F-22A飞机隐身目标精细化建模

牛青坡， 刘建新， 周宗海

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳　471009)



F-22A飞机隐身目标精细化建模

牛青坡， 刘建新， 周宗海

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳471009)

摘要：以F-22A飞机为代表的第四代战斗机强调隐身性能， 机身和机翼高度融合， 目标外形变得更加复杂， 使得采用初等解析曲面组合的方法构建目标模型计算的目标近场散射特性误差增大。 本文在Pro/E软件环境下采用自由曲面建模方法， 建立了基于F-22A飞机照片和三视图中特征信息的F-22A目标精细化几何模型， 该模型已在隐形目标近场散射特性的计算中得到应用。

关键词：目标模型； 精细化建模； 近场散射特性

0引言

目标几何模型的建立是否准确与合理[1]， 对目标的电磁散射特性计算结果会产生影响。 传统方法采用初等解析曲面(平面、柱面、球面、椭球面等)组合近似构建目标模型， 然后对目标表面进行面元划分, 将其分为四边形小面元， 采用物理光学法进行目标散射特性计算。 而以F-22A飞机为代表的第四代战斗机大大强调超隐身性能， 除采用吸波和透波涂层材料外， 大都采用翼身融合设计， 大量使用自由曲面使机翼与机身无缝隙连接， 高度融合， 这使得目标的重建变得困难。 对隐身目标进行全频域仿真， 特别是高频仿真需要目标模型具有更高的精度。 仿真波长的减小使得仿真计算对网格面元的曲率变得敏感， 采用初等解析曲面组合建模方法不能精确描述目标外形， 由此带来目标散射特性， 特别是近场散射特性仿真误差增大。 此外采用传统方法对目标模型的修改费时费力。

计算机图形学和计算机辅助设计(CAD)技术的发展， 使得精确描述复杂外形目标体几何模型得以实现[1]。 Pro/E软件采用参数化实体建模技术， 使得目标的建模、网格的划分、模型的修改变得十分方便。 本文基于目标三视图和照片的特征提取， 使用Pro/E软件可以实现对目标的快速建模， 并可以随时修改目标小面元尺寸， 以适应不同精度和速度的计算， 为F-22A隐身飞机的近场散射特性研究提供了精细化的目标模型。

1目标几何建模理论

1.1　先验信息的利用

飞机类目标主要由机头、机翼、机身、座舱、尾翼和发动机等部件组成， 且飞机为对称结构， 其先验信息主要是已知飞机的长度、翼展、高度和翼面积， 以及机翼前后缘、 后掠角等， 这些信息可在F-22A的公开资料中得到。 在飞机目标的三视图中充分利用这些信息， 可以获取机身、 机翼边缘特征点信息。 F-22A飞机采用蝶形机翼、菱形进气口、前机身截面呈菱形， 机身中段截面呈五角形， 尾段则减缩过度为扁平的矩形， 这种设计减少了雷达反射波沿原路反射的可能性， F-22A飞机的三视图如图1所示。

图1　F-22A飞机的三视图

1.2　特征信息的提取

对于机身部分， 仅靠三视图不能完全确定曲面体形状。

根据照相机透射模型可知， 已知摄像机的内外参数， 对于空间目标已知点， 可以求得目标在图像中点的坐标； 但是， 反过来已知图像上坐标， 即使已知摄像机内外参数， 目标的空间坐标也不能唯一确定， 其对应为一条射线。 从图象上恢复出真实目标的三维信息涉及计算机图形学、摄影测量、机器视觉、逆向工程等理论知识， 其总体思路都是在未知摄像机内外参数的情况下， 利用先验信息， 通过几何相似、几何形状约束法等相互关系先标定摄像机参数再确定目标的位置信息。

昂海松教授对由三视图、照片和图像灰度分布进行目标重建进行了深入研究[2]。 其主要思想是利用平行线在透视图像上汇交的特点， 可以反求图像的透视参数； 利用图像对应实体的正交关系和某一长度方向上尺寸， 求出其他方向上尺寸信息； 利用彩色图像的明暗度提取部分曲面高度分布外形信息， 最后对生成的模型进行局部微调。

出于飞机隐身方面的考虑， F-22A飞机采用了平行设计来减少雷达波的散射， 其机翼前后缘、 各操纵舵面、 进气道唇口、 各舱门、 口盖缝隙等都相互平行， 以确保其雷达反射波的能量能集中在有限个若干峰值上。 充分利用这些平行信息能够获得若干特征信息。

1.3　曲线和曲面的拟合

由特征点生成曲线和曲面的方法较多， 曲线主要有三次B样条曲线和NURBS曲线、Coons曲线、Bezier曲线等， 曲面主要是由相应曲线对应的曲面。 其中NURBS方法可以把规则曲面与自由曲面构造为统一的曲面构造形式， 即可以把不同阶次的曲面(包括曲线、平面、二次曲面、自由曲面)统一构造。

NURBS曲面定义如下：

(1)

式中： 0≤u， v≤1。 NURBS曲面可以保持参数的连续性，并可以通过修改控制因子灵活修改曲面形状。

2F-22A目标精细化建模

2.1　目标曲面建模

采用Pro/E软件进行F-22A飞机目标的重建方法[3]：

充分利用F-22A飞机先验信息和结构对称信息， 先建立对称的一半目标， 然后利用“镜像”工具对称得到目标整个外形。

目标的建模采用自上至下的顶层建模方式， 先对目标整体约束尺寸， 然后分别建立机头、机身、机翼、座舱、尾翼、发动机口等部件， 将部件组合成一体。 F-22A飞机大量采用复合材料， 不同部件使用的材料不尽相同， 采用部件组合设计的好处是能够对各个部件设置不同的材料， 以便于仿真时为各部件设置不同的电磁散射参数； 同时可以仅对某一部件， 如机头的散射特性进行单独的仿真分析。

各部件的建模充分利用三视图中控制线进行， 利用顶视图可以描述机翼外形和机头截面曲线； 利用侧视图可以描述出大部分的机身上顶曲线、 下底曲线和垂直尾翼外形轮廓； 利用正视图可以得出垂直尾翼倾斜角等信息和进气道部分信息。 对于机身的自由曲面可以根据透视投影关系得出部分特征点信息。

对建立的曲线， 采用Pro/E 中“混合曲面”工具生成曲面， 将生成的曲面与实物图对比， 发现不一致的地方增加控制点进行修改完善。

2.2　实体化和网格化

在CAD 软件中只能对具有一定厚度的实体模型进行网络化， 不能对没有厚度的表面模型进行网格划分， 因此在网格化之前必须对模型实体化。

在Pro/E中对模型进行实体化的方法有两种， 一种是对曲面进行“加厚”， 但由于曲面具有一定厚度， 对其表面进行网格划分时， 会形成双层网格， 在仿真时， 就必须进行大量的遮挡判别， 影响仿真速度； 另一种是对曲面进行闭合， 进行“实体化”， 然后进行网格划分。 因此， 本文选择第二种方式进行“实体化”。

在“实体化”过程中， 必须仔细对曲面进行统一的参数化约束， 否则不能形成闭合曲面。

可以利用Pro/E的Mechanica分析模块， 对目标实体表面进行面元划分。 面元的尺寸可以自由设置， 方便修改， 并且可对不同曲面设置不同的面元大小。 在曲率大的部位设置小面元提高仿真精度， 在曲率小的部位为提高仿真速度设置大面元。 网格设置选择三角形和四边形， 点击创建网格， 形成的目标有限元网格模型如图2所示。

图2　目标表面网格划分

形成目标网格模型后点击FEM有限元分析， 并在运行FEM分析求解器中选择“PTC FEM 中性格式”， 如图3所示。 在元素中单击“线性”， 在输出选项中选择“输出到文件”， 点击确定后， 输入需要的文件名即可输出FNF文件。 输出的FNF文件中包含了目标网格模型的整个拓扑信息和载荷/约束信息。

图3　目标表面网格划分

2.3　模型的生成

生成的FNF文件不能直接用于仿真计算， 但FNF文件中包含了目标外形的拓扑结构， 从中可以提取出仿真需要的小面元点坐标和法向量信息。

FEM 中性格式文件包含有关整个有限元模型的信息， 主要包括： HEADER 有关文件和 FEM 模型的一般信息、 ELEM_TYPES 元素类型的定义、 COORD_SYSTEMS 坐标系的定义、 MATERIALS 模型中使用的材料的定义、 PROPERTIES 模型中使用的元素属性的定义、 MESH 模型的节点和元素的定义、 MESH_TOPOLOGY 模型的曲面和边的定义、 LOADS 施加的载荷/约束集的说明、 ANALYSIS 分析类型的定义、 RESULTS 模型的运算结果的说明。

在FNF文件的HEADER部分中STATISTICS (STT) 指令提供有关模型中元素类型、坐标系、材料、元素属性、节点及元素数目的信息。 此指令的格式如下：

%STATISTICS:num_elem_types

num_coord_systems num_materials

num_properties num_nodes num_elements

其中：num_elem_types为元素类型的数目； num_coord_systems为坐标系的数目； num_materials为模型中使用的材料的数目； num_properties为定义的属性的数目； num_nodes为模型中节点的数目； num_elements为模型中元素的数目。

FNF文件的ELEM_TYPES部分包含了ELEM_TYPE (ETP) 指令， 其中SHELL (SHL)用于描述在目标外形模型中用的三角形和四边形元素。

MESH段包含了模型的节点NODE和元素ELEM定义， 本段包含了面元的坐标和拓扑结构。 需要注意的是MESH中node_id和elem_id序号都是从1开始， 区别于矩阵序号从零开始。

在文件的MESH_TOPOLGY段包含了模型的曲面和边的定义。 对FNF文件采用Vc++编程即可读取拓扑面元信息， 产生满足自身需要的目标电磁散射特性仿真的目标模型格式文件。

模型生成后， F-22A目标精细化重建模型和F-22A飞机照片对比图见图4~5。 从图中可知， 重建后的F-22A与真实飞机外形一致， 目标表面面元满足表面光滑度要求， 可以用于目标的近场散射特性计算。

图4　F-22A飞机照片

图5　F-22A飞机精细化重建模型

3模型的仿真应用

建立的模型是否能满足目标电磁散射特性[8]仿真要求， 需要进行仔细的验证。 此外， 模型的规模要适中， 既要满足仿真精度要求， 也要满足计算机仿真速度的要求。 精度太高， 仿真速度就会降低。

初次建立的F-22A模型采用先进性目标实体镜像再进行网格划分， 这样目标实体虽然是完全对称的， 但是面元自动划分时， 由于大量自由曲面的存在， 网格小面元并不能完全对称， 这样在进行仿真计算时， 由于不对称面元中心对辐射源和接收机的倾角不一致， 导致目标散射特性仿真结果关于方位角不对称。 将方法改为利用飞机目标的对称性， 先建立一半的目标模型并进行面元划分， 再将得到的网格进行镜像， 这样得到的F-22A目标网格完全对称， 消除了仿真结果的不对称性。

建立的F-22A目标三维精细化模型可用于目标的近场电磁散射特性仿真计算,为研究引信对隐身飞机的启动特性和引战配合效果仿真提供了精细化的目标模型。

参考文献：

[1] 聂在平,方大刚. 目标与环境电磁散射特性建模(应用篇) [M]. 北京： 国防工业出版社, 2009.

[2] 昂海松,于志伟. 复杂外形实体图像的三维重建[J].模式识别与人工智能, 1994, 7(4): 277-284.

[3] 詹友刚. Pro/ENGINEER 中文野火版5.0曲面设计教程[M]. 北京： 机械工业出版社, 2010.

[4] 邱卫国, 昂海松.基于领域拓扑的工程图纸三维重建[J]. 南京航空航天大学学报, 2004, 36(8): 482-486.

[5] 迟健男. 视觉测量技术[M].北京： 机械工业出版社, 2011.

[6] 李原, 张开富, 余剑峰.计算机辅助几何设计技术及应用[M]. 西安： 西北工业大学出版社, 2007.

[7] Sweetman B. 隐性战机洛克希德马丁公司的隐形战机发展[M]. 李向阳， 译. 北京： 中国市场出版社, 2011.

[8] 金桂玉, 张京国, 高宠, 等. 高速小目标近场动态RCS计算 [J]. 航空兵器, 2013, (6): 30-34.

Elaborate Modeling of F-22A Fighter Stealth Target

Niu Qingpo， Liu Jianxin， Zhou Zonghai

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Abstract:The fourth generation fighter represented by F-22A emphasizes on stealth performance, airframe and airfoil combine together highly, and the form of fighter becomes more complex, which increases the error of near-field scattering characteristic simulation result by using simple geometry to construct target model. In the Pro/E simulation environment, free-form surfaces are adopted to rebuild F-22A target elaborate geometry model, based on characteristic from the three views and photos of F-22A. This model has been used in near-field scattering characteristic simulation of stealth target.

Key words:target model; elaborate modeling; near-field scattering characteristic

作者简介：牛青坡(1986-)， 男， 河南安阳人， 硕士， 研究方向为引信试验与仿真技术。

收稿日期：2015-05-16

中图分类号：TN011

文献标识码：A

文章编号：1673-5048(2015)06-0036-04