基于SE-Work-Bench的红外面源干扰建模仿真

沈涛，李凡，宋敏敏

（1.上海机电工程研究所，上海 201109；2.上海航天控制技术研究所，上海 201109）

0 引言

随着现代科技的不断发展，无人飞行器系统攻防对抗之间的博弈竞争越发激烈，红外面源干扰（诱饵）作为一种新型对抗无人飞行器的手段/装置，相比于传统的点源干扰方式，拥有诸多方面的优势［1］。红外面源干扰光谱辐射特性逼真度高，在探测器典型探测波段内，其光谱辐射特性与目标高度相似；辐射能量强且辐射面积大，其能量可远大于目标也可与目标相近，能对主要以能量为判断门限的识别算法造成严重干扰，且面源干扰能在空中形成大面积的辐射云团/絮状物，可有效遮蔽、保护目标；面源干扰在作用过程中，产生的宽频段红外辐射可覆盖3～5 µm和8～12 µm的2个主要的大气窗口；面源干扰起燃速度快，达到有效辐射强度的时间短，且燃烧辐射时间长，足以保护目标脱离探测器视场［2］。鉴于红外面源干扰的诸多优势，很多国家都集中了大量的资源进行相关技术的研究，从历史发展来看，红外干扰/诱饵是有记录的最早应用于实际战争的红外对抗手段，也是目前应用范围最广、费效比最高、使用最成功的红外对抗应用。美国等已研制成功多型系列化、体系化、规模化的面源干扰及投放装置，可覆盖诸多具体应用场景，国内研究起步较晚，主要研究领域集中于面源干扰燃烧材料制备、主要技术指标特性分析、计算机仿真等领域，对于材料特性以及整个红外面源干扰（诱饵）的生成研究还比较稀缺。

随着计算机技术的发展，半实物仿真在无人飞行器科研生产及制造全生命周期内都发挥着重要作用［3］。在内场半实物仿真中，对产品的目标识别算法鉴别面源干扰的能力验证是十分必要的，目前的仿真方法多为先离线渲染包含目标与干扰信息的探测器对应视场下的二维图像，再将序列图像传送至目标模拟器，通过半实物仿真试验系统对产品的目标识别算法进行验证。一旦仿真状态发生变化，就需要重新离线渲染，过程繁琐。本文通过粒子系统结合SE-Work-Bench软件平台实现了实时、动态、三维场景下的红外面源干扰建模，并依托于实测数据提取出的关键统计信息，实现了三维场景下红外面源干扰实时动态投放的渲染仿真，促进了半实物仿真试验系统的相关仿真验证能力的提升，更好地服务于无人飞行器系统科研生产任务的顺利完成［4］。

1 机载红外面源干扰机理分析

1.1 常见装置介绍

机载红外面源干扰装置主要包括投掷式、拖曳式、吊舱式、伴飞式等［5］，如图1所示。投掷式红外面源干扰装置使用投放器进行投放，代表性的产品有美国合金表面公司生产的 MJU-50/B、MJU-51B红外面源干扰装置，可覆盖载机发动机红外频谱区，且作用期间不会产生可见光。拖曳式面源红外干扰装置采用专用平台，使用的材料能产生与目标红外辐射强度及光谱分布相同/相似的红外辐射，从而逼真地保护目标载机。另外，此种材料作用时，可见光波段不可见。除了辐射特性外，拖曳式面源干扰装置产生的红外面源干扰轨迹与目标相同，而且能将不同角度、运动速度下收集的红外目标信号强度信息预先存贮在计算机程序中，通过电子结构控制材料燃烧速度模拟目标的红外特性变化，从而产生长时间、逼真度模拟目标的红外特性，作用时间可长达1 min。代表性的产品有美国雷声公司和合金表面公司联合研制的ALE-50拖曳红外干扰系统。吊舱式面源红外干扰装置可挂载大量的燃烧材料，可作为先发制人式干扰使用，在进入危险区域/被攻击区域之前即可提前释放，代表性的产品有美国雷声公司开发“彗星”型号吊舱，可应用于大型飞行器的保护，作用时间可长达5 min，并经过多次多类型飞行试验验证。伴飞式红外面源干扰是未来先进干扰技术发展的重点方向之一，它采用伴飞与面源干扰复合的技术体制。

图1 常见机载红外面源干扰装置（按应用形式分类）

目前常见的红外面源干扰使用的材料主要有自燃液体材料和自燃箔片，如图2所示，自燃液体红外诱饵（liquid pyrophoric）采用羟基铝作为诱饵材料，羟基铝从容器喷嘴喷出后，在空气中被迅速点燃，形成强烈的红外辐射信号，其形成的火焰可达几米，与喷气式飞机羽烟的实际尺寸十分接近，可有效保护目标。自燃箔片是由美国合金表面公司（ASC）研发的一种表面多孔合金材料（SMD），其与空气接触时，会发生剧烈的氧化反应，产生800°C以上高温，产生的红外辐射特性能逼真地模拟载机的羽烟温度和辐射光谱，是目前发展最成熟的面源干扰材料，已发展并应用于多套系统，其中MJU-49/B主要被美国海军用以保护直升机和喷气机，MJU-50/B可以保护低信号特征的战斗机、运输机和直升机，MJU-52/B（BOL-IR）由瑞典萨伯公司和合金表面公司联合研制，目前已经成功应用于多款战斗机。

图2 常见机载红外面源干扰装置（按材料分类）

1.2 运动学分析

面源干扰中，最常用的就是自燃箔片，自燃箔片［5］被密封在发射筒内，完全隔离空气，发射出筒瞬间，与空气充分接触后，便迅速氧化，发出高强度红外辐射能量，其投放示意图如图3所示。实际应用过程中，箔片的抛散运动是成百上千个金属薄片的剧烈氧化反应形成的云团状的复杂运动。

图3 面源红外干扰自燃箔片投放示意图

下面以一个自燃箔片（金属薄片）分析其干扰运动特性［6］，建立坐标系如图4所示。设地面坐标系为OgXgYgZg，其中OgXg与地球表面相切，指向射向为正；OgZg与地球表面垂直，向上为正，重力沿OgZg的负向；OgZg垂直于平面OgXgYg，构成右手坐标系。

图4 坐标系示意图

假定投放瞬间，载机坐标系OXYZ与地面坐标系OgXgYgZg方向一致，通过坐标系平移可以相互转换，此时面源干扰装置坐标与载机坐标一致，设M点为某瞬时时刻面源干扰装置投放出筒点，N点为M点在平面OXY上的投影，向量ON与X正方向的夹角为ϕ，向量OM与向量ON的夹角为θ，则燃烧金属片在空中运动方程为：

式中，vx、vy、vz为金属薄片在当前时刻速度方向在x、y、z方向上的速度分量，ax、ay、az分别为当前时刻金属薄片加速度在x、y、z方向上的加速度分量，t为当前时刻。

则有：

式中，F为金属薄片脱离发射筒与空气接触时瞬间所受到的空气阻力，m为金属薄片燃烧单元质量，则有：

式中，ρ为大气密度，v为金属薄片瞬时速度，S为金属薄片燃烧时有效阻力面积，Cd为金属薄片阻力系数。其中，大气密度ρ随着高度H变化而变化，可由下式求得：

面源红外干扰装置发射后，金属薄片在空中除受地球重力、空气阻力、即时风力、风向、温度湿度等外界因素影响外，其自身质量也会随着燃烧减少，则其阻力面积也随之减少。这些内外因素都会影响其运动轨迹。此外，上千金属薄片在陆续出筒过程中会发生多体频繁碰撞，多金属薄片之间会形成相互干扰，会扰动、加热空气，使气动效应发生变化，单纯的质点运动模型难以直接描述清楚面源干扰金属薄片的运动特性；而且，金属薄片出筒发生剧烈氧化作用后，金属薄片还会发生自由翻转运动，相互之间还存在多体绕流影响。经过多重因素作用后，红外面源干扰装置在空中形成近似椭圆形/絮状干扰区域，辐射能量强于或近似于目标，从而起到迷惑敌方系统、保护己方目标的作用。

2 实测数据分析

对某设备采集的面源干扰信息进行处理，剔除非正常数据，将信息存储为图像格式，并对得到的序列图像进行处理，如图5所示，提取目标与干扰区域的关键统计学信息，包括目标与干扰区域的能量信息、尺寸信息、轨迹信息等。

图5 红外面源干扰的关键统计学信息提取

经过数据分析，红外面源干扰区域的几何中心移动轨迹与能量中心移动轨迹基本一致，选取能量中心轨迹作为统计结果，如图6所示。

图6 红外面源干扰统计信息

3 粒子系统

粒子系统是一种广泛应用于模拟发动机尾焰、爆炸、干扰、船行波、尾迹、雨雪的手段，由很多不同强度、变化规律、寿命、轨迹的粒子模拟构成对上述复杂效应的仿真，粒子系统提供 了很多参数，用以实现各种复杂效果。通过对红外面源干扰金属箔片的质点运动方程的计算，结合从实测数据提取的干扰的尺寸、能量、轨迹（曲线）变化信息，建立粒子系统参数输入模型，并在SE-Work-Bench软件中渲染仿真，将渲染仿真的结果与实测数据进行对比，针对实测信息提取未能覆盖的部分，引入先验知识与经验知识进行辅助，对渲染仿真结果进行判定，不符合要求的返回粒子系统参数输入模型，重新设计参数，直至满足需求，如图7所示。

4 SE-Work-bench渲染仿真

首先，在SE-Work-bench软件中，建立旋翼直升机模型，完成几何模型建模、贴图绘制、纹理映射、材质分类、红外预计算。之后建立粒子系统模型，输入一组典型粒子系统模型参数，如表1所示。

表1 基于实测数据的红外面源干扰参数

在SE-Work-bench软件中进行实时渲染，得到不同时刻下的三维场景下的实时红外面源干扰投放图像，如图8所示。

图8 实时投放红外面源干扰仿真图像

5 结束语

真实情况下，红外面源干扰装置在空中发生剧烈氧化反应时，影响其红外辐射效果的因素有很多，很难将所有因素都考虑周全，在处理实测信息过程时，本文将探测器和大气传输效应做理想化处理，在后续的研究过程中，需要收集更多的外场采集信息，并将探测器效应和大气衰减效应充分考虑进去，建立更加科学合理的粒子参数模型，从而得到更加真实的红外面源干扰建模仿真效果。