基于雷達(dá)紅外復(fù)合信息的目標(biāo)毀傷評估技術(shù)研究＊

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

武器系統(tǒng)在面對進(jìn)攻方飽和攻擊時，攔截并毀傷一個目標(biāo)后，需要快速釋放該通道，跟蹤并攔截另外一個目標(biāo)。由于艦艇末端防空導(dǎo)彈射程較近，實際可用于抗擊的時間短，態(tài)勢非常緊迫，這就對指控系統(tǒng)輔助決策軟件的快速反應(yīng)能力，決策的快捷性和決策結(jié)果的正確可靠性均提出了較高的要求。及時準(zhǔn)確的毀傷評估已經(jīng)成為影響作戰(zhàn)運(yùn)用、決策與運(yùn)籌的必不可少的內(nèi)容。

傳統(tǒng)的毀傷評估主要是基于雷達(dá)傳感器的，雷達(dá)作用距離較遠(yuǎn)且作用距離受天氣和武器發(fā)射的影響很小，跟蹤精度高。但在電子戰(zhàn)環(huán)境中，容易受到干擾。由于多路徑效應(yīng)和海浪雜波干擾，雷達(dá)的低角跟蹤能力較差，而反艦導(dǎo)彈多為掠海飛行，是雷達(dá)跟蹤的盲區(qū)。而紅外設(shè)備處于被動工作方式、隱蔽性好，能直觀顯示目標(biāo)的幾何圖像或熱圖像。工作于電子對抗環(huán)境時，紅外設(shè)備能穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)，不受雷達(dá)干擾的影響，但其作用距離較近且受天氣和炮火影響很大。因此，基于雷達(dá)信號和紅外圖像信息的多源信息融合毀傷效果綜合評估能實現(xiàn)信息上的互補(bǔ)，可改善目標(biāo)毀傷評估的水平，提高毀傷評估結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

2 目標(biāo)毀傷特性分析

當(dāng)前的防空導(dǎo)彈多采用紅外或無線電近炸引信，在彈目遭遇時刻，經(jīng)過既定時間延遲引爆戰(zhàn)斗部，以聚焦破片流、連桿式戰(zhàn)斗部或爆轟波毀傷目標(biāo)。引戰(zhàn)配合良好的導(dǎo)彈，能將目標(biāo)在空中切割成數(shù)塊，相當(dāng)于擊中目標(biāo)的油箱或彈藥艙引爆目標(biāo)的效果；而有時戰(zhàn)斗部破片或連桿戰(zhàn)斗部切割目標(biāo)的空氣舵或機(jī)翼（彈翼），使目標(biāo)的運(yùn)動軌跡發(fā)生多樣的變化。

由于不同類型目標(biāo)的易損性不同，不同類型導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部性能不同，被擊中并有效毀傷后的目標(biāo)的總體特征也各不相同［1～2］，但是被有效毀傷目標(biāo)的共同特性是相同的——目標(biāo)失去對既定攻擊對象的威脅或毀傷能力。目標(biāo)被毀傷最直接的表現(xiàn)是其運(yùn)動特征的異常，致使目標(biāo)運(yùn)動航跡的變化，偏離既定飛行線路，喪失毀傷既定攻擊對象的能力。目標(biāo)被有效毀傷后，受到爆轟波的沖擊或破片流的切割，其氣動外形會發(fā)生變形，同時也導(dǎo)致對電磁波的反射特性發(fā)生改變；目標(biāo)的尾焰或發(fā)動機(jī)在中段紅外中的輻射光譜的變化特征以及在序列圖像中轟燃、轟爆等特征也可作為毀傷效果評估的重要依據(jù)。

3 目標(biāo)毀傷效果評估等級劃分

本文把目標(biāo)遭受火力打擊后的毀傷效果評估定性地劃分為以下三種情況［3］，使得指控系統(tǒng)輔助決策軟件能夠提供簡潔明了的再打擊建議：

1）徹底毀傷，是指攔截彈以足夠大的能量和小的交會角度撞擊彈頭的有效位置，使其爆炸、引爆或打啞。目標(biāo)發(fā)生了明顯的轟燃、轟爆，運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了劇烈而明顯的改變。

2）任務(wù)毀傷，是指雖然不能夠徹底毀傷彈頭，但目標(biāo)運(yùn)動航跡的變化，偏離既定飛行線路，喪失毀傷既定攻擊對象的能力。不管彈頭爆炸與否，均認(rèn)為達(dá)到目的。

3）未毀傷，是指不管通過紅外傳感器返回圖像還是雷達(dá)跟蹤目標(biāo)情況都顯示目標(biāo)未被有效攔截，攔截失敗。

本文把目標(biāo)遭受火力打擊后的破壞程度定量地劃分在［0，1］區(qū)間內(nèi)且規(guī)定目標(biāo)毀傷等級。其中0．80級定義為目標(biāo)發(fā)生的硬破壞中轟燃時的臨界。第0．60級定義為由于火力打擊致使目標(biāo)正好喪失了對預(yù)定目的造成損傷時的毀傷程度。0．50～0．80級定義為目標(biāo)受到不同程度軟破壞。0．50級以下表示沒有擊中目標(biāo)或?qū)δ繕?biāo)打擊力度很小，致使對我方可能造成損傷。當(dāng)毀傷等級為零時，表明目標(biāo)基本上沒有受到火力的打擊，很有可能達(dá)到其預(yù)期目的。設(shè)定一個紅色警戒值，當(dāng)毀傷等級小于這一低限時就應(yīng)實施對目標(biāo)的再次打擊，這個值設(shè)置為0．30可能比較合適［4］。

4 目標(biāo)毀傷效果評估流程

目標(biāo)毀傷效果評估的一般判斷過程：

1）首先判斷在彈目遭遇瞬間，光電跟蹤系統(tǒng)是否返回有效的碰撞瞬間的圖像。若通過圖像判定目標(biāo)有明顯轟然、轟爆，則目標(biāo)被徹底毀傷。若目標(biāo)雖然未發(fā)生轟燃、轟爆但目標(biāo)發(fā)生解體、航跡改變、運(yùn)動狀態(tài)改變等特征，說明對彈頭造成損傷，達(dá)到了任務(wù)毀傷的效果。

2）若在碰撞瞬間由于各種原因?qū)е卵b置未能返回碰撞瞬間圖像或者雖然有返回圖像但未能通過圖像有效判斷毀傷的效果時，需要通過雷達(dá)顯示器判斷目標(biāo)是否從屏幕上消失。若目標(biāo)消失，則可以判斷目標(biāo)被攔截并引爆，達(dá)到徹底毀傷效果；若目標(biāo)未消失，則需要根據(jù)屏幕顯示繼續(xù)判斷目標(biāo)是否偏離原來襲彈道，若彈頭彈道發(fā)生偏離，則可判斷為任務(wù)毀傷。若彈頭并未改變原彈道，則判斷為攔截失敗，未毀傷。

基于雷達(dá)和紅外傳感器的機(jī)動目標(biāo)毀傷評估判定流程如圖1所示。

圖1 機(jī)動目標(biāo)毀傷評估判定流程圖

5 紅外圖像目標(biāo)毀傷評估

采用圖像不變矩對目標(biāo)進(jìn)行描述一直是圖像處理領(lǐng)域中的一個重要研究方向?；叶确讲蠲枋隽讼裨档碾x散性。目標(biāo)打擊后而爆炸、破碎、解體，原有灰度一致性被破壞，反映在紅外圖像上就是灰度方差增大。目標(biāo)遭受打擊破壞后原有結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，不同損傷程度的影像灰度在空間上的起伏變化，將表現(xiàn)為一定紋理差異，具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，因此紋理特征是識別目標(biāo)損傷的重要依據(jù)。

基于上述分析，本系統(tǒng)選擇了基于灰度共生矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差、熵、能量、對比度作為特征。采用直方圖表示方法配合歸一化方法對多特征進(jìn)行建模。在對各特征值進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上，采用打擊前后圖像上目標(biāo)特征向量的歐氏距離來分析目標(biāo)打擊前后的相似性。

設(shè)特征向量的第K個特征值為Vk，用以下公式將其極差歸一化到區(qū)間［0，1］之間

其中，max（Vk）、min（Vk）是特征Vk的最大值和最小值。

特征向量的歐幾里德距離定義為

其中，Xi是目標(biāo)打擊后的特征值，Yi是對應(yīng)的目標(biāo)打擊前的特征值。由上式計算出的距離大小可以說明目標(biāo)的摧毀情況，該值越大，說明摧毀程度越嚴(yán)重。

6 雷達(dá)運(yùn)動學(xué)參數(shù)目標(biāo)毀傷評估

6．1 運(yùn)動學(xué)參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)

1）參數(shù)的可觀測性：對于用作毀傷判據(jù)的參數(shù)，首先要被防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的跟蹤設(shè)備進(jìn)行測量。當(dāng)前的反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)常以雷達(dá)、紅外跟蹤設(shè)備和可見光跟蹤設(shè)備為傳感器，測量的主要是目標(biāo)運(yùn)動學(xué)參數(shù)，一般包括：

（1）目標(biāo)斜距R（m）；

（2）目標(biāo)徑向速度V（m／s）；

（3）目標(biāo)偏離跟蹤波束中心的視航角偏差Δβ（mrad）、俯仰角偏差Δε（mrad）；

（4）目標(biāo)視航角β（mrad）；

（5）目標(biāo)俯仰角ε（mrad）；

（6）利用測量的一次信息計算得到如目標(biāo)全速度vt、視航角速度vβ（mrad／s）、俯仰角速度vε（mrad／s）、航路捷徑P、目標(biāo)高度ht等參量。

2）參數(shù)的敏感性：通過反導(dǎo)指控系統(tǒng)得到的目標(biāo)運(yùn)動學(xué)參數(shù)必須能夠?qū)δ繕?biāo)運(yùn)動狀態(tài)的改變十分敏感，這里的敏感包含兩層含義：一是測量參數(shù)的精度要滿足敏感目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)在一定范圍內(nèi)變化的要求；二是測量參數(shù)要能準(zhǔn)確表征目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)的變化。

3）參數(shù)的實時性：防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在實戰(zhàn)中要盡快判別目標(biāo)是否被毀傷，對彈目遭遇后目標(biāo)的運(yùn)動軌跡不允許進(jìn)行較長時間的觀測；近程防空導(dǎo)彈判斷彈目遭遇后目標(biāo)運(yùn)動軌跡變化的時間一般在2s～3s；因此毀傷判據(jù)使用參數(shù)要具有實時性。

6．2 運(yùn)動學(xué)參數(shù)選取

目標(biāo)被導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部切割后，無論切割在什么部位，在短時間段內(nèi)比較敏感的運(yùn)動參數(shù)是目標(biāo)速度方向的變化［2］。反應(yīng)目標(biāo)速度方向的參量有兩個，一個是目標(biāo)的航路捷徑P；另一個是目標(biāo)的視航角αt；由于目標(biāo)的視航角能直觀反應(yīng)出目標(biāo)對防空導(dǎo)彈制導(dǎo)裝備的攻擊角度關(guān)系，選擇其作為分析研究的參數(shù)，分析它在目標(biāo)被擊中后的變化情況。

目標(biāo)的視航角定義為：防空導(dǎo)彈制導(dǎo)裝備與目標(biāo)間的視線矢量（指向制導(dǎo)裝備），與目標(biāo)全速度vt（或稱為絕對速度）方向之間的夾角。如圖2所示，傳感器與目標(biāo)間的視線，其方向與目標(biāo)徑向速度走的方向相同，目標(biāo)徑向速度與全速度的夾角即為目標(biāo)視航角αt。一般認(rèn)為，目標(biāo)在被擊中后，其航向改變在30°以上，即認(rèn)為其喪失了對既定目標(biāo)的攻擊能力，被有效毀傷。

圖2 目標(biāo)全速度與視航角示意圖

在目標(biāo)被戰(zhàn)斗部破片切割后，目標(biāo)必然受要到外力的作用；同時目標(biāo)外形也發(fā)生變化，使其受到的氣動力也相應(yīng)變化。目標(biāo)受到外力，其加速度必定發(fā)生變化。在計算目標(biāo)加速度時，使用了目標(biāo)全速度vt的微分，其目的是為了剔除由目標(biāo)速度方向變化引起的加速度分量，而僅為目標(biāo)速度標(biāo)量產(chǎn)生的加速度。目前先進(jìn)的有人駕駛飛行器，考慮到人體的極限承受能力，其機(jī)動性一般在5g以下；無人飛行器，根據(jù)目標(biāo)高度不同，最大機(jī)動能力一般在9g以下；而且目標(biāo)在做機(jī)動時，其目標(biāo)絕對速度變化不大，產(chǎn)生的過載多是使目標(biāo)速度方向發(fā)生變化；由目標(biāo)速度標(biāo)量產(chǎn)生的加速度小于5g。

7 毀傷評估仿真分析

目標(biāo)視航角與加速度在彈目遭遇前不應(yīng)有大的變化，因此可求出在遭遇前一段時間內(nèi)視航角和加速度的一組平均值。在彈目遭遇并在導(dǎo)彈引信適時解鎖正常引爆戰(zhàn)斗部后，在規(guī)定的判決時間段內(nèi)，計算目標(biāo)視航角和加速度；可在規(guī)定的時間段（如3s）內(nèi)，實時計算出一組目標(biāo)視航角數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，對其中每一個平均后的參數(shù)，與導(dǎo)彈爆炸前的參數(shù)相減后求絕對值，并再取最大值。

在確定目標(biāo)視航角和加速度變化程度的比較閾值時，考慮到數(shù)據(jù)分段平均效果，一般要比30°和5g小，根據(jù)對大量數(shù)據(jù)的分析［2］，取為20°和4g；即當(dāng)Δαt＞20°或Δvt＞4g時，認(rèn)為該特征可作為目標(biāo)毀傷的有力判據(jù)，通過目標(biāo)加速度和視航角變化程度的綜合判斷來確定毀傷等級，方法如下：

其中λ1、θ1取為4g和20°；，λ2、θ2為目標(biāo)被毀傷后加速度和視航角變化可能取得的最大值，取為10g和50°。當(dāng)0＜Δvt＜λ1時，ε1為0；當(dāng)0＜Δ∝t＜θ1，ε2為0；當(dāng)λ1＜Δvt＜λ2且θ1＜Δ∝t＜θ2時，取ε1＝ε2＝0．5。

圖3 目標(biāo)被擊中后速度變化

圖4 目標(biāo)被擊中后加速度變化

圖5 目標(biāo)被擊中后視航角變化

本文實驗數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)［10］中的毀傷效果仿真模型，使用matlab對目標(biāo)毀傷的反射特性進(jìn)行建模并隨機(jī)產(chǎn)生雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，目標(biāo)1產(chǎn)生108條、目標(biāo)2產(chǎn)生120條、目標(biāo)3產(chǎn)生142 條、目標(biāo)4 產(chǎn)生72條、目標(biāo)5產(chǎn)生153條。圖3～圖5中是目標(biāo)1的損傷評估的仿真示例，目標(biāo)從t＝0處開始跟蹤，彈目遭遇時間已知為25s左右。從圖中可以看出，目標(biāo)被擊中后，若遭到有效毀傷，目標(biāo)會瞬間產(chǎn)生最大為5g～15g的機(jī)動；目標(biāo)在彈目遭遇的短時間內(nèi)，若做出了大于5g的機(jī)動，有理由認(rèn)為是目標(biāo)瞬時受到較大外力的作用；說明目標(biāo)已被有效毀傷。

表1為根據(jù)Matlab仿真生成的目標(biāo)毀傷運(yùn)動學(xué)特征變化的目標(biāo)視航角數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，對其中每一個平均后的參數(shù)，與導(dǎo)彈爆炸前的參數(shù)相減后求絕對值，并再取最大值得出加速度和視航角的變化峰值。相關(guān)毀傷效果評估結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)動目標(biāo)雷達(dá)毀傷效果評估

通過對表1的分析可以看出目標(biāo)1的加速度和視航角均發(fā)生劇烈變化，可認(rèn)為目標(biāo)發(fā)生徹底毀傷，武器系統(tǒng)可釋放該目標(biāo)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)火射擊；目標(biāo)2、目標(biāo)5的加速度和視航角有一方做出了較大的變化，可認(rèn)為目標(biāo)被任務(wù)毀傷；目標(biāo)4的視航角信息丟失，通過加速度變化判斷了毀傷效果，通過雷達(dá)信息判斷為未攔截成功；目標(biāo)3的加速度和視航角均未發(fā)生較大變化，可認(rèn)為攔截未成功，需要進(jìn)行二次攔截。

表2為融合目標(biāo)毀傷效果評估結(jié)果。

表2 融合目標(biāo)毀傷效果評估

通過對表2的分析可以看出目標(biāo)1的紅外特征和運(yùn)動特征均發(fā)生劇烈變化，可認(rèn)為目標(biāo)發(fā)生徹底毀傷，達(dá)到了目標(biāo)發(fā)生的硬破壞中轟燃時的臨界；目標(biāo)2、目標(biāo)5表示受到不同程度軟破壞，目標(biāo)運(yùn)動航跡的變化，偏離既定飛行線路，喪失毀傷既定攻擊對象的能力；目標(biāo)4通過雷達(dá)信息判別為未成功命中，需要二次打擊，但是通過紅外信息的融合判定可認(rèn)為目標(biāo)被成功攔截，可進(jìn)行轉(zhuǎn)火射擊；目標(biāo)3表示沒有擊中目標(biāo)或?qū)δ繕?biāo)打擊力度很小，致使對我方可能造成損傷，可認(rèn)為攔截未成功，需要進(jìn)行二次攔截。

8 結(jié)語

本文提出了一種基于雷達(dá)信息和紅外信息綜合判定的毀傷效果評估模型，并對目標(biāo)的毀傷效果評估進(jìn)行了仿真試驗，結(jié)果表明該模型可有效評估目標(biāo)的摧毀程度。模型的核心是結(jié)合紅外傳感器和雷達(dá)傳感器得到的有效信息，通過對各類目標(biāo)運(yùn)動學(xué)參數(shù)分析，得到了目標(biāo)被毀傷后最敏感目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的兩個參量—視航角和加速度，以其相對于彈目遭遇前相應(yīng)狀態(tài)的最大變化量來判決機(jī)動目標(biāo)是否被有效毀傷，并結(jié)合紅外傳感器的序列圖像中不變矩特征變化程度進(jìn)行判定，彌補(bǔ)了單傳感器探測能力的不足，提高了評估結(jié)果的可靠性。

毀傷效果評估是一項復(fù)雜的工作，目標(biāo)的多樣性、戰(zhàn)斗部毀傷機(jī)理的差異性、作戰(zhàn)意圖的難以預(yù)測性、目標(biāo)被毀傷的反射特性的復(fù)雜性都制約著毀傷評估的準(zhǔn)確性和可靠性。一個完善的毀傷評估決策支持系統(tǒng)對信息獲取的手段、定量和定性分析結(jié)合的方法以及通過對大量真實數(shù)據(jù)分析處理得到的專家數(shù)據(jù)庫模型系統(tǒng)都有著較高要求。因此，后續(xù)還將開展基于不同目標(biāo)、毀傷機(jī)理以及反射特性的毀傷效果指標(biāo)選取，以及建立專家系統(tǒng)改善輔助評估的準(zhǔn)確性等。

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