李若愚，談何易，陳林，胡懋洋

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

0 引言

側成像是相對從目標正上方俯視成像而言，以一定的角度從目標側面進行成像。這種成像方式易受到地物和地形遮擋。美“全球鷹”無人偵察機(RQ-4)是高空偵察機，可憑借高度優(yōu)勢和制空權來緩解這種潛在的弱點。但當RQ-4遠距離成像時，地物和地形遮擋仍可能會超過分辨率因素成為影響RQ-4作戰(zhàn)效能的重要因素[1-4]。這種潛在的弱點是否能為被偵察方所利用，來有效反偵察，必須結合裝備大小、性能，以及對遮蔽物要求等情況進行考量。事實上，RQ-4通常執(zhí)行防區(qū)外偵察任務?；顒涌沼蚴芟薜腞Q-4受遮蔽物影響存在一定的探測盲區(qū)，其無法探測到這個地域內的目標。本文研究在RQ-4活動空域受限的情況下，裝備車輛借助工程建筑或自然地形反RQ-4側成像的可行性，以此探索除電子干擾、偽裝等手段之外的新的反偵察措施。

1 戰(zhàn)術背景及基本原理

1.1 戰(zhàn)術背景

一般情況下，國土防空和要地防空有明確的防空警戒線。一旦對方偵察機靠近警戒線將受到航空兵驅離，穿越警戒線將被擊毀。地面戰(zhàn)術部隊受機動速度和射程限制較大，為在規(guī)定時間突進到對方縱深地域或對縱深目標實施火力突擊需前沿部署。由于RQ-4偵察距離達到200 km，地面戰(zhàn)術部隊不可避免地進入到其有效偵察半徑內受到其監(jiān)視，如圖1所示。地面部隊需要采取掩、騙、藏、擾等手段反偵察，以保護自身安全，維持作戰(zhàn)行動突然性[5]。

圖1 偵察威脅有效活動空域Fig.1 Effective airspace for reconnaissance threatens

1.2 基本原理

可見光/紅外傳感器和合成孔徑雷達(synthetic aperture rader,SAR)是RQ-4的主要成像載荷。其中,SAR作用距離遠、分辨率高，是RQ-4防區(qū)外偵察的主要圖像收集載荷[6]。成像偵察依賴直接波，空基對地成像距離越遠擦地角越小，受地面遮蔽物的影響越嚴重。這是RQ-4對地成像偵察的潛在弱點。在RQ-4的作戰(zhàn)測試與評估中，美軍分別評估了RQ-4偵察圖像的分辨率指標和情報價值指標。情報價值表征單次成像識別場景中目標的比例。能識別場景中50%以上目標為高價值,50%以下為低價值,0為無價值。RQ-4對千余個合作目標進行成像測試，隨著成像距離增加，高價值圖片比例減小，低價值和無價值圖片比例增大。地物遮擋和地形起伏應當是影響圖片情報價值的主要原因之一。SAR圖像分辨率指標與情報價值單調性不同，較能說明問題，其測試數(shù)據(jù)如表1所示[7]。分辨率指標是圖片平均的美國國家圖像解譯度分級標準(Natoinal Imagery Interpretability Rating Scale,NIIRS)，情報價值指標欄中表示的是高價值、低價值、無價值圖片百分比?？梢钥闯?，SAR圖像分辨率基本不受距離影響，圖像的情報價值隨著距離增加單調減少。

表1 RQ-4 SAR作戰(zhàn)測試與評估數(shù)據(jù)

可見光/紅外傳感器對地成像的實用距離不超過80 km，但RQ-4仍然測試了可見光/紅外傳感器在80～200 km的成像效果。所成圖片情報價值分別為28/35/37和8/30/62，仍然具有一定的識別能力。由此可見，地面部隊需要重視防范200 km范圍內的RQ-4的可見光、紅外、SAR成像偵察，并考慮針對RQ-4對地成像的潛在弱點，利用遮蔽物規(guī)避偵察。

2 模型構建

2.1 基本模型

忽略遮蔽物具體形狀、地球曲率、電磁波折射等影響，偵察機、遮蔽物、地面裝備空間關系如圖2所示。

圖2 遮蔽作用斜視圖Fig.2 Oblique view of obstruct area

圖2中，H為偵察機巡航高度，R為遮蔽物與偵察機地距，ψ為擦地角，α為∠ACB在地面投影角的一半。

偵察機在防空警戒線外側沿著警戒線飛行，通過可見光、紅外、微波等直接波對警戒線內側縱深的地面目標進行成像偵察。受地面突起遮蔽物影響，偵察機在受限空域通過直接波所成圖像中將出現(xiàn)探測盲區(qū)域。該區(qū)域在可見光、紅外圖像中體現(xiàn)為被障礙物遮擋，在SAR圖像中為陰影[8]，并且從受限空域任何角度偵察均不能去除。因遮蔽物與偵察機距離、遮蔽物大小不同，探測盲區(qū)有不同的尺寸和形狀，可為不同的地面裝備提供掩護。

探測盲區(qū)基本形狀主要受2方面的影響。一是偵察機升限Hmax固定，偵察距離影響探測盲區(qū)長度x1；二是偵察機最遠偵察距離Rmax固定，偵察距離影響探測盲區(qū)長度x2。x1與x2相對大小不同，探測盲區(qū)域基本形狀不同，如圖3所示。遮蔽物高和長分別為h和l，側視圖和俯視圖顯示當偵察距離減小時，探測盲區(qū)長度變化趨勢均是減小，但2種變化方式不同。當x1>x2時，探測盲區(qū)兩側面將先相交，x1

圖3 探測盲區(qū)形成圖Fig.3 Detection blind-zone formation graph

暫忽略探測盲區(qū)長度的影響，則存在以下等式

x1=h/tanψ,

假設，裝備側面緊靠遮蔽物由近及遠依次擺放，則僅考慮探測盲區(qū)長度時可擺放裝備列數(shù)為

g=min(x1,x2)/k0.

若第j列裝備外側的長邊和高邊均在探測盲區(qū)內，則可利用遮蔽物提供的掩護。即滿足:

hj=x1-kjtanψ≥h0,

lj=2x2-kjtanα≥l0，

式中：裝備長寬高分別為l0，k0，h0；lj為第j列外側探測盲區(qū)寬度；hj為第j列外側探測盲區(qū)高度。長寬高均滿足條件時探測盲區(qū)可為裝備提供完全掩護。

2.2 非理想遮蔽物影響

非理想遮蔽物形成的探測盲區(qū)形狀復雜，與遮蔽物的幾何外形、朝向走向、偵察機受限空域等有關，本文僅對矩形體非理想遮蔽物模型進行簡單的補充修正。

如圖4所示，遮蔽物寬度為k，長邊與防空警戒線成角度θ，所有平行于警戒線的遮蔽物切面同時起到遮擋效果。假設，裝備仍然以側面平行警戒線的方式依次擺放，以經(jīng)過矩形體遮蔽物靠內側高棱的切面進行計算，按下式修正l,x1和x2:

tanβ=k/l，

x1′=x1-w，x2′=x2-w.

這種方法不能充分利用遮蔽物形成的探測盲區(qū)，但計算結果一定滿足裝備隱藏要求。

圖4 旋轉角度和地球曲率對探測盲區(qū)的影響Fig.4 Rotation angle and earth curvature influence the detection blind-zone

2.3 地球曲率和大氣折射影響

由于偵察機作用距離遠，地球曲率和大氣層對電磁波的折射影響不可忽略，如圖4側視圖所示。通過余弦定理和正弦定理計算球面情況下的擦地角，如下式所示：

式中：RE為地球平均半徑；RS為偵察機到遮蔽物斜距；∠EOF為地心角。

由于對流層的不均勻性影響，電波的軌跡為曲線，采用等效地球半徑計算可計入其影響。等效地球半徑為4/3倍地球平均半徑[9]。

3 仿真計算

通過以上分析獲得了較為精確的探測盲區(qū)模型。其形狀、大小與遮蔽物形狀、遮蔽物與防空警戒線平行關系、遮蔽物與防空警戒線距離有關。裝備是否能利用探測盲區(qū)與具體裝備的尺寸相關，需要基于計算結果進行判斷。地面裝備(含停車間隙)和常見遮蔽物典型大小如表2所示[10]。

表2 裝備和遮蔽物典型數(shù)值

RQ-4實用升限Hmax為18.4km，最遠偵察距離Rmax為200km，RE為8 495km。理想遮蔽物，即遮蔽物長邊與防空警戒線平行時，遮蔽物所形成的探測盲區(qū)長度和擦地角，與遮蔽物距警戒線R關系如圖5所示。

圖5 探測盲區(qū)和擦地角隨警戒線地距變化Fig.5 Detection blind-zone and grazing angle in different ground range

在0～190 km的遮蔽物與警戒線地距中，x1始終大于x2，即該遮蔽物長度是影響其探測盲區(qū)長度的關鍵因素，其基本形狀如圖3探測盲區(qū)斜視圖中左圖所示。在190km范圍內該遮蔽物所形成的探測盲區(qū)長度在200m內，遠小于Rmax，說明在計算x1和x2時可忽略探測盲區(qū)長度的影響。擦地角隨著地距增加急劇減小，約在25km左右就已小于通常星載成像偵察的最小偵察角度[11]。擦地角直接影響x1的大小，但考慮RQ-4可能從警戒線外的任何位置對該目標進行偵察時，x2成為了主要的影響因素。探測盲區(qū)中所能容納的裝備數(shù)量變化如圖6所示。

圖6 理想遮蔽物探測盲區(qū)可容納裝備數(shù)量Fig.6 Equipment capacity of detection Blind-zone ideal obstruction forms

該遮蔽物在距警戒線40 km時所形成的探測盲區(qū)可容納下一輛裝甲車，50 km時可容納下一個地地導彈發(fā)射車，而旋翼展開的直升機有較大的寬度數(shù)值，需要到距防空警戒線130 km時才能容納下第1架。

不借助遮蔽物隱蔽時，地面部隊為避開RQ-4偵察需部署在防空警戒線以內200 km處的縱深。借助遮蔽物可將攻擊發(fā)起地點前移，以縮短突擊時間或延伸火力突擊距離。在該例中，假設裝甲車正常以55 km/h機動，則攻擊發(fā)起地點前移可縮短2h以上突擊時間；直升機正常以280 km/h機動，可縮短15min；地地導彈射程300 km，發(fā)射陣地前移后在防空警戒線外的有效射程增加了150 km，防空警戒線外的打擊區(qū)域增加3.6倍。在防空力量的有限掩護下，地面部隊借助普通工程建筑可不同程度地隱蔽行蹤，前伸部署，尤其是射程與RQ-4最遠成像偵察距離相當?shù)慕虘?zhàn)術地地導彈。其抵近部署將顯著延伸火力打擊范圍，壓縮對方反應時間，造成嚴重威懾。

當遮蔽物與防空警戒線成角度θ時，將會對探測盲區(qū)形狀造成一定影響，超過一定角度就可能無法為裝備提供完全掩護。以本文的處理方法得到的數(shù)值如圖7和圖8所示。

圖7 轉動角度影響可容納裝甲車數(shù)量Fig.7 Rotation angle influences armored vehicle capacity

圖8 轉動角度影響可容納地地導彈發(fā)射車數(shù)量Fig.8 Rotation angle influences ground-to-ground missile iaunching vehicle capacity

由圖7和圖8可見，遮蔽物朝向或走向對探測盲區(qū)的掩護作用有較大的影響。當其相對防空警戒線旋轉角度θ=20°時，能容下第1輛裝甲車或地地導彈發(fā)射車的距離已達到150km，與RQ-4的最遠作用距離相差很近，遮蔽效用已然不高。地面裝備需以更加靈活的擺放方式來有效利用探測盲區(qū)，或選擇更大、更有效的遮蔽物。山地、丘陵、峽谷等自然地形具有較大的體積，能給地面裝備提供更大的探測盲區(qū)。

探測盲區(qū)的價值主要體現(xiàn)在與活動受限RQ-4的對抗中，而星載成像載荷的擦地角大多在49～70°，且衛(wèi)星運行軌道不受防空警戒線限制，遮蔽物對其影響較小。

4 結束語

1991年“沙漠風暴”行動中，聯(lián)軍需要一種全天時的空中偵察平臺，以追獵“飛毛腿”導彈。RQ-4正是對這種需求的回應[12]。然而，在沒有制空權保障下，被譽為“大氣層衛(wèi)星”的RQ-4仍然無法解決“山那邊”的感知難題，地面裝備借助常規(guī)建筑和反斜面地形，仍然可以規(guī)避RQ-4的成像偵察。本文通過仿真分析認為，近程戰(zhàn)術地地導彈借助遮蔽物反RQ-4側成像的潛在效用較高。實際運用中，需要考慮遮蔽物對地面裝備戰(zhàn)場感知、火力投射和機動的影響，而大量運用遮蔽物反偵察，則需要基于戰(zhàn)場態(tài)勢圖和數(shù)字地圖自動生成作戰(zhàn)區(qū)域的遮蔽界，并且考慮不同頻段電磁波對遮蔽物的穿透性。

參考文獻：

[1] 陳中起，任波，張斌，等．目標通視性檢測建模與仿真[J]．火力與指揮控制，2010(2)：45-47．

CHEN Zhong-qi, REN Bo, ZHANG Bin, et al. Modeling and Simulation of Visibility Analysis of Target[J]. Fire Control & Command Control, 2010(2): 45-47.

[2] 唐曉兵，張琳，劉晨．防空目標分配中雷達遮蔽區(qū)問題研究[J]．現(xiàn)代防御技術，2012,40(4)：89-92．

TANG Xiao-bing, ZHANG Lin, LIU Chen. Radar Shelding Zone for Air Defense Target Assignment[J]. Modern Defence Technology, 2012,40(4): 89-92．

[3] 魏賢智，楊風成，韓慶，等．基于地形遮蔽的飛行器暴露范圍計算[J]．計算機測量與控制，2012(1)：132-134．

WEI Xian-zhi, YANG Feng-cheng, HAN Qing, et al. Calculation of Exposed Scope of Aircraft Based on Terrain Masking[J]. Computer Measurement & Control, 2012(1): 132-134.

[4] 薛宏濤，王克波，相曉嘉，等．基于轉盤爬蟲法的雷達地形遮蔽盲區(qū)快速計算[J]．指揮控制與仿真，2011(3)：7-11．

XUE Hong-tao, WANG Ke-bo, XIANG Xiao-jia, et al. Fast Computing of Radar Terrain Masking Blind Space Based on Dial-Reptile Algorithm[J]. Command Control & Simulation, 2011(3): 7-11.

[5] 王輝，楊斌．反無人偵察機作戰(zhàn)問題研究[J]．國防科技，2010(1)：52-54．

WANG Hui, YANG Bin. A Study of Anti-Reconnaissance Aircrafts[J]. National Defense Science & Technology, 2010(1):52-54.

[6] 季曉光，李屹東，桑建華，等．美國高空長航時無人機——RQ-4“全球鷹”[M]．北京：航空工業(yè)出版社，2011．

JI Xiao-guang, LI Yi-dong, SANG Jian-hua, et al. RQ-4 “Global Hawk”, High Altitude Long-Endurance UAV From America[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2011.

[7] Michael Gilmore J. RQ-4B Global Hawk Block 30 Operational Test and Evaluation Report[R/OL]. US: Director, Operational Test and Evaluation.(2011-5-12)[2012-12-18]. http://pogoarchives.org/m/ns/pentagon-ot-and-e-eval-rq-4b-global-hawk-20110526.pdf．

[8] 計科峰，邢相薇，鄒煥新，等．基于陰影的SAR圖像車輛目標三維特征提取[J]．雷達科學與技術，2011，12(6)：507-512．

JI Ke-feng, XING Xiang-wei, ZOU Huan-xin, et al. 3-D Feature Extraction of Vehicle Target from SAR Imagery Based on Shadow Information[J]. Radar Science and Technology, 2011, 12(6): 507-512.

[9] Roger J Sullivan. Radar Foundations for Imaging and Advanced Concepts[M]. UK: SciTech Publishing, 2004.

[10] Christopher F Foss. Jane’s Tanks Recognition Guide[M]. New York: HarperCollins Publishers, 2006.

[11] 張錫祥．和平時期的反衛(wèi)星偵察[J]．電子對抗技術，2001(4)：1-7．

ZHANG Xi-xiang. Counter the Reconnaissance From Satellites in Peacetime[J]. Electronic Warfare Technology,2001(4): 1-7.

[12] Rebecca Gran. Eyes Wide Open[J]. Air Force Magazine, 2003(11): 38-42.