红外面源干扰扩散可视化仿真研究*

王昱人

（中国空空导弹研究院 洛阳 471009）

目前空战所使用的红外成像制导导弹具有出色的目标识别能力和较好的抗干扰能力，为了对抗这种成像式制导导弹，红外箔片式面源干扰以大面积的空间扩散特性实现对导弹的探测干扰。本文研究以此型干扰作为研究目标，分析其扩散特性，完成面源干扰扩散过程的可视化。

国内已有科研人员针对红外面源干扰的扩散特性进行分析与研究。赵非玉［1］对干扰扩散的运动轨迹进行理论推导。根据推导出的扩散运动特性进行面源干扰的三维运动模型建立，并运用OpenGL的随机粒子系统技术进行图像渲染。邹涛［2］等则对面源干扰的运动模型进行优化。针对箔片的气动力机理进行深入研究，利用流体力学（CFD）仿真软件，计算出单个箔片与平行箔片在空中扩散时的阻力与升力系数，考虑气动力对模型的影响，使仿真模型的可信度进行一步提高。付俊博［3］等对箔片的转动进行建模，并运用高速摄像记录的过程验证建立的模型，得到箔片转动扩散的规律。

面源干扰本身的扩散运动具有极大的不确定性，环境的风速与风向、自身的初始速度大小与方向、自身燃烧产生的动力干扰等诸如此类的各种因素都对其空间扩散运动产生较大的影响。国内外的文献表明，目前箔片的运动扩散模型较多，但对具有一定普适性的模型的扩散过程可视化研究较少。

综上所述，本文针对特定的投放环境，建立一套红外箔片式面源干扰的扩散运动模型，并使用OpenGL技术对仿真出的轨迹数据进行动态可视化研究。

箔片式面源干扰是由若干个小箔片组成的，并在发射后迅速点燃其表面的化学药品，并进行大面积空间扩散形成大面积的红外辐射干扰云。干扰扩散形成的干扰云可以对真实目标进行遮盖，使导弹的红外探测器无法正常探测真实目标，目标利用有限的遮盖时间逃脱出导弹视场，完成导弹的诱偏攻击［4］。因此，每一个箔片的运动特性对整组干扰的扩散形状有着决定性影响。

为了增大挂弹量，面源干扰箔片通常被设计的又小又薄，因其独特的扁平化设计导致箔片的扩散运动受到大气环境的影响较大，并且具有一定的随机性。为了方便对扩散运动进行建模，需要对以下条件进行假设：

1）将箔片视为刚体且质量分布均匀。由于箔片的尺寸较小（直径4cm～8cm 不等），其扩散时受到的气动力只会导致箔片的旋转，几乎无法对其造成物理形变，故研究时将单个箔片视为刚体；

2）由于每个箔片的初始速度大小和角度会受到环境和自身燃烧状态的影响，所以每个箔片的初始状态存在随机性。本研究将根据实际情况选取随机数，对每个箔片的初始状态进行赋值，模拟箔片真实的投放状态，完成箔片的轨迹仿真；

3）不考虑面源诱饵扩散之后的相互碰撞影响。因为面源干扰在投放后会迅速进行扩散，且不是定点投放，具有一定的速度，所以各箔片发生碰撞的情况不易发生，故不考虑箔片相互碰撞的情况。

根据以上假设，对面源干扰的运动模型进行构建，为简化模型的搭建，选用航迹坐标系进行研究。图1为箔片坐标系与航迹坐标系的关系。

图1 箔片坐标系与航迹坐标系

在干扰扩散的过程中，箔片只受到气动力与重力的作用。根据箔片扩散的受力情况，在航迹坐标系下建立诱饵箔片的动力学方程：

其中θ为速度俯仰角，γ为速度滚转角，ψ为速度偏转角，D和L分别代表气动力的阻力与升力，其数值由以下公式得到：

公式中的C D、CL分别为箔片的气动阻力系数和气动升力系数。邹涛等人针对该形状的箔片进行流体力学仿真，得到在不同迎角（α）下准确的气动系数，具体数值如表1 所示。根据不同的迎角条件，获得相应的气动系数，计算不同时刻的气动阻力与升力。

表1 气动力系数对应表

箔片质心的运动学方程式如下所示：

设置箔片投放的初始状态，根据得到的积分方程对干扰运动进行建模，得到箔片的空间位置随时间的变化规律。

通过以上研究，完成箔片的运动模型，运用Matlab 仿真软件对箔片的运动轨迹进行仿真。面源干扰扩散运动仿真的输入参数主要分为两个方面：投放参数和箔片参数。

投放参数有投放高度和投放速度。由于气动力对面源扩散的影响较大，而不同海拔下的大气密度不相同，大气密度对气动力的大小也具有一定的影响，所以投放高度是一个重要的参数。箔片式面源是由若干个箔片组成。在干扰投放过程中，根据内弹道特性分析表明，每个箔片的投放速度具有细微的差别，这个现象也会影响干扰的整体扩散特性。

箔片参数分为箔片物理参数和箔片初始状态参数。本文仿真对象的物理参数为单个箔片有效面积3.14cm2，单个箔片重量0.65g，一枚干扰弹由1000 片箔片组成。箔片的初始状态参数主要设置四个初始角度，并且由于投放后燃烧力与气动力对箔片表面的非均匀影响，导致四个角度参数具有随机性。为使仿真结果符合实际情况，对角度参数采取随机赋值方式，速度滚转角γ服从N（π/20，π/1000）的正态分布，速度俯仰角θ服从N（0，π）的正态分布，速度偏转角ψ服从N（0，π/200）的正态分布，迎角α服从N（0，π）的正态分布。

根据以上积分方程和初始条件，以0.01为仿真步长，对1000 个箔片的轨迹进行仿真，得到每个时刻的面源干扰扩散运动的三维空间分布散点图。

仿真程序将面源的完成扩散时间设置为0.3s，表明1000 片箔片在0.3s 的时间内全部投放完成。由图2、图3 可知，面源干扰在0～0.3s时间段内完成投放，且本时间段内的扩散形状为前部密集后部稀疏的锥形云图。由图4 可知，0.3s 后完成面源干扰投放，并在0.5s 时形成稳定的扩散云团，沿Y 轴垂直下降。由仿真结果图可知，因为每个箔片的初速度与角度具有差异，所以每个箔片的轨迹也都不同。证明箔片的初始状态对稳定云团的形状和总体尺寸有很大影响。

图2 0.3s扩散图

图3 0.3s正向和侧向图

图4 0.5s正向和侧向图

通过对箔片运动模型建立，完成箔片扩散仿真，得到不同时刻不同箔片在空间上扩散的位置信息。本文基于开源的OpenGL 图形库，对箔片的轨迹数据进行渲染，形成一段可视化的动态面源扩散视频序列。

红外图像是利用光电探测器接收来自目标和景物的红外辐射，经过光电转换，将不可见的辐射转变成可见的图像，图像各像素点的灰度变化对应着辐射能量的强弱变化。因为红外图像各像素点表示的是灰度信息，所以要将箔片扩散时各时刻的辐射强度值投影到对应的图像灰度值。

根据资料表明，箔片式面源干扰从起燃到辐射强度衰减到忽略不计的时刻，总共持续时间3.5s。根据实测数据，对波段在3μm～5μm 的辐射强度进行归一化处理，结果如图5 所示，箔片在投放后辐射强度迅速上升，在0.6s 时达到最大，然后幅值缓慢下降，在3.5s时辐射强度基本消失。

图5 辐射强度归一化图

基于OpenGL 图形库对软件进行设计。首先，读取每个箔片不同时刻的三维空间位置数据和箔片随时间变化的灰度数据。调用OpenGL 的API对箔片进行物理建模，设置单个箔片的物理尺寸，并完成观察摄像机的视场大小和位置坐标设置。通过算法将同一时刻的1000 个箔片渲染在一幅图像，并按照时间顺序对全部数据进行渲染形成视频序列，完成面源干扰的可视化显示。

图片渲染结果如图6、图7所示，为了多角度观察面源干扰的扩散特性，分别对面源0.3s时刻的扩散、侧向和尾向视图进行渲染。将仿真图2 与渲染图6 进行对比。结果表明，每个箔片的空间位置均对应无误。与仿真图像不同，渲染图像将三个空间坐标轴的单位进行统一，所以渲染图像显示的是面源干扰真实的扩散情况。渲染图像上明暗亮度不同的箔片表明，本文通过设置函数glColor4f（）中的Alpha（透明度）参数可以实现不同辐射强度值在图像上的明暗变化显示。

图6 0.3s OpenGL扩散图

图7 0.3s OpenGL侧向和尾向图

图8与图9分别对应面源干扰在0.5s与1s时刻的扩散图。分别对比两个时刻的侧向图发现，1s时的干扰扩散云团要比0.5s时的总体尺寸大，而且更加稀疏。由于两个时刻的观察者位置和视角没有变化且面源由于重力开始沉降，所以面源在Y 轴的位置会随时间的增长逐渐下移。从尾向图的对比可以更容易看出两幅图像的辐射强度变化，并且可以清晰地显示出面源的扩散趋势从0.5s 后基本固定，不再变化。

图8 0.5s OpenGL侧向和尾向图

图9 1.0s OpenGL侧向和尾向图

本文通过建立红外箔片式面源干扰的运动模型，对面源干扰的整体扩散过程进行仿真。利用OpenGL 技术，将红外辐射理论与面源干扰的轨迹数据相结合，渲染出干扰扩散的动态可视化辐射图像，达到预期的研究目的。同时得出以下结论：

1）红外箔片式面源干扰的扩散特性主要受到干扰投放时的初速度大小以及角度影响。速度和角度越大，干扰扩散的覆盖面越大，分布越稀疏；

2）利用OpenGL技术可以将红外辐射特性变化较好地映射到渲染图像上。同时，可以直观地表现出面源干扰扩散的情况，完成红外面源干扰扩散的动态可视化；

3）本文以缩短抗干扰算法验证周期为目的，完成对面源干扰图像序列仿真的研究，初步实现面源扩散的可视化。对目标干扰模拟化场景再现技术研究提供进一步的理论依据。