煙幕對(duì)紅外成像干擾效能評(píng)估方法研究

吳玉交，閆 喆

（1.91604部隊(duì) 山東 龍口 265700；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生4隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）

煙幕對(duì)紅外成像干擾效能評(píng)估方法研究

吳玉交1，閆 喆2

（1.91604部隊(duì) 山東 龍口 265700；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生4隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）

煙幕作為干擾精確制導(dǎo)武器的主要手段之一，以其便捷、廉價(jià)的特點(diǎn)得以廣泛使用，而如何評(píng)價(jià)其干擾效能尤為重要。針對(duì)解決目前煙幕干擾紅外成像效能評(píng)估沒(méi)有權(quán)威方法問(wèn)題的目的，本文采用利用典型紅外成像制導(dǎo)武器的成像過(guò)程與及其影響成像干擾因素特點(diǎn)的方法，依據(jù)紅外成像制導(dǎo)武器在不同作用距離上的成像特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)成果論證，提出了的煙幕干擾評(píng)估方法，以及對(duì)各制導(dǎo)成像階段針對(duì)性較強(qiáng)的評(píng)估準(zhǔn)則。

煙幕；干擾；評(píng)估；紅外成像

成像跟蹤、探測(cè)、制導(dǎo)是精確武器的重要體現(xiàn)，而煙幕已成為一種應(yīng)用廣泛的于對(duì)抗成像型武器的無(wú)源干擾手段，其性能測(cè)量直接影響到對(duì)成像武器的干擾效能評(píng)估[1]。目前對(duì)煙幕干擾的評(píng)估尚無(wú)經(jīng)典和權(quán)威的評(píng)估體系和指標(biāo)，需要根據(jù)相應(yīng)的成像設(shè)備、使用條件、煙幕釋放、形成、擴(kuò)束等方面的情況進(jìn)行具體的評(píng)估[2]。需要利用成像探測(cè)跟蹤、光電對(duì)抗、煙幕試驗(yàn)等方面的理論與工程經(jīng)驗(yàn)分析、歸納、總結(jié)[3]。

紅外成像跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是：作用距離比可見(jiàn)光遠(yuǎn)；在遠(yuǎn)距離相對(duì)于紅外點(diǎn)源成像具有目標(biāo)選擇能力；在末制導(dǎo)階段可以進(jìn)行命中點(diǎn)選擇。而當(dāng)探測(cè)視場(chǎng)中存在煙幕目標(biāo)、背景干擾的影響時(shí)，這些優(yōu)點(diǎn)均會(huì)受到削弱[4]。

紅外成像干擾典型評(píng)估準(zhǔn)則一般包括信息準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、概率準(zhǔn)則、效率準(zhǔn)則、目標(biāo)鑒別概率變化準(zhǔn)則、作用距離變化準(zhǔn)則、相似度變化準(zhǔn)則等[5]，具體的指標(biāo)一般為脫靶量、制導(dǎo)誤差、命中概率等[6]。

根據(jù)對(duì)大量煙幕試驗(yàn)結(jié)果分析，在遠(yuǎn)距離上對(duì)煙幕干擾的評(píng)價(jià)應(yīng)側(cè)重與作用距離及識(shí)別概率的影響，在中距離階段應(yīng)側(cè)重相關(guān)性及跟蹤誤差的影響，在近距離或末制導(dǎo)段應(yīng)側(cè)重命中概率與脫靶量的影響。

1 適用于遠(yuǎn)距離成像的煙幕干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)方法

1.1 紅外成像系統(tǒng)作用距離評(píng)價(jià)方法

非掃描形式的紅外成像跟蹤系統(tǒng)的作用距離為

其中Iλ為已知目標(biāo)輻射強(qiáng)度；α為大氣衰減系數(shù)；R為探測(cè)系統(tǒng)至目標(biāo)的距離；

NETD為紅外熱像儀的等效噪聲溫差；ω為熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)（sr）；SNR為信噪比；η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

其中MλT為光譜輻射出射強(qiáng)度；c1為第一輻射常量；c2為第二輻射常量；λ1和λ2為輻射的起始和截止波長(zhǎng)。

當(dāng)目標(biāo)的溫度T、面積A、表面材料發(fā)射率ε已知時(shí)，作用距離可以使用下式進(jìn)行估算：

從上式可以看出，煙幕對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)的作用距離主要影響信噪比指標(biāo)。

1.2 識(shí)別概率評(píng)價(jià)方法

最小可分辨溫差（MRTD）是紅外成像系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，指在一定的空間頻率下能夠分辨的目標(biāo)與背景各部分間的最小溫差，它反映了紅外系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率，煙幕對(duì)目標(biāo)與背景的消光、遮蔽與模糊等影響，對(duì)紅外成像系統(tǒng)（尤其是使用“人在回路”控制功能的紅外成像系統(tǒng)）的這個(gè)參數(shù)產(chǎn)生影響，使得在一定的距離上能夠在成像視場(chǎng)中形成的目標(biāo)線(xiàn)對(duì)數(shù)量由于遮蔽、模糊而減少，影響目標(biāo)的正確判讀概率，干擾紅外成像系統(tǒng)的探測(cè)識(shí)別能力。下表1為研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到的不同探測(cè)等級(jí)在不同概率情況下所需的目標(biāo)等效的線(xiàn)對(duì)數(shù)量。

2 適用于中距離成像的評(píng)價(jià)指標(biāo)方法

2.1 小視場(chǎng)紅外圖像相關(guān)性評(píng)價(jià)方法

煙幕干擾使紅外成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量發(fā)生變化，各種概率條件下所需的目標(biāo)線(xiàn)對(duì)數(shù)如表1所示，干擾效果反映在圖像處理中的客觀指標(biāo)可以用圖像干擾前后的相似度變化來(lái)衡量，即干擾前后的紅外成像圖像的相關(guān)函數(shù)，而小視場(chǎng)成像決定了紅外圖像的像素?cái)?shù)量相對(duì)較小，為其相關(guān)性處理的算法的實(shí)時(shí)性提供了保證。其歸一化相關(guān)函數(shù)為

表1 各種概率條件下所需的目標(biāo)線(xiàn)對(duì)數(shù)Tab.1 The lines required under miscellaneous probability circumstance

其中式中fij為干擾實(shí)施前圖像第i行第j列的像素灰度值；gij為干擾實(shí)施后圖像第i行第j列的像素灰度值；m和n分別是紅外成像圖像的像素行數(shù)和列數(shù)。

由Cauchy-Schwarz不等式可知，在任何情況下，均有0≤C≤1。當(dāng)兩幅圖像完全相同時(shí)，C=1為最大值，此時(shí)圖像相關(guān)性最高。當(dāng)干擾使得紅外圖像灰度發(fā)生變化時(shí)有C＜1，且變化越大C值越小，相關(guān)性越低。當(dāng)C=0時(shí)完全不相關(guān)。因此可以利用相關(guān)函數(shù)值的大小反映紅外圖像之間的相關(guān)性，其變化的程度反映煙幕干擾的效果，可根據(jù)干擾效果能否影響目標(biāo)識(shí)別設(shè)定相關(guān)函數(shù)值的閾值，進(jìn)而劃分干擾的程度等級(jí)，例如：當(dāng)相關(guān)函數(shù)近似等于1，圖像無(wú)明顯變化，即干擾無(wú)效；相關(guān)函數(shù)小于1大于閾值，圖像對(duì)比度（或信噪比）下降，探測(cè)距離降低，但在規(guī)定試驗(yàn)條件下能夠識(shí)別規(guī)定目標(biāo)；相關(guān)函數(shù)小于閾值，在規(guī)定試驗(yàn)條件下不能識(shí)別規(guī)定目標(biāo)。

2.2 跟蹤誤差評(píng)價(jià)方法

煙幕直接影響了紅外成像跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)特征提取和特征選擇的過(guò)程，增加了跟蹤誤差變大的概率。紅外圖像進(jìn)行目標(biāo)特征提取需要進(jìn)行圖像分割，形成二值圖像，將目標(biāo)與背景分割。當(dāng)煙幕干擾時(shí)，高灰度值對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)數(shù)減少，低灰度值對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)數(shù)增多，總的灰度等級(jí)數(shù)減少，當(dāng)煙幕的對(duì)紅外輻射的透過(guò)率降低一定程度時(shí)，灰度等級(jí)數(shù)將趨向于極限值1，此時(shí)無(wú)法使用上述方法分割圖像。

對(duì)于典型的紅外成像跟蹤方法，煙幕的干擾根據(jù)其圖像處理的算法產(chǎn)生影響。例如對(duì)于用矩心跟蹤法的紅外成像系統(tǒng)，當(dāng)煙幕遮蔽目標(biāo)使目標(biāo)圖像的輻射產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻變化時(shí)，跟蹤波門(mén)擴(kuò)大，灰度值超過(guò)閾值的像元數(shù)發(fā)生變化。對(duì)于用矩心跟蹤法的紅外成像系統(tǒng)，如圖1所示。其相關(guān)函數(shù)為

其中 S（u，v）和 R（u，v）分別是源圖像和實(shí)時(shí)對(duì)比圖像的灰度分布。

圖1 相關(guān)跟蹤中的基準(zhǔn)圖像與實(shí)時(shí)圖像Fig.1 Sample image and real-time image in the relative tracking

當(dāng)有煙幕干擾目標(biāo)時(shí)，造成實(shí)時(shí)圖像的灰度產(chǎn)生不均勻變化，此時(shí)實(shí)時(shí)圖像灰度分布函數(shù)改變?yōu)镽′（u+x，v+y）。這時(shí)，它與源圖像的灰度分布函數(shù)間的相關(guān)函數(shù)為

相關(guān)跟蹤的配置點(diǎn)坐標(biāo)誤差為，Δx=x-x′，Δy=y-y′。

3 適用于近距離（成像末制導(dǎo)段）的評(píng)價(jià)指標(biāo)方法

3.1 命中概率評(píng)估法

命中概率是導(dǎo)彈的脫靶量ρ落在以目標(biāo)為中心，半徑為殺傷半徑為的R圓內(nèi)（即ρ≤R）的概率。命中概率受導(dǎo)引誤差分布規(guī)律影響，導(dǎo)引誤差服從正態(tài)分布。

假設(shè)有一通過(guò)目標(biāo)質(zhì)心O，垂直于導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)速度方向的平面YOZ，導(dǎo)彈在 YOZ的彈著點(diǎn)（y，z）為按正態(tài)分布的二維隨機(jī)變量，分布概率密度為

其中，my，mz為彈著點(diǎn)的平均坐標(biāo)，彈著點(diǎn)與目標(biāo)間的距離 ρ0為系統(tǒng)誤差；σy，σz分別為彈著點(diǎn)在 y軸和 z軸方向上的均方差。彈著點(diǎn)在靶平面上的分布如圖2所示。

以極坐標(biāo)替換直角坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，可得脫靶量的分布函數(shù)為

圖2 彈著點(diǎn)在靶平面上的散布Fig.2 Distribution of shooting position in target

其中，I0（ρρ0/σ2）是零階第一類(lèi)變形貝塞爾函數(shù)，從上式中可知脫靶量是遵循廣義瑞利分布的。 設(shè) R=ρ/σ，A=ρ0/σ，則

若導(dǎo)彈殺傷半徑為ρd，定義ρd/σ=Rd為相對(duì)殺傷半徑，則導(dǎo)彈的命中概率為

當(dāng)導(dǎo)彈受到干擾形成了導(dǎo)彈彈著點(diǎn)分布中心與目標(biāo)中心不重合的情況（即ρ0≠0，這是系統(tǒng)誤差），但對(duì)純屬隨機(jī)誤差的彈著點(diǎn)分布方差σ無(wú)影響，此時(shí)導(dǎo)彈的命中概率為

這時(shí)有P′1＜P1，表示導(dǎo)彈受到干擾后發(fā)命中概率降低。

3.2 脫靶量評(píng)價(jià)方法

設(shè)目標(biāo)在靶平面上的位置矢量為r0，彈著點(diǎn)的位置矢量為 ri（i=1，2，…，n），n 是有效試驗(yàn)的次數(shù)，第 i次試驗(yàn)的脫靶量矢量為Δr=ri-r0，平均脫靶量矢量為

理論分析及大量試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了正常情況下制導(dǎo)武器的制導(dǎo)誤差服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，制導(dǎo)武器彈著點(diǎn)落在以目標(biāo)為中心半徑為S的圓內(nèi)的概率將為68.27%，落在以2S和3S為半徑的范圍內(nèi)的概率則分別為95.45%和99.73%，因此可以3S為界限判定干擾對(duì)制導(dǎo)誤差的影響是否超出正常制導(dǎo)精度的允許范圍。

如果未受到煙幕干擾時(shí)制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度為S0，受到煙幕干擾后脫靶量大小為Δr，可以判斷當(dāng)Δr≤3S0時(shí)，煙幕干擾基本無(wú)效；當(dāng)Δr＞3S0時(shí)，煙幕干擾有效。在實(shí)際使用中，由于干擾效果有很大的隨機(jī)性，需要進(jìn)行多次干擾試驗(yàn)并記錄分析脫靶量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)歸納出干擾成功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

紅外成像制導(dǎo)由于其制導(dǎo)過(guò)程相對(duì)距離和時(shí)間短，而相對(duì)成像視場(chǎng)小，有其自身特定的規(guī)律，而煙幕對(duì)其干擾的效能評(píng)價(jià)也相應(yīng)的需要針對(duì)其不同階段的特定才有實(shí)際意義，由于目前尚無(wú)針對(duì)紅外成像制導(dǎo)全過(guò)程的唯一權(quán)威評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，針對(duì)性強(qiáng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)更有實(shí)際價(jià)值。因此，通過(guò)對(duì)多次煙幕外場(chǎng)試驗(yàn)的多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行各典型指標(biāo)分析歸納出基于紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的作用距離的針對(duì)性評(píng)價(jià)更能夠相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)其對(duì)制導(dǎo)過(guò)程的干擾效能。

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Research about evaluation for the disturb efficiency of smoke to the IR imaging

WU Yu-jiao1，YAN Zhe2
（1.91604thUnit， Longkou 265700， China；2.4thGraduate Student Team of Navy Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China）

Smoke is now widely used as a cheap and convenience way to disturb photoelectricity imaging guidance weapons.And how to evaluate the disturb efficiency of smoke is very important to the imaging guidance weapons.In order to solve problem that the evaluate smoke disturb efficiency without authority rules presently.Consider the relative characters of classic IR imaging guidance weapon in different imaging period at different imaging distance and concluded with their imaging and interfere character，this paper present the smoke disturb efficiency evaluation method.

smoke； disturb； evaluation； IR imaging

TN972

A

1674-6236（2014）15-0001-03

2014-04-15 稿件編號(hào)：201404155

國(guó)家“863”創(chuàng)新自然基金（2110AAJ211）

吳玉交（1978—），男，湖南岳陽(yáng)人，助理工程師。研究方向：跟蹤測(cè)量方向。