紅外探測設(shè)備抗陽光和海面亮帶干擾試驗設(shè)計?

王 琦

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

紅外探測設(shè)備鑒定試驗是設(shè)備從設(shè)計到使用過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，是其性能和質(zhì)量的根本保證。該類試驗一般是根據(jù)試驗的目的和要求，采用必要的方法來獲取適當(dāng)?shù)目煽康臄?shù)據(jù)，通過對試驗結(jié)果的處理和分析，從而對被試設(shè)備的性能做出評估。隨著高科技的快速發(fā)展，對紅外探測設(shè)備來說，對位于海面亮帶或迎面太陽照射強光中的目標(biāo)具有一定的探測、跟蹤能力是其基本作戰(zhàn)使用要求［1］。因此紅外探測設(shè)備抗陽光和海面亮帶的干擾能力成為其抗干擾能力的重要部分。如何設(shè)計試驗獲取有效數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對紅外探測設(shè)備科學(xué)合理有效的檢驗成為鑒定試驗工作的難點。本文主要對試驗設(shè)計的關(guān)鍵問題即太陽角度推算、試驗航路設(shè)計、試驗樣本確立等開展分析和研究，指導(dǎo)試驗獲得科學(xué)合理有效的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對紅外探測設(shè)備抗干擾指標(biāo)的準(zhǔn)確評估。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

試驗過程描述為紅外探測設(shè)備放置船上，靶機(jī)從太陽照射方向飛入，如圖2。紅外探測設(shè)備先根據(jù)目指系統(tǒng)送來的目標(biāo)指示在指定位置搜索靶機(jī)，待靶機(jī)進(jìn)入視場后進(jìn)行跟蹤，根據(jù)跟蹤情況進(jìn)行性能評估［2～3］?？梢钥闯黾t外探測設(shè)備抗陽光和海面亮帶干擾試驗設(shè)計的關(guān)鍵問題有三點：一是通過天體運動規(guī)律，計算特定時間、特定位置的太陽方位角和俯仰角；二是根據(jù)紅外探測設(shè)備對陽光和海面亮帶的抗干擾能力指標(biāo)，精確設(shè)計在太陽、船和靶機(jī)相對運動條件下的試驗航路，尤其是通過對靶機(jī)、試驗船的運動姿態(tài)、誤差特性、與紅外探測設(shè)備相關(guān)聯(lián)的裝備誤差特性分析研究，確定試驗有效航路；三是試驗樣本數(shù)的確立。

2.1 太陽方位角和高度角的計算

紅外探測設(shè)備抗陽光和海面亮帶的干擾性能一般描述為，海面亮帶對紅外探測設(shè)備致盲區(qū)域為太陽方位角α以內(nèi)，高低角β以內(nèi)，太陽對紅外探測設(shè)備致盲區(qū)域為太陽夾角γ。其中，β和γ均可由太陽方位角和高度角計算得出。因此該試驗航路設(shè)計的關(guān)鍵點之一就是推算出特定時間、特定位置的太陽方位角和高度角。

太陽高度角指某地太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，可通過太陽赤緯角和太陽時角獲得；太陽方位角指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可通過太陽高度角獲得。太陽高度角和方位角計算流程見圖1。

圖1 太陽高度角和方位角計算流程

太陽高度角為

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，τ為?dāng)時太陽時角，H為太陽高度角。

太陽方位角為

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋琀為太陽高度角，α為太陽方位角。

高度角是影響太陽輻射照度的重要因素，當(dāng)高度角不同時，太陽經(jīng)過大氣的傳輸路徑不同，會使到達(dá)海面的輻射照度和天空的輻射有所改變，高度角越大，輻照度越小。季節(jié)和緯度的變化對太陽的輻照度影響不大［4～8］。所以在設(shè)計航路時，為了更全面地評估紅外探測設(shè)備抗干擾能力，可在形成海面亮帶的前提下盡量考慮多種不同高度的航路。

2.2 試驗航路設(shè)計

2.2.1 試驗航路設(shè)想

航路設(shè)計時首先根據(jù)試驗船的位置和試驗安排計劃推算出滿足條件的時間段的太陽方位角和高低角，然后根據(jù)海面亮帶和太陽對紅外探測設(shè)備致盲區(qū)的范圍，選定試驗的合適時間點。通常紅外探測設(shè)備抗干擾性能是分別對海面亮帶和太陽夾角提出要求，由于海面亮帶和太陽同時出現(xiàn)，均對探測設(shè)備跟蹤目標(biāo)產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計時應(yīng)結(jié)合海面亮帶致盲區(qū)和太陽致盲區(qū)進(jìn)行設(shè)計。船和靶機(jī)相對航路分兩種情況，一是太陽盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)有重疊，二是太陽盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)無重疊。當(dāng)太陽致盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)有重疊時，靶機(jī)飛行航路需從方位上避開盲區(qū)，可超低空側(cè)向從海面亮帶邊緣進(jìn)入，見圖2（a）。當(dāng)太陽致盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)無重疊時，靶機(jī)可由遠(yuǎn)至近由高向低從太陽和海面亮帶之間進(jìn)入，見圖2（b）。

圖2 船與靶機(jī)相對航路示意圖

2.2.2 試驗航路精確設(shè)計

靶機(jī)試驗航路設(shè)計原則［9］是靶機(jī)在有效的試驗航路內(nèi)飛行，即靶機(jī)飛行航路既接近盲區(qū)邊緣，又保證進(jìn)入紅外探測設(shè)備視場的海面亮帶和陽光干擾強度不會對其造成損傷。首先對影響紅外探測設(shè)備指向誤差因素進(jìn)行分析，然后針對各誤差因素的分布特性計算總誤差的分布特性，最后根據(jù)試驗要求的有效航路概率，計算出靶機(jī)飛行航路及有效區(qū)域。

1）誤差因素分析

（1）靶機(jī)和試驗船的運動姿態(tài)

試驗時，試驗船與靶機(jī)相對運動，航路設(shè)計的長度和靶機(jī)的水平運動速度決定了飛行整個航路需要的時間，飛行整個航路的時間和靶機(jī)的垂直運動速度決定了靶機(jī)下降距離，靶機(jī)下降距離決定了紅外探測設(shè)備俯仰角的變化區(qū)間，飛行整個航路的時間決定了太陽方位角變化區(qū)間，即靶機(jī)的飛行航路（方位）區(qū)間。

圖3 試驗航路精確設(shè)計框圖

（2）靶機(jī)和試驗船的運動誤差

運動誤差特性包含靶機(jī)的飛行速度誤差、位置誤差和試驗船的定位誤差。靶機(jī)和試驗船距離越近時，誤差對紅外探測設(shè)備跟蹤角度影響越大。試驗船的定位誤差主要影響紅外探測設(shè)備跟蹤方位角，靶機(jī)的飛行速度誤差、位置誤差同時影響紅外探測設(shè)備跟蹤方位角和俯仰角。

（3）指向誤差

指向誤差包括目指誤差、探測設(shè)備指向誤差。紅外探測設(shè)備工作在不同的階段，其誤差的組成也不同。在搜索階段，誤差主要來源于目指誤差和探測設(shè)備指向誤差；在跟蹤階段，誤差主要來源于靶機(jī)和試驗船的運動誤差。誤差包含距離誤差、方位角誤差和俯仰角誤差，對航路設(shè)計影響較大的主要是方位角誤差和俯仰角誤差。

2）誤差特性分析

靶機(jī)的位置誤差和試驗船的位置誤差受到大量隨機(jī)因素影響，由概率論李雅普諾夫定理：獨立的均勻微小的隨機(jī)變量的總和近似地服從正態(tài)分布，因此可假設(shè)位置誤差服從正態(tài)分布，分別為N(μ機(jī)，σ機(jī)2)、N(μ船，σ船2)，其均值（系統(tǒng)誤差）和方差（隨機(jī)誤差）均為已知；指向誤差包括目指誤差和紅外探測設(shè)備指向誤差，紅外探測設(shè)備的目指一般來源于雷達(dá)或GPS等探測系統(tǒng)，其測量誤差表現(xiàn)為正態(tài)分布；紅外探測設(shè)備指向因受海況等隨機(jī)因素的影響，誤差可假設(shè)服從正態(tài)分布；目指誤差和紅外探測設(shè)備誤差分別為N(μ目，σ目2)、N(μ指，σ指2)，其均值和方差也均為已知。

因靶機(jī)的位置誤差、試驗船的位置誤差、目指誤差、紅外探測設(shè)備指向誤差均相互獨立，且有限個相互獨立的正態(tài)隨機(jī)變量的線性組合仍然服從正態(tài)分布［8-9］，則紅外探測設(shè)備角度誤差也應(yīng)服從正態(tài)分布。

紅外探測設(shè)備搜索狀態(tài)角度誤差分布為N(μ搜索，σ搜索2)，其中均值μ搜索=μ目+μ指。方差根據(jù)隨機(jī)誤差合成方法可以得到：。

紅外探測設(shè)備跟蹤狀態(tài)角度誤差分布為N(μ跟蹤，σ跟蹤2)，其中均值μ跟蹤=μ機(jī)+μ船。

3）靶機(jī)航路有效區(qū)間計算

假設(shè)紅外探測設(shè)備抗干擾檢飛試驗規(guī)定的航路有效的概率為p（靶機(jī)進(jìn)入紅外探測設(shè)備抗干擾指標(biāo)視場內(nèi)視為無效航路），若太陽致盲區(qū)與海面亮帶致盲區(qū)重疊，如圖2（a）所示，靶機(jī)進(jìn)入航路方位角為x，x和試驗航路有效的區(qū)間計算方法為

航路有效區(qū)域概率分布則可看為以q+μ為對稱的正態(tài)分布曲線，q=α+180+max(α，γ)，其置信水平為p的置信區(qū)間如圖4所示。

圖4 有效區(qū)間示意圖

紅外探測設(shè)備搜索狀態(tài)航路有效的區(qū)間為

計算出x值，則區(qū)間(q，x)為探測設(shè)備搜索狀態(tài)試驗航路有效區(qū)間。

探測設(shè)備跟蹤狀態(tài)航路有效的區(qū)間為

計算出x值，則區(qū)間(q，x)為探測設(shè)備跟蹤狀態(tài)試驗航路有效區(qū)間。

若太陽致盲區(qū)與海面亮帶致盲區(qū)不重疊，靶機(jī)飛行航路應(yīng)為太陽方位角α，靶機(jī)由遠(yuǎn)至近從高向低沿太陽錐角邊緣進(jìn)入。靶機(jī)飛行的俯仰角及有效區(qū)間也可根據(jù)上述方法進(jìn)行計算。

2.3 試驗樣本數(shù)的確定

假設(shè)紅外探測設(shè)備抗干擾檢飛試驗規(guī)定的置信水平為（1-α），α為分位數(shù)，紅外探測設(shè)備的發(fā)現(xiàn)概率為p，服從（0-1）分布，樣本估計的均值［10～12］為

發(fā)現(xiàn)概率p的置信區(qū)間為，

3 仿真算例

設(shè)紅外探測設(shè)備抗干擾指標(biāo)為太陽對探測設(shè)備致盲區(qū)域為太陽夾角10°，海面亮帶對探測設(shè)備致盲區(qū)域為方位10°以內(nèi)，俯仰角5°以下?？垢蓴_試驗時間計劃安排在2015年11月5日，試驗地點：經(jīng)度110°，緯度40°。要求試驗有效航路概率為80%。

首先在試驗前根據(jù)圖1計算出該日所有時間段的太陽方位角、俯仰角，因探測設(shè)備在致盲區(qū)外發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率為95%，取α=0.2，計算得試驗次數(shù)為8次，選擇該日9、10、11、12、13、14、15、16點開展試驗，計算出太陽高度角和方位角，見表1。

表1 太陽高度角和方位角

根據(jù)表1可看到9、10、15、16點太陽致盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)重疊，11、12、13、14點太陽致盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)不重疊。下面以10點為例，對靶機(jī)飛行航路進(jìn)行設(shè)計。10點時，太陽致盲區(qū)與海面亮帶盲區(qū)重疊，靶機(jī)飛行時需從方位上避開盲區(qū)。根據(jù)靶機(jī)和試驗船的運動姿態(tài)計算的靶機(jī)試驗航路方位為q=141.3+10+180=331.3°，設(shè)靶機(jī)的方位位置誤差N(30，102)（m）、試驗船的定位誤差N(50，202)（m）、目指方位誤差N(0.2，0.12)°、紅外探測設(shè)備指向方位誤差N(0.5，0.22)°，則紅外探測設(shè)備搜索狀態(tài)航路有效的區(qū)間：

計算得x=332.2°，則搜索有效區(qū)間為（331.3°，332.2°）。

紅外探測設(shè)備跟蹤狀態(tài)航路有效的區(qū)間：

跟蹤狀態(tài)航路有效的區(qū)間計算時，需根據(jù)跟蹤距離段把靶機(jī)和試驗船的距離誤差轉(zhuǎn)換成角度誤差。設(shè)靶機(jī)跟蹤距離段從35km～1km，因μ跟蹤=80m，對應(yīng)最大角度為0.08°，σ跟蹤=30m，對應(yīng)最大角度為0.03°，計算得x=331.41°，則跟蹤有效區(qū)間為（331.3°，331.41°）。

4 結(jié)語

如何有效地開展紅外探測設(shè)備抗陽光和海面亮帶干擾試驗是試驗鑒定的一個難題，本文對開展試驗的關(guān)鍵問題即太陽角度推算、試驗航路設(shè)計、試驗樣本數(shù)確定等開展分析和研究，仿真算例證明了該方法的合理和有效。該方法對紅外探測設(shè)備抗干擾試驗的航路設(shè)計有明確的指導(dǎo)意義。