周理，史健，張清博，陳廣陽，楊雙玲

(中國人民解放軍66136部隊，北京 100043)

0 引言

毀傷評估作為作戰(zhàn)評估的重要內(nèi)容，綜合了無人機、成像衛(wèi)星或者彈載傳感器等偵察手段獲取的多源情報，用于檢驗作戰(zhàn)任務完成情況，是“偵控打評”的關鍵一環(huán),也是裝備易損性分析重要手段[1]。通常，毀傷評估可分為物理毀傷評估、功能毀傷評估和系統(tǒng)毀傷評估[2-3]。其中，物理毀傷評估判斷遭打擊目標的物理毀傷程度；功能毀傷評估是在物理毀傷評估結論基礎上，根據(jù)目標構件與功能之間的映射關系，衡量目標遭打擊后的功能下降程度[4]。

當前，開展毀傷評估主要難點問題：一是目標遭毀傷后，物理毀傷情報獲取難；二是根據(jù)物理毀傷判明目標功能毀傷難[5]。以相控陣雷達天線為例，針對物理毀傷情報獲取難的問題，采用計算機視覺技術，對航天偵察影像進行分析，提取相控陣天線陣面物理毀傷信息；針對功能毀傷評估難的問題，通過Matlab軟件的Phased Array System Toolbox工具箱構建相控陣天線模型，選取抗干擾性、探測距離作為衡量相控陣天線功能的指標，計算遭破片毀傷后，性能變化情況，分析天線物理毀傷與功能毀傷對應關系。

戰(zhàn)時可以通過航空、航天偵察手段獲取遭打擊后相控陣天線圖像情報，運用計算機視覺技術，快速提取毀傷區(qū)域，判明天線陣列面損毀情況，據(jù)此構建遭打擊后的相控陣天線模型，然后仿真計算相控陣天線增益、副瓣電平等參數(shù)變化情況，分析其探測距離、抗干擾性的變化，進而完成功能毀傷評估任務。

1 相控陣天線目標特性分析

1.1 基本情況

相控陣天線采用電掃描方式工作，相較傳統(tǒng)雷達天線，能更快地切換波束，可以實現(xiàn)目標搜索、識別、跟蹤等多種功能，普遍應用于軍事領域，其典型應用是執(zhí)行導彈預警和空間監(jiān)視任務的早期預警雷達，各國現(xiàn)役的主要早期預警雷達均采用相控陣雷達體制，例如美國的“鋪路爪”雷達、俄羅斯“第聶伯”雷達和以色列“大衛(wèi)投石索”反導系統(tǒng)雷達等[6]。早期預警雷達主要戰(zhàn)術指標包括探測距離、抗干擾能力等,主要技術指標包括天線增益、副瓣電平等。相控陣天線是相控陣雷達目標的要害部位，由多個陣元排列構成，通過控制每個陣元電流幅度和相位變化，形成不同雷達波束，實現(xiàn)不同功能[7]。

1.2 物理特性

相控陣天線是雷達的主要組成部分，由多個小型天線單元(陣元)組成，每一個天線單元帶有一個移相器或由移相器和衰減器構成的幅相調(diào)整器，它們受計算機控制，可高速改變天線口徑的照射函數(shù)。對于有源相控陣天線，每個陣元除移相器和衰減器外，還包括發(fā)射信號的功率放大器(high power amplifier,HPA)和接收信號的低噪聲放大器(low noise amplifier,LNA)等電路。陣元是相控陣天線的要害部件，遭損毀后將影響天線探測性能。大型的相控陣天線(如“鋪路爪”雷達天線)因結構復雜、體積龐大，通常采用固定部署方式，且不安裝天線防護罩。由于位置固定、防護較弱，戰(zhàn)時易遭打擊，可以采用殺爆戰(zhàn)斗部打擊雷達天線，使部分陣元失效，進而使雷達戰(zhàn)技指標惡化[8]，達成作戰(zhàn)目的。

1.3 功能特性

相控陣天線主要功能是探測來襲目標，通常情況下，比較關注其探測距離和抗干擾性。為表征相控陣天線性能，選取探測距離、抗干擾性作為衡量天線功能的指標[9-10]。抗干擾性可通過副瓣電平表示，而探測距離可表示為

(1)

式中：Pt為峰值發(fā)射功率;Gt為天線增益;Ae為天線有效孔徑面積；σ為目標截面積;Smin為雷達最小可檢測信號。

(2)

打擊天線后，Pt,Gt,Smin發(fā)生變化，對探測距離造成較大影響。此外，由于打后天線物理結構發(fā)生改變，引起副瓣電平升高，導致抗干擾性能變差。

雷達接收機輸入信號功率為

(3)

式中：Ni為接收機輸入噪聲功率；Fn為接收機噪聲系數(shù)；(S/N)o為雷達接收機輸出信噪比，當雷達檢測門限等于最小輸出信噪比，即(S/N)o min時，Si為最小可檢測信號，即

(4)

將式(4)帶入式(2)，得到

(5)

遭毀傷后，天線副瓣電平升高，使得雷達抗干擾性能變差，雷達接收機輸入端噪聲功率Ni增加，根據(jù)式(5)，雷達探測距離Rmax減小。

2 方法途徑

如圖1所示，獲取遭打擊相控陣雷達天線航偵圖像后，根據(jù)雷達天線物理特性信息，直接截取毀傷天線陣面圖像，依托計算機視覺技術提取毀傷區(qū)域邊界。由于天線陣面與地面存在夾角，導致航偵圖像中的天線陣面出現(xiàn)一定程度的形變。因此，為了準確計算失效陣元的坐標，需要利用投影變換方法，確定提取的毀傷區(qū)域與真實區(qū)域的對應關系。而后，通過Matlab軟件構建遭毀傷的天線模型，仿真天線參數(shù)，計算功能指標變化，進而得出雷達性能下降情況。

圖1 航偵圖像毀傷區(qū)域智能檢測與評估流程圖Fig.1 Flowchart of intelligent detection and evaluation of space reconnaissance image damage area

2.1 雷達天線陣面毀傷區(qū)域檢測

圖2為模擬相控陣雷達天線被打擊后的航偵圖像，從航偵圖像中截取的天線陣面圖像實質(zhì)上是天線陣面到水平面的投影圖，如圖2左上角所示。為提取出毀傷區(qū)域的邊界，可利用計算機視覺中的邊緣檢測方法[11]。研究者提出很多邊緣檢測方法，如梯度檢測算子與Canny邊緣檢測算子等[12-13]。天線陣面圖的毀傷區(qū)域邊界兩側的像素灰度值具有顯著差異，屬于階躍的不連續(xù)邊緣，因此可利用梯度算子和Canny算子進行邊緣檢測。

圖2 相控陣天線被打擊后的航偵影像Fig.2 Space reconnaissance image of a phased array antenna after being hit

(6)

式(6)的偏導數(shù)可根據(jù)差分思想，利用小區(qū)域模板進行卷積近似計算。對Gx和Gy各用一個模板，將2個模板結合起來就構成一個梯度算子。根據(jù)模板的大小和元素值的不同，已經(jīng)提出許多不同的梯度算子，常見的有Roberts,Sobel,Prewitt等算子。與梯度算子不同，Canny算子先將圖像使用高斯函數(shù)進行平滑，得到f(x,y)*G(x,y)，再由一階微分的極大值確定邊緣點，能在抑制噪聲和邊緣檢測中取得較好的平衡。邊緣檢測算子的優(yōu)缺點比較如表1所示[14]。在實際使用過程中，要針對不同的環(huán)境條件和要求，選擇合適的算子對圖像進行邊緣檢測。

表1 邊緣檢測算子的優(yōu)缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of edge detection operator

2.2 毀傷區(qū)域失效陣元坐標計算

相控陣雷達天線的正視圖如圖3a)所示。從航偵圖像中提取的天線為俯視圖，天線的邊界區(qū)域已產(chǎn)生擠壓變形，如圖3b)所示，航偵圖像一般為衛(wèi)星平臺過頂時所拍攝，這里假設航偵圖像是拍攝平臺垂直于地平面時拍攝所獲得。

圖3 天線陣面正視圖與航偵圖像中的俯視圖對比Fig.3 Comparison of front view and top view of antenna array in space reconnaissance image

如圖4所示，相控陣雷達的天線由多個陣元組成，雷達的毀傷區(qū)域是陣元集合中的子集。為了在天線正視圖中標記出毀傷區(qū)域，可在俯視圖和正視圖構成的三維空間里，利用直線和其平行線在投射變換中的特點，即直線和其平行線投影后仍為直線，且各線段的比例不受投影的影響，計算出毀傷區(qū)域的相對位置，則可得到毀傷區(qū)域中陣元的坐標。

圖4 天線俯視圖和正視圖構成的三維空間Fig.4 A three-dimensional space composed of top view and front view

在天線俯視圖和正視圖構成的三維空間中，Ox方向上的尺寸具有不變性，如OA=O′A′，在俯視圖中可以直接量取的值。在Oy方向上，線條長度雖被壓縮，但是相互之間的比例保持不變，可得出

(7)

式中：O′B′與O′D的比值在天線俯視圖中可計算得出，OD的長度為相控陣雷達固有參數(shù)，因此可計算得出OB的值。

若以O點為原點建立二維平面坐標系，通過OA和OB線段的長度，可以定位天線俯視圖中點P′在天線正視圖上點P的坐標。顯然，將天線俯視圖中毀傷區(qū)域映射到正視圖中，即可在天線正視圖中找出被毀傷的所有陣元坐標。

2.3 天線模型的構建與功能分析

為計算不同物理毀傷情況下，相控陣天線功能毀傷情況，首先，通過Matlab軟件的Phased Array System Toolbox工具箱構建相控陣天線模型；然后，計算遭毀傷前后天線增益、副瓣電平等技術參數(shù)；

最后，根據(jù)天線技術參數(shù)分析探測距離、抗干擾性能等戰(zhàn)術指標，并據(jù)此評估相控陣天線功能毀傷情況。

根據(jù)天線原理，在假定目標截面積、發(fā)射信號、傳播環(huán)境、外界噪聲、接收機和發(fā)射機性能等因素不變的情況下，相控陣天線的探測距離和抗干擾性能主要與天線增益、副瓣電平和平均副瓣電平等有關。其中，探測距離采用式(5)計算，抗干擾性能主要依據(jù)副瓣電平和天線方向圖進行評估。

完好天線模型如圖5所示，將失效陣元刪除后，即得到遭毀傷的天線模型。

圖5 相控陣天線模型Fig.5 Phased array antenna model

完好天線的增益方向圖，如圖6所示。

圖6 相控陣天線的增益方向圖Fig.6 Gain pattern of phased array antenna

假設目標的雷達截面積10 m2，經(jīng)過計算，副瓣電平-30.92 dB，探測距離295.95 km。遭毀傷的天線模型如圖7所示(毀傷陣元數(shù)量為500個)。

圖7 遭毀傷的天線模型Fig.7 Damaged phased array antenna model

其增益方向圖，如圖8所示。

圖8 遭毀傷天線的增益方向圖Fig.8 Gain pattern of damaged phased array antenna

經(jīng)過計算，副瓣電平-23.04 dB，探測距離184.66 km。

3 仿真實驗

3.1 物理毀傷信息提取

利用邊緣檢測算法對天線陣面投影圖中的毀傷區(qū)域進行檢測，結果如圖9所示，a)～d)分別為Roberts，Sobel，Prewitt，Canny等算子的檢測結果。對比梯度算子類的邊緣檢測結果，Canny算子檢測結果異常點少，且邊緣更為清晰、連貫，本文將其作為毀傷區(qū)域邊界。

圖9 遭打擊天線陣面航偵圖像的毀傷區(qū)域邊緣檢測結果Fig.9 Detection results of damaged area edge of space reconnaissance image of hit antenna array

利用天線俯視圖和正視圖構成的三維空間中的投影變換關系，將投影圖中的毀傷區(qū)域邊界映射至正視圖中，結果如圖10a)所示。根據(jù)毀傷區(qū)域紅色邊緣劃定的范圍，確定遭到毀傷的所有陣元坐標位置，如圖10b)所示，后續(xù)在此基礎上可以進行功能毀傷評估。

圖10 天線正視圖上的毀傷區(qū)域Fig.10 Damaged area in the antenna view

3.2 天線功能毀傷評估仿真

根據(jù)失效陣元坐標計算結果，可確定毀傷區(qū)域的陣元數(shù)量為156個，圖11所示為打后天線模型。

圖11 遭破片毀傷的天線模型Fig.11 A model of an antenna damaged by a fragment

遭破片毀傷后的天線增益方向圖，如圖12所示。

圖12 遭破片毀傷后天線的增益方向圖Fig.12 Gain pattern of the antenna after fragment damage

對比完好的天線，遭毀傷后天線參數(shù)如下：

副瓣電平為-19.74 dB，升高約36.16%；最遠探測范圍178.54 km(RCS=10 m2)，下降約39.67%?？梢园l(fā)現(xiàn)，副瓣電平升高，較大地影響了天線抑制雜波能力和抗干擾性能。同時，探測距離大幅下降。

3.3 毀傷程度分析

雷達天線功能毀傷評估標準如表2所示[15-16]。根據(jù)3.2節(jié)，遭毀傷雷達天線的探測距離和抗干擾性能分別下降39.67%和36.16%，計算天線整體毀傷程度為0.5×39.67%+0.5×36.16%=37.91%。根據(jù)表2，則毀傷等級為中度毀傷。

表2 目標毀傷等級評判標準Table 2 Evaluation criteria of damage level

4 結束語

相控陣天線是早期預警雷達的要害部位，打擊相控陣天線通常采用殺爆彈，利用破片等毀傷效應達到作戰(zhàn)目的。根據(jù)偵察圖像，通過計算機視覺技術提取陣元毀傷信息，得到天線物理毀傷情況，根據(jù)物理毀傷情況構建相應的天線模型，計算破片作用下天線性能變化情況。仿真結果表明，遭打擊后，相控陣天線的探測距離和抗干擾性能都下降，相關結果可作為相控陣天線功能毀傷評估的量化參考依據(jù)。