一、实验任务

美国的天基红外系统(SBIRS)是一个规模庞大的弹道导弹防御系统, 由高轨和低轨两类星座加上相关地面设施构成。它利用星载多波段光电传感器，探测导弹发射尾焰，并在上升段、中段和再入段对导弹进行跟踪，并将获取的导弹数据用于预警和拦截。本综合实验通过计算机仿真技术模拟美国的天基光电探测系统，可以用于对弹道导弹突防过程的仿真、突防能力的仿真评估和突防手段的仿真研究。

为了让学生全面了解天基光电系统探测全链路数字化成像过程，卫星光电成像预警与探测虚拟仿真综合实验能够实时动态地计算复杂场景光电特性（包含全球基础地形、局部典型场景如平原、森林、山脉等，典型目标如导弹、卫星等，大气条件，尾焰、诱饵和干扰，传感器-目标运动姿态等因素），生成场景的辐照亮度数据和光电图像数据，用于天基光电成像系统中星载注入式仿真和半实物仿真。仿真波段范围在0.2～25 μm。

二、实验目的

模拟天基平台可见光、近红外、中波红外、长波红外光电场景，动态仿真复杂环境下的卫星光电预警特性。

三、实验要求

实验系统组成框图如图1。实验需要分组完成目标和地形3D模型建立、材质分类、场景辐射特性缄默、大气传输特性建模、干扰建模；根据指定轨道和星载传感器参数，分组完成传感器效应建模和场景想定，最终完成场景的实时生成及渲染，并给出预警效果。

图1   光电场景生成系统整体组成

卫星预警与探测光电场景生成系统包括以下6个部分，其中：

1)    主机控制软件系统：基于图形用户界面，实现对仿真所需想定的创建和上载、环境参数设置（比如日期，时间和大气环境等）、星载传感器参数设置、实体位置姿态和轨迹设置（包括弹道导弹、高轨预警卫星星座、低轨预警卫星星座和拦截弹）；整体具备场景管理、参数设置、运行控制和状态监控等功能；

2)    材质属性库：提供系统所需的场景红外特性建模所需的基础材质库以及材质分类工具，构建地球背景、导弹、卫星等典型目标的光电特性；

3)    场景光电特性建模模块：针对导弹预警卫星典型作战场景，建立目标及背景辐射特性模型；包括导弹目标、不同阶段的导弹尾焰、地球背景辐射特性建模、大气传输特性建模、云层效应建模、特效建模；

4)    光电图像实时生成设备：实时计算导弹作战飞行场景中的辐射特性；模拟星载光电传感器的成像过程，进行场景的光电图像建模用于星载注入式仿真；实时接收预警卫星和目标运动数据，实时生成基于物理计算的光电动态目标场景图像，并通过LVDS数字图像接口输出；支持注入式模式与投射两种模式；

5)    传感器效应计算模块：结合预警卫星光电扫描相机、凝视相机等不同类型的星载传感器的设备参数，以及VRAD的SenSim传感器效应计算模块为基础，进行从光学系统、探测器及电信号的完整传感器成像效应模拟；

6)    数字接口模块：产生同步信号发送给场景渲染平台，通过图像数据输出LVDS接口连接DSP、SBIRS、STSS/PTSS等星上信息处理机。数字视频接口支持多路输出；

7)    VMIC反射内存网：光电场景生成系统的各个子系统，都实现VMIC反射内存卡的接口功能，主要用于在仿真中的目标姿态、卫星姿态和拦截弹姿态信息的实时传递。

四、实验设备

计算机硬件采用高端图形工作站，采用64位Windows操作系统平台。其功能主要是为软件平台的运行提供足够的计算带宽和图形带宽，并预留一定的带宽余量，能够适应不同精度、像素规模、帧速的红外场景及模型的顺利开发和运行。

下表为推荐的工作站配置。

表格6硬件配置参考指标

五、实验提示（实验理论、实验操作方法和实验技巧）

5.1  目标/场景几何建模及材质分类

（1）地形

全球地形数据服务器提供功能强大的基于Web的地形数据流服务。在它提供的全球数据的基础上，学生可以使用web接口方便的集成自己的数据源。

图2   全球地形数据服务器应用示例

（2）3D 模型

建立光学仿真所需的三维目标模型。

l  包含导弹、飞行器、坦克、装甲车等模型；

l  每类模型的数量为10个；

l  绝大部分模型包换毁伤状态与正常完整两种状态，可在图形渲染调度时，动态切换模型的状态；

l  模型格式为OpenFlight标准数据文件；

典型三维模型如下图所示：

图3   典型三维目标模型

（3）材质建模、分类

采用材质建模分类工具进行环境和目标材质建模、分类，整体的流程与步骤下图所示：

图4   材质建模流程

5.2  场景红外特性建模

根据大气环境、当前的温度，计算目标的表面的温度，并利用普朗克方程计算等效的黑体辐射，根据场景和物体的红外材质信息，查找目标表面的发射率、吸收率和反射率，计算物体的表面辐射量、并计算传感器与物体的之间的大气路径辐射，合成入瞳处的红外辐射图像。基本的流程如图5.4 所示。

图5  红外特性计算原理流程图

5.3  特效建模

特效建模子模块，使用特效建模函数库，基于物理特性的粒子系统进行仿真，其工作流程如下图所示，建立或选择特效形状模型、设置物理参数、计算粒子物理属性、合成场景特效。

图6特效模块的建模工作流程

对于尾焰、爆炸、烟雾不同的粒子特效，需要选择不同的模型不同的粒子形状如下图所示：

5.4 大气传输特性建模

大气传输效应建模使用Modtran4.0API计算大气辐射传输。模拟大气内部水平与斜距、地表到大气、大气到空间飞行器、地表到空间飞行器等路径；计算大气透过率、大气背景辐射（大气上下行辐射）、包括太阳或月亮单次散射的辐射亮度、直射太阳辐照度等；协助建立大气参数之间、大气参数与其他参数之间的经验关系。

大气传输效应的计算流程如下图所示，使用ModtranGUI建立大气模型的配置，并将配置保存为mcd文件，调用ModranAPI计算大气辐射传输，返回大气计算结果。

补充星载链路的建模实现

图7  大气模型计算流程

5.5  红外场景实时生成模块 

图像实时生成模块的软件流入如下图所示：

图8   红外场景实时生成流程

5.6  传感器效应实现计算

模块使用入瞳处的红外图像作为输入，应用图像处理技术，对理想中的图像进行传感器效应建模，基本流程如下图所示：

图9  传感器效应实现流程

如所图10示为不同光学孔径下的成像效果：

图10  不同孔径的红外成像效果

如下图所示是探测器参数设置，生成的噪声效果

图11  传感器噪声效应

卫星光电预警与探测虚拟仿真实验.docx