紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾評估指標(biāo)體系構(gòu)建*

周永恒,崔少輝,方丹

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引言

紅外導(dǎo)引技術(shù)在精確制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域中占有極為重要的地位,它具有制導(dǎo)精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強、“打了不管”、全天候作戰(zhàn)和自動選擇攻擊目標(biāo)要害部位等優(yōu)點,是制導(dǎo)體制中重要的發(fā)展方向之一[1]。近年來，紅外抗干擾性能已成為紅外成像導(dǎo)引頭研制與試驗鑒定中及其重要的性能指標(biāo)，可以說其抗干擾性能的強弱很大程度上決定了紅外成像導(dǎo)引頭的最終作戰(zhàn)效能[2]。因此，如何準(zhǔn)確地評價紅外成像導(dǎo)引頭在干擾條件下的工作性能優(yōu)劣，為紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能的改善以及其驗收鑒定提供重要的依據(jù)，是一項亟待完成的工作。

抗干擾性能評估指標(biāo)集的選取是評估的首要工作[3]，但當(dāng)前的通用做法是以抗干擾概率這單一指標(biāo)或少數(shù)幾個指標(biāo)作為其評估指標(biāo)集，所得評估結(jié)果不能綜合反映出紅外成像導(dǎo)引頭在干擾條件下各方面性能的優(yōu)劣。同時,紅外對抗中包含了大量不確定的環(huán)境因素、人為因素以及復(fù)雜紅外對抗技術(shù)因素，因此在選取評估指標(biāo)時往往存在著指標(biāo)繁復(fù)、冗余等問題，仍需進(jìn)一步深入研究。

本文通過分析紅外成像導(dǎo)引頭工作原理以及性能評估準(zhǔn)則，在參考紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的構(gòu)建了紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系。同時，為提升評估效率，針對所建立的指標(biāo)體系采用粗糙集理論進(jìn)行約簡，從而得到簡潔、科學(xué)、準(zhǔn)確的紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系。

1 評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過分析紅外成像導(dǎo)引頭作戰(zhàn)過程及其抗干擾原理可知，紅外成像導(dǎo)引頭在干擾環(huán)境下的性能表現(xiàn)最終由2個方面決定：紅外成像導(dǎo)引頭的自身固有特性和其抗干擾特性?；诖藖矸治鰧t外成像導(dǎo)引頭抗干擾產(chǎn)生影響的指標(biāo)，就可以構(gòu)建一個起準(zhǔn)確、全面、科學(xué)的評估指標(biāo)體系。

1.1 紅外成像導(dǎo)引頭固有特性分析

紅外成像導(dǎo)引頭主要任務(wù)是對目標(biāo)的高精度探測與跟蹤，主要由其光學(xué)成像系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)來實現(xiàn)，因此這兩個分系統(tǒng)的基本性能參數(shù)的好壞對導(dǎo)引頭的抗干擾性能有著直接的影響。

光學(xué)成像系統(tǒng)[4-5]：光學(xué)成像系統(tǒng)的主要功能是接收目標(biāo)或景物的紅外輻射能并把轉(zhuǎn)換為包含跟蹤信息的電信號輸出給隨動系統(tǒng)。它的主要性能參數(shù)包括導(dǎo)引頭視場大小、noise equivalent temperature difference(NETD,噪聲等效溫差)、minimum resolvable temperature difference(MRTD,最小可分辨溫差)。

隨動系統(tǒng)[4]：隨動系統(tǒng)的作用是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)給出的彈目視線與光軸間的誤差信號驅(qū)動導(dǎo)引頭光軸向誤差減小的方向運動，使其對準(zhǔn)目標(biāo)，實現(xiàn)目標(biāo)實時跟蹤。主要性能參數(shù)包括最大跟蹤角速度、隔離度和靜態(tài)跟蹤誤差。

1.2 導(dǎo)引頭抗干擾特性分析

紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能受環(huán)境影響該很大，同一型號導(dǎo)引頭在不同環(huán)境條件、不同干擾條件以及不同目標(biāo)特性下所體現(xiàn)出的抗干擾性能也不一樣。本文通過分析各因素對紅外成像導(dǎo)引頭的影響以及導(dǎo)引頭攻擊過程中的抗干擾原理，探尋能反映不同干擾條件下導(dǎo)引頭性能變化的評估指標(biāo)。認(rèn)為當(dāng)紅外成像導(dǎo)引頭處于干擾環(huán)境中時，其抗干擾性能主要體現(xiàn)在其抗干擾識別能力和抗干擾跟蹤能力上[6]。

(1) 抗干擾識別能力

抗干擾識別能力是指紅外成像導(dǎo)引頭運用相應(yīng)的目標(biāo)識別算法，在打擊目標(biāo)的過程中，紅外成像導(dǎo)引頭從其所采集到的每一幀圖像中識別出正確目標(biāo)的能力。

在衡量紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾識別能力時，最關(guān)心的是目標(biāo)是否被其檢測到，因此選取檢測概率作為考核抗干擾識別能力的指標(biāo)，其定義為在大量的目標(biāo)檢測次數(shù)中，從干擾環(huán)境中檢測到目標(biāo)的次數(shù)N1與檢測總次數(shù)N的比值，N即包含目標(biāo)的圖像幀數(shù)，則用Pd=N1/N來估算檢測概率。

虛警概率指的紅外成像導(dǎo)引頭在干擾環(huán)境中識別過程中將非目標(biāo)識別為目標(biāo)的次數(shù)N2與檢測總次數(shù)N的比值，則用Pf=N2/N來估算虛警概率[7]。

有效識別時間指的是紅外成像導(dǎo)引頭從每一幀采集到的圖像中提取出目標(biāo)信息所需要的時間。對紅外成像導(dǎo)引頭而言，其有效識別跟蹤目標(biāo)的反應(yīng)時間越短，留給制導(dǎo)系統(tǒng)的時間就越充分，其抗干擾性能就越好。

有效作用距離是指在干擾環(huán)境下紅外成像導(dǎo)引頭的真實作用距離，與其所處的干擾環(huán)境有很大關(guān)系，目標(biāo)與背景的相對溫差，大氣傳輸效應(yīng)以及信噪比對導(dǎo)引頭的有效作用距離都有很大影響。

(2) 抗干擾跟蹤能力

抗干擾跟蹤能力是指紅外成像導(dǎo)引頭在干擾環(huán)境下沒能正確識別目標(biāo)時，其所采取的跟蹤方式，其目的是保證干擾消失后目標(biāo)依然處于導(dǎo)引頭視場中，保證紅外成像導(dǎo)引頭在干擾消失或干擾減弱后能夠再次截獲目標(biāo)[8]。本文主要通過紅外成像導(dǎo)引頭輸出的視線角速度誤差(俯仰、偏航2個方向)以及跟蹤回路時間常數(shù)2個參數(shù)來評價紅外成像導(dǎo)引頭的抗干擾跟蹤能力。

考慮到由于整個抗干擾過程是一個實時動態(tài)變化的過程，彈目視線角每個時刻都在變化中，所以定義視線角速度誤差因子:

(1)

角跟蹤回路時間常數(shù)反應(yīng)的是紅外成像導(dǎo)引頭對目標(biāo)機動的反映能力，同時也可以表達(dá)在抗干擾過程中其從干擾態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤態(tài)的快速性。

綜上所述，建立如圖1所示紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系。

2 基于粗糙理論集的指標(biāo)體系約簡

評估過程中并不是選取的指標(biāo)多評估結(jié)果就準(zhǔn)確，指標(biāo)的冗余不僅會導(dǎo)致相互干擾反而降低評估準(zhǔn)確度，還會增加評估的工作量。因此，為提高評估效率和評估精確度,對上述所建立的紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系，仍需要采用相應(yīng)的方法對其進(jìn)行約簡，去除冗余項，僅保留主要指標(biāo)。

粗集理論是一種處理不完整不精確知識的新型數(shù)學(xué)工具，是當(dāng)前備受關(guān)注的一種軟件計算基礎(chǔ)理論[9]。粗集理論無需任何先驗和外部信息便能從大量數(shù)據(jù)中探尋出決策規(guī)則，揭示出屬性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并刪除冗余屬性[9-10]。在對所建立的指標(biāo)體系進(jìn)行約簡時，可以把評估指標(biāo)認(rèn)為是粗糙集中的條件屬性，所得到的評估結(jié)果可認(rèn)為是粗糙理論集中的決策屬性，因此粗糙集中的屬性約簡即為評估指標(biāo)集的約簡[11]。

定義設(shè)D為紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系，U為評估對象(紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能)，需要對n種不同條件下的紅外成像導(dǎo)引頭的抗干擾性能進(jìn)行評價，因此，記|U|=n。與之相對應(yīng)的區(qū)分矩陣表示為d(x,y)={a∈D|f(x,a)≠f(y,a)}，d(x,y)表示可以區(qū)分的對象x以及另一個可以區(qū)分對象y的指標(biāo)集合，并且有dij=dji，dii=?，djj=?。

核屬性集合是區(qū)分矩陣中所有出現(xiàn)的單指標(biāo)的集合[12]。

如果用布爾變量表示可以區(qū)分的對象x，以及另一個可以區(qū)分對象y的指標(biāo)集a(x,y)={a1,a2,…,ak}≠?，則布爾函數(shù)表示為∑a(x,y)。對應(yīng)指標(biāo)體系的區(qū)分函數(shù)表示為

f(D)=∏∑a(x,y),(x,y)?U×U.

(2)

f(D)的極小析取范式中的所有合取式是屬性集A的所有約簡，即能滿足有效區(qū)別所有屬性集對象的屬性極小子集[13]。

3 仿真驗證

大量客觀、有效的評估指標(biāo)數(shù)據(jù)是實現(xiàn)指標(biāo)集約簡的前提，而紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能指標(biāo)數(shù)據(jù)較難獲得，本文采用半實物仿真的方法，通過視景仿真軟件設(shè)置不同的干擾條件，從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)約簡。對于同一型號導(dǎo)紅外成像導(dǎo)引頭而言，其固有性能指標(biāo)不隨干擾環(huán)境而變化，不屬于性能變化量，但它是其完成抗干擾任務(wù)的前提保證，因此本文不對固有性能指標(biāo)進(jìn)行約簡。對于這部分指標(biāo)通過導(dǎo)引頭測試臺以及平行光管進(jìn)行測試，如表1所示。

由于紅外成像導(dǎo)引頭在不同干擾環(huán)境下所表現(xiàn)出來的抗干擾能力好壞有所差異，本文利用半實物仿真系統(tǒng)，對5種不同典型干擾條件下紅外成像導(dǎo)引頭的抗干擾性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，獲得抗干擾性能評估樣本數(shù)據(jù)，并以仿真實驗的命中精度作為評估值，如表2所示。

通常情況下，通過實驗獲得的紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)的值是連續(xù)的，但在運用粗糙集對評估體系進(jìn)行約簡的過程中要求評估指標(biāo)的值是離散的，因此必須對每組評估數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理。本文采用等距劃分法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的離散化。離散化后的決策表如表3所示。

表1 固有性能評估指標(biāo)參數(shù)Table 1 Inherent performance evaluation index parameters

表2 抗干擾性能評估指標(biāo)參數(shù)Table 2 Anti-interference performance evaluation index parameters

表3 評估數(shù)據(jù)離散化決策表Table 3 Evaluation data discretization decision table

對離散化的決策表建立區(qū)分矩陣，得到的區(qū)分函數(shù)為

f(D)=(a1∨a3∨a4∨a5)…

(a1∨a2∨a3∨a4∨a5)=a1∨a3∨a4.

(3)

可得到系統(tǒng)的決策屬性約簡集為(a1,a3,a4)，因此經(jīng)約簡后的紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能指標(biāo)集為抗干擾識別概率，俯仰視線角速度誤差和偏航視線角速度誤差，其與固有性能指標(biāo)共同構(gòu)成了紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能指評估標(biāo)簡約集。

4 有效性驗證

決策系統(tǒng)的一個最小化約簡對應(yīng)于一種決策規(guī)則，該決策規(guī)則可以認(rèn)為是從條件屬性到?jīng)Q策屬性的一種映射。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強的非線性映射關(guān)系，因此可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立這種映射關(guān)系[14]。因此，本文采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對約簡后所得評估結(jié)果進(jìn)行有效性檢驗[15]，通過設(shè)置不同的干擾條件對紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行半實物仿真測試，共產(chǎn)生70組的測試評估數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)分別對約簡前后的2個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練誤差曲線見圖2和圖3。

利用表3所得離散后的紅外成像導(dǎo)引頭干擾性能評估指標(biāo)數(shù)據(jù),對約簡后指標(biāo)體系的有效性進(jìn)行驗證，將其帶入訓(xùn)練好的2個網(wǎng)絡(luò)中，得到的約簡前后的兩組評估結(jié)果，如表4所示。

觀察圖2,3可以發(fā)現(xiàn)，約簡后人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)由700次減小到300次，計算量降低使得評估效率有了很大提高，同時從表4可以看出，指標(biāo)集約簡前、后所得5種條件下的抗干擾性能評估結(jié)果一致。顯然，指標(biāo)約簡前的評估指標(biāo)體系存在冗余項，評估工作量大且計算繁瑣，而約簡后的指標(biāo)集顯然更加簡潔、實用。

表4 約簡前后抗干擾性能評估結(jié)果對比Table 4 Comparison of anti-interference performance evaluation results before and after reduction

5 結(jié)束語

本文從紅外成像導(dǎo)引頭其自身硬件性能和作戰(zhàn)過程出發(fā)，全面分析了構(gòu)成紅外導(dǎo)成像引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系的主要性能指標(biāo)。以紅外成像導(dǎo)引頭為研究對象建立了抗干擾性能評估指標(biāo)體系，并采用粗糙集屬性約簡方法進(jìn)行指標(biāo)約簡，去除冗余項，得到簡潔高效的評估指標(biāo)體系。該方法為紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能評估的指標(biāo)體系的建立供了理論依據(jù)。隨著紅外對抗的日趨劇烈，紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾性能的評估也越發(fā)重要，如何建立一套簡潔、科學(xué)的評估方法還需進(jìn)一步研究。