非致命微波武器綜合效能評估

郭三學，朱挺

（武警工程大學裝備工程學院，西安710086）

非致命微波武器綜合效能評估

郭三學，朱挺

（武警工程大學裝備工程學院，西安710086）

針對非致命微波武器效能評估問題，通過分析影響非致命微波武器效能的關(guān)鍵因素，建立了非致命微波武器評價指標體系，提出了非致命微波武器效能的評估方法。采用一致性排序法確定各個指標的分配權(quán)重，并將Vague集應用到效能評估中，利用加權(quán)貼近度表征非致命微波武器效能的評估值。得到評估結(jié)果與實際情況相符，為國內(nèi)非致命微波武器發(fā)展提供了理論依據(jù)。

微波武器，非致命，一致性排序法，Vague集，效能評估

0　引言

非致命微波武器是通過發(fā)射一定頻率及功率的微波射束能量，直接使目標（人員）喪失作戰(zhàn)能力的一種新概念武器［1］。微波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為95GHz的毫米波，通過天線聚焦后作用到人體皮膚上，使皮膚溫度迅速上升，產(chǎn)生強烈的灼燒感和難以忍受的疼痛感，從而迅速使受到輻射的人終止敵對行動，或者逃離輻射源。非致命微波武器主要應用于對大規(guī)模群體性事件的驅(qū)散、威懾，是一項突破性的非致命技術(shù)。

微波技術(shù)應用到非致命武器領(lǐng)域最成功的成果便是主動拒止系統(tǒng)（ADS）。該系統(tǒng)工作頻率95GHz，發(fā)射功率100 KW，有效作用距離為640m［2］，采用折疊式扁平拋物面天線。發(fā)射的毫米波能量射束在人體組織細胞中附著的深度約為0.4mm，這恰是痛覺神經(jīng)的位置，從而引起強烈的痛感。但是該武器在使用過程中還存在許多安全問題，比如作用目標的遠近程度、穿著衣服的薄厚、人的體質(zhì)差異都會導致不同的作用效果，嚴重情況下會導致永久性傷害，另外微波武器非致命效能國內(nèi)也缺乏統(tǒng)一標準。故對其非致命效能評估顯得極為重要，不僅能滿足裝備改造升級的需要，更為重要的是，能為非致命微波武器在武警部隊處置各類突發(fā)事件中的廣泛應用提供理論支撐。

本文通過分析影響微波武器非致命效能的影響因素，按照以最少指標反映最全面信息的原則建立了非致命微波武器效能評估指標體系，采用一致性排序法確定指標權(quán)重，通過合成Vague集與理想Vague集之間的加權(quán)貼近度，對非致命微波武器進行了效能評估。

1　非致命微波武器效能評估指標體系

非致命微波武器效能受很多因素的影響，其評估涉及到多個指標，而指標體系的建立要符合目的性、科學性以及可操作性原則。作為非致命性武器，其非致命性能是最基本、最核心的設(shè)計要求，而技術(shù)性能又是實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，同時在實際應用過程中，可靠性、可操作性要好。按照用最少的指標反映最主要、最全面的信息的原則，以應用性、非致命性和技術(shù)性作為非致命微波武器效能評估的準則層，以主動性，定向性等作為指標層建立非致命微波武器效能評估指標體系，如圖1所示。

圖1　效能評估指標體系

1.1應用性

應用性是一個綜合指標，是非致命微波武器得以大規(guī)模列裝和使用的重要依據(jù)，主要從主動性、操控性和可靠性3方面考慮。

1.1.1主動性

使用人員操作非致命微波武器時，可以自由地決定是否以及何時拒止某一個地區(qū)，甚至鎖定某個目標，或者生成一個能量屏障，阻止人員靠近。有別于固定設(shè)置等被動性阻止或隔離方式，非致命微波武器具有更強的主動性。

1.1.2操控性

系統(tǒng)操作員使用操縱桿轉(zhuǎn)動天線，通過裝在天線組件上的微光攝像機和熱敏成像儀瞄準目標，可以將微波射束瞄準到人群中的個別人，壓制狙擊手。微波輸出能量大小通過旋鈕控制［3］，按下觸發(fā)器就能發(fā)射能量射束，打擊目標，命中率可達到100%?，F(xiàn)多采用車載方式實施機動，也可以在船艇以及飛機上實現(xiàn)對區(qū)域目標控制。

1.1.3可靠性

裝備的可靠性是指系統(tǒng)及其組成部分在無故障、無退化或?qū)ΡＵ舷到y(tǒng)無要求的情況下執(zhí)行其功能的能力。主動拒止系統(tǒng)主要由電源，微波電磁輻射發(fā)射器及發(fā)射天線3部分組成。電源可現(xiàn)多裝配鋰離子電池，由柴油發(fā)電機進行充電，可以長期使用。電磁輻射發(fā)射器多應用回旋管振蕩器。系統(tǒng)利用高增益的碟式拋物面天線［4］輻射窄束電磁能。不管是作用原理還是結(jié)構(gòu)組成上，這些技術(shù)都已相當成熟，確保了微波能量生成可靠性、控制的可靠性、使用可靠性。

1.2非致命性

非致命性是非致命微波武器最核心的指標，本文從人體效應、作用時間和作用距離來考慮其非致命性。

1.2.1人體效應

主動拒止系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射能量對有生目標會產(chǎn)生熱敏效應。這種效應作用在人體組織細胞中0.4mm的痛覺神經(jīng)處，輻射超過兩分鐘，就足以使人體體表溫度上升到50℃的極限忍耐值，從而引起強烈的疼痛（灼熱）感。受到輻射的人會迅速逃離輻射區(qū)域，只要離開照射范圍，疼痛感便立即消失，不會產(chǎn)生永久性的傷害或其他副作用。

1.2.2作用時間

微波武器的作用效果和其作用時間有必然關(guān)系，在一定頻率及功率密度下照射過長時間，也會對作用對象產(chǎn)生較大傷害，燒傷皮膚。所以為了確保安全，一般采取脈沖波束的方式發(fā)射，作用時間可以進行自主選擇，一般為1，2，3，4，5和6 s6個檔位，照射時間越長，皮膚升溫越大。同時作用時間和功率密度成反比設(shè)置，以確保安全性。

1.2.3作用距離

非致命微波武器有效作用距離可達到640m，遠遠超過其他非致命武器。在此范圍內(nèi)可有效地對有生目標產(chǎn)生威懾作用，并且威懾作用隨著作用目標接近或靠近發(fā)射器，自動從輕微的不舒適逐步增大到難以忍受。無論是選擇逃離還是選擇抵抗，完全留給被照射的人去決定。

1.3技術(shù)性

技術(shù)性體現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上實現(xiàn)非致命微波武器的的難易程度，非致命微波武器的技術(shù)性主要與毫米波、定向性、小型化相關(guān)。

1.3.1毫米波

毫米波的頻率極高，通過對生物系統(tǒng)中的水分起作用，引起溫度變化產(chǎn)生熱效應，實現(xiàn)對生物體表面的加熱。皮膚組織是毫米波作用的關(guān)鍵器官，功率密度較低時，會刺激皮膚表面的溫熱感受器，產(chǎn)生熱感；功率密度大于某個量值時，在皮膚層面上會產(chǎn)生一個溫度梯度，在真皮層內(nèi)的神經(jīng)末梢感受到刺激產(chǎn)生疼痛感。不同頻率的毫米波在皮膚表面產(chǎn)生的溫感、疼感閾值各不相同。一般來說，頻率越高，毫米波穿透皮膚的深度越小，能量越集中在皮膚表面，產(chǎn)生溫感、痛感的功率密度閾值越小。如35GHz毫米波的3 s熱感閾值（8.8±1.3）mW/cm2，94GHz毫米波輻照3s的熱感閾值為（4.5±0.6）mW/cm2左右。目前可用于高功率微波源的微波器件有回旋管振蕩器高，相對論磁控管振蕩器，虛陰極振蕩器，返波振蕩器，速調(diào)管振蕩器，固體功率源等。

1.3.2定向性

微波傳播過程中不可避免地會有能量損耗，為了抑制傳播過程中的能量損耗現(xiàn)象，需要用高增益天線進行定向發(fā)射。而扁平碟式拋物面天線可以在傳輸過程中的空間分布起到約束作用，盡可能地減少能量損耗，從而減小了對高功率的要求，同時做到了抑制副瓣，避免對己方人員造成不良影響。

1.3.3小型化

早期的微波武器體積較大，關(guān)鍵在于能量產(chǎn)生及存儲，熱處理，波束源及天線的尺寸過大，這嚴重影響了裝備的機動性和應用范圍。通過設(shè)計基于發(fā)射管的主動拒止系統(tǒng)，能夠極大地減小尺寸，減輕重量，減少成本，具有即時發(fā)動攻擊和行進間打擊的能力，是新一代的非致命武器。通過將現(xiàn)有的振動陀螺儀、天線、副反射器和光束傳輸結(jié)合成單一裝置的固態(tài)主動拒止系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，尺寸更小，重量更輕。

2　非致命效能評估

非致命微波武器效能綜合評估就是通過專家對非致命微波武器效能的構(gòu)成要素進行評價，并對各個專家評價意見進行融合處理得到非致命效能的綜合評估結(jié)果。

Vague集作為模糊集理論的推廣，同時考慮了非空集元素隸屬度與非隸屬度這兩方面的信息，使Vague集在處理不確定信息時具有更強的表達能力。將Vague集引入到非致命微波武器效能的評估中來，利用Vague集具有豐富的表達不確定信息的能力，更客觀地反映了專家的評價意見，其效能評估結(jié)果也具有更高的可信度。

2.1Vague集的概念

設(shè)X是一個非空集合，對于?x∈X，X上的Vague集A由一個隸屬度函數(shù)tA（x）和一個非隸屬度函數(shù)fA（x）所描述，其中tA（x）：U→［0，1］，fA（x）：U→［0，1］。

?x∈X，tA（x）是由支持x∈A的證據(jù)所導出的隸屬度的下界，fA（x）是由反對x∈A的證據(jù)所導出的隸屬度的下界，且tA（x）+fA（x）≤1。元素x在Vague集A中的隸屬度被區(qū)間值v（x）=［tA（x），1-fA（x）］所界定，稱v（x）為A上的Vague值。hA（x）=1-tA（x）-fA（x）為x對Vague集A的猶豫度，它是x對未知信息的一種度量［3］。

2.2效能要素權(quán)值確定

權(quán)值確定應用一致性排序方法。一致性排序方法與層次分析法相比其特點為不用構(gòu)造判斷矩陣，更不需要一致性檢驗，對同一層次中的指標或方案的數(shù)目不加限制，具有保序性。

通過5位專家分別對三項指標的重要性進行判斷與評價，得到準則層的二元定性一致性標度矩陣，分別為：

對U1各行元素求和可得S1=2.5，S2=1.5，S3=0.5，從而可知U1，U2，U3的一致性排序為U1＞U2＞U3。同理求得各一致性排序為U1＞U3＞U2，U2＞U1＞U3，U2＞U3＞U1，U3＞U2＞U1。

由公式：

可得應用性，非致命性和技術(shù)性的權(quán)重向量（U1，U2，U3）T=（0.333，0.400，0.267）T，同樣方法得到各指標層權(quán)重。

2.3專家不確定語言評價值及Vague集表示

非致命微波武器效能評估體系由U=｛U11，U12，U13，U21，U22，U23，U31，U32，U33｝9個底層的效能指標構(gòu)成，現(xiàn)由5位專家對指標體系進行評價。專家對效能要素Uij的評價用不確定性語言值Pij（hij）表示，Pij（0≤Pij≤1）為語言標度值，hij（0≤hij≤1）表示為猶豫度，即專家對自己評價結(jié)果的不確定程度。不確定性語言值采用11級術(shù)語集表示即P=［1，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2，0.1，0］，對應的評語等級P=［絕對好，很好，好，較好，中好，中等，中差，較差，差，很差，絕對差］。非致命微波武器效能的不確定語言評價值如表1所示。

通過式（3）可以將不確定性語言值Pij（hij）轉(zhuǎn)化為Vague集：

取調(diào)節(jié)因子α=Pij，β=1-Pij，且α+β=1，α≥0，β≥0，如表2所示。

表1　不確定語言評價值

表2　效能要素評價Vague集

2.4各要素專家權(quán)值及合成評價Vague集CZ

若某位專家i與其他專家對非致命效能構(gòu)成要素Uj的評價相似程度越大，說明該專家的評價被其他專家認可的程度就越高，該專家對于效能要素Uj的合成評價Vague集中占的權(quán)重ωij就應該越大，并且ω1j+ω2j+…+ω5j=1（j=1，2，…，9）。因此，對于效能要素Uj，計算該專家的評價Vague集與其他專家評價Vague集的相似程度來確定其權(quán)值，這里的Vague集的相似程度可以用式（4）的貼近度來表示：

貼近度之和：

專家權(quán)重：

合成專家評價Vague集為：

由式（6）可得各要素專家權(quán)值，如表3所示。

表3　各要素專家權(quán)值

由式（7）可得合成專家評價Vague集CZ，CZ=｛［0.497，0.752，0.255］，［0.321，0.564，0.243］，［0.365，0.671，0.306］，［0.684，0.824，0.140］，［0.411，0.606，0.195］，［0.602，0.844，0.242］，［0.431，0.635，0.204］，［0.332，0.759，0.420］，［0.325，0.472，0.147］｝

2.5CZ與理想Vague向量集CH的加權(quán)貼近度

如果專家對效能要素的評價為最理想的評價，則其Vague值為理想Vague值［1，1，0］。因而專家對于非致命微波武器效能要素的最理想評價可以用理想的Vague向量集表示成為：

進一步，假設(shè)微波武器第j個效能要素的權(quán)重為wj，利用式（3）可得到合成專家評價Vague向量集CZ與理想Vague向量集CH之間的加權(quán)貼近度算子為：

經(jīng)計算得M（CZ，CH）=0.641，

這樣，所求得的貼近度M（CZ，CH）表征了非致命微波武器效能與專家所參考評分的最優(yōu)非致命微波武器效能的相似程度，也就是非致命微波武器效能的評估值。由11級術(shù)語集評價等級知，非致命微波武器性能為“中好”。

3　結(jié)論

①系統(tǒng)分析了影響微波武器非致命效能的因素，建立了非致命微波武器效能評估指標體系，指標的選取具有典型代表性，較為客觀地反映非致命微波武器綜合效能。

②采用一致性排序法確定各指標權(quán)重，不需要一致性檢驗，具有保序性。Vague集的應用，充分考慮專家權(quán)重，排除了評估中存在的人為主觀因素影響。

③評估結(jié)果與實踐應用較為相符，表明了該評估方法的可行性，不僅對微波武器的改造升級、大范圍的應用提供了理論支持和借鑒，也為其他非致命武器評估提供新思路。

［1］趙峰，吳占文.淺談微波技術(shù)在非致命性武器中的應用［J］.科學與財富，2010，12（5）：14-15.

［2］黃金吉，黃珊，胡劍.主動拒止系統(tǒng)淺析［J］.微波學報，2010，31（S1）：717-720.

［3］冉隆科.革命性的非致命武器-主動據(jù)止技術(shù)［J］.現(xiàn)代兵器，2004，27（10）：5-7.

［4］顧玲，李儒禮，牛建新，等.主動據(jù)止技術(shù)的概述［J］.真空電子技術(shù)，2013，39（6）：99-103.

Comprehensive EffectivenessEvaluation of Non-lethalM icrowaveW eapon

GUOSan-xue，ZHU Ting
（School of Equipment Engineering，Engineering University of Armed Police Force，Xi’an 710086，China）

In view of the problem of non-lethal microwave weapon effectiveness evaluation，the evaluation index system of non-lethal microwave weapon is established by analyzing the key factors affecting the efficiency of non-lethalmicrowave weapon.By using themethod of consensus ranking，the weight of each index is determined and the Vague set is used to evaluate the efficiency of the nonlethal microwave weapon.The results are consistent with the actual situation，which provides a theoretical basis for the developmentof non-lethalmicrowaveweapons in China.

microwaveweapon，non-lethal，consensus rankingmethod，Vague set，efficiency evaluation

E920.8

A

1002-0640（2016）09-0080-04

2015-07-9

2015-08-04

郭三學（1962-），男，陜西富平人，博士，教授。研究方向：非致命武器技術(shù)。