王 琦,張洪波
(1.92941部隊(duì),遼寧葫蘆島125001;2.海軍航空工程應(yīng)用所,北京100071)
紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)及評估方法
王 琦1,張洪波2
(1.92941部隊(duì),遼寧葫蘆島125001;2.海軍航空工程應(yīng)用所,北京100071)
紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾能力是其抗干擾能力的重要部分。常規(guī)方法對場地和實(shí)施要求很高,試驗(yàn)次數(shù)安排有限。文章對該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題開展分析和研究,根據(jù)紅外探測設(shè)備作用距離與目標(biāo)能量的關(guān)系,采用“等效試驗(yàn)”構(gòu)建外場靜態(tài)試驗(yàn)干擾環(huán)境,并合理選擇試驗(yàn)因素采用均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定抗干擾試驗(yàn)方案和評估方法。該方案可指導(dǎo)試驗(yàn)獲得科學(xué)合理有效的數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)煙幕干擾環(huán)境下紅外探測設(shè)備的抗干擾能力的準(zhǔn)確評估。
紅外探測設(shè)備;煙幕干擾;試驗(yàn)設(shè)計(jì);試驗(yàn)評估
煙幕是嚴(yán)重影響紅外探測設(shè)備作戰(zhàn)性能的干擾因素之一。紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾能力是其抗干擾能力的重要部分,一般可組織安排動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對紅外探測設(shè)備該能力進(jìn)行檢測。紅外探測設(shè)備對紅外目標(biāo)的跟蹤距離指標(biāo)為R/km,常規(guī)試驗(yàn)時(shí)需要安排一個(gè)至少為R/km長的寬闊無遮區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)施放煙幕,煙幕需彌漫在紅外探測設(shè)備視場內(nèi),目標(biāo)與紅外探測設(shè)備的距離由遠(yuǎn)及近,檢測紅外探測設(shè)備的跟蹤情況。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際情況相符,缺點(diǎn)是環(huán)境條件不能人為控制,且使用的發(fā)煙劑量大、煙幕覆蓋范圍寬、擴(kuò)散快、實(shí)際操作時(shí)難度較大、數(shù)據(jù)重復(fù)性差。因此,如何科學(xué)、合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)獲得等效跟蹤距離并進(jìn)行有效評估是抗煙幕干擾試驗(yàn)亟待解決的問題。
本文主要對紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題開展分析和研究。試驗(yàn)以紅外探測設(shè)備面臨的自然煙幕環(huán)境和戰(zhàn)場煙幕干擾為研究背景,根據(jù)紅外探測設(shè)備作用距離與目標(biāo)能量的關(guān)系,采用“等效試驗(yàn)”構(gòu)建小場地外場靜態(tài)試驗(yàn)干擾環(huán)境,并合理選擇試驗(yàn)因素,采用均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定抗干擾試驗(yàn)方案和評估方法。該方案實(shí)施要求低、操作便利,可指導(dǎo)試驗(yàn)獲得科學(xué)合理有效的數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)煙幕干擾環(huán)境下紅外探測設(shè)備抗干擾能力的準(zhǔn)確評估。
煙幕干擾是指采用煙幕彈在空中形成煙幕墻,利用煙幕對光輻射的折射、散射和吸收作用,衰減目標(biāo)紅外輻射能量和目標(biāo)對光的反射能量,從而使光電探測設(shè)備難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的一種無源干擾方式。煙幕干擾主要有輻射遮蔽和衰減遮蔽2種形式,輻射遮蔽通常是利用燃燒反應(yīng)生成大量高溫氣溶膠微粒,憑借其較強(qiáng)的紅外輻射來遮蔽目標(biāo)、背景的紅外輻射。衰減遮蔽主要是利用煙幕中多達(dá)109/cm3數(shù)量級的微粒對目標(biāo)和背景的紅外輻射產(chǎn)生吸收、散射使進(jìn)入紅外探測器的輻射能低于系統(tǒng)的探測門限,從而保護(hù)目標(biāo)不被發(fā)現(xiàn)[1-2]。
對紅外探測設(shè)備進(jìn)行煙幕干擾的主要戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用方式是在空襲的主要突擊方向上布設(shè)大面積煙幕干擾,形成干擾幕,以掩護(hù)目標(biāo)。實(shí)際作戰(zhàn)中,導(dǎo)彈、目標(biāo)和煙幕三者都是運(yùn)動(dòng)的,相對的瞬時(shí)位置不斷變化,煙幕墻必須布放在紅外探測器和目標(biāo)之間,以遮擋紅外探測器的視線,使其失去目標(biāo)位置,破壞其對目標(biāo)的跟蹤。
常規(guī)方案對試驗(yàn)場地、煙幕施放范圍等要求比較高,實(shí)際操作時(shí)難度較大,尤其多次試驗(yàn)更難以實(shí)現(xiàn)。因此,考慮小場地等效試驗(yàn)完成對紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾能力的檢測。紅外探測設(shè)備的干擾效果常用其在干擾條件下的跟蹤距離來描述[3-5],干擾設(shè)備的干擾效果并非只依賴于干擾設(shè)備本身,還與被干擾設(shè)備的性能以及兩者之間的位置關(guān)系有密切聯(lián)系。在固定大氣條件下,紅外探測設(shè)備作用距離與目標(biāo)能量的平方根成正比,因而可將目標(biāo)的紅外能量進(jìn)行調(diào)整以模擬目標(biāo)與紅外探測設(shè)備間距離的變化。根據(jù)紅外探測設(shè)備穩(wěn)定截獲目標(biāo)時(shí)測試的紅外目標(biāo)源及背景的輻射能量估算等效距離,該距離大于紅外探測設(shè)備所要求的最小距離即為抗煙幕干擾成功。
假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對于能量為J指的目標(biāo)跟蹤距離為R指。
紅外探測設(shè)備作用距離[6-8]:
式(1)中:τΔλ為在Δλ波段內(nèi)的大氣透過率的平均值;JΔλ為目標(biāo)在Δλ波段內(nèi)輻射強(qiáng)度;Vs/VN為紅外探測設(shè)備正常工作所需的信噪比;D0為光學(xué)系統(tǒng)有效通光孔徑;NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑;τ′Δλ為光學(xué)系統(tǒng)在Δλ波段內(nèi)的效率;ω光學(xué)系統(tǒng)的瞬時(shí)視場;Δf系統(tǒng)的等效噪聲帶寬;D?紅外器件的比探測率。
紅外探測設(shè)備作用距離與目標(biāo)及背景的紅外輻射特性、紅外探測器件自身的探測性能相關(guān),對于固定大氣條件、相同的紅外探測設(shè)備來說,紅外探測設(shè)備作用距離與目標(biāo)能量存在以下關(guān)系:
試驗(yàn)中在沒有干擾的條件下,紅外穩(wěn)定截獲后,紅外目標(biāo)在Δλ波段內(nèi)能量為JA,目標(biāo)距離為RA,此時(shí)等效為在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對于J指的目標(biāo)跟蹤距離為R指;根據(jù)以上公式可以得出:
在有干擾情況下,紅外穩(wěn)定截獲后,紅外目標(biāo)在Δλ波段內(nèi)能量為JB,目標(biāo)距離為RA,此時(shí)等效干擾情況下對于J指目標(biāo)的等效跟蹤距離記為RX,根據(jù)紅外探測設(shè)備作用距離公式可以得出:
根據(jù)式(3)、(4),可以得出等效跟蹤距離RX為:
試驗(yàn)時(shí),將發(fā)煙器放置在紅外探測設(shè)備與紅外目標(biāo)源之間,模擬戰(zhàn)場煙幕遮蔽環(huán)境。綜合考慮煙幕干擾設(shè)備的干擾頻段、煙幕墻覆蓋范圍(長×高,保證發(fā)煙器煙幕彌散在紅外探測設(shè)備視場內(nèi)),煙幕濃度厚度、氣象條件等因素,再根據(jù)紅外探測設(shè)備視場和試驗(yàn)場地確定煙幕彈的數(shù)量。試驗(yàn)示意圖見圖1。
均勻設(shè)計(jì)是考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。在均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,每個(gè)試驗(yàn)因素要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇一個(gè)試驗(yàn)范圍,然后在試驗(yàn)范圍內(nèi)挑出有代表性的幾個(gè)值來進(jìn)行試驗(yàn)(即該因素的水平)。均勻設(shè)計(jì)使得試驗(yàn)點(diǎn)在因素的水平變化范圍內(nèi)散布均勻,具有代表性,而且為了更全面的考核系統(tǒng)的性能,必須增加試驗(yàn)水平時(shí),并不導(dǎo)致試驗(yàn)次數(shù)驟增,試驗(yàn)次數(shù)僅按水平數(shù)的增加量增加[9-10]。本文就是基于均勻設(shè)計(jì)的理論設(shè)計(jì)抗煙幕干擾試驗(yàn)方案。
3.1 試驗(yàn)因素及水平
1)煙幕墻面積及厚度(長×高)。選擇合適的煙幕劑,使其具有全波段遮蔽能力或?qū)t外探測設(shè)備有較好的遮蔽效果。煙幕墻面積根據(jù)紅外探測設(shè)備的視場和紅外探測設(shè)備與發(fā)煙器的相對位置而定,確保發(fā)煙器煙幕彌散在紅外探測設(shè)備視場內(nèi)。
煙幕墻長度為:x=2R?tan(α/ 2);煙幕墻高度為:y=2R?tan(β/ 2)。其中:R為紅外探測設(shè)備與發(fā)煙器的垂直距離;α為紅外探測設(shè)備的水平視場;β為紅外探測設(shè)備的垂直視場。
煙幕墻的厚度和濃度對煙幕干擾的效果影響很大,隨著煙幕厚度和濃度的增大,煙幕透過率越來越小,煙幕的干擾效果就越好。本試驗(yàn)中,可根據(jù)實(shí)際戰(zhàn)場情況,設(shè)計(jì)薄、中、厚3種煙幕厚度。
2)煙幕彈數(shù)N的確定。由于每枚煙幕彈所形成的煙幕墻的面積σ大致一定,可根據(jù)試驗(yàn)需要的煙幕墻面積及厚度計(jì)算需要的煙幕彈數(shù)N:
式(6)中,vi為厚度因子,i=1,2,3,分別代表薄、中、厚3種煙幕墻厚度。
3)氣象因素。煙幕屬于一種可變流體,影響煙幕大氣擴(kuò)散及分布的主要?dú)庀笠蛩厥秋L(fēng)向、風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、垂直溫度梯度、混合層高度及空氣濕度等[11-13]。風(fēng)向決定了煙幕流動(dòng)的方位;風(fēng)速表征了大氣對煙幕的輸送速率;湍流強(qiáng)度顯示了大氣的擴(kuò)散能力;混合層高度決定了煙幕擴(kuò)散空間大小;空氣相對濕度影響煙幕的濃度。對于煙幕干擾試驗(yàn),最重要的是煙幕的濃度和煙流的形狀,對應(yīng)的氣象因素即為風(fēng)向、風(fēng)速和大氣溫度分布。為了遮蔽效果較好,試驗(yàn)時(shí)大氣溫度分布應(yīng)盡量選取逆溫(溫度隨高度增加而增加)或等溫(溫度隨高度沒有明顯變化)狀態(tài)。紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)的具體因素內(nèi)容見表1。
表1 紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)因素、水平表Tab.1 Infrared detector factor and level of test
各因素水平不同,煙幕濃度厚度、氣象因素為3水平,空氣相對濕度為2水平,可采用混合水平均勻設(shè)計(jì)表。將煙幕濃度厚度、氣象因素放在第Ⅰ列,第Ⅱ列,空氣相對濕度放在第Ⅲ列。將前兩列的水平進(jìn)行合并:{1,2}∈Ⅰ,{3,4}∈Ⅱ,{5,6}∈Ⅲ,同時(shí),將第Ⅲ列的水平進(jìn)行合并:{1,2,3}∈Ⅰ,{4,5,6}∈Ⅱ,得到混合水平設(shè)計(jì)表2和紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)方案表3。
表2 混合水平設(shè)計(jì)表U6?(32×21)Tab.2 Test design of mixed levelsU6?(32×21)
表3 紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)方案表Tab.3 Test scheme of anti-jamming of smoke screen
3.2 試驗(yàn)實(shí)施
1)將紅外探測設(shè)備、發(fā)煙器和目標(biāo)源按圖1態(tài)勢布置好后,打開目標(biāo)源和紅外探測設(shè)備,使紅外探測設(shè)備瞄準(zhǔn)目標(biāo)源,從小到大調(diào)整紅外目標(biāo)源輻射能量至紅外探測設(shè)備剛好截獲時(shí)停止。記錄此時(shí)紅外目標(biāo)源輻射強(qiáng)度JA。
2)根據(jù)紅外探測設(shè)備、發(fā)煙器和目標(biāo)源的位置關(guān)系和紅外探測設(shè)備視場計(jì)算出煙幕墻最小面積,發(fā)煙器按表3所示方案開始發(fā)煙。待煙幕釋放滿足條件后,再逐步調(diào)整紅外目標(biāo)源輻射能量至紅外探測設(shè)備剛好截獲時(shí)停止。記錄此時(shí)紅外目標(biāo)源輻射強(qiáng)度JB。
3)結(jié)合紅外探測設(shè)備跟蹤紅外目標(biāo)指標(biāo)R指,利用式(5)計(jì)算出等效距離。
假設(shè)紅外探測設(shè)備其抗煙霧干擾成功概率指標(biāo)為p0,服從(0-1)分布[14-16],試驗(yàn)次數(shù)為n,試驗(yàn)結(jié)果的成功次數(shù)為s,失敗次數(shù)為f=n-s,當(dāng)給定置信度γ時(shí),成功概率置信下限估計(jì)pLC為:
用不完全Beta函數(shù)表示時(shí),上式可寫為:
根據(jù)Beta分布與F分布分位數(shù)間的關(guān)系,可計(jì)算置信下限:
式(9)中,F(xiàn)2f+2,2s,γ是自由度為(2f+2,2s)的F分布的γ分位點(diǎn)。
若pLC>p0,則表明紅外探測設(shè)備具有抗煙幕干擾能力,其成功概率滿足規(guī)定的指標(biāo)要求。
在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,紅外探測設(shè)備對于50 w/Sr的目標(biāo)截獲距離為30km,其最小作用距離為1.5km,抗煙幕干擾成功概率指標(biāo)為80%。
試驗(yàn)過程如上所述。若紅外探測設(shè)備視場為30°,紅外探測設(shè)備、目標(biāo)和發(fā)煙器的位置關(guān)系見圖2,煙幕墻的面積需大于26.8 m×13.4 m(因紅外探測設(shè)備、目標(biāo)和發(fā)煙器均放置于地面,俯仰上面積可減半),能保證煙幕彌散在紅外探測設(shè)備視場內(nèi)。
紅外探測設(shè)備共完成抗煙幕干擾試驗(yàn)12次,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出12次最小作用距離,結(jié)果見表4。在煙幕干擾情況下,紅外探測設(shè)備等效截獲距離為2.0~6.8km之間,作用距離均大于紅外探測設(shè)備要求的最小距離1.5km??篃熌桓蓴_有效樣本12個(gè),成功樣本12個(gè),置信度為0.8時(shí)抗煙幕干擾成功概率下限估計(jì)為87.5%。試驗(yàn)表明紅外探測設(shè)備具有抗煙幕干擾能力,其成功概率滿足規(guī)定的80%指標(biāo)要求。
表4 抗煙幕干擾試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of anti-jamming of smoke screen
煙幕干擾是紅外探測設(shè)備面臨的重要干擾形式,本文主要對當(dāng)前紅外探測設(shè)備抗煙幕干擾試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題開展分析和研究,構(gòu)建“等效試驗(yàn)”外場靜態(tài)試驗(yàn)干擾環(huán)境,采用均勻設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定抗干擾試驗(yàn)方案和評估方法。該方案可指導(dǎo)試驗(yàn)獲得科學(xué)合理有效的數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)煙幕干擾環(huán)境下紅外探測設(shè)備的抗干擾能力的準(zhǔn)確評估。由于煙幕干擾因素存在著復(fù)雜性和多樣性,本方法還需在實(shí)踐中進(jìn)行不斷的驗(yàn)證和完善。
[1]徐路程,肖凱濤.基于CFD方法的紅外煙幕干擾性能研究[J].紅外技術(shù),2015,37(4):337-341. XU LUCHENG,XIAO KAITAO.CFD-based study on countermeasure performance of anti-infrared smoke screen[J].Infrared Technology,2015,37(4):337-341.(in Chinese)
[2]張濤.動(dòng)態(tài)紅外煙幕仿真方法研究[D].西安:電子科技大學(xué),2010. ZHANG TAO.Research of dynamic TR image of smoke [D].Xi‘a(chǎn)n:Xidian University,2010.(in Chinese)
[3]熊蓉玲.紅外系統(tǒng)協(xié)同探測性能分析[J].激光與紅外,2016,46(5):575-577. XIONG RONGLING Performance analysis on co-detection of infrared systems[J].Laser&infrared,2016,46(5):575-577.(in Chinese)
[4]張樂,梁冬明,姚梅,等.紅外搜索跟蹤系統(tǒng)作用距離等效折算[J].紅外與激光工程,2013,42(1):26-30. ZHANG LE,LIANG DONGMING,YAO MEI,et al. Equivalent calculation of operating range of IRST[J].Infrared and Laser Engineering,2013,42(1):26-30.(in Chinese)
[5]嚴(yán)世華,祝世杰.紅外搜索跟蹤系統(tǒng)作用距離分析與計(jì)算[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2011,26(2):39-41. YAN SHIHUA,ZHU SHIJIE.Analysis and calculation for operating range of IRST system[J].Electro-Optic Technology Application,2011,26(2):39-41.(in Chinese)
[6]呂俊偉,何友金,韓艷麗.光電跟蹤測量原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010:165-166. LV JUNWEI,HE YOUJIN,HAN YANLI.The principle of optical-electronic tracking[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010:165-166.(in Chinese)
[7]李凡,劉上乾,張峰.點(diǎn)源目標(biāo)的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)作用距離估算[J].紅外技術(shù),2008,30(9):502-504. LI FAN,LIU SHANGQIAN,ZHANG FENG.Operating distance estimate of IRST for infrared point target[J].Infrared Technology,2008,30(9):502-504.(in Chinese)
[8]張建奇,方小平.紅外物理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007:23-24. ZHANG JIANQI,F(xiàn)ANG XIAOPING.Infrared Physics [M].Xi’an:Xidian University Press,2007:23-24.(in Chinese)
[9]李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:114-116. LI YUNYAN,HU CHUANRONG.Experiment design and data processing[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005:114-116.(in Chinese)
[10]王琦,張繼旭,曹艷霞.紅外探測系統(tǒng)作用距離試驗(yàn)與評估方法[J].火力與指揮控制,2012,37(7):192-195. WANG QI,ZHANG JIXU,CAO YANXIA.A study on action range test and evaluated method for infrared detector [J].Fire Control&Command Control,2012,37(7):192-195.(in Chinese)
[11]王世濤,張偉,王強(qiáng).紅外探測器件在低溫背景下的探測率測試[J].光學(xué)精密工程,2012,20(3):484-489. WANG SHITAO,ZHANG WEI,WANG QIANG.Measurement for detectivity of infrared detectors in low temperature background[J].Optics and Precision Engineering,2012,20(3):484-489.(in Chinese)
[12]陸斌,呂俊偉.煙幕干擾效能外場試驗(yàn)的驗(yàn)證方法研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2012,20(12):3271-3276. LU BIN,LV JUNWEI.Technique of testtifying for smoke disturbance performance in field testing[J].Computer Measurement&Control,2012,20(12):3271-3276.(in Chinese)
[13]丁國振,張占月,周思引,等.空間煙幕的擴(kuò)散機(jī)理及衰減性能研究[J].紅外技術(shù),2014,36(11):914-919. DING GUOZHEN,ZHANG ZHANYUE,ZHOU SIYIN,et al.Study on diffusion mechanism and attenuation performance of space smoke-screen[J].Infrared Technology,2014,36(11):914-919.(in Chinese)
[14]孫偉.對抽樣檢驗(yàn)和海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈批檢試驗(yàn)的分析思考[J].四川兵工學(xué)報(bào),2011,32(1):24-27. SUN WEI.Analysis and thought on sampling inspection and questions of batch test for naval tactical missile[J]. Journal of Sichuan Armaments Factories,2011,32(1):24-27.(in Chinese)
[15]曲寶忠,孫曉峰.海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈試驗(yàn)與鑒定[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:44-45. QU BAOZHONG,SUN XIAOFENG.Test and evaluation of navy tactical missile[M].Beijing:National Defense Industry Press,2005:44-45.(in Chinese)
[16]曹裕華.裝備試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評估[M].北京:國防工業(yè)出版社,2016:105-110. CAO YUHUA.Design and evaluation of equipment test [M].Beijing:National Defense Industry Press,2016:105-110.(in Chinese)
Test Design and Evaluation Method of Infrared Detector Smoke Interference
WANG Qi1,ZHANG Hongbo2
(1.The 92941stUnit of PLA,Huludao Liaoning 125001,China; 2.Naval Aeronautical Engineering Application Institute,Beijing 100071,China)
Anti-jamming of smoke screen capability of infrared detector is an important part of anti-jamming capability. The requirements of conventional methods for the site and the implementation is high,and test times are limited.To effec?tive test,the key-problem was analyzed and studied.Firstly,according to the relationship between the distance and the tar?get energy of infrared detector,the interference environment of external field static test was constructed by equivalent test method.Then an uniform design method was used to test design.Finally,test execution plan and evaluation method is de?termined.The plan could guide the test to obtain the effective data,and the accurate evaluation of Anti-jamming of smoke screen capability of infrared detector was finished.
infrared detector;jamming of smoke screen;test design;test evaluation
TN215
:A
1673-1522(2017)01-0138-05
10.7682/j.issn.1673-1522.2017.01.007
2016-09-28;
:2016-12-22
王 琦(1976-),女,高工,碩士。