某型對陸攻擊紅外成像制導(dǎo)武器抗煙幕干擾試驗(yàn)研究*

鄧傳加 鮑 珊

（1.91550部隊(duì)93分隊(duì) 大連 116023）（2.91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023）

1 引言

某型紅外成像末制導(dǎo)武器，裝載于某型潛艇或大型驅(qū)逐艦等，主要用于攻擊周邊地區(qū)作戰(zhàn)對象港內(nèi)/近岸和陸地縱深高價(jià)值的政治目標(biāo)、固定點(diǎn)目標(biāo)、面目標(biāo)、關(guān)鍵軍事目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)等等。攻擊的固定點(diǎn)目標(biāo)主要包括樓房、橋梁、機(jī)場塔臺、指揮中心、地面機(jī)庫、簡易機(jī)棚、油罐車、船塢、飛機(jī)洞庫出入口等地面建筑物；攻擊的固定面目標(biāo)主要包括機(jī)場跑道、飛機(jī)洞庫引道、導(dǎo)彈陣地等；攻擊的時(shí)敏目標(biāo)主要包括導(dǎo)彈發(fā)射控制車、雷達(dá)探測車、指揮車等各類車輛和港內(nèi)停泊、駐泊的各類水面艦船和保障船等。該型紅外成像末制導(dǎo)武器命具有較高命中率高、干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，在未來戰(zhàn)爭中將發(fā)揮重要作用。靶場試驗(yàn)中，針對實(shí)戰(zhàn)化考核的需要，設(shè)計(jì)實(shí)施紅外煙幕干擾，考核對陸攻擊紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗紅外煙幕的性能［1］。

2 某型對陸攻擊紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)組成

根據(jù)對陸攻擊巡航作戰(zhàn)模式及使用流程，紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)按照功能由紅外成像分系統(tǒng)、隨動(dòng)分系統(tǒng)和信息處理分系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其功能特性是將目標(biāo)和背景的輻射能量通過光學(xué)系統(tǒng)匯聚到探測器上，完成能量的光電轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字圖像信號。該系統(tǒng)的組成及功能如圖1［2］。

圖1 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)功能組成框圖

2.2 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)工作過程

導(dǎo)彈末制導(dǎo)階段，紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)采用自動(dòng)目標(biāo)識別的方式工作。根據(jù)預(yù)先裝訂的目標(biāo)模板圖或目標(biāo)知識信息，結(jié)合導(dǎo)彈飛行參數(shù)信息（包括距離、高度、姿態(tài)等），在飛行末段實(shí)時(shí)處理導(dǎo)引頭輸出的序列圖像并檢測識別目標(biāo)。

當(dāng)導(dǎo)彈到達(dá)航跡規(guī)劃的自動(dòng)目標(biāo)識別點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)目標(biāo)識別流程，通過獲取此時(shí)目標(biāo)實(shí)時(shí)圖及拍圖時(shí)刻的相關(guān)信息數(shù)據(jù)（包括彈體姿態(tài)，成像器光軸姿態(tài)、彈體位置等），對實(shí)時(shí)圖進(jìn)行預(yù)處理（主要包括平滑去噪，圖像增強(qiáng)、特征提?。?，然后與事先裝訂在彈上的相應(yīng)目標(biāo)模板圖或目標(biāo)知識信息進(jìn)行特征相關(guān)匹配，從圖像中選出候選目標(biāo)，最后將特征最相似的候選目標(biāo)位置作為識別結(jié)果輸出，完成一次目標(biāo)識別處理。為保證可靠性，可采用多幀識別策略，最后綜合多次識別結(jié)果，給出目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)識別結(jié)果轉(zhuǎn)入跟蹤，在跟蹤過程中，采用識別跟蹤一體化策略，融合識別及跟蹤信息，對跟蹤點(diǎn)進(jìn)行多次修正以保證最終命中精度［3］。

2.3 自動(dòng)目標(biāo)識別算法

依據(jù)保障條件、目標(biāo)的紅外特性及形狀特性、背景的復(fù)雜程度、目標(biāo)的成像大小和攻擊策略的不同，對陸攻擊紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)可以分別采用基于模板匹配的目標(biāo)識別算法和基于指示的目標(biāo)識別算法，充分發(fā)揮兩類方法各自特點(diǎn)滿足不同的識別任務(wù)需求。

2.3.1 基于模板匹配的識別算法

基于模板匹配的識別算法就是采用目標(biāo)區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖或紋理圖制作目標(biāo)基準(zhǔn)圖，與紅外前視成像裝置輸出的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行匹配識別，從而確定目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖像中的位置?；谀０迤ヅ涞淖詣?dòng)目標(biāo)識別算法的優(yōu)點(diǎn)是目標(biāo)類型適應(yīng)性強(qiáng)，適合所有與周圍背景相比有一定獨(dú)特模式特征的目標(biāo)。

基于模板匹配識別算法詳細(xì)流程如下：

1）根據(jù)待識別目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)信息（經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高等數(shù)據(jù)）和任務(wù)規(guī)劃與遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)規(guī)劃出的若干前視目標(biāo)識別工作點(diǎn)數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、海拔高度、慣導(dǎo)和高度散布等），利用測繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)在每個(gè)識別工作點(diǎn)制作出若干目標(biāo)模板；

2）當(dāng)導(dǎo)彈飛行導(dǎo)某一目標(biāo)識別工作點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)識別算法根據(jù)實(shí)時(shí)圖像拍攝時(shí)刻的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、海拔高度數(shù)據(jù)、成像器光軸俯仰和航向數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)時(shí)圖像旋轉(zhuǎn)角，然后對實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正；

3）根據(jù)實(shí)時(shí)拍圖時(shí)刻的位置、高度或視線角信息，在彈上存儲的一系列模板中選擇若干模板；

4）對實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行特征提取處理（包括邊緣等信息提?。?；

5）利用特征提取后的實(shí)時(shí)圖像與選中的若干模板逐一匹配處理，選出最為接近的，作為本次目標(biāo)識別的結(jié)果。

若慣導(dǎo)位置散布和高度誤差較小或目標(biāo)本身特征明顯，則可以選擇裝訂一系列的小模板在大實(shí)時(shí)圖上進(jìn)行匹配，得到目標(biāo)位置；若目標(biāo)本身特性較弱，需依賴周圍場景的特征進(jìn)行識別或慣導(dǎo)位置散布和高度誤差較大時(shí)，則可以選擇裝訂大模板，采用小實(shí)時(shí)圖在大模板上進(jìn)行匹配，最終得到目標(biāo)位置［4］。

2.3.2 基于指示的識別算法

基于指示的識別算法是利用目標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和結(jié)構(gòu)，目標(biāo)和背景信息的顯著差異，獲得與目標(biāo)位置有關(guān)的約束條件，進(jìn)行自適應(yīng)識別處理。這種算法通過將裝訂目標(biāo)的特征信息和在實(shí)時(shí)圖中提取的特征進(jìn)行比較，給出目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖中的位置。該算法不需要制作和裝訂大數(shù)據(jù)量的模板，同時(shí)避免了模板制作時(shí)引入的視線角及距離偏差帶來的識別偏差，但對目標(biāo)特征信息豐富程度要求相對較高?；趨^(qū)域關(guān)聯(lián)知識識別算法詳細(xì)流程如下：根據(jù)待識別目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)信息（經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高等數(shù)據(jù)）裝訂特征信息；

1）當(dāng)導(dǎo)彈飛行到某一目標(biāo)識別工作點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)識別算法根據(jù)實(shí)時(shí)圖像拍攝時(shí)刻的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、海拔高度數(shù)據(jù)、成像器光軸俯仰和航向數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)時(shí)圖像旋轉(zhuǎn)角，然后對實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正；

2）根據(jù)實(shí)時(shí)圖像拍圖時(shí)刻的導(dǎo)航信息，在彈上生產(chǎn)建筑物在圖像中的邊緣模板圖；

3）對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分割、邊緣提取、檢測等目標(biāo)特性提取處理，為目標(biāo)特征的檢測識別提供數(shù)據(jù)；

4）利用特征提取后的實(shí)時(shí)圖像與生成的目標(biāo)特性進(jìn)行相似性度量，確定出特征最符合的目標(biāo)作為結(jié)果輸出。

綜上所述，自動(dòng)目標(biāo)識別算法依據(jù)不同的打擊目標(biāo)、保障條件以及攻擊彈道，采用基于模板匹配和基于區(qū)域關(guān)聯(lián)指示兩類識別算法擇優(yōu)選用或綜合應(yīng)用的方式，可拓寬打擊目標(biāo)的范圍，降低武器系統(tǒng)彈的保障要求，提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和適應(yīng)程度。

3 煙幕干擾紅外成像制導(dǎo)的工作原理

煙幕是煙和霧的通稱，屬于氣溶膠體系，是光學(xué)不均勻介質(zhì)。由于受波長及煙霧特性的影響，當(dāng)光輻射通過煙霧時(shí)，光會產(chǎn)生折射、反射、衍射及被煙霧吸收等情況，通過的光輻射會大大減弱［5］。

煙霧對紅外成像武器干擾主要包括兩個(gè)方面，一是通過強(qiáng)的紅外輻射，對被攻擊目標(biāo)進(jìn)行干擾，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)的目的，二是利用煙幕顆粒的物理特性，進(jìn)行吸收和散射，大大降低其分辨識別能力，從而影響跟蹤系統(tǒng)的特征提取和選擇過程，使紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤階段無法正常工作。煙幕干擾對紅外成像制導(dǎo)的遮蔽原理如圖2所示［6］。

圖2 煙幕干擾遮蔽原理圖

由上圖可見，紅外煙霧對紅外制導(dǎo)武器的紅外及可見光的遮蔽效果比較明顯，大部分被吸收和散射，效果明顯且價(jià)格低廉，因此在國內(nèi)外戰(zhàn)場上廣泛應(yīng)用煙霧對抗光電及紅外制導(dǎo)武器等裝備。同時(shí)煙幕器材成本相對較低，因此煙幕是一種高效費(fèi)比的干擾手段。基于紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理和煙幕干擾的工作原理分析，目前復(fù)雜對抗環(huán)境下，靶場試驗(yàn)采用紅外煙幕干擾考核紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗紅外干擾性能［7］。

4 煙幕對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)干擾分析

4.1 相關(guān)跟蹤算法

某型紅外成像末制導(dǎo)武器，跟蹤階段主要采取相關(guān)跟蹤的方法。相關(guān)跟蹤主要通過比對法進(jìn)行計(jì)算，通過實(shí)時(shí)測量的目標(biāo)圖像和預(yù)先保存在數(shù)據(jù)庫的圖像進(jìn)行比對計(jì)算，通過相關(guān)度的取值，生成誤差信號，采用閉環(huán)原理對目標(biāo)的比對從而進(jìn)行跟蹤［8］。

假設(shè)測量目標(biāo)圖像的亮度值用R(x,y)表示，在預(yù)先保存在數(shù)據(jù)庫的同一圖像的亮度值為S(x,y)，R和S分別為對應(yīng)的視場范圍，通常情況下視場R要大于視場S，圖像示意圖如圖3所示。

圖3 預(yù)存圖像與實(shí)時(shí)圖像比對示意圖

可用相關(guān)函數(shù)C(x,y)來描述它們之間的相關(guān)程度，即：

式中，s(u,v)和r(u,v)表示兩幅圖像的矩陣，(x,y)則表示它們的位移量。

圖像相關(guān)法對目標(biāo)圖像的跟蹤描述如下［1］：在同一時(shí)刻對目標(biāo)圖像為進(jìn)行連續(xù)測量，第N幀圖像為rN(x,y)，第N+1幀圖像rN+1(x,y)的目標(biāo)圖像具體位置和上一張及下一張的位置一定有所變化，求出兩者之間的相關(guān)值，就可以求出跟蹤目標(biāo)的位移值，以此作為誤差信號控制伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行跟蹤測量。

4.2 紅外煙幕對相關(guān)跟蹤測量的影響

由于實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像和數(shù)據(jù)庫圖像不是在同一時(shí)間或環(huán)境中提取的，會有一定的偏差，所以相關(guān)矩陣的主峰值可能會出現(xiàn)相應(yīng)不是配準(zhǔn)點(diǎn)的情況［1］。煙霧造成圖像亮度不均勻變化，使實(shí)時(shí)圖像的亮度函數(shù)就可能為為r'=(u,v)，這樣與預(yù)存圖像亮度函數(shù)s(u,v)之間的相互關(guān)系為

配準(zhǔn)點(diǎn)位置坐標(biāo)為x'、y'，與無煙幕時(shí)的配準(zhǔn)點(diǎn)位置x、y相比，有：

圖像的照度由于受煙霧的擾動(dòng)，使照度隨機(jī)變化，造成配準(zhǔn)點(diǎn)隨機(jī)變化，使系統(tǒng)的跟蹤誤差加大。

5 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗煙幕干擾試驗(yàn)研究

5.1 抗煙幕干擾帶飛試驗(yàn)

靶場帶飛試驗(yàn)用來驗(yàn)證紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)在飛行載體上的探測性能和抗干擾性能。研究紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾性能試驗(yàn)中，將紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)放置在吊艙內(nèi)，并將吊艙掛載于飛機(jī)下方，或者將紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)直接通過支架掛于飛機(jī)機(jī)庫下；通過與指定合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量，模擬彈上紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)，并且在此過程中對系統(tǒng)進(jìn)行干擾，檢測動(dòng)態(tài)環(huán)境下干擾效應(yīng)情況。掛飛試驗(yàn)所需的配電設(shè)備、測控設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和通信設(shè)備等都安置在飛行載體上。

5.2 抗煙幕干擾試驗(yàn)條件選擇

靶場帶飛試驗(yàn)首先選定合適的飛行航路，對目標(biāo)進(jìn)行過程逼近飛行，達(dá)到動(dòng)態(tài)驗(yàn)證紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)平臺特性、成像效果、跟蹤穩(wěn)定及工作流程合理性。其次，還需對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)性能以及目標(biāo)識別能力進(jìn)行考核，在上午、中午、下午、順光、逆光等不同試驗(yàn)工況下，對各種典型目標(biāo)配合制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)載帶飛試驗(yàn)。典型目標(biāo)主要包括樓房、地下掩體、機(jī)場跑道、導(dǎo)彈發(fā)射車等目標(biāo)。根據(jù)典型目標(biāo)及特征要求，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在具有典型地形地貌特征和典型目標(biāo)特征的渤海沿岸的船塢碼頭、小型城鎮(zhèn)、雷達(dá)哨所、機(jī)場和測量站點(diǎn)等，使其紅外輻射特性相對而言具有一定的真實(shí)性。

5.3 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗煙幕試驗(yàn)方法

5.3.1 抗煙幕干擾試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

靶場抗紅外煙幕干擾帶飛試驗(yàn)主要驗(yàn)證紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)在不同時(shí)間、不同攻擊方向與自然環(huán)境下，抗干擾流程及性能。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮武器系統(tǒng)的飛行性能和紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的作用距離，干擾發(fā)射裝置視情布設(shè)在陸上指定位置，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)構(gòu)設(shè)位于M點(diǎn)。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗紅外煙幕干擾試驗(yàn)航路仰視圖如圖4所示。

圖4 抗紅外干擾試驗(yàn)航路仰視圖

以煙幕干擾紅外成像導(dǎo)引頭識別典型固定點(diǎn)目標(biāo)為例，選取陸上符合典型目標(biāo)特性的實(shí)體靶樓或是機(jī)房、倉庫作為典型固定點(diǎn)目標(biāo)（M點(diǎn)），載機(jī)沿指定航路AM進(jìn)入，AM距離約15km，載機(jī)從A點(diǎn)進(jìn)入時(shí)飛行高度約150m，飛行至距目標(biāo)12km左右B點(diǎn)處，逐漸下降至50m高度。載機(jī)飛行距目標(biāo)10km左右C點(diǎn)處，紅外成像系統(tǒng)開機(jī)搜索，當(dāng)能夠識別目標(biāo)后，紅外成像系統(tǒng)關(guān)機(jī)。陸上干擾發(fā)射站位聽令分2波次（每波次2枚）施放紅外煙幕干擾彈，紅外成像系統(tǒng)聽令開機(jī)搜索目標(biāo)，驗(yàn)證煙幕干擾條件下對目標(biāo)的識別性能；若紅外成像系統(tǒng)未被干擾，當(dāng)紅外成像系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，載機(jī)距目標(biāo)5km左右D點(diǎn)處，陸上干擾發(fā)射站位聽令分2波次（每波次2枚）施放紅外煙幕干擾彈，驗(yàn)證煙幕干擾條件下紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤性能。載機(jī)保持該高度平飛過目標(biāo)M后沿E點(diǎn)退出航路。載機(jī)進(jìn)入方向與目標(biāo)夾角分別為45°、90°、135°，共進(jìn)行3個(gè)有效航次試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)航路圖如圖5所示。

圖5 煙幕干擾紅外成像系統(tǒng)識別典型固定點(diǎn)目標(biāo)航路圖

5.3.2 抗煙幕干擾試驗(yàn)結(jié)果評定方法

在紅外制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入方向，煙幕干擾形成后，能夠遮蓋全部或大部分陸上目標(biāo)，判定煙幕干擾態(tài)勢設(shè)置有效。在煙幕干擾態(tài)勢設(shè)置有效的前提下，若紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)被干擾，經(jīng)對抗最終仍能穩(wěn)定跟蹤陸上指定目標(biāo)，則判定紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗煙幕干擾成功。

6 結(jié)語

目前復(fù)雜電磁環(huán)境下對抗紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)最實(shí)用、最有效的干擾樣式設(shè)計(jì)采用紅外煙幕干擾?；诩t外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理和煙幕干擾的工作原理分析，探討了煙幕對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾。著眼靶場試驗(yàn)實(shí)戰(zhàn)化需求，探討了紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗煙幕干擾試驗(yàn)方法及初步結(jié)果評定方法，為某型對陸攻擊紅外成像制導(dǎo)武器設(shè)計(jì)定型抗干擾性能試驗(yàn)提供可靠的技術(shù)支撐。