艦船目標(biāo)毀傷特征及其在打擊效果評估中的應(yīng)用

艦船目標(biāo)毀傷特征及其在打擊效果評估中的應(yīng)用

戴榮1徐廷學(xué)2逯程2

（1.海軍裝備技術(shù)研究所北京102202）（2.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系煙臺264001）

海上運(yùn)動目標(biāo)的打擊效果評估受現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，尚處于理論研究階段。闡述了艦船目標(biāo)的物理、光學(xué)和電磁散射特性，在此基礎(chǔ)上分析了艦船毀傷特征，探討了各類毀傷特征在武器裝備打擊效果評估中的應(yīng)用。

目標(biāo)特性；毀傷特征；打擊效果評估；圖像；雷達(dá)散射截面；電磁信號

Class NumberTP391

1 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦船會受到全方位的攻擊，造成不同程度的損傷。及時準(zhǔn)確地評估艦船遭受打擊后的毀傷程度，是決定后續(xù)作戰(zhàn)計(jì)劃所必須進(jìn)行的工作。目前對建筑、橋梁、機(jī)場等地面固定目標(biāo)的打擊效果評估方法已經(jīng)較為成熟，而海上艦船受環(huán)境和氣候影響較大，機(jī)動性強(qiáng)，打擊效果評估的實(shí)施比較困難。隨著信息化戰(zhàn)爭中高技術(shù)手段的應(yīng)用，各種信號信息、雷達(dá)成像、光學(xué)成像和紅外成像傳感器能實(shí)時獲取大量情報(bào)，使得艦船目標(biāo)的打擊效果評估成為可能［1］，但如何從海量情報(bào)中提取艦船的毀傷信息進(jìn)行打擊效果評估仍是需要解決的重大問題。針對這一問題，本文闡述了艦船目標(biāo)特性，在此基礎(chǔ)上分析了艦船毀傷特征，并對毀傷特征在打擊效果評估中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

2 艦船目標(biāo)特性

目標(biāo)特性是目標(biāo)自身具有、彼此相對獨(dú)立的內(nèi)在屬性和外部運(yùn)行規(guī)律。對于艦船目標(biāo)特性的研究有助于在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中檢測與識別艦船，滿足不同層次的作戰(zhàn)需求。同時，目標(biāo)特性的變化也反映了目標(biāo)的毀傷狀況。要分析艦船的毀傷特征，首先需要了解艦船目標(biāo)固有特性。艦船的物理結(jié)構(gòu)和艦船在光波、電磁波作用下產(chǎn)生的響應(yīng)特征，統(tǒng)稱為艦船目標(biāo)特性。

2.1 物理特性

艦船是人造剛體目標(biāo)，主要由鋼、鋁合金等材料組成，除航母外，多呈軸對稱結(jié)構(gòu)，一般為艦首較尖的狹長形狀。艦船上裝載了各種復(fù)雜的電子設(shè)備和武器系統(tǒng)，根據(jù)作戰(zhàn)使命的不同，上層建筑的結(jié)構(gòu)也有所差異。艦船或停靠在港口碼頭，或行駛在海面上，靠岸時通常與碼頭岸線平行［2］，行駛時的航速、航向、航跡和姿態(tài)等也是艦船的重要特征。

2.2 光學(xué)特性

艦船的光學(xué)特性可以由艦船在光學(xué)圖像中的特征來表現(xiàn)。艦船圖像特征是指艦船圖像中可用作標(biāo)志的屬性，法國國家發(fā)展研究院（IRD）將圖像中所有可用于描述艦船的特征概括為統(tǒng)計(jì)、形狀、紋理及其他特征四類［3～5］。

1）統(tǒng)計(jì)特征：均值、方差、偏斜度、最大值。

2）形狀特征：面積、周長、長寬比、轉(zhuǎn)動慣量、對稱度、矩特征、密實(shí)度。

3）紋理特征：基于灰度共生矩陣提取的紋理對比度、紋理熵等特征。

4）其他特征：位置相關(guān)性和尾跡等特征。

利用這些特征可以實(shí)現(xiàn)艦船目標(biāo)提取與識別。艦船為金屬殼體，能反射太陽光產(chǎn)生輻射，艦體紅外輻射的峰值一般在遠(yuǎn)紅外區(qū)，紅外圖像上的艦船具有一定的長寬比和占空比。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的輻射力與其絕對溫度的四次方成正比，因此，溫度和發(fā)射率決定著艦船的紅外輻射強(qiáng)度［6］。煙囪、鍋爐、上層建筑等部位溫度較高，這些地方所成像素點(diǎn)的灰度值要高于其他像素點(diǎn)。

2.3 電磁散射特性

雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量艦船電磁散射特性的重要參數(shù)。RCS定義為：單位立體角內(nèi)目標(biāo)朝接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標(biāo)的平面波功率密度之比的4π倍。即

式中：R為接收機(jī)到目標(biāo)的距離；Er為雷達(dá)接收的回波信號的電場強(qiáng)度；Ei是入射到目標(biāo)的電場強(qiáng)度。艦船的幾何外形特點(diǎn)決定了其電磁散射特性，上層建筑和桅桿是主要的散射體，在艦首、艦側(cè)和艦尾方向達(dá)到局部散射的極大值［7］。

3 艦船目標(biāo)毀傷特征

在受到打擊以后，艦船的固有特性受到破壞，外觀、結(jié)構(gòu)和姿態(tài)等發(fā)生的變化會引起艦船在圖像、雷達(dá)上特征的改變，艦船電子系統(tǒng)的破壞也會引起其電磁信號的變化。對于艦船目標(biāo)毀傷特征的分析是提取其毀傷信息的依據(jù)，是判定其毀傷狀況的基礎(chǔ)。

3.1 結(jié)構(gòu)毀傷特征

艦船遭受打擊以后，首先發(fā)生變化的就是外形結(jié)構(gòu)。在挪威反艦導(dǎo)彈“企鵝”對“豪奇森德”的打靶實(shí)驗(yàn)中，打靶毀壞處在艦首，艦橋、煙囪和桅桿被炸掉，甲板和艙下受到嚴(yán)重破壞，艦首的炮架從基座上升高，右舷被炸開一個大洞，裂縫延伸到吃水線以下?？梢?，反艦武器的爆炸作用會給艦體造成大面積破損，形成破洞和變形，嚴(yán)重的還會炸掉部分艦船結(jié)構(gòu)（如艦首、艦尾），造成部位缺失［8］。這些結(jié)構(gòu)變化體現(xiàn)在打擊前后圖像上就是幾何特征和紋理特征的變化。

1）幾何特征

艦船目標(biāo)可以看成是由許多線性體構(gòu)成，呈現(xiàn)某種偏正態(tài)分布，遭到打擊后，這種分布形式會發(fā)生變化，并且不同類別、不同破壞程度的線性體分布圖形會呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，反映在圖像上的變化特征有長寬比、密實(shí)度和歸一化轉(zhuǎn)動慣量等。

（1）長寬比。長寬比是艦船的一個重要特征，可以根據(jù)最小外切矩形求得艦船長寬比，艦船長為最小外切矩形的長，寬為最小外切矩形的寬。

（2）密實(shí)度。密實(shí)度表征目標(biāo)的緊湊程度，描述目標(biāo)像素空間分布的聚合程度，定義為

式中：L為艦船周長，用目標(biāo)區(qū)域邊界像素點(diǎn)的個數(shù)表示；S為艦船面積。密實(shí)度數(shù)值越大，目標(biāo)形狀越不緊湊。

（3）歸一化轉(zhuǎn)動慣量。二維m×n灰度圖像的質(zhì)量可定義為該圖像所有灰度值之和，記為M，則

圖像重心記為() xˉ，yˉ。

圖像繞其中任一點(diǎn)(x0，y0)的轉(zhuǎn)動慣量J(x0，y0)可定義為

由此可以給出圖像二值圖像繞重心的歸一化轉(zhuǎn)動慣量的提取公式［9］：

2）紋理特征

紋理特征體現(xiàn)了目標(biāo)表面共有的屬性，包含了結(jié)構(gòu)組織排列的重要信息?；诨叶裙采仃嚨募y理統(tǒng)計(jì)量能充分利用灰度空間信息［10］，可用于描述艦船毀傷的紋理特征主要有對比度、能量、相關(guān)性、熵等：

對比度（反映了圖像的清晰度和紋理溝紋的深淺程度）

能量（反映圖像灰度分布的均勻程度和紋理粗細(xì)度）

相關(guān)度（度量圖像紋理局部變化的大小，紋理越規(guī)則值越大）

式中：i、j為灰度；P() i，j;d，θ為在兩個在θ方向上，相互距離d，灰度值分別為i和j的像元在圖像中出現(xiàn)的概率。

可以通過變化檢測，對打擊前后目標(biāo)的幾何特征與紋理特征進(jìn)行對比，根據(jù)這些特征參量變化的程度判斷艦船毀傷程度，變化越大，毀傷越嚴(yán)重。

3.2 煙火毀傷特征

反艦武器也可能會引燃艦船，造成起火爆炸，產(chǎn)生大量煙火信息。1982年，英國驅(qū)逐艦“謝菲爾德”號在馬爾維納斯群島附近海域被1枚“飛魚”導(dǎo)彈擊中，船上發(fā)生了嚴(yán)重的火災(zāi)，從一些資料圖像上可以看出，“謝菲爾德”號破損處濃煙滾滾，該艦約三分之一部位陷入火海，火災(zāi)使甲板在高溫下彎曲變形，加重了艦船毀傷［8］。

熵（表示圖像中紋理的非均勻程度或復(fù)雜程度）

艦船如果發(fā)生起火爆炸，白天可以看到煙霧，夜晚則可以看見火光等信號。光學(xué)圖像上的濃煙會遮擋住艦船，影響變化檢測的結(jié)果。SAR圖像和紅外圖像則不會受煙霧信息的影響。在起火爆炸的地方溫度明顯升高，其紅外輻射也相應(yīng)增加，表現(xiàn)在紅外圖像上就是該區(qū)域灰度值的升高。當(dāng)艦船被命中發(fā)生爆炸時，外形改變也會使得RCS發(fā)生變化。

3.3 電子系統(tǒng)毀傷特征

艦船被命中后，其通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)可能受到損傷而失去功能?！爸x菲爾德”號被“飛魚”命中20min以后，軍艦的操縱、電子設(shè)備和武器系統(tǒng)嚴(yán)重受損，無法使用，艦船正常狀態(tài)下的電磁信號特征也就發(fā)生了改變，出現(xiàn)信號變?nèi)趸蛘咧袛嗟惹闆r［8］。艦載通信、雷達(dá)系統(tǒng)的毀傷主要表現(xiàn)為電磁信號持續(xù)時間和信號強(qiáng)度的改變。

3.4 運(yùn)動狀態(tài)毀傷特征

如果艦船動力系統(tǒng)受到損壞，會引起運(yùn)動狀態(tài)的改變，如航路不規(guī)則，航速不穩(wěn)定等，嚴(yán)重的會導(dǎo)致艦船喪失航行能力。反艦導(dǎo)彈、魚雷等如果命中吃水線附近，給側(cè)舷造成的破口會導(dǎo)致艦船進(jìn)水，發(fā)生傾斜甚至沉沒。例如，1987年美國護(hù)衛(wèi)艦“斯塔克”號被伊拉克飛機(jī)發(fā)射的兩枚“飛魚”導(dǎo)彈擊中，命中部位在左舷，造成艦船左傾，損傷嚴(yán)重［8］。

雷達(dá)反射信號和圖像上艦船的尾跡特征，都可以作為判斷艦船航速和航向的依據(jù)。目前對圖像中艦船尾跡的檢測比較復(fù)雜，算法相對較少，大致可以分為無先驗(yàn)知識的線狀特征檢測和有先驗(yàn)知識的掃描算法兩大類，可用于檢測艦船速度的是基于掃描的算法，但是該方法需要關(guān)于艦船位置的先驗(yàn)知識［11］，因此應(yīng)用有所局限。船體姿態(tài)的改變也會引起艦船RCS和圖像特征的變化。

4 毀傷特征在打擊效果評估中的應(yīng)用

為了能夠準(zhǔn)確評估艦船毀傷狀況，可以使用各種手段收集信息，根據(jù)艦船外觀、結(jié)構(gòu)和姿態(tài)信息評估其受損情況。目前獲取艦船毀傷信息的手段主要有：偵察衛(wèi)星、有人偵察機(jī)、無人偵察機(jī)、艦載偵察系統(tǒng)、彈載偵察平臺和人工情報(bào)偵察系統(tǒng)等。通過一定的方式，將獲取的信息進(jìn)行處理，能提取出艦船的毀傷特征，判斷其毀傷情況。毀傷前后艦船的圖像特征、雷達(dá)特征和電磁信號特征都可以應(yīng)用于打擊效果評估中。

4.1 圖像特征在打擊效果評估中的相關(guān)應(yīng)用

照相偵察衛(wèi)星、偵察機(jī)、彈載偵察平臺等可以獲取艦船目標(biāo)毀傷前后的可見光、SAR和紅外圖像。對可見光圖像、SAR圖像進(jìn)行幾何特征與紋理特征的變化檢測，可以得出目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征的變化，然后通過對艦船不同部位進(jìn)行變化檢測，得出毀傷位置及毀傷區(qū)域大小等信息［12］；對紅外圖像進(jìn)行處理，可以判定艦船起火部位；對圖像上艦船尾跡特征的檢測，可以得到艦船的航向和航速等信息，判定其運(yùn)動狀態(tài)。

基于圖像特征的評估方法簡單直觀，較為常用，但是該方法根據(jù)打擊前后艦船的幾何特征與紋理特征進(jìn)行判斷，不能判定目標(biāo)內(nèi)部損傷程度，也會被敵方偽造的毀傷信息所迷惑。

4.2 雷達(dá)特征在打擊效果評估中的相關(guān)應(yīng)用

艦載高分辨海戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)和機(jī)載預(yù)警雷達(dá)也具有較強(qiáng)的信息收集能力。艦船發(fā)生爆炸會導(dǎo)致其RCS驟然變大，艦船傾斜或沉沒則會導(dǎo)致其RCS變小，通過海戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)可獲取艦船的雷達(dá)反射信息的改變，進(jìn)而判斷艦船是否遭受打擊；通過監(jiān)視雷達(dá)得到艦船位置、航向和航速等信息，根據(jù)航速的變化判斷其動力系統(tǒng)是否受損，根據(jù)航向判斷艦船是否逃離戰(zhàn)場，進(jìn)而判定其毀傷狀況。

利用雷達(dá)能獲取艦船運(yùn)動數(shù)據(jù)，對運(yùn)動目標(biāo)的評估也有一定的效果。但是，雷達(dá)受海雜波的影響，虛警率高。

4.3 電磁信號特征在打擊效果評估中的相關(guān)應(yīng)用

電子偵察衛(wèi)星、偵察機(jī)和電子偵察船等得到的毀傷艦船電磁信號，也可用于打擊效果評估。通過獲取的無線電通信信號和雷達(dá)、敵我識別、導(dǎo)航等射頻信號，分析毀傷前后同一系統(tǒng)的信號強(qiáng)弱和工作持續(xù)時間，判斷該系統(tǒng)的受損程度。

基于電磁信號的評估方法能提供大量情報(bào)資料，但是情報(bào)處理速度較慢，對快速移動目標(biāo)的評估并不理想［13］。

5 結(jié)語

海上艦船目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動性強(qiáng)，對其毀傷特征的充分了解是準(zhǔn)確評估打擊效果的基礎(chǔ)。隨著各種傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，對艦船目標(biāo)近實(shí)時、全方位、多層次的監(jiān)視偵察成為了可能，如何從海量的圖像和電子情報(bào)中提取出艦船毀傷信息有著重要的研究價值。本文對現(xiàn)有技術(shù)條件下可利用的艦船毀傷特征進(jìn)行了分析，并探討了各類毀傷特征在艦船打擊效果評估中的應(yīng)用，也為艦船綜合保障工作的扎實(shí)開展提供了參考。在未來的信息化海戰(zhàn)中，綜合利用各種手段全面評估艦船打擊效果將成為取得作戰(zhàn)勝利的有力保障。

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Ship Target Damage Features and Their Application in Battle Damage Assessment

DAI Rong1XU Tingxue2LU Cheng2
（1.Naval Equipment Technology Research Institute，Beijing102202）（2.Department of Armament Science and Technology，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001）

Battle damage assessment（BDA）for the moving target at sea is still in the phase of theoretical research because of existing technical conditions'limitations.This paper summed up the ship's physical，optical and electromagnetic scattering characteristics，analyzed the ship's damage features.Then the paper explored each kind of damage features'application in BDA and discussed their advantages and disadvantages.

target characteristics，damage features，BDA，images，RCS，electromagnetic signals

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.023

2017年1月3日，

2017年2月10日

戴榮，男，博士，高級工程師，研究方向：兵器運(yùn)用工程。徐廷學(xué)，男，博士，教授，研究方向：裝備綜合保障理論與技術(shù)。逯程，男，博士研究生，研究方向：裝備綜合保障理論與技術(shù)。