一種用于發(fā)射后截獲的紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算方法

徐振亞，付奎生，祁 鳴，李麗娟

一種用于發(fā)射后截獲的紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算方法

徐振亞1，付奎生1,2，祁 鳴1,2，李麗娟1,2

（1. 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099；2. 航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471099）

為支撐紅外型空空導(dǎo)彈的中遠(yuǎn)射程發(fā)展，針對(duì)發(fā)射后截獲技術(shù)應(yīng)用，提出一種基于“信息裝訂＋場(chǎng)景模型”的紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算方法。方法基于紅外系統(tǒng)性能估計(jì)經(jīng)典理論。通過(guò)對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)特性的分析，完成了來(lái)自飛機(jī)和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的裝訂信息需求梳理，給出了估算方案框圖和面向工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)示例。估算結(jié)果表明：該方法能夠給出與實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)匹配的距離估算結(jié)果，具有數(shù)據(jù)規(guī)模小、查詢速度快、計(jì)算步驟少的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足導(dǎo)彈有限資源下的高速應(yīng)用需求。

發(fā)射后截獲；紅外導(dǎo)引頭；探測(cè)距離；場(chǎng)景建模；信息裝訂

0 引言

按照空空導(dǎo)彈“先敵發(fā)現(xiàn)，先敵發(fā)射，先敵脫離，先敵命中”的四先準(zhǔn)則，為保證載機(jī)、預(yù)警機(jī)等體系節(jié)點(diǎn)的安全，交戰(zhàn)雙方盡可能回避進(jìn)入近距格斗狀態(tài)，紅外型格斗導(dǎo)彈有向中遠(yuǎn)距攔射發(fā)展的趨勢(shì)，而且這種趨勢(shì)因雷達(dá)型導(dǎo)彈的電磁對(duì)抗能力弱而變得非常迫切[1-2]。為適應(yīng)紅外型導(dǎo)彈的射程增加需求，目前國(guó)外第四代紅外型空空導(dǎo)彈廣泛采用發(fā)射后技術(shù)，如德國(guó)、瑞典等國(guó)聯(lián)合研制的彩虹-T[3]、英國(guó)的ASRAAM、南非的A-DARTER[4]、以色列的怪蛇5和美國(guó)的AIM-9X BlockII[3]。由于發(fā)射后截獲模式下的飛行時(shí)間長(zhǎng)，且缺少射前模式時(shí)目前實(shí)際信息和飛行員的確認(rèn)，導(dǎo)引頭在發(fā)射后截獲模式下將面臨更加惡劣的氣動(dòng)熱環(huán)境、自然背景虛警和人工干擾等挑戰(zhàn)。

隨著紅外光電對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外持續(xù)20多年對(duì)紅外目標(biāo)輻射特性展開(kāi)深入研究，開(kāi)發(fā)的商業(yè)軟件有SE-Workbench、Radtherm-IR、SAFIR和SEISM，這些軟件能有效地描述飛機(jī)目標(biāo)紅外輻射特性[5]?？紤]到對(duì)作戰(zhàn)對(duì)象及環(huán)境特性認(rèn)識(shí)的不斷深入，數(shù)字仿真模型可以結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)靈活調(diào)整；本文擬在經(jīng)典探測(cè)距離估算理論基礎(chǔ)上，通過(guò)空戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)與環(huán)境特性研究梳理體系裝訂信息需求，完成基于場(chǎng)景模型的彈上探測(cè)距離估算總體方案設(shè)計(jì)，為紅外型中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈研制亟需的發(fā)射后截獲模式相關(guān)問(wèn)題解決提供支撐。

1 探測(cè)距離理論及裝訂信息需求

1.1 距離估算理論

在發(fā)射后截獲的一般場(chǎng)景下，彈目距離通常較遠(yuǎn)，作戰(zhàn)目標(biāo)均處于導(dǎo)引頭截獲的遠(yuǎn)界，各型飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等常規(guī)目標(biāo)在焦平面上的像呈現(xiàn)出點(diǎn)源輻射特征，在導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)入瞳位置處的有效輻照度tL可用公式(1)表示[6]：

式中：tL為目標(biāo)在導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)入瞳位置處的輻照度；為擬攻擊目標(biāo)到導(dǎo)彈入瞳位置的距離；t()為目標(biāo)的絕對(duì)光譜輻射強(qiáng)度；()為探測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)光譜響應(yīng)；a()為經(jīng)過(guò)距離L的大氣光譜透過(guò)率。

靈敏度閾值是表征探測(cè)系統(tǒng)可靠工作的最低有效照度e，可用公式(2)表示[6]：

式中：d為探測(cè)器的單個(gè)像元的面積；D為系統(tǒng)帶寬；o為探測(cè)系統(tǒng)入瞳面積；為探測(cè)系統(tǒng)調(diào)制參數(shù)；o為光學(xué)系統(tǒng)效率；p*為探測(cè)器的峰值星探測(cè)度；SNR為系統(tǒng)可靠工作的最小信噪比。

如果公式(1)中的HL大于等于公式(2)的系統(tǒng)靈敏度閾值e，則在距離處可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)?？芍畲筇綔y(cè)距離公式如公式(3)所示：

上述經(jīng)典探測(cè)系統(tǒng)距離估算公式的簡(jiǎn)要推導(dǎo)過(guò)程表明，如果能夠明確目標(biāo)輻射、背景輻射、大氣環(huán)境、產(chǎn)品特性，則可以完成對(duì)紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離的估算。

上述公式中并未考慮來(lái)自氣動(dòng)熱效應(yīng)和自然背景起伏引入的噪聲；而通常情況下的自然背景均不滿足均勻背景假設(shè)，同時(shí)導(dǎo)彈自主飛時(shí)的氣動(dòng)熱效應(yīng)不可忽略，基于公式(4)得到的計(jì)算結(jié)果將大于實(shí)際結(jié)果，必須在公式中考慮自然背景和氣動(dòng)熱輻射效應(yīng)因素的影響。由于所有背景輻射噪聲最終均疊加在圖像上，且產(chǎn)品自身的噪聲特性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試標(biāo)定，如果基于廣義上的自然背景噪聲、氣動(dòng)熱噪聲和系統(tǒng)空域噪聲彼此相互獨(dú)立，能夠滿足功率譜疊加的規(guī)律，則可以基于現(xiàn)有產(chǎn)品響應(yīng)特性，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)的自然背景、氣動(dòng)熱效應(yīng)所引入的復(fù)雜背景噪聲進(jìn)行量化，進(jìn)而再基于不同噪聲可以功率譜疊加的約束，實(shí)現(xiàn)不同條件下綜合噪聲水平的估計(jì)，此時(shí)系統(tǒng)等效噪聲和不同類型背景噪聲的相互關(guān)系滿足以下公式。

式中：Noisesys為系統(tǒng)內(nèi)部總噪聲；Noisebg為自然背景引入的附加空域噪聲；Noiseair為氣動(dòng)熱效應(yīng)引入的附加空域噪聲；Noise￠sys為綜合考慮背景起伏、氣動(dòng)熱后的等效系統(tǒng)總噪聲。

考慮公式(4)中的靈敏度閾值e基于系統(tǒng)噪聲的Noisesys，因此，利用當(dāng)前狀態(tài)下考慮自然背景起伏、氣動(dòng)熱效應(yīng)和系統(tǒng)噪聲后的綜合等效噪聲Noise￠sys代替Noisesys，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同背景下系統(tǒng)探測(cè)距離的計(jì)算。

1.2 體系裝訂信息需求

從第三代空空導(dǎo)彈開(kāi)始，由于預(yù)警機(jī)的投入，空戰(zhàn)集群具備了空中戰(zhàn)區(qū)統(tǒng)一指揮與信息共享的能力，可以將來(lái)自地面雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)等多源信息進(jìn)行融合[1]。

在發(fā)射后截獲的中遠(yuǎn)距場(chǎng)景中，對(duì)于由彈目距離遠(yuǎn)導(dǎo)致的導(dǎo)彈導(dǎo)引系統(tǒng)無(wú)法感知目標(biāo)、以及為了降低導(dǎo)彈飛行阻力采用了保護(hù)頭罩方案無(wú)法感知場(chǎng)景等困難，均可以通過(guò)體系平臺(tái)的信息支援實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的估計(jì)，為發(fā)射后截獲條件下產(chǎn)品性能估算和系統(tǒng)制導(dǎo)閉環(huán)提供支撐。下面將結(jié)合紅外目標(biāo)與環(huán)境特性認(rèn)識(shí)，對(duì)影響紅外導(dǎo)引頭探測(cè)性能各要素的體系裝訂信息需求進(jìn)行分析。

1.2.1 目標(biāo)特性需求

飛機(jī)目標(biāo)的輻射來(lái)源包括熱部件、蒙皮和尾焰，由于用途、設(shè)計(jì)理念及裝備等因素的差異，不同類型飛機(jī)的熱輻射特性和空間輻射分布差別巨大。圖1為F-22的中波紅外視頻截圖，資料來(lái)自于2010年英國(guó)范保羅（Farnborough）航展[5]。

圖1 F-22紅外圖像[5]

2011年空軍工程大學(xué)的王超哲對(duì)某型飛機(jī)探測(cè)距離進(jìn)行了計(jì)算和分析，總結(jié)出了影響探測(cè)效果的5個(gè)主要的飛機(jī)目標(biāo)紅外輻射特性：光譜特性、方位特性、高度特性、速度特性和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)特性[7]。但對(duì)于確定的產(chǎn)品而言，其響應(yīng)光譜已經(jīng)確定，無(wú)需裝訂；飛機(jī)蒙皮溫度由氣動(dòng)加熱和機(jī)體設(shè)備傳熱共同確定，短時(shí)間的速度變化并不會(huì)體現(xiàn)在飛機(jī)蒙皮輻射上，在構(gòu)建目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輻射模型時(shí)，可以暫時(shí)不考慮速度特征的影響；高度特性主要體現(xiàn)在大氣路徑的影響方面；同時(shí)缺少合適技術(shù)途徑確定敵方飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)特性；因此，作戰(zhàn)平臺(tái)能夠裝訂的信息也只有方位特性，綜合考慮對(duì)多類型飛機(jī)目標(biāo)作戰(zhàn)需求，從目標(biāo)特性角度上的體系裝訂信息需求包括：目標(biāo)類型和觀測(cè)方位（方位角、俯仰角）。

1.2.2 背景輻射需求

如前所述，背景輻射包括自然背景和氣動(dòng)熱背景。對(duì)于自然背景，由于導(dǎo)彈視線與水平面的角度不同，可以觀測(cè)到的自然背景包括：天空、云、地物以及海面等自然場(chǎng)景；天空背景的復(fù)雜程度取決于云，地面和海面背景的影響因素較多，諸如經(jīng)緯度、海拔、氣候、季節(jié)、晝夜變化、洋流運(yùn)動(dòng)以及人類的生產(chǎn)活動(dòng)等，導(dǎo)致不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的輻射及分布差異較大，如森林、城市、沙漠等。直接裝訂背景類型將因?yàn)樽匀槐尘邦愋投?，紅外輻射差異大而難以定義。

鑒于對(duì)紅外背景雜波量化方面已經(jīng)有系列研究成果，尤其是童錫良等人[8]在2018年提出了針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)的背景雜波量化改進(jìn)方法，可以支撐產(chǎn)品根據(jù)探測(cè)目標(biāo)、檢測(cè)算法等具體設(shè)計(jì)對(duì)自然場(chǎng)景進(jìn)行雜波噪聲的影響。即：如果紅外導(dǎo)引頭窗口可以觀測(cè)，則可以在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，提前進(jìn)行背景數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)背景噪聲量化處理；而當(dāng)紅外導(dǎo)引頭的窗口不可觀測(cè)時(shí)，則可以結(jié)合前面對(duì)自然背景的雜波量化方法，在線下建立自然背景與系統(tǒng)噪聲關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)作戰(zhàn)體系給出空戰(zhàn)場(chǎng)地面、空中背景類型和導(dǎo)引頭視線與水平面的夾角，以支撐對(duì)自然背景噪聲的估計(jì)。

(a) 弱雜波 (b) 中等雜波 (c) 強(qiáng)雜波

氣動(dòng)熱效應(yīng)主要與導(dǎo)彈頭罩、導(dǎo)彈飛行速度和大氣密度有關(guān)，可以基于真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)展建模仿真研究，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)彈飛行速度和在大氣層中位置參數(shù)，完成對(duì)有氣動(dòng)熱效應(yīng)因素的噪聲估計(jì)。

綜上，從背景輻射角度上的體系裝訂信息需求包括：可以表征背景復(fù)雜程度的背景類型、導(dǎo)彈視線角、導(dǎo)彈飛行速度、高度。

1.2.3 大氣環(huán)境需求

地球大氣由78%的氮?dú)猓?1%的氧氣，1%的微量氣體，以及懸浮塵埃、液滴、冰晶等固體和液體微粒的氣溶膠顆粒組成。氧氣和氮?dú)鈱?duì)紅外輻射影響較小，對(duì)紅外輻射影響較大的主要是水蒸氣、二氧化碳、臭氧等大氣分子的吸收、散射和云、霧、雨、雪等氣溶膠微粒的散射。

結(jié)合大氣傳輸軟件MODTRAN的計(jì)算參數(shù)設(shè)置，可以確定影響大氣透過(guò)率的因素不僅包括海拔高度，還包括：傳輸距離、觀測(cè)位置、大氣模式、能見(jiàn)度、天氣、氣溶膠類型等?？紤]到空戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋區(qū)域較大，為方便計(jì)算，可以采用與典型作戰(zhàn)場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)大氣簡(jiǎn)化處理方法。在確定的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型下，由于決定大氣傳輸特性的各種大氣成分空間分布相對(duì)固定，通過(guò)確定導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對(duì)位置即可確定大氣路徑的特性。

因此，從大氣環(huán)境角度上的體系裝訂信息需求包括：大氣環(huán)境類型、目標(biāo)高度、導(dǎo)彈高度。

1.2.4 產(chǎn)品特性需求

在距離估算理論中，影響探測(cè)距離的產(chǎn)品因素主要為靈敏度閾值，由于該參數(shù)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，并作為衡量自然背景和氣動(dòng)熱效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下該參數(shù)數(shù)值不需要體系裝訂。

但如果作戰(zhàn)平臺(tái)上需要設(shè)定導(dǎo)彈工作于某個(gè)狀態(tài)，或者基于導(dǎo)彈感知能力對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行信息融合等，則需要結(jié)合產(chǎn)品響應(yīng)特性基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)值的變換。但從支撐導(dǎo)引頭進(jìn)行探測(cè)距離的估算需求上講，不需要產(chǎn)品特性裝訂需求。

2 探測(cè)距離估算方法設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于上述分析，給出的紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算方案如圖3所示。

方案中各模塊的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

“平臺(tái)實(shí)時(shí)裝訂信息1”和“平臺(tái)實(shí)時(shí)裝訂信息2”均為載機(jī)平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈下發(fā)的信息；

“導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)信息”是導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，通過(guò)彈上傳感器實(shí)測(cè)得到的信息；

“氣動(dòng)熱輻射效應(yīng)模型”為線下計(jì)算好數(shù)學(xué)模型或者表格，表征氣動(dòng)熱效應(yīng)引入的背景噪聲；

“全部背景噪聲估計(jì)”是對(duì)自然背景、氣動(dòng)熱以及系統(tǒng)噪聲的功率譜疊加；

“導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)庫(kù)”保存了按照公式(4)，事先計(jì)算好的典型條件探測(cè)距離數(shù)值，涉及的具體參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)2.2節(jié)；

“不同噪聲對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離”為背景噪聲水平覆蓋了實(shí)際需求的多個(gè)探測(cè)距離查詢結(jié)果的一維數(shù)組；

圖3 紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算方案框圖

“距離擬合函數(shù)”為查詢結(jié)果的公式擬合以及對(duì)實(shí)時(shí)背景噪聲所對(duì)應(yīng)探測(cè)距離的計(jì)算。

方案中設(shè)定的體系裝訂信息及作用如下：

目標(biāo)類型：對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輻射模型進(jìn)行設(shè)置，明確探測(cè)目標(biāo)；

觀測(cè)方位：通過(guò)俯仰角和方位角對(duì)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模型中具體數(shù)值的選取進(jìn)行設(shè)置，明確觀測(cè)方位；

目標(biāo)海拔：對(duì)不同大氣密度影響進(jìn)行設(shè)置，支撐大氣路徑估計(jì)；

自然背景類型：對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)中的空中、地面背景類型進(jìn)行設(shè)置，明確空戰(zhàn)場(chǎng)天空、地物背景復(fù)雜程度；

基于導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的信息及作用包括：

導(dǎo)彈海拔：提供導(dǎo)彈氣動(dòng)熱效應(yīng)模型參數(shù)1，支撐氣動(dòng)熱效應(yīng)噪聲估計(jì)和大氣路徑估計(jì)；

導(dǎo)彈速度：提供導(dǎo)彈氣動(dòng)熱效應(yīng)模型參數(shù)2，支撐氣動(dòng)熱效應(yīng)噪聲估計(jì)；

視線角：提供導(dǎo)彈實(shí)時(shí)視線的方向，支撐導(dǎo)彈視場(chǎng)內(nèi)背景復(fù)雜程度的計(jì)算。

彈上實(shí)時(shí)進(jìn)行距離估算的步驟如下：

首先，基于平臺(tái)實(shí)時(shí)裝訂信息1中提供的目標(biāo)類型、目標(biāo)海拔信息，在“導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)庫(kù)”中，查詢觀測(cè)方位最近鄰采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的不同噪聲水平對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離查詢結(jié)果，插值形成裝訂觀測(cè)方位下“不同噪聲對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離”數(shù)組，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到背景噪聲與探測(cè)距離對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其次，依據(jù)“導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)信息”查詢“氣動(dòng)熱效應(yīng)模型”計(jì)算結(jié)果，得到因?qū)椷\(yùn)動(dòng)引入的氣動(dòng)熱背景噪聲，與裝訂自然背景類型所對(duì)應(yīng)背景噪聲功率譜疊加，得到全部背景噪聲。

最后，基于當(dāng)前全部背景噪聲水平，利用之前表征背景噪聲與探測(cè)距離對(duì)應(yīng)關(guān)系的“距離擬合函數(shù)”，得到當(dāng)前態(tài)勢(shì)下導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算結(jié)果。

2.2 部組件設(shè)計(jì)及實(shí)施示例

在圖3中，“平臺(tái)實(shí)時(shí)裝訂信息”和“導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)信息”內(nèi)容明確，只需要按照作戰(zhàn)需求事先約定即可，不需要特別說(shuō)明，全部背景噪聲估計(jì)也只是將自然背景噪聲、氣動(dòng)熱噪聲以及系統(tǒng)噪聲按照公式(3)進(jìn)行疊加。因此，這里需要詳細(xì)說(shuō)明的包括：導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)庫(kù)、不同噪聲對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離、距離擬合函數(shù)相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

2.2.1 導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在按照公式(4)構(gòu)建導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，需要對(duì)目標(biāo)、背景、大氣環(huán)境和產(chǎn)品靈敏度閾值進(jìn)行設(shè)置。

目標(biāo)數(shù)據(jù)基于紅外場(chǎng)景建模平臺(tái)，輻射特性采樣方法與裝訂對(duì)應(yīng)狀態(tài)一致，目標(biāo)輻射特性采樣參數(shù)設(shè)置如下：

觀測(cè)方位要求：周天4p空間；即：俯仰[－90°, 90°]，方位[－180°, 180°]，數(shù)據(jù)保存格式如圖4所示；

空間采樣間隔：5°；

目標(biāo)海拔高度：6km；

目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)處于巡航工作狀態(tài)；

大氣條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣，無(wú)云無(wú)雨，晴好天氣，23 km能見(jiàn)度；

外部環(huán)境引入的目標(biāo)輻射量較小，不存在太陽(yáng)反射；

觀測(cè)距離：500m；

探測(cè)系統(tǒng)分辨率：512×512；

得到不同角度下仿真結(jié)果后，按照點(diǎn)源輻射模型，對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的有效輻射進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行保存。

自然背景數(shù)據(jù)采用基于產(chǎn)品系統(tǒng)噪聲水平的等效噪聲分類，這里暫定如下：

弱背景，如：凈空、平靜海面、海天背景等均勻背景，暫定等效于1倍的系統(tǒng)等效噪聲；

一般背景，如：空中云背景、農(nóng)田、灘涂、村莊、森林、戈壁灘等，暫定等效于2倍的系統(tǒng)等效噪聲；

圖4 目標(biāo)數(shù)據(jù)保存格式示意圖

復(fù)雜背景，如：包括：城區(qū)、試驗(yàn)場(chǎng)、陽(yáng)光反射帶、灼熱沙漠等，暫定等效于3倍的系統(tǒng)等效噪聲；

大氣環(huán)境的傳輸特性數(shù)據(jù)基于MODTRAN進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算條件設(shè)置如下：

標(biāo)準(zhǔn)大氣模式

鄉(xiāng)村氣溶膠，能見(jiàn)度10km；

目標(biāo)海拔，0::20，單位km，為海拔采樣步長(zhǎng)，這里取值0.5；

水平傳輸距離：0::50，單位km，為水平傳輸距離采樣步長(zhǎng)，這里取值0.5；

工作波段：1～2mm；

大氣數(shù)據(jù)的保存格式如圖5所示：

圖5 大氣數(shù)據(jù)保存格式示意圖

2.2.2 導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)庫(kù)格式設(shè)計(jì)

為便于對(duì)對(duì)應(yīng)裝訂信息的導(dǎo)引頭探測(cè)距離數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行快速查詢，按照目標(biāo)類型、觀測(cè)方位、目標(biāo)海拔和典型背景的順序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)格式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖6所示。

2.2.3 氣動(dòng)熱輻射效應(yīng)模型

氣動(dòng)熱效應(yīng)引入的背景噪聲主要與導(dǎo)彈的高度、速度有關(guān)。一般可以通過(guò)測(cè)試或者仿真計(jì)算得到氣動(dòng)熱輻射效應(yīng)模型，建立與導(dǎo)彈參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表或擬合函數(shù)。但考慮到本方案中由氣動(dòng)熱引入的噪聲只是全部背景噪聲的一部分，在假定氣動(dòng)熱背景引入噪聲可以忽略時(shí)，不會(huì)影響方案實(shí)施，因此這里不再贅述。

圖6 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)格式示意圖

由于計(jì)算結(jié)果裝訂條件的組合數(shù)一一對(duì)應(yīng)，據(jù)此可以根據(jù)平臺(tái)裝訂信息計(jì)算出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的精確位置指針fid_end，直接讀取即可，位置指針fid_end的計(jì)算公式如下：

示例中，查詢使用的參數(shù)定義及取值如下：

atmos_num為大氣條件數(shù)，數(shù)值41；

azimuth_num為方位角條件數(shù)，數(shù)值73；

pitch_num為俯仰角條件數(shù)，數(shù)值37；

background_num為背景條件數(shù)，數(shù)值3；

altitude_target為裝訂信息，目標(biāo)海拔，取值0～20km；

target_type為裝訂信息，目標(biāo)類型；

pitch_angle為裝訂信息，俯仰角，取值－90～90°；

azimuth_angle為裝訂信息，方位角，取值－180～180°；

backround_type--裝訂信息，背景類型，取值1,2,3；

2.2.4 非樣本點(diǎn)觀測(cè)方位插值設(shè)計(jì)

由于觀測(cè)方位5°間隔的變化相對(duì)劇烈，尤其輻射變化距離的迎頭方位，更容易產(chǎn)生估算結(jié)果發(fā)生類似階躍的快速變化，為保證結(jié)果連續(xù)，針對(duì)觀測(cè)方位進(jìn)行二維插值，具體步驟為：

首先獲得觀測(cè)方位最近鄰點(diǎn)給出的截獲距離L1、L2、L3、L4的數(shù)據(jù)，并定義(pitch_angel＋90)/5、(azimuth_angle＋180)/5余數(shù)分別為、；按照公式(7)創(chuàng)建非樣本點(diǎn)觀測(cè)方位處“不同噪聲對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離”數(shù)組。

2.2.5 距離擬合函數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于表征背景噪聲與探測(cè)距離對(duì)應(yīng)關(guān)系的函數(shù)擬合方法，采用如公式(8)所示的乘冪擬合方法。

同時(shí)為方便實(shí)際工程應(yīng)用，將公式(8)變換成如公式(9)所示的線性擬合形式：

lg()＝×lg(Noisesys￠)＋lg() (9)

進(jìn)而可以基于數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)噪聲水平已經(jīng)確定的弱背景、一般背景和強(qiáng)背景條件下的計(jì)算結(jié)果，聯(lián)立構(gòu)成二元一次方程組，通過(guò)求解方程組，確定該條件下的和lg()具體數(shù)值，支撐不同背景噪聲水平下探測(cè)距離估算需求。圖7為假定弱背景為1倍系統(tǒng)噪聲水平、一般背景為3倍系統(tǒng)噪聲水平，復(fù)雜背景為9倍系統(tǒng)噪聲水平后，隨機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢得到的一組數(shù)據(jù)，以及基于公式(9)和弱背景、一般背景下數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。圖7中的縱坐標(biāo)為探測(cè)距離估算結(jié)果，橫坐標(biāo)為綜合考慮各種因素后的背景噪聲，具體數(shù)值為背景噪聲與系統(tǒng)噪聲的相對(duì)關(guān)系。

圖7 基于復(fù)雜背景的擬合結(jié)果示例

圖7中曲線形狀以及復(fù)雜背景下計(jì)算結(jié)果與差值結(jié)果的較小差別表明：基于數(shù)據(jù)點(diǎn)得到的復(fù)雜背景與系統(tǒng)探測(cè)距離的函數(shù)曲線變化連續(xù)，差值結(jié)果符合工程認(rèn)識(shí)，可以支撐不同背景噪聲下系統(tǒng)探測(cè)距離插值應(yīng)用。

2.3 估算方法可行驗(yàn)證

利用Matlab編程，通過(guò)虛擬信息裝訂對(duì)上述方案的估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，程序主要步驟如下：

步驟1：檢查信息是否有效、完整，包括：目標(biāo)類型、俯仰角、方位角、目標(biāo)海拔高度、自然背景類型、導(dǎo)彈飛行速度，導(dǎo)彈海拔；

步驟2：利用目標(biāo)類型、俯仰角、方位角、目標(biāo)海拔高度查詢所對(duì)應(yīng)最近鄰的4個(gè)樣本點(diǎn)的距離值，然后按照2.2.4的插值公式，得到當(dāng)前態(tài)勢(shì)下對(duì)裝訂目標(biāo)在不同背景噪聲對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離數(shù)組；

步驟3：利用2.2.5距離擬合函數(shù)一節(jié)相關(guān)內(nèi)容計(jì)算得到函數(shù)系數(shù)；

步驟4：利用導(dǎo)彈飛行速度和導(dǎo)彈海拔查詢得到氣動(dòng)熱效應(yīng)引入的噪聲；

步驟5：與裝訂的自然背景噪聲、系統(tǒng)噪聲疊加，計(jì)算等效系統(tǒng)噪聲；

步驟6：將系統(tǒng)等效噪聲取對(duì)數(shù)后，代入第3步得到擬合函數(shù)，得到導(dǎo)引頭實(shí)時(shí)探測(cè)距離估算結(jié)果。

設(shè)定裝訂信息為：目標(biāo)類型為1，凈空背景，目標(biāo)海拔6km，俯仰角分別為0°、1°、5°，方位角從－180°～180°；利用上述方法進(jìn)行多條件下數(shù)據(jù)查詢。并以俯仰角為0°周向最大距離值作為分母，繪制上述條件下的周向歸一化探測(cè)距離曲線如圖8所示。圖中各曲線的變化關(guān)系與對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的工程認(rèn)識(shí)相符，能夠滿足項(xiàng)目需求。

3 結(jié)論

為支撐紅外型空空導(dǎo)彈的中遠(yuǎn)距發(fā)展需求，解決發(fā)射后截獲狀態(tài)下對(duì)真實(shí)目標(biāo)的探測(cè)距離估計(jì)問(wèn)題，提出了基于“信息裝訂＋場(chǎng)景模型”的探測(cè)距離估算方法。通過(guò)對(duì)經(jīng)典探測(cè)距離估算理論的完善和基于目標(biāo)與環(huán)境特性研究的體系裝訂信息的梳理，能夠給出空中對(duì)抗態(tài)勢(shì)相匹配的紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離估算結(jié)果。設(shè)計(jì)示例中，為提高數(shù)據(jù)查詢效率給出了格式規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)樣例，為適應(yīng)與導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)特性適應(yīng)的動(dòng)態(tài)背景噪聲影響給出了距離擬合公式設(shè)計(jì)，并針對(duì)空間采樣率低的不連續(xù)問(wèn)題，給出可行的空間插值方案。估算方法和設(shè)計(jì)示例切實(shí)可行，具有數(shù)據(jù)規(guī)模小、查詢速度快、計(jì)算步驟少的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足導(dǎo)彈有限資源下的高速應(yīng)用需求。

圖8 多種狀態(tài)查詢結(jié)果對(duì)比

該方法是對(duì)目標(biāo)與環(huán)境特性研究成果的擴(kuò)展應(yīng)用，是導(dǎo)彈借助系統(tǒng)信息提升效能的技術(shù)途徑之一，雖然還存在較大的估算誤差，但對(duì)進(jìn)一步牽引空戰(zhàn)場(chǎng)知識(shí)模型的發(fā)展，仍具有一定的參考價(jià)值。

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Estimation Method of Infrared Seeker Detection Range Used for Lock-on-after-launch

XU Zhenya1，F(xiàn)U Kuisheng1,2，QI Ming1,2，LI Lijuan1,2

(1.,471099,; 2.,471099,)

To support the infrared air–air–missile development of medium and long ranges, an estimation method forthe infrared seeker detection range is proposed.Lock-on-after-launch technology is employed. It isbased on an “information binding and scene model” . The method is based on the classical theory of infrared system performance estimation. Through the analysis of the environmental characteristics of the air battlefield, the information binding requirement from the aircraft or control system is completed. An estimate scheme block diagram and an example for engineering applications are given. The results show that the method can give distance estimation results that match the real-time situation, and it has the advantages of a small data scale, fast query speed, and minimal calculation steps. The method addresses real-time application needs under limited resources.

lock-on-after-launch, infrared seeker, detection range, scene modeling, information binding

TJ760

A

1001-8891(2020)11-1095-08

2020-05-14；

2020-11-03.

徐振亞（1985-），男，山東菏澤人，高級(jí)工程師/碩士，研究方向是紅外目標(biāo)與環(huán)境特性、紅外探測(cè)技術(shù)。E-mail: xzy17342@163.com。