基于Pro/E的隐身目标建模及引信仿真应用

牛青坡,刘建新,高 宠

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009)

在引信仿真应用研究中，目标模型是引信与目标虚拟试验的试验对象。目标模型建立是否准确与合理[1]，对引战系统仿真的结果会产生较大影响。特别是第四代战斗机广泛采用外形隐身和材料隐身技术，使得目标的精细化建模成为影响仿真结果置信度的重要因素。

国外尤其是美国特别重视目标几何建模在目标及环境特性研究中的作用，资助了自动化建模项目，开发了二维数字图像到三维建模的转换工具。为了保证计算的准确性，通过大量实测数据的校核验证和不断持续改进和完善，最后形成了大批具有高置信度的模型软件，例如电磁高频散射近似软件Xpatch多目标散射复合软件CrossFlux等。

国内高校和科研院所也对目标几何建模进行了深入研究[2]，但自动化水平和效率与国外相比还有一定差距。本文针对引信仿真目标建模的应用需求，基于Pro ENGINEER(简写为Pro/E)软件，通过目标三视图提取目标表面特征信息，进行目标三维重建，使用FEM分析模块建立了自适应剖分的网格模型。基于面元法思想，利用物理光学法和改进等效电磁流(MEC)[3]计算了其近场散射特性。

1 引信仿真对目标建模的需求

引战系统是空空导弹的重要组成部分，决定着对目标的毁伤效果，其对付的目标类型存在多样性和复杂性，包含歼击机、轰炸机、巡航导弹、直升机和无人机等各种机型，目标尺寸从一米左右的小型无人机到几十米的战略轰炸机和无人机；引战系统需要对各种目标的散射特性、对目标的启动特性、引战配合、毁伤效果，以及对干扰的抑制效果进行大量仿真，这就需要建立精细化的目标模型。

引信仿真[4]研究引信、战斗部、目标及环境之间的相互作用问题。它能够模拟导弹末端各种交会条件下引信对目标作用，通过对目标表面进行剖分形成小面元(三角形或四边形)，综合物理光学法和等效电磁流法，可得到目标的近场RCS并计算引信接收目标反射信号的变化及引信的响应，做出对引信启动特性和战斗部毁伤效果的综合评价。

引战系统仿真需要建立目标的三维实体模型。一方面,第四代战斗机采用翼身融合设计等技术，使得采用简单的平面、柱面、球面、椭球面近似组合构建的目标模型逼真度不高；另一方面，战斗机采用大量复合材料，其吸波和透波性能与金属材料区别很大，需要赋予目标不同部件不同的电磁散射属性。

无线电引信和激光引信都是近程探测装置，相比于远程雷达，目标不能看作点目标，而属于体目标，同时存在局部照射情况。建立的目标模型能够根据目标的外形、材料等信息计算目标在引信工作频率的，各种交会条件下的近场RCS。

此外，引信仿真应用中，对于面元大小，一般要求以小面元代替原始曲面所造成的拱高误差应小于引信波长的1/16，或者面元边长尺寸小于波长1/3。为了对付隐身目标和提高抗干扰能力，引信探测装置向毫米波和纳秒激光脉冲方向发展，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。因此，需要进行目标的精细化建模，提高仿真结果的置信度。

2 基于Pro/E的目标建模

在对目标特性建模中，需要对目标几何模型进行大量的编辑和处理，包括从已有2D数字图像到3D模型的生成、模型的实体化和网格化、几何模型的修复和校验等。

虽然国内的目标建模技术与国外还存在一定差距，但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。

2.1 Pro ENGINEER

早期的目标建模采用对标准体(球、椭球、圆柱、锥体等)进行精确数学描述，然后采用组合的方式建立模型，后来基于autoCAD的三维软件制作DXF等模型文件转换成OpenGL的顶点数组。现在Pro/E、UG以及CITIA软件等三维建模软件都含有NURBS方法[5]，并在航空航天、造船与汽车等行业得到了广泛的应用，可以应用于目标建模领域。其中，Pro/E软件[6]在目标几何建模方面具有较大优势，它是一个采用参数化设计、基于特征的实体建模工具，特别是在曲面生成方面，可以方便地生成基于曲面边界的混合自由曲面，这使目标的建模和模型的修改十分方便。Pro/E还可进行有限元分析(FEM)及后处理，这种工具可以用于目标的表面元自动划分，可根据仿真需求自动调整面元大小，这个优点使得目标表面不同粒度的网格划分也十分方便。

基于Pro/E软件可以实现目标的精细化建模。首先，基于目标三视图和照片等先验信息进行目标的特征提取；其次，使用Pro/E软件参数化建模软件实现对目标快速建模，形成实体模型；然后，对实体模型目标表面进行有限元分析，进行表面自动网格划分；最后，对目标模型校验、修复进行进一步优化，形成最终的精细化模型。

2.2 基于先验信息的三维重建

对于已有三维实体模型的目标建模，可以通过激光扫描将三维实体数字化，构建目标的数字化模型[7]。但对于引战系统仿真，多数目标没有实体模型，只能通过有限的2D照片以及外形尺寸参数重构三维模型。

对于飞机类目标，有很多已知的先验信息可以利用。飞机都是对称结构，还可以知道飞机的长度、翼展、高度和翼面积以及机翼前后缘后掠角等信息。例如，F-35A飞机的外形尺寸[8]如表1所示。

F-35A飞机采用梯形中单翼，常规水平尾翼、外倾双垂尾、无隔板固定式进气道、双曲度进气道，机翼和尾翼前缘后掠35°、后缘前掠15°，垂尾后掠35°、外倾25°，并针对正前方进行了隐身优化。采用整机计算机模拟(综合进气道、吸波材料/结构等的影响)，可以保证机体表面采用连续曲面设计。F-35A飞机三视图如图1所示。

利用Pro/E软件进行F-35A飞机的建模时，首先利用三维尺寸信息，建立边缘特征点(顶点)；其次，充分利用三视图信息，以及飞机的对称性结构和机翼前后缘平行特征对三幅图像中的特征点进行相互匹配。

由特征点可生成目标的边缘曲线。由特征点生成曲线的方法较多，常用的是NURBS曲线，它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)统一起来构造，符合飞机翼身融合设计的机翼表面。利用特征点，进行“样条曲线”草绘的F-35A飞机表面骨架模型如图2所示。

Pro/E 中“混合曲面”工具，可以生成光滑自由曲面。然后对生成的曲面与实物图对比，发现不一致的地方增加或修改特征点参数进行优化。

2.3 目标实体化和表面网格化

在Pro/E中对模型表面进行表面网格化划分[9]，可以使用Mechanica分析模块。Mechanica模块不能对没有厚度的表面模型进行有限元分，因此必须先将模型转变成实体模型。在“实体化”过程中，需要对曲面进行统一的参数化约束，尤其注意各曲面结合处，否则不能形成闭合曲面。

应用Pro/E软件的FEM分析，选择“边界”进行表面网格划分，选择“控制”设置面元控制参数，并设置面元的类型是三角形四边形，以及优化步骤。点击创建网格，形成的目标有限元网格模型如图3所示。

网格面元的尺寸可以自由设置，方便修改，并且可以对不同目标的不同部位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，在曲率小的部位设置大面元提高仿真速度。

2.4 模型的转换

对模型表面进行有限元划分后，可以生成包含表面面元信息的FNF文件。但此文件并不适合直接用于引战系统仿真计算，FNF文件中包含了目标外形的拓扑结构。例如，在FNF文件的ELEM_TYPES部分包含了ELEM_TYPE (ETP) 指令，其中SHELL (SHL)，用于三角形和四边形元素描述在目标外形模型中的三角形和四边形。但还包含很多冗余信息，同时缺少目标表面材料的电磁散射系数等属性信息。这就需要对FNF文件进行处理，提取出仿真需要的面元信息，产生满足引战系统仿真匹配的目标模型格式文件。生成的F-35A精细化模型如图4所示。

2.5 模型的校验与优化

建立的模型是否能满足目标电磁散射特性仿真要求，需要进行仔细的校验和优化并增加目标材料电磁散射系数属性等信息。例如，F-35A飞机复合材料结构占30%， F-35的翼面采用单块式结构、将机翼和机身集成为一体，减少了许多接头和连接件，机翼上下蒙皮采用传统的碳纤维环氧树脂复合材料。垂尾和水平尾翼采用铝合金蜂窝结构。由于并不知道目标飞机真实材料的散射系数，可以先采用全金属模型进行计算，然后对国内已知的复合材料进行测试得到散射系数后，采用比对的方式进行计算和仿真，不断优化模型。其次，还要对面元的大小对仿真的精度和效率的影响进行分析，优化面元大小。

3 引信仿真应用

建立了精细化的目标模型，就可以进行引信仿真应用。采用面元法并利用物理光学法和改进的等效电磁流方法，计算某交会条件下引信对F-35A飞机的动态RCS。如图5所示。

采用Pro/E建立的目标模型，可以应用于引信虚拟试验的视景仿真[10]，在表面模型内部增加易损性模型，还可以分析引信对目标的引战配合和毁伤效果[11]。

4 结论

本文对引信仿真中的目标建模进行了论述，重点研究了基于Pro/E软件的目标建模方法，提取目标三视图中特征点信息，采用混合曲面建模重构目标三维模型，并实现表面自适应网格划分，该方法可以快速高效建立各种目标模型，这对研究引信对不同目标的启动特性和引战配合以及毁伤效果，优化引信设计起到了较好的作用。该方法还可以扩展应用于其他目标建模，提高仿真结果的置信度，降低试验费用。

[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(12)：277-284.

[3] 张京国，金桂玉，高宠.PO+MEC计算目标近场电磁散射特性[J].航空兵器，2015(6)：31-35.

[4] 梁棠文，李玉清，何武城.防空导弹引信设计及仿真技术[M].北京：宇航出版社，1995：1-10.

[5] 欧紫娟.基于CITIA建模的雷达引信目标RCS计算及应用[D].南京：南京理工大学，2013.

[6] 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.

[7] 杨玉峰，吴振森，曹运华.基于三维重建理论的目标光谱散射特性研究[J].光子学报，2012，32(9)：0929001.

[8] 姜浩，昂海松.F-35战斗机三维重建及气动、隐身特性分析[J].飞机设计2010，30(6)： 1-10.

[9] 牛青坡，刘建新，周宗海.F-22A飞机隐身目标精细化建模[J].航空兵器，2015(6)：36-39.

[10] 张红朴，杜承烈.引信虚拟试验的视景仿真实现[J].计算机测量与控制，2006，14(7)：926-928.

[11] 骆 强，吕鸿鹏，孙卫平等.基于虚拟试验的引战配合系统实现方法研究[J].兵器装备工程学报，2017(4)：50-54.