激光告警裝置的布設(shè)及其評(píng)價(jià)方法研究

孫春生，張曉暉，張 爽

(海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢 430033)

激光告警裝置的布設(shè)及其評(píng)價(jià)方法研究

孫春生，張曉暉，張 爽

(海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢 430033)

為了提高激光告警裝置在激光對(duì)抗中的作戰(zhàn)效能，研究了激光告警裝置的布設(shè)及布設(shè)效能的評(píng)價(jià)方法。首先根據(jù)激光告警裝置的工作原理、設(shè)備性能和戰(zhàn)術(shù)使用原則，將激光告警裝置的布設(shè)要素分解為警戒區(qū)域、警戒空間、基準(zhǔn)方位、布設(shè)數(shù)量和水平狀態(tài)等5個(gè)子項(xiàng)，分析每一子項(xiàng)的布設(shè)要求，建立對(duì)應(yīng)的布設(shè)效果評(píng)分模型;然后采用層次分析法確定各要素的權(quán)重，進(jìn)而得到告警裝置布設(shè)效果的總體評(píng)價(jià)模型;最后給出了布設(shè)及布設(shè)效能評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用實(shí)例。提出的布設(shè)效能評(píng)價(jià)方法能夠用于激光告警裝置防護(hù)效能的自動(dòng)評(píng)估，已應(yīng)用于激光對(duì)抗系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中。

激光對(duì)抗;激光告警裝置;布設(shè)評(píng)價(jià);評(píng)分模型;層次分析法

1 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)距、激光制導(dǎo)和高能激光武器等激光裝備以其抗干擾能力強(qiáng)、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中逐步得到了廣泛的應(yīng)用。為對(duì)抗激光裝備、降低其作戰(zhàn)效能，各國(guó)都在大力發(fā)展相應(yīng)的對(duì)抗技術(shù)及裝備。激光告警作為激光對(duì)抗的首要步驟，是實(shí)施有效激光干擾的前提。激光告警裝置的作戰(zhàn)效能是由它的自身性能和布設(shè)方法共同決定的。因此研究如何提高激光告警裝置的性能和布設(shè)方法具有重要意義。

目前關(guān)于激光告警技術(shù)及裝置的研究主要側(cè)重于激光輻射源的定位定向方法［1－5］，新型激光告警裝置的設(shè)計(jì)［6－8］，激光告警裝置探測(cè)能力的分析與改善［9－12］等。這些研究基本上都屬于如何評(píng)價(jià)或提高激光告警裝置性能的范疇。而關(guān)于激光告警裝置布設(shè)方法研究的文獻(xiàn)很少報(bào)道。

激光告警裝置用于探測(cè)來(lái)襲的激光威脅并向控制中心發(fā)送威脅信息。激光告警裝置布設(shè)的總體要求是能夠探測(cè)到從任何可能方向來(lái)襲的激光威脅。對(duì)機(jī)載和車(chē)(艦)載激光告警裝置，通常由多個(gè)告警裝置布設(shè)在飛機(jī)和車(chē)輛(艦船)的合適位置處，分別構(gòu)成4π立體角全球警戒空間和略大于2π立體角的半球警戒空間。機(jī)載和車(chē)(艦)載激光告警裝置屬無(wú)人值守設(shè)備，使用過(guò)程中無(wú)需操作人員參與布設(shè);但用于地面要地防御的激光對(duì)抗系統(tǒng)，激光告警裝置在使用時(shí)需由操作人員布設(shè)在被保護(hù)目標(biāo)的周?chē)?，用于警戒?lái)襲的激光威脅。本文以地面激光告警裝置為研究對(duì)象，將激光告警裝置的布設(shè)要素分解為警戒區(qū)域、警戒空間、基準(zhǔn)方位、布設(shè)數(shù)量和水平狀態(tài)等5個(gè)子項(xiàng)。分析每一子項(xiàng)的布設(shè)要求，建立評(píng)價(jià)每一子項(xiàng)布設(shè)效果的評(píng)分模型，提出一種層次分析法與解析評(píng)分法相結(jié)合的布設(shè)效能評(píng)價(jià)方法，并給出了應(yīng)用實(shí)例。文中，所有方位角的基準(zhǔn)為真北向，俯仰角的基準(zhǔn)為水平面。

2 告警裝置的布設(shè)要素及其評(píng)分模型

單個(gè)地面激光告警裝置的有效警戒空間通常為略大于2π立體角的半球空間，半球空間的半徑為告警裝置的散射截獲半徑或離軸探測(cè)距離。當(dāng)用于要地防御時(shí)，通常需要多個(gè)告警裝置共同完成對(duì)可能來(lái)襲激光威脅的警戒。為量化評(píng)價(jià)告警裝置的布設(shè)效果，根據(jù)激光告警裝置的工作原理、設(shè)備性能和戰(zhàn)術(shù)使用原則，將激光告警裝置的布設(shè)要素分解為警戒區(qū)域、警戒空間、基準(zhǔn)方位、布設(shè)數(shù)量和水平狀態(tài)等5個(gè)子項(xiàng)，建立每一子項(xiàng)的評(píng)分模型。為便于考核評(píng)估，所有要素的評(píng)分采用百分制。

2.1 警戒區(qū)域及其評(píng)分模型

警戒區(qū)域指無(wú)遮擋條件下所有布設(shè)告警裝置合成警戒空間在水平地面上的投影區(qū)域，它與告警裝置的離軸探測(cè)距離、布設(shè)數(shù)量和布設(shè)位置有關(guān)。合理的布設(shè)要求告警裝置的警戒區(qū)域完全覆蓋被保護(hù)目標(biāo)的占用區(qū)域。

實(shí)際布設(shè)的評(píng)分，可以用告警裝置的警戒區(qū)域S對(duì)被保護(hù)目標(biāo)占用區(qū)域T的覆蓋率來(lái)表示警戒區(qū)域的布設(shè)得分V1，即:

式中，S表示警戒區(qū)域面積;T表示被保護(hù)目標(biāo)占用區(qū)域面積;S∩T表示S與T之間重疊區(qū)域的面積。

2.2 警戒空間及其評(píng)分模型

警戒空間指所有布設(shè)告警裝置合成的有效警戒空間，它與告警裝置布設(shè)數(shù)量和布設(shè)位置有關(guān)。合理的布設(shè)要求告警裝置的警戒空間為2π半球空間，但考慮到被保護(hù)目標(biāo)對(duì)某些角度空間內(nèi)來(lái)襲激光威脅的遮擋，實(shí)際的警戒空間通常存在遮蔽空間而達(dá)不到半球空間。

實(shí)際布設(shè)的評(píng)分，可以用告警裝置合成的有效警戒空間在2π半球空間中的占有率來(lái)表示警戒空間的布設(shè)得分V2。以在某保護(hù)目標(biāo)附近布設(shè)一個(gè)告警裝置為例，不妨假定被保護(hù)目標(biāo)的平均有效高度為H1、平均有效有效寬度為W1、告警裝置離被保護(hù)目標(biāo)的距離為D1、告警裝置自身高度為H2，則警戒空間的布設(shè)得分V2為:

式中，分子部分的第二項(xiàng)為告警裝置的遮蔽空間，它的方位遮蔽角的中心線(xiàn)為告警裝置與被保護(hù)目標(biāo)中心的連線(xiàn)。

計(jì)算多個(gè)告警裝置合成的警戒空間時(shí)，為便于合成，可將每一個(gè)告警裝置空間角的基準(zhǔn)點(diǎn)(原點(diǎn))移至被保護(hù)目標(biāo)的中心。對(duì)有一定高度的被保護(hù)目標(biāo)，一般在被保護(hù)目標(biāo)的兩側(cè)同時(shí)布設(shè)告警裝置可實(shí)現(xiàn)警戒空間的互補(bǔ)從而避免合成遮蔽角存在。

2.3 基準(zhǔn)方位及其評(píng)分模型

基準(zhǔn)方位指告警裝置布設(shè)時(shí)是否調(diào)整了北向基準(zhǔn)，及調(diào)整北向基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。合理的布設(shè)要求基準(zhǔn)方位為北向0°，以便為激光干擾裝備提供正確的威脅方位信息。

基準(zhǔn)方位偏離北向方位越遠(yuǎn)，告警裝置探測(cè)到的威脅方位偏差越大?；鶞?zhǔn)方位通常在0°～360°的方位內(nèi)取值，當(dāng)基準(zhǔn)方位為180°時(shí)，完全反向，偏差最大，此后隨著角度的增大，在方位上離北向0°方向反而會(huì)越靠近，接近360°時(shí)，基本沒(méi)影響。假定某告警裝置的基準(zhǔn)方位為θa°，則此基準(zhǔn)方位的評(píng)分V3計(jì)算模型為:

當(dāng)布設(shè)了多個(gè)告警裝置時(shí)，取它們的算術(shù)平均值為基準(zhǔn)方位V3的最終得分。

2.4 布設(shè)數(shù)量及其評(píng)分模型

布設(shè)數(shù)量指實(shí)際使用的告警裝置數(shù)量，從對(duì)抗資源節(jié)約和戰(zhàn)備展開(kāi)時(shí)間盡可能快的角度考慮，合理的布設(shè)要求使用盡可能少的告警裝置來(lái)完成警戒任務(wù)。因此一旦選定保護(hù)目標(biāo)后，根據(jù)警戒區(qū)域和警戒空間的要求，需要使用的最佳告警裝置數(shù)量就決定了。

告警裝置布設(shè)數(shù)量的評(píng)分是相對(duì)于需要使用的最佳告警裝置數(shù)量來(lái)說(shuō)的。少使用告警裝置時(shí)，必然會(huì)影響警戒區(qū)域和警戒空間的覆蓋率，在V1和V2中已有考慮，因此這里主要考慮冗余使用告警裝置對(duì)對(duì)抗資源和反應(yīng)時(shí)間的負(fù)面影響。假定最佳告警裝置數(shù)量使用數(shù)量為N1，實(shí)際使用的告警裝置數(shù)量為N2，告警裝置布設(shè)數(shù)量的評(píng)分V4計(jì)算模型為:

2.5 水平狀態(tài)及其評(píng)分模型

水平狀態(tài)指告警裝置布設(shè)的水平程度。合理的布設(shè)要求水平基準(zhǔn)為0°。

告警裝置水平狀決定著探測(cè)到的來(lái)襲激光束俯仰角的準(zhǔn)確度。對(duì)水平地面布設(shè)的告警裝置而言，其水平姿態(tài)角的最大可能取值范圍為0°～90°，實(shí)際布設(shè)時(shí)的俯仰角應(yīng)在0°附近。不妨假定告警裝置的水平姿態(tài)角(最大俯仰角)為θp°，則告警裝置水平狀態(tài)的評(píng)分V5計(jì)算模型為:

當(dāng)布設(shè)了多個(gè)告警裝置時(shí)，取它們的算術(shù)平均值為水平狀態(tài)V5的最終得分。

3 告警裝置布設(shè)效果的總體評(píng)價(jià)

建立了激光告警裝置各布設(shè)要素的評(píng)分模型后，就可以利用實(shí)際布設(shè)參數(shù)和評(píng)分模型計(jì)算出各要素的得分。要獲得布設(shè)效果的總體評(píng)價(jià)，還需確定各要素的權(quán)重。這里采用層次分析法來(lái)確定權(quán)重。

3.1 告警裝置布設(shè)效果的評(píng)價(jià)模型

不妨設(shè)各布設(shè)要素對(duì)布設(shè)效果影響的權(quán)重為Wi，則告警裝置布設(shè)效果的總體評(píng)分模型V為:

3.2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法本質(zhì)上是一種決策思維方式，它把復(fù)雜的問(wèn)題分解為各個(gè)組成因素，將這此因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩兩比較的方式確定層次中諸因索的相對(duì)重要性。層次分析法適用于確定激光告警裝置布設(shè)要素警戒區(qū)域(B1)、警戒空間(B2)、基準(zhǔn)方位(B3)、布設(shè)數(shù)量(B4)和水平狀態(tài)(B5)相對(duì)于總體布設(shè)效果(A1)的權(quán)重。在此采用1～9標(biāo)度法，構(gòu)造的判斷矩陣如表1所示。

表1 激光告警裝置布設(shè)要素的判斷矩陣Tab.1 Judgematrix of layout elements for laser warning receiver

按照方根法權(quán)向量計(jì)算公式:

計(jì)算得到激光告警裝置布設(shè)要素的權(quán)向量為W=［0.3787，0.3787，0.1396，0.0515，0.0515］T。進(jìn)一步計(jì)算得到判斷矩陣一致性參數(shù)為 CR= 0.0023＜0.1，滿(mǎn)足一致性要求，說(shuō)明構(gòu)造的判斷矩陣合理。

4 應(yīng)用實(shí)例

具體應(yīng)用時(shí)，首先明確被保護(hù)目標(biāo)的特征參數(shù)，如占用區(qū)域大小，被保護(hù)目標(biāo)的平均有效高度和寬度等;然后根據(jù)告警裝置性能參數(shù)和布設(shè)要求確定合適的布設(shè)方案，包括確定所需告警裝置的最佳數(shù)量、布設(shè)位置等。對(duì)某一布設(shè)方案的防護(hù)效能進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)，提取告警裝置的布設(shè)信息代入式(1)～(5)即可計(jì)算出每一布設(shè)要素的實(shí)際得分;再將這些實(shí)際得分和布設(shè)要素的權(quán)向量代入式(6)就可得到這一布設(shè)方案的總體防護(hù)效能。

下面以對(duì)某指揮中心的警戒防護(hù)為例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明激光告警裝置的布設(shè)及布設(shè)效果的評(píng)估。不妨假定此指揮中心的占用區(qū)域?yàn)?0 m×40 m，指揮中心的平均有效離地高度為20 m，在圖1中用黑白柵格區(qū)域表示;告警裝置的有效警戒區(qū)域半徑為60 m，告警裝置的離地高度為1 m，在圖1中用淺色圓形區(qū)域表示。根據(jù)被保護(hù)目標(biāo)特征和告警裝置的性能參數(shù)可確定最優(yōu)的布設(shè)方案如圖1(a)所示，此時(shí)告警裝置分布在指揮中心兩側(cè)，使用的告警器數(shù)量為2，總體布設(shè)效果評(píng)價(jià)為100分。當(dāng)只追求布設(shè)要素中的某項(xiàng)或某幾項(xiàng)符合布設(shè)要求時(shí)，往往得不到最優(yōu)評(píng)價(jià)，如圖1(b)所示。在圖1(b)中，只使用了一套告警裝置，警戒區(qū)域滿(mǎn)足最佳布設(shè)要求，但由于保護(hù)目標(biāo)的遮擋，警戒空間沒(méi)能覆蓋2π半球空間。將告警器的布設(shè)參數(shù)和被保護(hù)目標(biāo)參數(shù)帶入式(2)，可計(jì)算出警戒空間的布設(shè)得分V2為65.68分，同時(shí)假定基準(zhǔn)方位、布設(shè)數(shù)量和水平狀態(tài)的得分為100分，將這些信息帶入式(6)即得此布設(shè)方案的總體防護(hù)效能為87分。當(dāng)對(duì)目標(biāo)特性和告警裝置性能把握不準(zhǔn)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)多使用告警器的冗余布設(shè)情況，如圖1(c)所示。此時(shí)警戒區(qū)域和警戒空間符合布設(shè)要求，同時(shí)假定基準(zhǔn)方位和水平狀態(tài)也符合布設(shè)要求，由式(4)可計(jì)算出布設(shè)數(shù)量的評(píng)分V4為66.67分，進(jìn)一步由式(6)可得這一布設(shè)方案的總體防護(hù)效能為98分。

實(shí)際布設(shè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜得多的情況，按相同的方法可評(píng)估激光告警裝置的總體布設(shè)效果。

圖1 激光告警裝置的三種典型布設(shè)示意圖Fig.1 Sketch map of three typical layout for laser warning receiver

5 結(jié) 論

將激光告警裝置的布設(shè)要素分解為警戒區(qū)域、警戒空間、基準(zhǔn)方位、布設(shè)數(shù)量和水平狀態(tài)等5個(gè)子項(xiàng)，分析了每一子項(xiàng)的布設(shè)要求，并提出了一種解析評(píng)分法與層次分析法相結(jié)合的布設(shè)效能評(píng)價(jià)方法。解析評(píng)分法通過(guò)建立各布設(shè)要素的評(píng)價(jià)模型，代入告警裝置的布設(shè)信息和被保護(hù)目標(biāo)信息即可獲得各要素的布設(shè)得分，此方法克服了常用的專(zhuān)家評(píng)分法中主觀因素和知識(shí)結(jié)構(gòu)水平的影響。層次分析法可方便的用來(lái)確定各布設(shè)要素的權(quán)重。提出的布設(shè)效能評(píng)價(jià)方法能夠用于激光告警裝置防護(hù)效能的自動(dòng)評(píng)估，已應(yīng)用于激光對(duì)抗系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中。

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Research on the layout and evaluation of laser warning receiver

SUN Chun-sheng，ZHANG Xiao-hui，ZHANG Shuang
(Department ofWeaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

In order to improve the effectiveness of laserwarning receiver in laser countermeasure，the layoutand evaluation of laser warning receiver are researched.Firstly，the layout elements of laser warning receiver are divided into warning region，warning space，fiducial orientation，layout quantity and horizontal stance based on principle，capability and tactical application of laser warning receiver.The layout requirement for every sub-element is analyzed，and the corresponding evaluation models for layouteffectiveness are further established.Afterwards，the index weights of every sub-element are confirmed by using analytic hierarchy process.Furthermore the holistic evaluationmodel for layout of laserwarning receiver is obtained.Lastly，the applied example for the layoutand its evaluation of laserwarning receiver is also provided.The presented effectiveness evaluationmethod can be used for automatic evaluation of laserwarning receiver layout，and has been used for simulation drilling system of laser countermeasure.

laser countermeasure;laser warning receiver;layout evaluation;graded model;analytic hierarchy process

TN977

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.015

1001-5078(2014)04-0419-05

孫春生(1977－)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)楣怆妼?duì)抗技術(shù)，光電探測(cè)與信息處理。E-mail:scs96581@163.com

2013-08-12