閆曉珂 荀 楊

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

隨著紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的日趨成熟，以往用于干擾點(diǎn)源制導(dǎo)導(dǎo)彈的紅外誘餌彈已無(wú)能為力，而面源輻射型紅外誘餌已成為干擾紅外成像制導(dǎo)武器的一種有效手段，陸續(xù)被各國(guó)軍用光電對(duì)抗系統(tǒng)列為裝備和使用對(duì)象［1～2］。在接近實(shí)戰(zhàn)和模擬實(shí)戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)條件下，如何客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估面源型紅外誘餌對(duì)紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效果，是貫穿光電干擾裝備研制、試驗(yàn)和定型的重要環(huán)節(jié)，也是紅外制導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾性能改進(jìn)的重要研究方向［3～4］。因此，研究有效、可靠、實(shí)用的艦載面源型紅外誘餌干擾效果評(píng)估方法不僅為面源型紅外誘餌技術(shù)研究的提供技術(shù)支撐，而且對(duì)面源型紅外誘餌的戰(zhàn)術(shù)使用具有重要意義。

目前國(guó)外已應(yīng)用的對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾試驗(yàn)方法主要有實(shí)彈干擾試驗(yàn)、外場(chǎng)模擬飛行干擾試驗(yàn)、半實(shí)物仿真試驗(yàn)和數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)等［5～6］。實(shí)彈干擾試驗(yàn)可信度高，但實(shí)施難度大，費(fèi)效比高；外場(chǎng)模擬飛行干擾試驗(yàn)的費(fèi)用大大降低，而且可多次重復(fù)試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果不如實(shí)彈試驗(yàn)真實(shí)可信；與外場(chǎng)試驗(yàn)相比，內(nèi)場(chǎng)半實(shí)物仿真試驗(yàn)評(píng)估方法具有靈活性好、可控性強(qiáng)、效費(fèi)比高以及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)［7～8］。因此，從提高試驗(yàn)結(jié)果的置信度出發(fā)，并考慮到試驗(yàn)組織實(shí)施的可行性、經(jīng)濟(jì)性，本文從紅外成像制導(dǎo)的原理入手，針對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭工作過程中的搜索、捕獲、跟蹤三個(gè)階段提出了基于外場(chǎng)試驗(yàn)與內(nèi)場(chǎng)仿真相結(jié)合的面源型紅外誘餌對(duì)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈干擾效果評(píng)估方法，通過統(tǒng)計(jì)多次試驗(yàn)的干擾成功率來(lái)評(píng)估干擾效果和確定干擾效果等級(jí)，為艦載面源型紅外誘餌的試驗(yàn)鑒定和戰(zhàn)術(shù)使用提供借鑒。

2 干擾效果試驗(yàn)方法

面源紅外誘餌對(duì)紅外成像反艦導(dǎo)彈干擾效果評(píng)估采用外場(chǎng)試驗(yàn)與內(nèi)場(chǎng)仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想。其一，利用機(jī)載導(dǎo)引頭飛行試驗(yàn)可完成目標(biāo)跟蹤階段的干擾效果評(píng)估；其二，將外場(chǎng)飛行試驗(yàn)攝取的圖像序列（包括艦船目標(biāo)、背景和面源紅外誘餌）注入到導(dǎo)引頭圖像信息處理系統(tǒng)可完成搜索階段的干擾效果評(píng)估；其三，利用紅外成像反艦導(dǎo)彈可完成面源誘餌對(duì)導(dǎo)彈從搜索、捕獲、跟蹤目標(biāo)到彈著點(diǎn)整個(gè)制導(dǎo)過程的干擾效果評(píng)估；其四，接口注入式試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑椿趯?dǎo)引頭信息處理系統(tǒng)的可重構(gòu)性，模擬幾種典型導(dǎo)引頭圖像處理算法，利用外場(chǎng)實(shí)拍艦載面源型紅外誘餌圖像序列通過光纖傳送給圖像注入接口設(shè)備，再由圖像注入接口設(shè)備將圖像注入到被試設(shè)備的信息處理器中。完成面源紅外誘餌干擾效果的綜合評(píng)估。

3 干擾效果評(píng)估方法

成像制導(dǎo)技術(shù)通過成像探測(cè)設(shè)備獲取到圖像信息，經(jīng)背景抑制、圖像增強(qiáng)后送入圖像信息處理系統(tǒng)，形成目標(biāo)的偏差信號(hào)，經(jīng)伺服機(jī)構(gòu)控制制導(dǎo)武器跟蹤目標(biāo)［9～10］。成像制導(dǎo)武器的原理框圖如圖1所示。

成像制導(dǎo)系統(tǒng)從開機(jī)到命中目標(biāo)可以分為搜索捕獲、跟蹤和命中目標(biāo)三個(gè)階段［11］。本文基于面源紅外誘餌在圖像制導(dǎo)的三個(gè)階段實(shí)施干擾來(lái)建立干擾效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 目標(biāo)搜索捕獲階段

目標(biāo)搜索捕獲階段實(shí)施面源紅外誘餌干擾，且干擾信號(hào)電平大于目標(biāo)信號(hào)電平，紅外成像反艦導(dǎo)彈圖像信息處理系統(tǒng)在自動(dòng)增益控制（AGC）的作用下，使艦船目標(biāo)在海天背景下的成像質(zhì)量降低，信噪比下降，難以鎖定艦船目標(biāo)。

3.1.1 信噪比

紅外成像反艦導(dǎo)彈搜索捕獲目標(biāo)主要分為人工搜索即“人在回路”和自動(dòng)搜索兩種方式。實(shí)施干擾將會(huì)影響導(dǎo)彈的人工（自動(dòng)）搜索性能。而衡量搜索性能的主要指標(biāo)是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率（或目標(biāo)自動(dòng)捕獲概率）。在“人在回路”中，由于目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的統(tǒng)計(jì)受人為因素的影響較大，而面源紅外誘餌影響艦船目標(biāo)在海天背景下的成像質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致圖像目標(biāo)與背景的對(duì)比度降低。目標(biāo)的對(duì)比度（CON）是指目標(biāo)能量幅值相對(duì)于背景能量幅值之比，定義為

其中，μ1為目標(biāo)灰度平均值，μ2為背景灰度平均值。

由于對(duì)比度不能對(duì)目標(biāo)圖像中包含的各種噪聲進(jìn)行定量描述，因此采用目標(biāo)信噪比進(jìn)行評(píng)價(jià)更方便有效。目標(biāo)的信噪比（SNR）定義如下：

其中，ft= ||μ1-μ2表示目標(biāo)的強(qiáng)度，σ為目標(biāo)周圍的噪聲，一般采用灰度的標(biāo)準(zhǔn)差代替。對(duì)于噪聲源主要為入射噪聲的天空背景來(lái)說(shuō)，σ=，fb為背景強(qiáng)度，因此，目標(biāo)信噪比可以用下式計(jì)算：

在目標(biāo)自動(dòng)搜索捕獲方式下，導(dǎo)彈圖像預(yù)處理算法至關(guān)重要，其主要完成抑制背景和噪聲，提高圖像信雜比以提高目標(biāo)的檢測(cè)概率，因此，信噪比可作為反艦導(dǎo)彈搜索階段評(píng)定干擾效果的指標(biāo)之一。

3.1.2 捕獲概率

實(shí)施干擾后信噪比降低可導(dǎo)致導(dǎo)引頭自動(dòng)捕獲目標(biāo)能力下降。衡量系統(tǒng)捕獲能力的主要指標(biāo)是目標(biāo)捕獲概率，所以可以依據(jù)實(shí)施干擾前后系統(tǒng)目標(biāo)捕獲概率的變化情況評(píng)估捕獲階段對(duì)系統(tǒng)的干擾效果。該指標(biāo)測(cè)試既可以基于外場(chǎng)實(shí)時(shí)評(píng)估試驗(yàn)，又可基于接口注入式試驗(yàn)?zāi)Ｊ街贿m用于導(dǎo)引頭目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別算法（ATR算法），而對(duì)于人在回路的人工捕獲目標(biāo)不予統(tǒng)計(jì)。

設(shè)實(shí)施干擾前后，成像導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的捕獲概率分別為Pc0和Pc，定義γc為干擾后導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的捕獲概率與干擾前的捕獲概率之比，即

γc值越大，則干擾前后導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的捕獲概率相差越小，干擾效果不明顯；反之，γc值越小，干擾效果越顯著。

3.2 跟蹤階段

圖像制導(dǎo)系統(tǒng)典型跟蹤算法主要有質(zhì)心跟蹤、相關(guān)跟蹤和邊緣跟蹤等［11～12］。質(zhì)心跟蹤是基于直方圖統(tǒng)計(jì)原理對(duì)圖像的灰度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；邊緣跟蹤主要是利用目標(biāo)與背景交界處亮度的明顯變化，用微分方法得到目標(biāo)位置信息，二者均需分割目標(biāo)和背景。相關(guān)跟蹤是利用圖像信息，選定與跟蹤目標(biāo)相似的圖像區(qū)域完成目標(biāo)跟蹤。該算法能適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的目標(biāo)和背景的場(chǎng)合，可用來(lái)跟蹤較小的目標(biāo)以及目標(biāo)區(qū)域的某一特殊部分或?qū)Ρ榷缺容^差的目標(biāo)。

3.2.1 圖像相關(guān)度

相關(guān)跟蹤是把預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)圖像樣板作為檢測(cè)目標(biāo)位置的依據(jù)，用目標(biāo)樣板與視場(chǎng)中圖像的各個(gè)子區(qū)域圖像進(jìn)行比較（算出相關(guān)函數(shù)值），找出和目標(biāo)樣板最相似的一個(gè)子圖像位置作為當(dāng)前目標(biāo)的位置。相關(guān)跟蹤過程中模板圖像是根據(jù)其置信度更新的，當(dāng)前幀的相關(guān)匹配位置處的圖像是否作為下一幀實(shí)時(shí)圖像的模板，是要根據(jù)相關(guān)運(yùn)算在當(dāng)前幀圖像匹配位置和相關(guān)跟蹤置信度信號(hào)來(lái)控制的，置信度越高，則表明模板與該位置處的圖像越相似。當(dāng)干擾有效時(shí)，將導(dǎo)致圖像的相關(guān)度下降，因此，圖像相關(guān)度可作為圖像制導(dǎo)干擾效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)實(shí)施干擾前后圖像相關(guān)度的變化情況評(píng)估面源紅外誘餌對(duì)圖像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效果［13～14］。

相關(guān)度指不同圖像之間信息的相似程度，這里的相關(guān)度是指干擾前后圖像的相關(guān)度。在目標(biāo)區(qū)域圖像上圍繞目標(biāo)選取一定區(qū)域（或跟蹤波門），按照下式構(gòu)建相關(guān)度評(píng)估模型：

式中：fij為干擾前圖像第i行、第j列像素的灰度值；gij為干擾后圖像第i行、第j列像素的灰度值，與 fij位置相對(duì)應(yīng)；M為圖像行數(shù)；N為圖像列數(shù)；C為實(shí)施干擾前后圖像各時(shí)刻歸一化相關(guān)函數(shù)。

C≤1，C值越大，干擾前后就越相似，圖像相關(guān)度越高。計(jì)算多組相關(guān)度C值，根據(jù)C值大小，進(jìn)行相關(guān)度的綜合計(jì)算，并根據(jù)相關(guān)度時(shí)域變化表征干擾效果的動(dòng)態(tài)特征。

3.2.2 跟蹤誤差

在跟蹤階段，對(duì)圖像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾效果主要表現(xiàn)在使系統(tǒng)跟蹤誤差增大，跟蹤精度下降，進(jìn)而使系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的跟蹤不穩(wěn)定，導(dǎo)致丟失目標(biāo)等。為此，可以依據(jù)干擾前后系統(tǒng)跟蹤誤差、跟蹤精度和跟蹤能力的變化情況評(píng)估跟蹤階段對(duì)系統(tǒng)的干擾效果。

在規(guī)定的干擾持續(xù)時(shí)間內(nèi)，光電制導(dǎo)模擬導(dǎo)引頭輸出的跟蹤誤差θ＞3σ（σ為光電導(dǎo)引頭在無(wú)干擾時(shí)的跟蹤精度）或不能輸出跟蹤誤差信號(hào)（跟蹤目標(biāo)丟失），且持續(xù)時(shí)間t＞t0（t0為成像導(dǎo)引頭記憶跟蹤時(shí)間閾值），則干擾有效；否則干擾無(wú)效。

3.3 命中目標(biāo)階段

對(duì)制導(dǎo)武器實(shí)施光電干擾，其干擾效果直接反映在制導(dǎo)武器與目標(biāo)交會(huì)處即靶平面上的制導(dǎo)精度誤差或脫靶量的變化上，因此，采用脫靶量作為干擾效果評(píng)估指標(biāo)，依據(jù)干擾前后脫靶量的變化情況評(píng)估干擾設(shè)備對(duì)制導(dǎo)武器的干擾效果，作為干擾效果評(píng)估準(zhǔn)則。設(shè)實(shí)施干擾后制導(dǎo)武器的脫靶量大小為δγ，那么，可以按以下標(biāo)準(zhǔn)判定干擾是否有效：

當(dāng)δγ≤3S0時(shí)，本次干擾無(wú)效；

當(dāng)δγ＞3S0時(shí)，本次干擾有效。

其中，S0為正常情況下制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度［15］。

4 試驗(yàn)實(shí)例

基于導(dǎo)引頭圖像信息處理系統(tǒng)的可重構(gòu)性，模擬典型導(dǎo)引頭圖像信息處理算法，本文采用長(zhǎng)波紅外導(dǎo)引頭模擬設(shè)備搜索、捕獲與跟蹤面源紅外誘餌干擾前后的艦船目標(biāo)圖像序進(jìn)行驗(yàn)證分析。面源紅外誘餌干擾前后紅外圖像實(shí)例及其直方圖如圖2所示，圖像預(yù)處理結(jié)果如圖3所示。從直方圖和圖像預(yù)處理結(jié)果可以看出，圖像中出現(xiàn)紅外誘餌形成的大面積煙云在導(dǎo)引頭圖像信息處理系統(tǒng)的自動(dòng)增益控制（AGC）的作用下，艦船目標(biāo)被淹沒在背景噪聲中，從而大大降低了目標(biāo)的檢測(cè)概率，通過計(jì)算干擾前后信噪比之比，可完成成像制導(dǎo)干擾效果的等級(jí)評(píng)定。通過本文中的信噪比和相似度檢測(cè)方法，干擾前后信噪比和相似度隨時(shí)域變化如圖4和圖5所示。由變化曲線可以看出，圖像自第30幀起受到干擾，信噪比和相似度迅速下降，之后圖像的信噪比和相似度處于較低水平，掛飛的導(dǎo)引頭模擬設(shè)備受到有效干擾。圖6為面源紅外誘餌干擾前后導(dǎo)引頭跟蹤誤差曲線圖。導(dǎo)引頭23km處跟蹤目標(biāo)，跟蹤精度滿足要求；由遠(yuǎn)及近，及至19.5km處受到干擾，跟蹤誤差明顯增大，此時(shí)，干擾效果有效。

5 結(jié)語(yǔ)

從紅外圖像反艦導(dǎo)彈制導(dǎo)的原理入手，充分利用制導(dǎo)武器系統(tǒng)研制和試驗(yàn)過程的各個(gè)階段所存在的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了基于外場(chǎng)試驗(yàn)與內(nèi)場(chǎng)仿真相結(jié)合的面源型紅外誘餌對(duì)紅外成像反艦導(dǎo)彈干擾效果評(píng)估方法，給出了信噪比、相似度等干擾效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于導(dǎo)引頭信息處理系統(tǒng)的可重構(gòu)性，仿真模擬典型反艦導(dǎo)彈目標(biāo)圖像處理算法，綜合評(píng)定面源紅外誘餌干擾效果。結(jié)果表明，該方法合理有效、能夠完成面源型紅外誘餌對(duì)紅外成像反艦導(dǎo)彈干擾效果的定量評(píng)估。在面源型紅外誘餌的靶場(chǎng)試驗(yàn)鑒定及其戰(zhàn)術(shù)使用中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。