對地目標偵察威脅權(quán)重分析研究

劉增燦，鄧愛明，王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國兵器工業(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)場將處于高度透明，在“發(fā)現(xiàn)即意味被摧毀”的戰(zhàn)場環(huán)境下，導(dǎo)彈、坦克裝甲車輛等地面目標面臨日益嚴重的偵察及生存威脅。偵察探測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)計的前提，也是科學(xué)預(yù)測武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要依據(jù)。

1 對地偵察威脅特點與地面目標曝露征候

1.1 對地偵察威脅特點

通過分析潛在敵對國家航天和航空偵察裝備情況[1-2]，獲得對地目標偵察威脅具有以下特點：

1)地面目標所面臨的威脅主要來自天基衛(wèi)星和空基戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)偵察機等機載偵察平臺。其通過高分辨的可見光照相，近中、遠紅外熱成像以及合成孔徑側(cè)視雷達成像等進行探測識別地面目標。據(jù)統(tǒng)計，美軍通過航天與航空偵察所獲取的戰(zhàn)場信息比例為84﹕16，其中可見光偵察占比大于60%，為主要偵察方式。航空偵察中，無人偵察逐漸超越有人偵察成為主要偵察方式[3]。

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

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

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

“變背景”：部署在不同地域的目標其地域背景是不同的，且機動過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，對地面目標偵察具有復(fù)雜變化的地面背景干擾特點。

1.2 地面目標曝露征候

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

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

2)紅外暴露征候。地面目標金屬車體、發(fā)動機及其排出廢氣、輪胎/履帶與地面摩擦等都會產(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器捕獲。

如車輛發(fā)動機外表溫度可高達100 ℃以上,散熱器溫度約為60～90 ℃, 形成的最大輻射波長約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遠超過此值, 所以對車輛紅外輻射的探測是很容易的[4]。

3)光學(xué)暴露征候。地面車輛棱角分明、線條規(guī)則清晰，長度超過普通車輛，很容易被各種光學(xué)偵察儀器發(fā)現(xiàn)和識別。地面目標及其隱身涂料、偽裝網(wǎng)光譜反射特性與綠色植物也存在明顯差別(人造目標與背景的亮度對比在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)和識別目標的依據(jù)。

高技術(shù)偵察威脅下，地面目標面臨嚴重的偵察與打擊威脅，只有實施有效的隱身偽裝，才能適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的需求。裝備隱身應(yīng)針對偵察的譜段、角域、模式等威脅特點，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

地面目標偵察威脅評估涉及敵方探測裝備性能、我軍裝備隱身防護能力、探測背景環(huán)境等多項復(fù)雜、且相互關(guān)聯(lián)的指標,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展地面目標偵察威脅分析評估。

2.1 偵察威脅評估要素

天基和航空偵察設(shè)備探測識別地面目標能力的主要要素包括:

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

2)地面目標隱身特性:尺寸,外形,活動時間,目標暴露特征，目標與背景特征對比度。

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

4)偵察平臺與目標的態(tài)勢:目標是否在觀測區(qū)域、觀測時機是否與目標發(fā)生時空交割[5]。

2.2 偵察威脅影響因子

偵察威脅評估因子主要是偵察設(shè)備探測識別目標的概率影響因子,包括以下6個方面。

2.2.1 對地偵察分辨率

依據(jù)雷達、紅外及光學(xué)探測器空間分辨率計算公式及其探測器性能參數(shù)[6]。其中光學(xué)分辨率Lo與探測器高度H、成像焦距f、像元大小a相關(guān)，Lo=H·a/f，當探測器像元大小a和焦距確定后,H越小,探測器視場越小,地面分辨率越高。對地分辨率0.3～1m時主要用于軍事偵察,探測特定軍事目標。目前軍用光學(xué)偵察傳感器地面分辨率已達到0.1～0.3m的水平。雷達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，雷達帶寬越寬，地面分辨率越高。

依據(jù)目標對地探測傳感器性能和軍事偵察應(yīng)用認知，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 太陽高度角

對于光學(xué)成像偵察傳感器來說,其成像的質(zhì)量還取決于太陽高度角。太陽高度角越大，其對成像質(zhì)量的影響越小。太陽高度角γ主要與目標的維度α、太陽入射線與赤道夾角θ及太陽時角β相關(guān)，γ=arcsin(sinα·sinθ+cosα·cosθ·cosβ)。依據(jù)不同太陽高度角下的光學(xué)探測概率統(tǒng)計情況，用區(qū)間函數(shù)描述太陽高度角影響因子。太陽高度角越大，太陽光線對光學(xué)傳感器成像影響越小。一般當目標區(qū)域的太陽高度角h≥30°時可進行軍用目標詳查。

(3)

2.2.3 氣象環(huán)境影響

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

用八分量測云公式計算云量n影響因子[7]，晴朗無云時n為0，太空被云層完全遮蔽時n為8:

fcloud=1-n2/64

(4)

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

(5)

對光學(xué)偵察傳感器而言，其偵察還受探測時間的影響限制，依據(jù)工程試驗經(jīng)驗，探測時段影響因子為：

(6)

云、霧和時段氣象環(huán)境影響因子計算如下：

fato=ffog×fcloud×fTime

(7)

2.2.4 目標輪廓形狀

對地遠距離探測成像時，由于受傳感器分辨率的限制和大氣環(huán)境及其目標背景的影響，探測器成像反映地面目標的輪廓外形特征時會存在模糊、扭曲、暗斑等失真現(xiàn)象,不同輪廓形狀的目標其探測識別影響因子不同：

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

(8)

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

2.2.5 目標與地物背景對比度

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

(9)

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

(10)

綜合對比度影響因子fcon計算如下式：

fcon=fR×fI×fO

(11)

2.2.6 目標任務(wù)密級

目標任務(wù)越重要,其保密等級越高,被偵察發(fā)現(xiàn)的威脅就越大。保密等級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)境下的地面目標偵察威脅評估層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。偵察威脅權(quán)重分析考慮如下因素:探測器性能、目標與背景對比能力、背景環(huán)境干擾影響、偵察平臺與目標時刻交割范圍、目標任務(wù)密級。其中偵察平臺探測識別能力是傳感器發(fā)現(xiàn)和目標能被識別的關(guān)鍵因素,決定著目標暴露特征中可識別信息的重要信息,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,雖然是目標探測識別能力的一部分卻隨著背景環(huán)境狀況實時改變,應(yīng)單獨重點衡量；對比度是表征從背景中識別有效目標的能力,即使成像質(zhì)量很好但卻不一定發(fā)現(xiàn)融合于背景的對象,該因素從目標特征識別的角度上限制了空地偵察能力,需要從亮度、顏色、溫度、散射對比度的角度衡量其光學(xué)、紅外及雷達成像偵察的影響；探測器臨空時間是威脅產(chǎn)生后持續(xù)的時間,通常和探測器的數(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)目標試驗或作戰(zhàn)任務(wù)時,通常會根據(jù)其重要程度而設(shè)定保密等級,保密等級的確定還與試驗對象的暴露特征相關(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)量不清楚時也能起到識別對象的作用,其潛在威脅大。故保密等級的重要性位于目標識別能力和成像質(zhì)量之間。根據(jù)威脅程度統(tǒng)計參數(shù)和威脅評判經(jīng)驗構(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 對地偵察威脅權(quán)重層次分析模型

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

設(shè)探測器高度為500km,雷達、紅外及光學(xué)探測器分辨率分別為0.3m、2m和0.1m；目標保密等級為三級,地面目標輪廓外形尺寸為3m×18m長方形,隱身后目標和背景對比度為0.8；時間為夏季中午,晴朗無云無霧,太陽高度角50度，計算的對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，并進行其正規(guī)化、歸一化計算，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A進行隨機一致性檢驗,CI=0.0156,RI=1.12,則CR=0.0156/1.12=0.0139<0.1,通過檢驗。

表2 目標層A對要素層B的歸一化判斷矩陣

同理對要素層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的判斷矩陣時不作修正。

分別根據(jù)探測器性能、背景環(huán)境干擾、目標與背景成像特征對比度、偵察平臺與目標活動區(qū)域的時空交割范圍和目標任務(wù)的保密等級對偵察威脅權(quán)重評估的重要性標度構(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, 就可以計算針對上一層次而言, 本層次所有因素重要性的權(quán)值, 獲得層次總排序。計算組合權(quán)向量公式如下所示：

(14)

組合權(quán)向量檢驗如下：

(15)

其中：aj為目標層對要素層的特征向量，bkj為要素層對決策層的特征向量，CIj為要素層對決策層一致性指標和隨機一致性指標RIj。

計算的綜合權(quán)值結(jié)果如表3所示。

表3 雷達、紅外及光學(xué)綜合權(quán)值結(jié)果如表

由計算的雷達、紅外及光學(xué)探測威脅權(quán)重結(jié)果可見,光學(xué)探測器對地面目標的偵察威脅最大，權(quán)值占比61%；雷達探測器對地面目標的偵察威脅次之，其權(quán)值占比25%；紅外探測器對地面目標威脅最小，權(quán)值占比14%)。這是因為:1)光學(xué)探測器分辨率高(目前很多軍用偵察裝備的可見光分辨率已優(yōu)于1m),且在可見光近紅外波段具有上百個微細納米光譜成像波段，對地物背景及地面金屬目標具有很強的材質(zhì)區(qū)分鑒別能力，數(shù)量占絕大多數(shù)(且大多雷達、紅外探測器平臺上本身就集成了可見光傳感器)，距離遠視場大掃描范圍廣，組網(wǎng)偵察重訪周期短探測概率大，因此光學(xué)偵察威脅最大；2)紅外探測器優(yōu)于地面分辨率較低(大多數(shù)紅外探測器主要功能是追蹤空中目標的),非高溫目標紅外探測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?。?)雷達探測由于不受氣象環(huán)境的影響，SARISAR成像分辨率僅次于光學(xué)(美軍間諜衛(wèi)星雷達成像分辨率已達到1m級)，且雷達具有較為突出的動目標區(qū)分功能，尤其對行軍移動中的地面目標具有很強的偵查定位跟蹤能力。但其受地物背景雜波的影響，探測信雜比較低，圖像解譯難且時間長，實時監(jiān)測能力低，因而雷達偵察威脅相對光學(xué)偵察較小，而比紅外偵察威脅大。

3 結(jié)論

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

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

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