据红外辐射原理，任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。空中军事目标由于高速和高机动的需求，往往具有大功率的发动机，这就产生了高强度的红外辐射源。虽然大气会对红外辐射产生一定的吸收，但对1 ～1.3 μm、3 ～5 μm 和 8 ～14 μm 波段的红外辐射吸收比较弱，红外制导导弹利用此波段，根据飞机辐射的红外能量对飞机进行跟踪。由于红外诱饵弹的红外辐射和目标的红外辐射比较接近，且辐射能量大于目标辐射能量，当飞机受到红外制导导弹攻击时，可投放红外诱饵弹。这样在红外制导导弹的视场中将出现两个目标，此时红外制导导弹不跟踪任何一个目标，而跟踪其能量中心。

如图1所示，α为导弹视场角，红外诱饵弹的干扰过程就是利用红外诱饵弹改变红外制导导弹视场方向，使目标飞机脱离导弹视场的过程。由红外诱饵弹的干扰机理可知红外诱饵弹在使用时有一些战术要求［3］:红外干扰波段必须与被干扰导弹的工作波段一致或接近;红外诱饵弹的辐射能量必须大于被保护目标的红外辐射能量;红外诱饵弹燃烧的持续时间应大于3 s以使被保护目标有足够时间逃出寻敌器视场;必须保证把红外诱饵弹投射到寻的器的跟踪视场内;红外诱饵弹和飞机的分离速度不能过大。

图1 红外诱饵弹干扰原理示意图Fig.1 Infrared decoy interference schematic diagram

2 红外诱饵弹的特性

2.1 红外诱饵弹的辐射特性

红外诱饵弹的辐射特性［4］如图2所示。

图2 红外诱饵弹辐射特性Fig.2 Infrared radiation characteristics of the decoy

图中，红外诱饵弹高度H=600 m，红外诱饵弹速度V=290 km/h。红外诱饵弹的辐射特性会随高度和速度的不同而改变，在仿真时应该根据其在对应状态下的辐射特性进行仿真。

本文用函数拟合红外诱饵弹的辐射特性曲线，然后把函数的输出转换为粒子系统的粒子数目，这样就可以利用粒子系统的粒子数目表示红外诱饵弹的辐射特性。效果如图3所示。T=0 s为诱饵弹起燃时刻;T=0.5 s为诱饵弹燃烧上升时刻;T=2 s为诱饵弹持续燃烧时刻;T=4 s为诱饵弹燃烧下降时刻。

图3 红外诱饵弹仿真图Fig.3 Simulation images of infrared decoy

2.2 红外诱饵弹的运动特性

诱饵弹投射出去后主要受到空气阻力、重力的作用，空气阻力产生的加速度［5］方向与诱饵弹运动方向相反:

式中:ρa为大气密度;v是速度;g为重力加速度;β为弹道系数，且

式中:m为干扰弹重量;Cd为阻力系数;Aref为阻力系数相关的参数，一般为诱饵弹的最大截面积。当诱饵弹向上发射时，诱饵弹的加速度为

当诱饵弹向下发射时，诱饵弹的加速度为

由此可以计算出诱饵弹的速度，为

然后通过对速度进行三维空间分解，这样就可以计算出诱饵弹在空间中的坐标，描绘出诱饵弹的轨迹。

式中，x、y、z为诱饵弹的空间位置。

图4为红外诱饵弹的运动轨迹。图中上面一条轨迹为飞机飞行轨迹，在0时刻，飞机向下方投放诱饵弹。诱饵弹投放后并没有马上和飞机拉开距离，而是过了一段时间才开始急速下降。

图4 红外诱饵弹运动轨迹Fig.4 Infrared decoy trajectory

2.3 红外诱饵弹的几何特性

图5为F15战斗机正在密集单发投放红外诱饵弹。从图中可以得知红外诱饵弹在空中燃烧时可以分为两部分:一部分为发光部分;另一部分为燃烧产生的烟雾。只有发光部分产生的红外辐射能影响红外制导导弹，起到干扰的作用［6］。红外诱饵弹在飞行时会产生拖尾现象，图5最下方一颗红外诱饵弹表现得尤为明显。随着红外诱饵弹的燃烧红外诱饵弹的质量和体积也会逐渐减小。

在仿真时，本文采用球体作为红外诱饵弹的几何模型，根据红外诱饵弹体积的减小速度来改变模型的几何半径。红外诱饵弹的拖尾部分采用粒子系统来模拟。通过设置粒子运动的速度和方向可以控制红外诱饵弹拖尾的长度和方向。

图5 F15战斗机投放诱饵弹Fig.5 F15 releasing infrared decoy

3 红外成像

红外成像在红外诱饵弹视景仿真中至关重要，因为成像的好坏决定以后研究的科学性和实用性。一般成像算法都采用普朗克定律来实现［7-8］。

普朗克定律:对于表面温度为T，光谱范围在［λ1，λ2］内的物体的光谱辐出度为

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

成像前设定目标各部分的温度值，然后对温度进行灰度化，通过普朗克定律求出各部分在红外导引头上所辐射的能量，加入大气衰减，再用式(8)将能量进行灰度化，得到目标的红外图像。

式中:I(x，y)为(x，y)处的灰度值;W(x，y)为(x，y)处接收到的辐射能量;Wmax为接收到的最大能量;Wmin为接收到的最小能量;N为灰度等级。

因为光学系统、电子系统和弹目的运动都会对产生的红外图像有一定的影响，使图像变得模糊，所以在得到的图像上应加入噪声的干扰，使图像更接近真实的红外图像［9］，如图6 所示。

图6 红外仿真图像Fig.6 Infrared image of simulation

4 结果分析

整个程序的视景仿真图像如图7所示，比较图7与图5可以发现，仿真结果和实际图片除了没有红外诱饵弹产生的烟雾外，其余部分都很接近。在图3中可以清晰地看出，红外诱饵弹的拖尾现象和体积随着时间而逐渐减小，虽然本仿真程序运用了大量粒子系统，但运行速度相当快。

图7 红外诱饵弹视景仿真图Fig.7 The images of infrared decoy visual simulation

本文主要工作是利用粒子系统对红外诱饵弹进行视景仿真。与其他仿真方式相比较，采用粒子系统可以精确模拟红外诱饵弹的辐射特性和几何特性。

5 结束语

红外诱饵弹的视景仿真是为研究红外诱饵弹的最优干扰效果和红外制导导弹的抗干扰算法提供一个研究平台，所以后期应该加入红外制导导弹模型和红外抗干扰算法，以此对整个仿真环境进行扩充，增强程序的功能。

［1］叶本志，蔡希昌，邱娜，等.红外制导技术的发展［J］.红外与激光工程，2007，36(s2):39-42.

［2］淦元柳，王晓飞，郭宝录.国外面源型红外诱饵技术的装备与发展［J］.舰船电子工程，2009，29(9):23-27.

［3］金政芝，杜文红，王星，等.红外诱饵弹建模与视景仿真实现研究［J］.弹箭与制导学报，2010，30(6):31-34.

［4］洪洋，张科，李言俊.红外诱饵弹的干扰模型与仿真［J］.系统仿真学报，2006，18(2):463-366.

［5］卢君，徐大伟，石永山.机载红外诱饵弹的运动轨迹模型及发展方向［J］.光电技术应用，2004，19(3):10-14.

［6］王洪强，方洋旺，伍有利，等.红外诱饵弹干扰特性与仿真［J］.火力与指挥控制，2010，35(4):25-28.

［7］赵超，杨号.红外制导的发展趋势及其关键技术［J］.电光与控制，2008，15(5):48-53.

［8］徐南荣，卞南华.红外辐射与制导［M］.北京:国防工业出版社，1997:9-18.

［9］杨东升，孙嗣良，戴冠中.基于三维模型的飞机红外图像研究［J］.西北工业大学学报，2010，28(5):758-763.