鐘國靂，廖守億，楊薪潔

（火箭軍工程大學(xué) 精確制導(dǎo)仿真技術(shù)實驗室，陜西 西安 710025）

0 引言

在精確制導(dǎo)領(lǐng)域，紅外成像技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前最有效的制導(dǎo)手段之一[1]。在紅外制導(dǎo)武器的測試與評估過程中，若采用實物、靶場實驗，雖然環(huán)境真實、測試全面，但所需人力物力財力消耗巨大、試驗周期長，同時實驗環(huán)境相對單一，難以構(gòu)建滿足要求的各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境。因此采用半實物仿真實驗來代替實物實驗，雖然無法完全再現(xiàn)真實狀態(tài)，但其可在實驗室環(huán)境下任意模擬多種實驗環(huán)境，具有成本低、試驗風(fēng)險小、測試周期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)是半實物仿真系統(tǒng)的重要組成部分之一，其包含兩部分核心技術(shù)：一是紅外圖像實時生成技術(shù)；二是紅外圖像實時投射技術(shù)。其中，紅外圖像實時生成技術(shù)是紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)乃至整個半實物仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為半實物仿真試驗提供圖像數(shù)據(jù)源。

早在20 世紀(jì)80年代，國外軍事強(qiáng)國就已開展了對紅外圖像仿真相關(guān)技術(shù)的研究，開發(fā)出一系列內(nèi)嵌紅外場景合成模塊的專業(yè)視景仿真軟件，如JRM、Vega[4]、Vega Prime[5]、SE-Workbench[6]等。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前主要形成了3類紅外圖像生成技術(shù)[7-9]：第一類是通過建立基本的溫度預(yù)測模型來預(yù)測目標(biāo)溫度分布，并通過求解紅外輻射方程來生成紅外輻射圖形，該方法生成圖像分辨率、準(zhǔn)確性較高，但是計算過程耗時，實時性不高；第2 類是基于實測數(shù)據(jù)再結(jié)合理論的方法，這種方法克服了第一種方法計算量大的缺點(diǎn)，簡化了理論模型，但其靈活性較差；第3 類是在國外仿真平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)以完成相應(yīng)需求的紅外仿真，這種方式具有可信度高、技術(shù)成熟、靈活性強(qiáng)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但各大仿真平臺的使用版權(quán)很昂貴，且部分關(guān)鍵模塊對國內(nèi)禁用。

近些年來，在紅外圖像實時投射技術(shù)方面，國產(chǎn)電阻陣列的制作工藝不斷突破，其分辨率、像素有效率、幀頻、均勻性等指標(biāo)不斷提高，這也對紅外圖像實時生成技術(shù)提出了更高的要求。因此，為了充分利用新一代512×512 元MOS 電阻陣列的優(yōu)越性能，針對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境與導(dǎo)引頭視場范圍要求，介紹了一種基于JRM的戰(zhàn)場環(huán)境紅外圖像實時生成技術(shù)，并依據(jù)相關(guān)實驗，按需求實現(xiàn)了高質(zhì)量且逼真的紅外導(dǎo)引頭視場圖像生成。

1 仿真需求分析

1.1 紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)

紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收彈目運(yùn)動參數(shù)，實時生成導(dǎo)引頭瞬時視場內(nèi)的戰(zhàn)場環(huán)境紅外圖像，并通過驅(qū)動控制系統(tǒng)驅(qū)動電阻陣列將圖像投射至導(dǎo)引頭的入瞳處。如圖1所示，戰(zhàn)場環(huán)境紅外圖像實時生成系統(tǒng)（虛線框內(nèi)部分）與電阻陣列及其驅(qū)動控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)實時傳輸網(wǎng)絡(luò)相連接，構(gòu)成了紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)的主體部分，系統(tǒng)的輸入為彈目運(yùn)動參數(shù)、目標(biāo)與背景的三維模型及其紅外輻射特性，輸出為導(dǎo)引頭視場內(nèi)真實的二維紅外熱圖像。為確保系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，對圖像生成系統(tǒng)的指標(biāo)要求應(yīng)同于對電阻陣列驅(qū)動控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求，即充分發(fā)揮新一代電阻陣列的性能優(yōu)勢：圖像刷新率可達(dá)200 Hz 以上；分辨率為512×512；單個像元灰度等級不小于16 bit。

圖1 紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)功能設(shè)計框圖Fig.1 Functional design block diagram of infrared imaging target simulation system

1.2 戰(zhàn)場環(huán)境紅外輻射特性分析

戰(zhàn)場環(huán)境紅外輻射特性一方面受目標(biāo)與地物背景的幾何特性、物理材質(zhì)特性所影響，另一方面還與大氣狀況、天氣、時間、戰(zhàn)場火焰、揚(yáng)塵等外部環(huán)境條件密切關(guān)聯(lián)。為可靠地進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境紅外圖像仿真，需要從紅外成像機(jī)理出發(fā)，綜合考慮各種內(nèi)外部條件以及復(fù)雜的傳熱換熱過程，對場景熱系統(tǒng)進(jìn)行完整建模。

場景內(nèi)熱量傳遞示意圖如圖2所示。到達(dá)探測器成像面上各點(diǎn)的總輻射為目標(biāo)熱輻射、地物背景熱輻射、日月直接輻射、日月在目標(biāo)表面的反射、日月在地物背景的反射、大氣傳輸路徑上的輻射與散射、大氣衰減等與探測器光譜響應(yīng)共同作用的結(jié)果。因此，戰(zhàn)場環(huán)境紅外輻射特性建模主要可分為目標(biāo)的紅外輻射建模、地物背景的紅外輻射建模、環(huán)境特性建模以及傳感器建模4 部分。

圖2 場景內(nèi)熱量傳遞示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat transfer in the scene

2 基于JRM的戰(zhàn)場環(huán)境紅外圖像仿真原理與方法

2.1 JRM 傳感器建模與仿真工具

JRM 是一套基于物理模型并結(jié)合實驗室和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的傳感器建模和仿真工具，支持可見光、夜視、紅外、雷達(dá)、紫外等傳感器的建模與仿真，它以Excel 表的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，相較于其他數(shù)據(jù)組織模式具有更高的實時性[10]。在紅外波段，其利用以下公式計算目標(biāo)及場景的紅外輻射：

式中：Lobserver為到達(dá)觀測點(diǎn)的總輻射亮度；Lthermal為與場景物體同溫度的黑體輻射亮度；Lreflect為物體的表面反射周圍的輻射亮度；ε為物體材質(zhì)的發(fā)射率；τpath為大氣透過率；Lpath為大氣路徑程輻射。

公式囊括了物體表面自身發(fā)射的熱輻射能量（由物體表面溫度、發(fā)射率決定）；太陽等光源入射的熱輻射和環(huán)境背景散射熱輻射的反射輻射；大氣路徑發(fā)射的熱輻射，決定了本仿真設(shè)計在求解熱輻射方面具備很高的可信度。

JRM 主要包含 5 個模塊：JRM 材質(zhì)庫、GenesisMC（Genesis material classifier）材質(zhì)分類工具、SigSim（Signature simulation）場景特性計算工具、SenSim（Sensor simulation）傳感器建模工具、OSV（Open scene graph viewer）三維渲染引擎。利用JRM 生成紅外圖像的總體方案如圖3所示。

圖3 基于JRM 的紅外圖像生成總體方案Fig.3 Overall scheme of infrared image generation based on JRM

首先，構(gòu)建目標(biāo)與背景的三維模型。然后，利用GenesisMC工具和材質(zhì)庫對目標(biāo)與背景的物理材質(zhì)特性與熱源進(jìn)行建模；利用SigSim 工具對目標(biāo)與背景的紅外熱特性、大氣傳輸效應(yīng)、環(huán)境特性進(jìn)行建模；利用SenSim 工具對傳感器特性進(jìn)行建模。最后，使用OSV 工具實時渲染生成紅外圖像。

2.2 基于3DS MAX 的目標(biāo)/背景三維建模

仿真場景中的目標(biāo)/背景三維模型采用 3DS MAX 三維建模軟件進(jìn)行建模，根據(jù)真實目標(biāo)/背景的三維幾何尺寸建模生成.flt 格式的模型數(shù)據(jù)文件。所構(gòu)建的三維模型是由若干多邊形面片組成，面片的數(shù)量越多，目標(biāo)模型越逼真，相應(yīng)的實時圖像生成時對顯卡的要求就越高，有可能超出顯卡的處理能力，達(dá)不到規(guī)定的幀頻。因此，在建立幾何模型時，應(yīng)盡量在不影響模型逼真度的前提下減少面片數(shù)量。同時，物體表面每個面片的輻射亮度與其溫度、材質(zhì)種類及其表面粗糙度有關(guān)[11]，在建模時應(yīng)明確模型紋理與模型面片之間的對應(yīng)關(guān)系，為材質(zhì)分類工作提供參考。

考慮到導(dǎo)引頭的視場范圍，要求仿真背景區(qū)域較大，一般在公里量級，可結(jié)合實際地形的高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大場景地形仿真。利用Global Mapper 獲取目標(biāo)地區(qū)30 m 分辨率的地形高程數(shù)據(jù)，在不同分辨率的衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)精度下可通過插值得到更高精度的高程數(shù)據(jù)，再配以高清衛(wèi)星貼圖，形成比較真實的地形，最后按照影像圖在合適的位置賦予道路貼圖，放入建筑物、樹木等模型。

2.3 基于GenesisMC 的物理材質(zhì)特性與熱源建模

物理材質(zhì)特性建模是指從圖像中確定模型表面的材質(zhì)組成，在每一個像素點(diǎn)上賦予一種或多種材料，以形成一個材質(zhì)紅外屬性映射文件，反映物體表面各個像素點(diǎn)所代表材質(zhì)的紅外發(fā)射率、反射率、吸收率等特性，從而建立起目標(biāo)表面紅外材質(zhì)特性與目標(biāo)幾何形狀的對應(yīng)關(guān)系。

首先，將紋理圖導(dǎo)入GenesisMC，通過手動或自動對各類材質(zhì)設(shè)定掩膜區(qū)域。然后，從材質(zhì)庫選擇材質(zhì)文件，為紋理圖每一類掩膜賦予相應(yīng)的材質(zhì)物理屬性。最后，生成.ms 文件與Emat 文件，其中.ms文件是對模型紋理貼圖所賦予的所有材質(zhì)文件的集合；Emat 文件為材質(zhì)類型標(biāo)記圖，是一個3 通道文件，反映像素與材質(zhì)之間的對應(yīng)關(guān)系。

GenesisMC 工具能夠以半自動方式對場景中物體表面的材質(zhì)進(jìn)行劃分，工具支持Tiff、RGB 和JPG等格式圖像，JRM 材質(zhì)庫帶有超過300 種材質(zhì)，包括典型的建筑材料、多種巖石、多種金屬、植被和水等。

對于飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈等動目標(biāo)來說，自身還具備如發(fā)動機(jī)、尾噴管等熱源，因此需手動設(shè)置相應(yīng)的動態(tài)熱區(qū)域，并根據(jù)經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)設(shè)定該區(qū)域的溫度和邊界（即注明動態(tài)熱區(qū)域擴(kuò)散的范圍）。

2.4 基于SigSim 的場景紅外特性建模

利用SigSim 工具對目標(biāo)及背景的紅外特性進(jìn)行實時計算和更新，是仿真中較為核心的一部分。為了得到更逼真的紅外輻射特性計算結(jié)果，除了目標(biāo)與背景的物理材質(zhì)特性、熱源參數(shù)之外，還需考慮視點(diǎn)的方位、場景所處的時間、天氣條件、太陽或月亮的位置等因素。SigSim 工具可實現(xiàn)天空、天氣、云層、太陽、月亮、星空等環(huán)境背景的模擬，并且可以設(shè)置仿真日期與時間以模擬太陽等星體對地、對目標(biāo)的照射角度和強(qiáng)度，從而模擬其對目標(biāo)場景紅外輻射能量的影響。

對于火焰、煙霧、揚(yáng)塵、尾焰等戰(zhàn)場特效，SigSim工具提供了基于粒子系統(tǒng)和材質(zhì)文件構(gòu)建的特效建模庫，可方便地仿真出各種隨機(jī)性強(qiáng)且外形不規(guī)則的干擾特效。針對不同特效類型，需要建立或配置不同的粒子系統(tǒng)形狀文件。以煙霧為例，需設(shè)置的物理參數(shù)包括特效類型、粒子種類、煙霧濃度、溫度和風(fēng)速等，使用這些數(shù)據(jù)在渲染層構(gòu)建粒子特效，并且這些特效的流場特性參數(shù)是可調(diào)整的。

此外，大氣會對目標(biāo)與背景的輻射傳輸有兩方面影響：一是大氣自身輻射會附著在目標(biāo)與地物背景的本征輻射中使探測器接收的能量有所增加；二是大氣透過率對目標(biāo)與地物背景的本征輻射有一定的衰減作用。SigSim 工具集成了Modtran4.0 模型，能夠根據(jù)所設(shè)置的大氣模型、氣溶膠模型、風(fēng)速、雨量、溫濕度等參數(shù)準(zhǔn)確計算100 km 范圍內(nèi)的大氣傳輸特性，包括大氣透過率、大氣路徑輻射、大氣散射系數(shù)等。

2.5 基于SenSim 的傳感器建模

除了模擬紅外輻射達(dá)到視點(diǎn)的紅外視覺效果外，對紅外傳感器的模擬更是能進(jìn)一步提高所仿真圖像的逼真度。紅外熱成像過程為：紅外輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，將其聚焦到探測器表面，探測器通過光電轉(zhuǎn)換輸出電信號再轉(zhuǎn)換為灰度值顯示輸出。因此傳感器最終輸出的圖像為場景真實紅外圖像疊加傳感器光學(xué)系統(tǒng)、探測器、電子線路以及傳感器噪聲、模糊和濾波等效應(yīng)的結(jié)果。SenSim 工具是一個先進(jìn)的光電傳感器建模和傳感器效應(yīng)實時仿真工具，支持傳感器光學(xué)、探測器、電子學(xué)參數(shù)配置，具體如圖4所示，以及對紅外傳感器的噪聲、運(yùn)動模糊、平臺抖動等效應(yīng)的模擬，實現(xiàn)傳感器的精確建模。

圖4 傳感器參數(shù)Fig.4 Sensor parameters

2.6 基于OSV 的場景合成與渲染

動態(tài)紅外場景模型建立的前提條件是能夠考慮目標(biāo)、環(huán)境、傳感器之間的成像關(guān)聯(lián)作用效應(yīng)。OSV是一種基于OSG 的渲染器，具有SigSim 和SenSim接口，利用OSV 渲染引擎，將目標(biāo)/場景特性計算結(jié)果、環(huán)境大氣傳輸特性計算結(jié)果和傳感器效果仿真影響關(guān)聯(lián)，生成光學(xué)紅外圖像序列。工作流程為：導(dǎo)入目標(biāo)/場景（包括干擾特效）模型，加載傳感器、場景環(huán)境信息、大氣和天氣條件，調(diào)用SigSim 和SenSim 計算引擎，通過OSV 在GPU 中進(jìn)行場景的合成、更新和渲染。利用GPU 硬件加速功能，提供高幀頻、高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)輸出。整個仿真過程中的信息流轉(zhuǎn)如圖5所示，傳感器與目標(biāo)的運(yùn)動由彈目信息所驅(qū)動。

圖5 信息流轉(zhuǎn)圖Fig.5 Information flow diagram

3 紅外圖像生成及結(jié)果分析

根據(jù)上述技術(shù)路線，在Dell T7920 圖形工作站上進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境紅外仿真實驗，工作站的性能參數(shù)為：操作系統(tǒng)Windows7 64 位；CPU 兩顆Intel Xeon Gold5218 32 核2.3 GHz；顯卡NVIDIA Quadro RTX 6000；內(nèi)存128 G。

某型坦克目標(biāo)與某機(jī)場背景建模實例如圖6所示。利用GenesisMC 工具進(jìn)行物理材質(zhì)特性建模與目標(biāo)熱源建模，如圖7所示，(a)與(b)中(1)分別為目標(biāo)紋理圖與地形遙感圖，其余為所生成目標(biāo)與背景的Emat 材質(zhì)類型標(biāo)記圖。

圖7 物理材質(zhì)特性建模Fig.7 Modeling physical material properties

對紅外制導(dǎo)武器而言，“復(fù)雜環(huán)境”即云、雨、雪、霧、火焰、揚(yáng)塵、煙幕等會對其探測性能造成極大影響的自然因素或人為干擾。在前文已建立的目標(biāo)與背景基礎(chǔ)上對上述復(fù)雜環(huán)境在中波紅外波段進(jìn)行了仿真，基本環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示，并設(shè)置傳感器帶有輕微噪聲、增益和電平效果。輸出圖像分辨率為512×512，單個像元灰度等級為20 bit，如圖8所示，左圖為不添加傳感器效果，右圖為添加傳感器效果。

表1 基本環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 1 Basic environment parameter settings

圖8 各類干擾環(huán)境仿真Fig.8 Simulation of various types of interference environment

從(a)圖可以觀察到，水泥地表、沙土、建筑物具有不同的紅外特征，這是由于三者材質(zhì)的比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性不同而引起的差異；圖(g)中坦克尾部、車輪與履帶的輻射亮度均高于其余部位，這是由于在建模過程中，根據(jù)尾部引擎的發(fā)熱以及車輪和履帶受到的摩擦和應(yīng)力作用，對這兩處分別設(shè)置了熱源；再對比(b)、(c)兩圖，雨與雪都是由水分子構(gòu)成，但由于雨的溫度高于雪，因此雨的紅外特征更為明顯；由圖(d)、(e)還可看出，霧與云層對導(dǎo)引頭探測性能的干擾也是極強(qiáng)的，二者通過改變大氣傳輸特性，使大氣對輻射的吸收和散射作用增強(qiáng)，從而減少了沿原方向傳播的輻射能；最后由圖(f)、(g)可觀察到，火焰、煙幕、揚(yáng)塵能有效遮擋其背后區(qū)域，干擾紅外導(dǎo)引頭對目標(biāo)的識別，其干擾機(jī)理主要為：火焰及其煙霧自身高紅外輻射能掩蓋目標(biāo)輻射或降低目標(biāo)與背景的對比度、煙幕釋放會形成大量的氣溶膠微粒以改變紅外輻射的傳輸特性、揚(yáng)塵可對目標(biāo)起到遮蔽的作用。綜上所述，仿真實驗所呈現(xiàn)的結(jié)果反映出紅外輻射特性的各類關(guān)鍵影響因素，如材質(zhì)、內(nèi)熱源、大氣傳輸特性以及氣象條件等，與實際情況相符。

截圖時刻各場景的渲染幀頻（實際幀頻隨時間在此值附近波動）整理如表2所示，均能達(dá)到100 Hz以上，滿足實時性要求。此外，由表2 可知，對傳感器效果的模擬雖然能更逼真地仿真出紅外傳感器的實際成像效果，但降低了圖像渲染的速率；對不同的干擾環(huán)境進(jìn)行模擬，也會對實時性帶來不同的影響。

對于一般的仿真結(jié)果來說，逼真度是人們首要考慮的問題，但在半實物仿真系統(tǒng)中，紅外圖像的生成只有在保證實時性的前提下，才能盡可能保證其逼真性。因此，在實際應(yīng)用時可根據(jù)具體需求，在滿足實時性且不違背客觀規(guī)律的前提下，選取一種或幾種干擾進(jìn)行仿真場景的搭建，并根據(jù)圖像實際渲染的幀頻來對場景內(nèi)模型的數(shù)量或模型多邊形的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。如圖9所示為搭建的云雪天氣、火焰煙霧場景，此視角下的場景渲染幀頻為128 Hz。

圖9 場景搭建Fig.9 The construction of the scene

4 結(jié)語

本文綜合考慮以新一代電阻陣列作為投射器件的紅外成像目標(biāo)仿真系統(tǒng)，針對其圖像數(shù)據(jù)需求，基于JRM 對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的紅外圖像實時生成技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了詳細(xì)的方案路線，進(jìn)行了仿真實驗。實驗結(jié)果以及相關(guān)定性分析表明，該方案具有一定的可靠性，且滿足實時性要求，能夠在實驗室環(huán)境下提供具有不同地物背景、不同打擊目標(biāo)、不同干擾環(huán)境的紅外圖像，用以對紅外成像制導(dǎo)武器的性能進(jìn)行靈活且快速地測試評估。但是，文中未對所生成紅外圖像的效果進(jìn)行定量評價，其逼真性和有效性還需要通過實驗來進(jìn)一步驗證，這也是下一步主要開展的工作。