對(duì)地目標(biāo)偵察威脅權(quán)重分析研究

劉增燦，鄧愛(ài)明，王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國(guó)兵器工業(yè) 第五九研究所，重慶 400039)

0 引言

隨著高技術(shù)偵察的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)將處于高度透明，在“發(fā)現(xiàn)即意味被摧毀”的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，導(dǎo)彈、坦克裝甲車輛等地面目標(biāo)面臨日益嚴(yán)重的偵察及生存威脅。偵察探測(cè)和隱身偽裝是矛和盾的關(guān)系，偵察威脅分析是隱身偽裝設(shè)計(jì)的前提，也是科學(xué)預(yù)測(cè)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要依據(jù)。

1 對(duì)地偵察威脅特點(diǎn)與地面目標(biāo)曝露征候

1.1 對(duì)地偵察威脅特點(diǎn)

通過(guò)分析潛在敵對(duì)國(guó)家航天和航空偵察裝備情況[1-2]，獲得對(duì)地目標(biāo)偵察威脅具有以下特點(diǎn)：

1)地面目標(biāo)所面臨的威脅主要來(lái)自天基衛(wèi)星和空基戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)偵察機(jī)等機(jī)載偵察平臺(tái)。其通過(guò)高分辨的可見(jiàn)光照相，近中、遠(yuǎn)紅外熱成像以及合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像等進(jìn)行探測(cè)識(shí)別地面目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美軍通過(guò)航天與航空偵察所獲取的戰(zhàn)場(chǎng)信息比例為84﹕16，其中可見(jiàn)光偵察占比大于60%，為主要偵察方式。航空偵察中，無(wú)人偵察逐漸超越有人偵察成為主要偵察方式[3]。

2)空天一體化偵察對(duì)地面目標(biāo)具有“多譜段”、“全角域”、“變背景”等威脅特點(diǎn)：

“多譜段”：地面目標(biāo)面臨的偵查威脅波段主要為雷達(dá)((1～40)GHz)、紅外((3～5、8～14)μm)、光學(xué)((0.3～2.5)μm)等多個(gè)不同譜段。

“全角域”：天基和航空雷達(dá)、紅外及光學(xué)偵察系統(tǒng)對(duì)地面目標(biāo)具有全方位(0～360°)、大俯角(0～90°)的全角域偵察威脅特點(diǎn)。

“變背景”：部署在不同地域的目標(biāo)其地域背景是不同的，且機(jī)動(dòng)過(guò)程中其地面主體背景(林地、荒漠、草地和雪地等)是隨地變化的。因此，對(duì)地面目標(biāo)偵察具有復(fù)雜變化的地面背景干擾特點(diǎn)。

1.2 地面目標(biāo)曝露征候

從隱身角度而言，地面目標(biāo)主要表現(xiàn)為雷達(dá)、紅外及光學(xué)3種暴露征候。

1)雷達(dá)暴露征候。地面目標(biāo)金屬表面結(jié)構(gòu)多，尺寸大，形狀特殊，雷達(dá)波反射率高, 極易被敵雷達(dá)偵察識(shí)別。典型車輛目標(biāo)RCS峰值達(dá)1000～10000 m2，雷達(dá)在100 km外即可發(fā)現(xiàn)行駛中的車輛。

2)紅外暴露征候。地面目標(biāo)金屬車體、發(fā)動(dòng)機(jī)及其排出廢氣、輪胎/履帶與地面摩擦等都會(huì)產(chǎn)生明顯熱輻射，與熱慣量較大的植被形成一定的紅外輻射能量差別，容易被各種紅外探測(cè)器捕獲。

如車輛發(fā)動(dòng)機(jī)外表溫度可高達(dá)100 ℃以上,散熱器溫度約為60～90 ℃, 形成的最大輻射波長(zhǎng)約8～8.7 μm , 正好處在紅外輻射大氣窗口范圍內(nèi)。前視紅外相機(jī)的溫度分辨率已經(jīng)優(yōu)于0.1～0.5 ℃, 車輛和各種背景的溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此值, 所以對(duì)車輛紅外輻射的探測(cè)是很容易的[4]。

3)光學(xué)暴露征候。地面車輛棱角分明、線條規(guī)則清晰，長(zhǎng)度超過(guò)普通車輛，很容易被各種光學(xué)偵察儀器發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。地面目標(biāo)及其隱身涂料、偽裝網(wǎng)光譜反射特性與綠色植物也存在明顯差別(人造目標(biāo)與背景的亮度對(duì)比在0.4以上)，在超光譜、高光譜等偵察設(shè)備下容易成為照相、電視、光譜等光學(xué)偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)的依據(jù)。

高技術(shù)偵察威脅下，地面目標(biāo)面臨嚴(yán)重的偵察與打擊威脅，只有實(shí)施有效的隱身偽裝，才能適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。裝備隱身應(yīng)針對(duì)偵察的譜段、角域、模式等威脅特點(diǎn)，分析威脅權(quán)重、根據(jù)權(quán)重采用不同的隱身措施，提升裝備生存能力。

2 偵察威脅建模

地面目標(biāo)偵察威脅評(píng)估涉及敵方探測(cè)裝備性能、我軍裝備隱身防護(hù)能力、探測(cè)背景環(huán)境等多項(xiàng)復(fù)雜、且相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo),本質(zhì)上屬于典型的多屬性推理、決策行為。而層次分析法(AHP)是一種將定性分析與定量分析相結(jié)合, 處理復(fù)雜系統(tǒng)的有效手段。 因此, 本文基于層次分析法是開(kāi)展地面目標(biāo)偵察威脅分析評(píng)估。

2.1 偵察威脅評(píng)估要素

天基和航空偵察設(shè)備探測(cè)識(shí)別地面目標(biāo)能力的主要要素包括:

1)敵方偵察手段及性能:臨空時(shí)間,偵察持續(xù)時(shí)間,探測(cè)器分辨率,數(shù)量及覆蓋面積等。

2)地面目標(biāo)隱身特性:尺寸,外形,活動(dòng)時(shí)間,目標(biāo)暴露特征，目標(biāo)與背景特征對(duì)比度。

3)偵察環(huán)境影響要素: 氣象、天時(shí)等影響偵察質(zhì)量的自然環(huán)境因子。

4)偵察平臺(tái)與目標(biāo)的態(tài)勢(shì):目標(biāo)是否在觀測(cè)區(qū)域、觀測(cè)時(shí)機(jī)是否與目標(biāo)發(fā)生時(shí)空交割[5]。

2.2 偵察威脅影響因子

偵察威脅評(píng)估因子主要是偵察設(shè)備探測(cè)識(shí)別目標(biāo)的概率影響因子,包括以下6個(gè)方面。

2.2.1 對(duì)地偵察分辨率

依據(jù)雷達(dá)、紅外及光學(xué)探測(cè)器空間分辨率計(jì)算公式及其探測(cè)器性能參數(shù)[6]。其中光學(xué)分辨率Lo與探測(cè)器高度H、成像焦距f、像元大小a相關(guān)，Lo=H·a/f，當(dāng)探測(cè)器像元大小a和焦距確定后,H越小,探測(cè)器視場(chǎng)越小,地面分辨率越高。對(duì)地分辨率0.3～1m時(shí)主要用于軍事偵察,探測(cè)特定軍事目標(biāo)。目前軍用光學(xué)偵察傳感器地面分辨率已達(dá)到0.1～0.3m的水平。雷達(dá)距離向分辨率主要與傳感器帶寬B和入射角θ相關(guān)，Lr=c/(2B·cosθ)，c為光速，雷達(dá)帶寬越寬，地面分辨率越高。

依據(jù)目標(biāo)對(duì)地探測(cè)傳感器性能和軍事偵察應(yīng)用認(rèn)知，用區(qū)間函數(shù)描述分辨率影響因子如下：

(1)

重訪周期T影響因子為：

(2)

2.2.2 太陽(yáng)高度角

對(duì)于光學(xué)成像偵察傳感器來(lái)說(shuō),其成像的質(zhì)量還取決于太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)高度角越大，其對(duì)成像質(zhì)量的影響越小。太陽(yáng)高度角γ主要與目標(biāo)的維度α、太陽(yáng)入射線與赤道夾角θ及太陽(yáng)時(shí)角β相關(guān)，γ=arcsin(sinα·sinθ+cosα·cosθ·cosβ)。依據(jù)不同太陽(yáng)高度角下的光學(xué)探測(cè)概率統(tǒng)計(jì)情況，用區(qū)間函數(shù)描述太陽(yáng)高度角影響因子。太陽(yáng)高度角越大，太陽(yáng)光線對(duì)光學(xué)傳感器成像影響越小。一般當(dāng)目標(biāo)區(qū)域的太陽(yáng)高度角h≥30°時(shí)可進(jìn)行軍用目標(biāo)詳查。

(3)

2.2.3 氣象環(huán)境影響

紅外、可見(jiàn)光及光譜對(duì)云層的不具有較強(qiáng)的穿透能力, 光學(xué)傳感器在雨雪天、陰天和霧霾天的成像質(zhì)量會(huì)迅速下降。

用八分量測(cè)云公式計(jì)算云量n影響因子[7]，晴朗無(wú)云時(shí)n為0，太空被云層完全遮蔽時(shí)n為8:

fcloud=1-n2/64

(4)

霧氣對(duì)光學(xué)探測(cè)的影響按水平能見(jiàn)距表征,能見(jiàn)距在1～10km之間的稱為輕霧；能見(jiàn)距低于1km的稱之為霧；能見(jiàn)距在200～500m之間的稱為大霧；能見(jiàn)距在50～200m之間的稱為濃霧；能見(jiàn)距不足50m時(shí)稱為重霧。霧霾影響因子如下:

(5)

對(duì)光學(xué)偵察傳感器而言，其偵察還受探測(cè)時(shí)間的影響限制，依據(jù)工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，探測(cè)時(shí)段影響因子為：

(6)

云、霧和時(shí)段氣象環(huán)境影響因子計(jì)算如下：

fato=ffog×fcloud×fTime

(7)

2.2.4 目標(biāo)輪廓形狀

對(duì)地遠(yuǎn)距離探測(cè)成像時(shí)，由于受傳感器分辨率的限制和大氣環(huán)境及其目標(biāo)背景的影響，探測(cè)器成像反映地面目標(biāo)的輪廓外形特征時(shí)會(huì)存在模糊、扭曲、暗斑等失真現(xiàn)象,不同輪廓形狀的目標(biāo)其探測(cè)識(shí)別影響因子不同：

fapp=exp[-(BfL/L)2]

(8)

其中:B為目標(biāo)形狀的修正參數(shù) (圓形B=0.97,正方形B=1.72,長(zhǎng)方形B=2.58,復(fù)雜形狀B=4)；L為目標(biāo)幾何尺寸,fL為衛(wèi)星地面分辨率(m)。

2.2.5 目標(biāo)與地物背景對(duì)比度

受人對(duì)圖像感觸能力的限制，目標(biāo)與地物背景對(duì)比度對(duì)人感知目標(biāo)的影響很大。圖像中目標(biāo)和背景在亮度、顏色、溫度、散射系數(shù)等方面的對(duì)比度越大,傳感器成像就越清楚,越容易從背景中辨識(shí)出軍事偵察目標(biāo)。反之，目標(biāo)圖像模糊失真，不能有效的從復(fù)雜背景環(huán)境中分辨出軍事目標(biāo)。顏色和亮度的影響因子可由目標(biāo)的反射差值表示。顏色間的對(duì)比度根據(jù)色度空間歐氏距離定義的色差描述。紅外輻射對(duì)比度計(jì)算如下式所示：

(9)

其中：Tt,Tb,εt分別目標(biāo)、背景輻射溫度和目標(biāo)發(fā)射率。設(shè)ΔΓ、r為目標(biāo)與背景雷達(dá)散射系數(shù)和亮度差值，雷達(dá)、紅外及光學(xué)對(duì)比度影響因子為：

(10)

綜合對(duì)比度影響因子fcon計(jì)算如下式：

fcon=fR×fI×fO

(11)

2.2.6 目標(biāo)任務(wù)密級(jí)

目標(biāo)任務(wù)越重要,其保密等級(jí)越高,被偵察發(fā)現(xiàn)的威脅就越大。保密等級(jí)影響因子如下式所示：

(12)

2.3 偵察威脅層次結(jié)構(gòu)模型

復(fù)雜背景環(huán)境下的地面目標(biāo)偵察威脅評(píng)估層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。偵察威脅權(quán)重分析考慮如下因素:探測(cè)器性能、目標(biāo)與背景對(duì)比能力、背景環(huán)境干擾影響、偵察平臺(tái)與目標(biāo)時(shí)刻交割范圍、目標(biāo)任務(wù)密級(jí)。其中偵察平臺(tái)探測(cè)識(shí)別能力是傳感器發(fā)現(xiàn)和目標(biāo)能被識(shí)別的關(guān)鍵因素,決定著目標(biāo)暴露特征中可識(shí)別信息的重要信息,為衡量威脅的根本屬性；偵察背景環(huán)境的影響干擾決定著偵察信息的有效性,其受氣象環(huán)境、地物背景干擾因素影響較大,雖然是目標(biāo)探測(cè)識(shí)別能力的一部分卻隨著背景環(huán)境狀況實(shí)時(shí)改變,應(yīng)單獨(dú)重點(diǎn)衡量；對(duì)比度是表征從背景中識(shí)別有效目標(biāo)的能力,即使成像質(zhì)量很好但卻不一定發(fā)現(xiàn)融合于背景的對(duì)象,該因素從目標(biāo)特征識(shí)別的角度上限制了空地偵察能力,需要從亮度、顏色、溫度、散射對(duì)比度的角度衡量其光學(xué)、紅外及雷達(dá)成像偵察的影響；探測(cè)器臨空時(shí)間是威脅產(chǎn)生后持續(xù)的時(shí)間,通常和探測(cè)器的數(shù)量相關(guān),多幅圖像通常比單幅圖像產(chǎn)生的威脅大。執(zhí)行相關(guān)目標(biāo)試驗(yàn)或作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),通常會(huì)根據(jù)其重要程度而設(shè)定保密等級(jí),保密等級(jí)的確定還與試驗(yàn)對(duì)象的暴露特征相關(guān),保密程度高的任務(wù)通常暴露特征更明顯。特別是有的暴露特征在成像質(zhì)量不清楚時(shí)也能起到識(shí)別對(duì)象的作用,其潛在威脅大。故保密等級(jí)的重要性位于目標(biāo)識(shí)別能力和成像質(zhì)量之間。根據(jù)威脅程度統(tǒng)計(jì)參數(shù)和威脅評(píng)判經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造判斷矩陣,兩兩比較相關(guān)因素,從而確定所有因素的重要性。采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣,相關(guān)因素的重要性權(quán)值如表2所示。

圖1 對(duì)地偵察威脅權(quán)重層次分析模型

根據(jù)專家評(píng)判和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣,相關(guān)因素的重要性權(quán)值如表1所示。當(dāng)偵察威脅影響要素條件發(fā)生變化時(shí),需更新判斷矩陣[8]。

設(shè)探測(cè)器高度為500km,雷達(dá)、紅外及光學(xué)探測(cè)器分辨率分別為0.3m、2m和0.1m；目標(biāo)保密等級(jí)為三級(jí),地面目標(biāo)輪廓外形尺寸為3m×18m長(zhǎng)方形,隱身后目標(biāo)和背景對(duì)比度為0.8；時(shí)間為夏季中午,晴朗無(wú)云無(wú)霧,太陽(yáng)高度角50度，計(jì)算的對(duì)地偵察威脅影響因子分別為：

ft=1,fapp=0.98,fato=0.95,fcon=0.8,fsec=0.8

(13)

將其影響因子與各權(quán)值相乘,經(jīng)過(guò)四舍五入得出表1的權(quán)值修正值。

表1 要素層B相關(guān)性因素權(quán)重表

利用修正權(quán)值,構(gòu)造判斷矩陣A，并進(jìn)行其正規(guī)化、歸一化計(jì)算，如表2所示?？傻门袛嗑仃囂卣飨蛄浚篧= [0.4224,0.069,0.1706, 0.0689,0.2691]T,對(duì)A進(jìn)行隨機(jī)一致性檢驗(yàn),CI=0.0156,RI=1.12,則CR=0.0156/1.12=0.0139<0.1,通過(guò)檢驗(yàn)。

表2 目標(biāo)層A對(duì)要素層B的歸一化判斷矩陣

同理對(duì)要素層B層和決策層C之間也可以建立類似的判斷矩陣。由于相關(guān)影響因子在各偵察威脅時(shí)發(fā)揮等同作用,在構(gòu)造要素層B層和決策層C的判斷矩陣時(shí)不作修正。

分別根據(jù)探測(cè)器性能、背景環(huán)境干擾、目標(biāo)與背景成像特征對(duì)比度、偵察平臺(tái)與目標(biāo)活動(dòng)區(qū)域的時(shí)空交割范圍和目標(biāo)任務(wù)的保密等級(jí)對(duì)偵察威脅權(quán)重評(píng)估的重要性標(biāo)度構(gòu)造各判斷矩陣，得到其判斷矩陣特征向量分別為：

WB1=[0.2605,0.1062,0.6333]T；WB2= [0.6333,0.1062,0.2605]T；WB3= [0.0778,0.2344,0.6877]T；WB4= [0.1638,0.2973,0.5390]T；WB5= [0.2605,0.1062,0.6333]T。

2.4 威脅權(quán)值計(jì)算及分析

利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果, 就可以計(jì)算針對(duì)上一層次而言, 本層次所有因素重要性的權(quán)值, 獲得層次總排序。計(jì)算組合權(quán)向量公式如下所示：

(14)

組合權(quán)向量檢驗(yàn)如下：

(15)

其中：aj為目標(biāo)層對(duì)要素層的特征向量，bkj為要素層對(duì)決策層的特征向量，CIj為要素層對(duì)決策層一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)RIj。

計(jì)算的綜合權(quán)值結(jié)果如表3所示。

表3 雷達(dá)、紅外及光學(xué)綜合權(quán)值結(jié)果如表

由計(jì)算的雷達(dá)、紅外及光學(xué)探測(cè)威脅權(quán)重結(jié)果可見(jiàn),光學(xué)探測(cè)器對(duì)地面目標(biāo)的偵察威脅最大，權(quán)值占比61%；雷達(dá)探測(cè)器對(duì)地面目標(biāo)的偵察威脅次之，其權(quán)值占比25%；紅外探測(cè)器對(duì)地面目標(biāo)威脅最小，權(quán)值占比14%)。這是因?yàn)?1)光學(xué)探測(cè)器分辨率高(目前很多軍用偵察裝備的可見(jiàn)光分辨率已優(yōu)于1m),且在可見(jiàn)光近紅外波段具有上百個(gè)微細(xì)納米光譜成像波段，對(duì)地物背景及地面金屬目標(biāo)具有很強(qiáng)的材質(zhì)區(qū)分鑒別能力，數(shù)量占絕大多數(shù)(且大多雷達(dá)、紅外探測(cè)器平臺(tái)上本身就集成了可見(jiàn)光傳感器)，距離遠(yuǎn)視場(chǎng)大掃描范圍廣，組網(wǎng)偵察重訪周期短探測(cè)概率大，因此光學(xué)偵察威脅最大；2)紅外探測(cè)器優(yōu)于地面分辨率較低(大多數(shù)紅外探測(cè)器主要功能是追蹤空中目標(biāo)的),非高溫目標(biāo)紅外探測(cè)受地物背景和大氣環(huán)境影響大，作用距離小,因而紅外偵察威脅最??；3)雷達(dá)探測(cè)由于不受氣象環(huán)境的影響，SARISAR成像分辨率僅次于光學(xué)(美軍間諜衛(wèi)星雷達(dá)成像分辨率已達(dá)到1m級(jí))，且雷達(dá)具有較為突出的動(dòng)目標(biāo)區(qū)分功能，尤其對(duì)行軍移動(dòng)中的地面目標(biāo)具有很強(qiáng)的偵查定位跟蹤能力。但其受地物背景雜波的影響，探測(cè)信雜比較低，圖像解譯難且時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力低，因而雷達(dá)偵察威脅相對(duì)光學(xué)偵察較小，而比紅外偵察威脅大。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了對(duì)地目標(biāo)偵察威脅特點(diǎn)及地面目標(biāo)曝露征候，基于層次分析法建立了對(duì)地目標(biāo)多譜段偵察威脅權(quán)重評(píng)估模型。通過(guò)定性和定量方式充分考慮了多種因素的影響，計(jì)算獲得了合理的偵察威脅權(quán)重評(píng)判結(jié)果。對(duì)于新型地面目標(biāo)隱身設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)性能分析評(píng)估具有一定的指導(dǎo)作用。

本文建立的偵察威脅權(quán)重分析模型,由于缺乏實(shí)際偵測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)校模，涉及到一些不確定因素,下一步將采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)定威脅權(quán)重, 以求獲得更加客觀的結(jié)果。

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