高超声速红外导引头成像仿真系统及方法

摘要

本发明公开了一种高超声速红外导引头成像仿真系统及方法。该发明基于折射率模型和光线追迹方法，通过6个仿真单元依次仿真，输出高超声速红外导引头全链路的成像仿真图。其中，大气层效应仿真单元，用于仿真大气层热辐射效应；激波场效应仿真单元，用于仿真激波场的热辐射效应；整流罩效应仿真单元，用于仿真整流罩热辐射效应；光学效应仿真单元，用于仿真光学系统的空间效应和能量衰减效应；探测器效应仿真单元，用于仿真探测器的信号响应和采样效应；电路信号处理效应仿真单元用于仿真低、高频滤波电路效应，高频提举电路效应和噪声效应。本发明可完成在实验室条件下简便、准确并且完整地模拟高超声速红外导引头全链路的成像效果。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及航空航天技术领域中的一种高超声速红 外导引头成像仿真系统及方法，可用于准确、简便并完整地模拟高超声速红外导引头 全链路成像效果。

背景技术

红外导引头技术是航空航天制导领域的核心技术之一，通常把大气层中飞行速度 达到5倍声速以上的飞行器称为高超声速飞行器，而高超声速红外导引头作为一种新 型的制导技术，由于具有抗干扰能力强、结构紧凑、机动灵活和可以有效地缩短反应 时间等优点，将会成为航空航天制导领域的重要技术手段，并将在该领域得到广泛的 应用。通常进行外场试验要消耗大量的人力物力，稳定性和可重复性差，受天气影响 较大，而利用计算机搭建仿真平台可以仿真在不同的环境条件和不同的参数设置下的 成像效果，可以在实验室条件下实现，方便快捷，节省人力和物力。如何建立准确、 简便并完整的高超声速红外导引头成像仿真系统是要解决的首要问题。要解决该问题 必须从高超声速红外导引头成像全链路出发，获取高超声速红外导引头的成像物理模 型。

目前现有的高超声速红外导引头成像物理模型，包括有激波层流场高温气体对红 外导引头光学探测系统主镜面辐射照度计算模型、气动热学效应模型、红外光学头罩 在气动热环境下的有限元模型等，这些物理模型主要都是针对红外导引头的光学窗口 或激波层流场，无法准确、完整地完成高超声速红外导引头的成像全链路仿真。

哈尔滨工业大学在其拥有的专利技术“一种用于超音速制导的折射式红外光学系 统”（申请日：2010.9.20，专利申请号：CN201020535905.6，授权公告号：CN201945744U） 中提出了一种不同视场下由于气体密度梯度的变化导致的图像畸变的分析方法。该方 法是分析在特定的装置下不同视场的入射光从整流罩的同一位置进入成像系统，从而 让不同视场的入射光经过的混合层气体密度梯度是相同的。但是，该方法仍存在的不 足是，只考虑了同一位置混合层气体密度对成像的影响，没有考虑到不同位置光的偏 折和衰减程度是不同的，其成像的影响效果不够真实、完整。

北京航空航天大学在其拥有的专利技术“一种针对红外成像系统的全数字仿真系 统及其仿真方法”（申请日：2011.5.5，专利申请号：CN201110115863.X，授权公告 号：CN102184288B）中提出了由仿真成员完成红外成像系统虚拟样机的快速搭建，该 仿真系统由仿真平台、仿真成员库、仿真信息表、多个仿真成员和仿真客户端构成， 仿真方法具体是构建并注册仿真成员，然后配置仿真过程，再由仿真平台根据仿真过 程对仿真成员进行仿真推进。但是，由于该发明的成像物理模型没有考虑到高速飞行 器红外成像系统的特点，使得该红外成像系统不够完整。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种高超声速红外导引头成像 仿真系统及方法，以对高超声速红外导引头成像进行更加真实和全面的全链路仿真， 提供与真实图像相符度更高的图像，提高航空航天制导中目标的探测和识别精度。

为了实现上述目的，本发明的仿真系统包括：

大气层效应仿真单元，用于采集大气参数，仿真大气层热辐射效应，并将仿真结 果加载到红外导引头探测的原始场景图中，输出大气层热辐射效应仿真图给激波场效 应仿真单元；

激波场效应仿真单元，用于采集激波场参数，仿真激波场的热辐射效应，并将仿 真结果加载到大气层热辐射效应仿真图中，输出激波场热辐射效应仿真图给整流罩效 应仿真单元；

整流罩效应仿真单元，用于采集整流罩参数，仿真整流罩热辐射效应，并将仿真 结果加载到激波场热辐射效应仿真图中，输出整流罩热辐射效应仿真图给光学效应仿 真单元；

光学效应仿真单元，用于采集光学系统参数，仿真光学系统的空间效应和能量衰 减效应，并将这两种仿真结果加载到整流罩热辐射效应仿真图中，输出光学系统效应 仿真图给探测器效应仿真单元；

探测器效应仿真单元，用于采集探测器参数，仿真探测器的信号响应和采样效应， 并将这两种仿真结果加载到光学系统效应仿真图中，输出探测器效应仿真图给电路信 号处理效应仿真单元；

电路信号处理效应仿真单元，用于采集电路信号处理系统参数，仿真低、高频滤 波电路效应，高频提举电路效应和噪声效应，并将这些仿真结果加载到探测器效应仿 真图中，输出最终的高超声速红外导引头成像仿真结果图。

为了实现上述目的，本发明的仿真方法包括如下步骤：

（1）划分大气层折射率：

将红外导引头与所探测目标之间的大气层划分为折射率分别为n₀，(n₀+Δn)，…，n_i的折射率层，其中n₀表示红外导引头探测的目标所处的大气折射率值，n_i表示红外导 引头前端激波场前方气体的折射率值，Δn表示折射率步长；

（2）计算红外导引头前端激波场的密度ρ：

通过查询美国标准大气，获取导引头所处位置的气体密度ρ₀，计算红外导引头 前端激波场的密度ρ：

$\rho =\frac{(\gamma +1)M^2{\sin }^2\alpha }{2+(\gamma -1)M^2{\sin }^2\alpha }{\rho }_0,$

式中，γ表示红外导引头前端激波场前方的气体常数，α表示红外导引头前端激 波场的激波角，M表示红外导引头前端激波场前方自来流的马赫数；

（3）计算红外导引头前端激波场的折射率n(ρ)：

$n\left(\rho \right)=\frac{1+K_{\mathrm{GD}}\rho }{1+K_{\mathrm{GD}}{\rho }_0}n\left({\rho }_0\right),$

式中，n(ρ₀)表示红外导引头前端激波场前方气体的折射率，K_GD表示 Gladstone-Dale常数；

（4）计算红外导引头整流罩的温度T：

使用测温仪测得导引头整流罩的初始温度T₀，计算红外导引头整流罩温度T：

$T=T_r-(T_r-T_0)\exp (-\frac{h}{\rho ·C·b}·t),$

式中，T_r表示整流罩的恢复温度，h表示整流罩的导热系数，ρ表示整流罩材料 的密度，C表示整流罩材料的热容量，b表示整流罩的厚度，t表示红外导引头的飞 行时间；

（5）计算红外导引头整流罩的折射率n(T)：

$n\left(T\right)=n\left(T_0\right)+\frac{\mathrm{dn}\left(T\right)}{\mathrm{dT}}·\mathrm{\Delta T},$

式中，n(T₀)表示整流罩在温度T₀下的折射率，表示整流罩材料的热光系数， ΔT表示温度变化量；

（6）光学追迹至整流罩：

6a）根据大气层折射率，使用TracePro软件对大气层进行光线追迹，并将追迹 的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到原始场景图中，得到大气层效应仿真图；

6b）根据红外导引头前端激波场折射率n(ρ)，使用TracePro软件对红外导引头 前端激波场进行光线追迹，并将追迹的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到大气层 效应仿真图中，得到激波场效应仿真图；

6c）根据整流罩折射率n(T)，使用TracePro软件对整流罩进行光线追迹，并将 追迹的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到激波场效应仿真图中，得到整流罩热辐 射效应仿真图；

（7）光学效应仿真：

7a）获取光学系统的衰减系数τ，能量响应函数E_opt和调制传递函数MTF；

7a）根据光学系统的能量响应函数E_opt和光学系统的衰减系数τ，仿真光学系统 的能量衰减效应；根据光学系统的调制传递函数MTF，仿真光学系统的空间效应；将 这两种仿真结果加载到整流罩热辐射效应仿真图中，得到光学效应仿真图；

（8）探测器效应仿真：

8a）获取探测器的采样频率υ和信号传递函数SiTF；

8b）根据探测器的信号传递函数SiTF，仿真探测器的信号响应；根据探测器采 样频率υ和光学效应仿真图的傅里叶变换频谱，仿真探测器的采样效应；将这两种仿 真结果加载到光学效应仿真图中，得到探测器效应仿真图；

（9）电路信号处理效应仿真：

9a）获取电路信号处理系统中低、高频滤波电路的传递函数MTF_low和MTF_high、电 路信号处理系统的噪声均值μ和方差σ和高频提举电路的传递函数MTF_ed；

9b）根据低、高频滤波电路的传递函数MTF_low和MTF_high，仿真低、高频滤波电路 效应；根据高频提举电路的传递函数MTF_ed，仿真电路信号处理系统的高频提举电路 效应；根据电路信号处理系统噪声均值μ和方差σ，仿真电路信号处理系统的噪声效 应；将这些仿真结果加载到探测器效应仿真图中，得到最终的高超声速红外导引头成 像仿真结果图。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于在仿真系统中增加了大气层效应仿真单元、激波场效应仿真单 元和整流罩效应仿真单元，避免了现有技术不完整的缺点，使得本发明能更全面和更 完整的完成高超声速红外导引头的全链路仿真，从而可以提供与真实拍摄图像相符度 更高的图像，提高航空航天制导技术中目标的探测和识别精度。

第二，本发明的仿真方法由于是基于折射率模型进行，并采用分单元仿真思想和 光线追迹方法实现超高声速红外导引头成像仿真，从而避免了现有技术中的复杂计算 过程，使得本发明具有简便、易操作的优点。

附图说明

图1为本发明中高超声速红外导引头成像全链路结构的示意图；

图2为本发明仿真系统的方框图；

图3本发明仿真方法的流程图；

图4为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明被仿真的高超声速红外导引头成像全链路，其结构包括六部分： 大气层、激波场、整流罩、光学系统、探测器和电路信号处理系统，其中电路信号处 理系统又包含低、高频滤波电路和提举电路。

参照图2，本发明对图1所述高超声速红外导引头成像全链路进行仿真的系统包 括：大气层效应仿真单元，激波场效应仿真单元，整流罩效应仿真单元，光学效应仿 真单元，探测器效应仿真单元和电路信号处理效应仿真单元。

所述的大气层效应仿真单元，用于采集高超声速红外导引头与要探测场景之间的 大气参数，仿真大气层热辐射效应，并将该仿真结果加载到红外导引头要探测的原始 场景图中，得到大气层热辐射效应仿真图，输出给激波场效应仿真单元；

所述的激波场效应仿真单元，用于采集红外导引头前端的激波场参数，仿真激波 场的热辐射效应，并将该仿真结果加载到大气层热辐射效应仿真图中，得到激波场热 辐射效应仿真图，输出给整流罩效应仿真单元；

所述的整流罩效应仿真单元，用于采集红外导引头的整流罩参数，仿真整流罩的 热辐射效应，并将该仿真结果加载到激波场热辐射效应仿真图中，得到整流罩热辐射 效应仿真图，输出给光学效应仿真单元；

所述的光学效应仿真单元，包括空间效应仿真模块和能量衰减效应仿真模块，其 中：

空间效应仿真模块，用于使用传递函数测量仪测得高超声速红外导引头中光学系 统的调制传递函数MTF，利用该调制传递函数MTF对光学系统的空间效应进行仿真， 并将该仿真结果加载到整流罩效应仿真单元的仿真结果中；

能量衰减效应仿真模块，用于获取高超声速红外导引头中光学系统的衰减系数τ 和能量响应函数E_opt，利用该衰减系数τ和能量响应函数E_opt对该光学系统的能量衰 减效应进行仿真，并将该仿真结果加载到整流罩效应仿真单元的仿真结果中，得到光 学系统效应仿真图，输出给探测器效应仿真单元；

所述的探测器效应仿真单元，包括探测器信号响应模块和采样效应模块，其中：

探测器信号响应模块，用于使用信号传递函数测量仪测得高超声速红外导引头中 探测器的信号传递函数SiTF，利用该信号传递函数SiTF对探测器的信号响应效应进 行仿真，并将该仿真结果加载到光学效应仿真单元的仿真结果中；

采样效应模块，用于获取高超声速红外导引头中探测器的采样频率υ，利用该采 样频率υ和光学效应仿真图的傅里叶变换频谱对探测器的采样效应进行仿真，并将该 仿真结果加载到光学效应仿真单元的仿真结果中，得到探测器效应仿真图，输出给电 路信号处理效应仿真单元；

所述的电路信号处理效应仿真单元，包括低、高频滤波电路效应模块，高频提举 电路效应模块和噪声效应模块，其中：

低、高频滤波电路效应模块，使用传递函数测量仪测得高超声速红外导引头中低、 高频滤波电路的传递函数MTF_low和MTF_high，利用该传递函数MTF_low和MTF_high对电路信号 处理系统的低/高频滤波效应进行仿真，并将该仿真结果加载到探测器效应仿真单元 的仿真结果中；

高频提举电路效应模块，用于使用传递函数测量仪测得高超声速红外导引头中高 频提举电路的传递函数MTF_ed，利用该高频提举电路的传递函数MTF_ed对电路信号处理 系统的高频提举电路效应进行仿真，并将该仿真结果加载到探测器效应仿真单元的仿 真结果中；

噪声效应模块，用于获取高超声速红外导引头中电路信号处理系统的噪声均值μ 和方差σ，利用该噪声均值μ和方差σ对电路信号处理系统的噪声效应进行仿真，并 将该仿真结果加载到探测器效应仿真单元的仿真结果中，输出最终的高超声速红外导 引头成像仿真结果图。

参照图3，本发明所述的高超声速红外导引头的成像仿真方法包括如下步骤：

步骤一：划分大气层折射率：

将红外导引头与要探测场景图4（a）之间的大气层划分为折射率分别为 n₀，(n₀+Δn)，…，n_i的折射率层，其中n₀表示红外导引头要探测场景所在位置处的大气 折射率值，取值为1.00029；n_i表示激波场前方大气的折射率值，取值为1.000162； Δn表示折射率步长，取值为0.00001。

步骤二：计算红外导引头前端激波场的密度ρ：

$\rho =\frac{(\gamma +1)M^2{\sin }^2\alpha }{2+(\gamma -1)M^2{\sin }^2\alpha }{\rho }_0,$

式中，ρ₀表示红外导引头所在位置处的大气密度，取值为0.7364kg/m³；γ表示 激波场前方气体的气体常数，取值为1.4；α表示激波场的激波角，取值为10⁰；M 表示激波场前方自来流的马赫数，取值为5～8马赫。

步骤三：计算红外导引头前端激波场的折射率n(ρ)：

$n\left(\rho \right)=\frac{1+K_{\mathrm{GD}}\rho }{1+K_{\mathrm{GD}}{\rho }_0}n\left({\rho }_0\right),$

式中，n(ρ₀)表示激波场前方气体的折射率值，取值为1.000162；K_GD表示 Gladstone-Dale常数，取值为2.2×10^-4m³/kg。

步骤四：计算红外导引头整流罩的温度T：

$T=T_r-(T_r-T_0)\exp (-\frac{h}{\rho ·C·b}·t),$

式中，T₀表示整流罩的初始温度，取值为50℃；h表示整流罩的导热系数，取 值为18w/(m·k)；ρ表示整流罩材料的密度，取值为4030kg/m³；C表示整流罩材料 的热容量，取值为0.515j/(g·k)；b表示整流罩的厚度，取值为10mm；t表示红外导 引头的飞行时间，取值为0～100s；T_r表示整流罩的恢复温度，计算公式如下：

$T_r=T(1+\frac{c}{2}r{M}^2),$

其中，c表示整流罩材料的比热容比，取值为1.7；r表示整流罩材料的温度恢 复系数，取值为0.8；M表示红外导引头前端激波场前方自来流的马赫数，取值为5～ 8马赫。

步骤五：计算红外导引头整流罩的折射率n(T)：

$n\left(T\right)=n\left(T_0\right)+\frac{\mathrm{dn}\left(T\right)}{\mathrm{dT}}·\mathrm{\Delta T},$

式中，n(T₀)表示整流罩在温度T₀下的折射率，取值为2.356；表示整流罩 材料的热光系数，取值为5×10^-51/℃；ΔT表示温度变化量，取值为200℃。

步骤六：光学追迹至整流罩：

6a）根据大气层折射率，使用TracePro软件对大气层进行光线追迹，并将追迹 的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到原始场景图4（a）中，得到大气层效应仿 真图；

6b）根据红外导引头前端激波场折射率n(ρ)，使用TracePro软件对红外导引头 前端激波场进行光线追迹，并将追迹的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到大气层 效应仿真图中，得到激波场热辐射效应仿真图；

6c）根据整流罩折射率n(T)，使用TracePro软件对整流罩进行光线追迹，并将 追迹的结果工程化为9×9的方形矩阵，加载到激波场热辐射效应仿真图中，得到整流 罩热辐射效应仿真图。

步骤七：光学效应仿真：

7a）获取高超声速红外导引头光学系统的衰减系数τ，能量响应函数E和调制传 递函数MTF；

7b）根据光学系统的能量响应函数E和光学系统的衰减系数τ，仿真光学系统的 能量衰减效应；根据光学系统的调制传递函数MTF，仿真光学系统的空间效应；将这 两种仿真结果加载到整流罩热辐射效应仿真图中，得到光学效应仿真图；

步骤八：探测器效应仿真：

8a）获取高超声速红外导引头探测器的采样频率υ和信号传递函数SiTF；

8b）根据探测器的信号传递函数SiTF，仿真探测器的信号响应；根据探测器采 样频率υ和光学效应仿真图的傅里叶变换频谱，仿真探测器的采样效应；将这两种仿 真结果加载到光学效应仿真图中，得到探测器效应仿真图；

步骤九：电路信号处理效应仿真：

9a）获取高超声速红外导引头电路信号处理系统中低、高频滤波电路的传递函数 MTF_low和MTF_high、电路信号处理系统的噪声均值μ和方差σ和高频提举电路的传递函数 MTF_ed；

9b）根据低、高频滤波电路的传递函数MTF_low和MTF_high，仿真低、高频滤波电路 效应；根据高频提举电路的传递函数MTF_ed，仿真电路信号处理系统的高频提举电路 效应；根据电路信号处理系统噪声均值μ和方差σ，仿真电路信号处理系统的噪声效 应；将这些仿真结果加载到探测器效应仿真图中，得到最终的高超声速红外导引头成 像仿真结果图，如图4（b）。

从图4（b）可见，本发明中高超声速红外导引头的仿真结果图更接近外场试验 中真实的拍摄图像，可以提高高超声速红外导引头成像仿真的置信度。