登陸作戰(zhàn)中紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率評(píng)判?

王印來(lái) 陳松輝 楊方應(yīng)

（海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430）

1 問(wèn)題的提出

紅外偵察是指使用紅外線儀器進(jìn)行的偵察，也稱紅外線偵察，是利用目標(biāo)自身的紅外輻射特性及紅外反射特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行的光學(xué)偵察［1］。信息化條件下，作戰(zhàn)指揮對(duì)情報(bào)的依賴性顯著增強(qiáng)，對(duì)情報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性提出了更高的要求，僅僅依靠高技術(shù)偵察手段已經(jīng)難以滿足指揮決策對(duì)情報(bào)的需求。使用紅外偵察手段實(shí)施地面?zhèn)刹斐蔀閼?zhàn)役登陸作戰(zhàn)指揮員獲取情報(bào)信息的一個(gè)重要途徑。在作戰(zhàn)使用中，紅外偵察器材主要用于夜間搜索、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別或跟蹤敵前沿、縱深的地面或海上的軍事目標(biāo)。如敵有生力量、裝甲目標(biāo)、偵察預(yù)警裝置，甚至是水下目標(biāo)。其特點(diǎn)是行動(dòng)隱蔽，能穿透云霧、煙塵和一定的偽裝實(shí)施偵察，能夠發(fā)現(xiàn)偽裝或遮蔽物后的目標(biāo)、目標(biāo)離開以后留下的熱痕跡，甚至埋藏在地下的地雷等。但是在遇到大的云層或下雨等情況時(shí)，由于環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的差異變小，紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率會(huì)大大降低。因此，評(píng)判紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率存在一定難度。

2 影響紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的參數(shù)分析

目前，很多有關(guān)紅外偵察技術(shù)的資料均以調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、噪聲等效溫差（NTD）、最小可分辨溫差（MRTD）等參數(shù)分別來(lái)表征探測(cè)器的性能。在推導(dǎo)MRTD時(shí)，首先考慮的是偵察器材系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)圖像信噪比的影響。在此條件下，定義目標(biāo)圖像的探測(cè)器輸出信噪比SNRi為

此時(shí)的目標(biāo)為處于均勻背景中足夠大的目標(biāo)，目標(biāo)與背景均假定為黑體。式（1）意味著當(dāng)SNRi為1時(shí)，溫差ΔT為NETD，并以此為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算最小可分辨MRTD：

式（2）中，fi是測(cè)試圖案的空間角頻率（周／毫弧）；α是系統(tǒng)的水平視場(chǎng)角；β是系統(tǒng)的垂直視場(chǎng)角；（Te·F）是人眼時(shí)間積累效應(yīng)，Te是人眼積累時(shí)間（一般約0.2s～0.3s），F(xiàn)是幀頻；τd是紅外偵察器材駐留時(shí)間；ΔfR是偵察器材內(nèi)部系統(tǒng)的等效噪聲帶寬［3］。

雖然溫差是影響紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的一個(gè)最直接的因素，但并不是唯一因素，如果單純以可察覺(jué)信噪比與系統(tǒng)最小可分辨溫差、目標(biāo)與背景的輻射溫差等因素來(lái)衡量紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，事實(shí)上是不夠客觀和全面的。在登陸作戰(zhàn)中，實(shí)際影響紅外偵察效能的因素要遠(yuǎn)比上述情況復(fù)雜得多，很難依此進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬計(jì)算。

3 數(shù)學(xué)評(píng)判模型的建立

3.1 評(píng)判指標(biāo)體系

通過(guò)分析紅外偵察器材的戰(zhàn)斗性能和工作特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)影響其戰(zhàn)斗效能的主要因素有紅外偵察器材的技術(shù)性能狀況、偵察人員的綜合偵察水平、目標(biāo)的外表特征、目標(biāo)的位置特征、目標(biāo)的偽裝程度、目標(biāo)與背景間的對(duì)比度、大氣透過(guò)率等。由此可以看出對(duì)于諸如地理環(huán)境、氣象條件、目標(biāo)的偽裝等因素對(duì)紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響，很難確定一個(gè)較為明確的大小或明晰的界限。所以可以考慮用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率進(jìn)行綜合評(píng)判。主要從以下三個(gè)指標(biāo)層研究登陸作戰(zhàn)中紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率評(píng)判指標(biāo)體系，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

圖1 登陸作戰(zhàn)中紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率評(píng)判指標(biāo)體系

指標(biāo)體系的頂層為綜合指標(biāo)層，是登陸作戰(zhàn)中紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率評(píng)判的結(jié)果集，擬選定五個(gè)評(píng)判結(jié)果，概率由大到小分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ個(gè)等級(jí)，其余為子指標(biāo)層。在第一層子指標(biāo)中，主要從紅外偵察器材的綜合偵察能力、目標(biāo)所處的環(huán)境和目標(biāo)的特性三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)判。由于評(píng)判因素子集的定義相對(duì)比較復(fù)雜，這里只重點(diǎn)分析以上七種因素對(duì)紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率的影響，并將其設(shè)置為第二層子指標(biāo)，分類對(duì)應(yīng)第一層子指標(biāo)。紅外偵察器材的技術(shù)性能狀況u11，主要是反映偵察器材的性能及其工作狀態(tài)，此項(xiàng)數(shù)值越大表示其發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力越強(qiáng)。偵察員的綜合偵察水平u12，主要是指紅外偵察器材的性能狀態(tài)和偵察員使用紅外偵察器材的能力，可將其從優(yōu)到劣分為1～5個(gè)等級(jí)。目標(biāo)的外表特征u21，即目標(biāo)的外形、大小、顏色、亮度和陰影等外表特征，此項(xiàng)數(shù)值越大表示目標(biāo)隱蔽性越好，被紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)的概率越低。目標(biāo)的位置特征u22，即目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)配置位置，主要是指目標(biāo)位置之間的相互關(guān)系及位置部署上的戰(zhàn)術(shù)規(guī)律性，如目標(biāo)配置于海岸防御前沿或距前沿指揮所等其他重要目標(biāo)越近，則被發(fā)現(xiàn)的概率越大。此項(xiàng)數(shù)值越大表示被發(fā)現(xiàn)的概率越大。目標(biāo)的偽裝程度u23，包括天然偽裝和人工偽裝，其數(shù)值越大其隱蔽效果越好。目標(biāo)與背景間的對(duì)比度u31，即目標(biāo)的光、熱和顏色等物理量與所處的環(huán)境背景之間的差別，此項(xiàng)數(shù)值越大表示對(duì)比程度越大，目標(biāo)的隱蔽性越差，被發(fā)現(xiàn)的概率就越大。目標(biāo)環(huán)境的大氣透過(guò)率u32，其數(shù)值越大，表示大氣透過(guò)率越高，目標(biāo)紅外輻射的衰減越小，被發(fā)現(xiàn)的概率越大。

3.2 評(píng)判模型

根據(jù)上述綜合指標(biāo)層設(shè)定的評(píng)判概率，可以將評(píng)判等級(jí)的模糊子集定義為

將評(píng)判因素模糊子集定義為

按照各個(gè)因素不同的屬性，將它們進(jìn)一步分為以下三個(gè)子集：

在以上分析的基礎(chǔ)上，建立目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的二級(jí)綜合評(píng)判模型。首先對(duì)U1，U2，U3三個(gè)子集進(jìn)行第一級(jí)綜合評(píng)判，取概率算子模型為

其中：

X1，X2，X3分別為子集U1，U2，U3評(píng)判因素的權(quán)重集；R1，R2，R3分別為子集U1，U2，U3中評(píng)判因素與評(píng)判等級(jí)中的模糊關(guān)系矩陣；Y1，Y2，Y3分別為子集U1，U2，U3的一級(jí)評(píng)判結(jié)果［4］。

在一級(jí)評(píng)判結(jié)果的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行第二級(jí)綜合評(píng)判。其數(shù)學(xué)模型為

式（6）中X為子集U中的評(píng)判因素權(quán)重集；Y為二級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果。

4 分布函數(shù)的確定

通過(guò)確立模糊分布函數(shù)（隸屬函數(shù)），可以求出模糊關(guān)系矩陣R1，R2，R3中的元素rijk，即評(píng)判因素uij（i＝1，2，3；j＝1，2，3）對(duì)評(píng)判等級(jí)Pk（k＝1，2，3，4，5）的隸屬度μijk（uij），從而，可根據(jù)式（6）、（7）進(jìn)行一級(jí)綜合評(píng)判。

顯然，評(píng)判因素uij（i＝1，2，3；j＝1，2，3）相對(duì)于某一評(píng)判等級(jí)的隸屬度是受多方面因素影響的?？刹捎米畛Ｒ姷哪：植迹醇俣總€(gè)評(píng)判因素對(duì)每個(gè)評(píng)判等級(jí)的隸屬函數(shù)是正態(tài)分布的，其形式為

其中：μijk（uij）為第一層第i類指標(biāo)中的第j個(gè)因素uij，對(duì)第k個(gè)評(píng)判等級(jí)Pk的隸屬度；mijk為第i類指標(biāo)中的第j個(gè)因素uij對(duì)第k個(gè)評(píng)判等級(jí)Pk的統(tǒng)計(jì)值的均值；σijk為第i類指標(biāo)中的第j個(gè)因素uij對(duì)第k個(gè)評(píng)判等級(jí)Pk的統(tǒng)計(jì)值的方差。則由式（6）～式（9），可進(jìn)行二級(jí)綜合評(píng)判。

5 實(shí)例分析

5.1 確定統(tǒng)計(jì)值

假定目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的諸影響因素（u11，u12，u21，u22，u23，u31，u32）的 統(tǒng) 計(jì) 值 相 對(duì) 于 每 個(gè) 評(píng) 判等級(jí)的均值mijk如表1所示，均方差σij如表2所示。這里假定對(duì)同一因素uij來(lái)說(shuō)，它的統(tǒng)計(jì)值的均方差對(duì)任一評(píng)判等級(jí)Pk都是相同的，即σijk＝σij。

表1 評(píng)判因素在各評(píng)判等級(jí)中的均值

表2 評(píng)判因素在各評(píng)判等級(jí)的均方差

5.2 確定權(quán)重

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專家打分，設(shè)定評(píng)判因素權(quán)重集X1，X2，X3為

設(shè)定U1，U2，U3在u11，u12，u21，u22，u23，u31，u32中的權(quán)重分別為：0.65，0.55，0.45，即X＝（0.65 0.55 0.45）。

5.3 綜合評(píng)判

當(dāng)影響紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的諸因素具體參數(shù)為：u11＝1，u12＝2，u21＝0.5，u22＝0.8，u23＝0.4，u31＝0.6，u32＝0.55時(shí)，計(jì)算一下綜合評(píng)判結(jié)果。

首先將u11，u12，u21，u22，u23，u31，u32，各參數(shù)代人式（7），查表2和表3，可計(jì)算各自的隸屬度。例如：對(duì)u23的隸屬度計(jì)算如下

按照以上方法，計(jì)算出其它各評(píng)判因素的隸屬度，將其列入表3。

表3 各評(píng)判因素的隸屬度

將表3所列出的隸屬度值按式（3）對(duì)子集所進(jìn)行的劃分，可以分別列出子集U1，U2，U3的模糊矩陣如下：

則由式（4），采用概率算子模型進(jìn)行一級(jí)評(píng)判，可得：

由式（6）進(jìn)行二級(jí)綜合評(píng)判：

從以上二級(jí)結(jié)果的隸屬度分布可知，該目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率可以綜合評(píng)定為二級(jí)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以登陸作戰(zhàn)為背景，針對(duì)紅外偵察器材的工作原理和性能特點(diǎn)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法建立的紅外偵察器材發(fā)現(xiàn)目標(biāo)評(píng)判模型，可以對(duì)紅外偵察器材在各種條件下對(duì)不同目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行綜合評(píng)判。研究結(jié)論對(duì)于登陸作戰(zhàn)的指揮決策和偵察力量的作戰(zhàn)運(yùn)用具有一定的輔助作用。由于在實(shí)際的作戰(zhàn)運(yùn)用中，影響紅外偵察器材作戰(zhàn)效能的因素非常復(fù)雜，本文僅僅是考慮了其中較為突出的幾種，故所得結(jié)論與實(shí)際情況難免存在一定誤差。

［1］全軍軍事術(shù)語(yǔ)管理委員會(huì)，軍事科學(xué)院.中國(guó)人民解放軍語(yǔ)［M］.北京：軍事科學(xué)出版社，2011：209.

［2］徐賢勝.陸軍信息化武器裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估理論與方法研究［M］.北京：海潮出版社，2010：185－196.

［3］許衛(wèi)東，梁洪鈞，呂進(jìn).熱紅外偵察條件下戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的計(jì)算［J］.工兵裝備研究1996（2）：132－136.

［4］周剛，馬穎，光電偵察對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的FUZZY評(píng)判［C］／／陳信禮.軍事運(yùn)籌與決策.北京：海潮出版社，1998：349－353.

［5］張玉輝，侯著榮，聯(lián)合作戰(zhàn)軍隊(duì)指揮效能評(píng)估初探［C］／／劉新華.聯(lián)合作戰(zhàn)與軍事系統(tǒng)工程.北京：海潮出版社，2004：578－583.

［6］閻文麗，郝佳新.指數(shù)方法在武器裝備體系效能評(píng)估中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（4）.8－10.

［7］賈子英，李勇，劉衛(wèi)東.基于系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)函數(shù)和IAHP的預(yù)警機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（4）：461－464.

［8］董樹軍，汪江華，張慶捷.作戰(zhàn)效率分析［M］.北京：解放軍出版社，2002：71－76.

［9］韓衛(wèi)華，白智平，王家營(yíng).目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的計(jì)算方法探索［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2007：25－27.

［10］陳曉蘭，劉蒲凰.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2004：191－192.