沙盤模型模擬工程偽裝方案及效果評估

韓　昊，康　青，陳善靜，王正剛，沈志強，周　沖

(陸軍勤務(wù)學(xué)院， 重慶　401311)

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，國防工程偽裝是戰(zhàn)場生存的關(guān)鍵，是對抗高技術(shù)偵查探測的重要手段。作為軍事斗爭的重要環(huán)節(jié)，偽裝設(shè)計是偽裝能力的重要基礎(chǔ)和保障[1]。目前，傳統(tǒng)偽裝手段存在很多問題，如預(yù)先設(shè)計考慮不充分，憑決策人員主觀經(jīng)驗進(jìn)行偽裝，忽略了戰(zhàn)場全天候、全方位的威脅特點，設(shè)計方案未經(jīng)模擬論證等等，嚴(yán)重地影響了偽裝效果[2]。針對以上問題，在進(jìn)行國防工程偽裝方案設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)有針對性地考慮空天偵察，把握平時戰(zhàn)時國防工程的暴露征候，以此為依據(jù)制定偽裝方案[3]。本研究將沙盤模型引入國防工程偽裝方案設(shè)計中，并對目標(biāo)工程進(jìn)行偽裝方案沙盤模擬設(shè)計和評估，為偽裝方案設(shè)計的科學(xué)化和精細(xì)化提供了一種新思路。

1　沙盤應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢分析

從海灣戰(zhàn)爭直至伊拉克戰(zhàn)爭，美軍的作戰(zhàn)體系不斷進(jìn)化，其中最重要特點為 “設(shè)計戰(zhàn)爭”，其中沙盤就是“設(shè)計戰(zhàn)爭”的一種重要方式。利用沙盤模型模擬戰(zhàn)情能讓軍事參謀作業(yè)更加方便有效，可以預(yù)先擬定作戰(zhàn)及偽裝方案，進(jìn)行模擬對抗演習(xí)和制定偽裝策略，來檢驗戰(zhàn)爭的效益和偽裝方案的可行性[4]。我軍部分部隊在演習(xí)中運用沙盤擬定作戰(zhàn)計劃，劃定戰(zhàn)略部署，布置假目標(biāo)群，并根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件天候情況劃定煙幕、遮障等偽裝地域等等，但基于沙盤的偽裝設(shè)計研究工作較少。

沙盤模型可直觀把握海拔的高低、地形的特點以及新建建筑和原有地形關(guān)系，直觀評估推敲，修正偽裝設(shè)計不足，選擇恰當(dāng)?shù)姆桨?。且簡易的沙盤可同時應(yīng)用于演習(xí)和實戰(zhàn)對抗，操作性強，時效性高，實施偽裝方案和戰(zhàn)場模擬對抗同步進(jìn)行。戰(zhàn)場空間廣闊，沙盤體積小，包含空間大，可以對整個戰(zhàn)場空間進(jìn)行綜合偽裝方案設(shè)計和效果評估，防止偽裝重點難點目標(biāo)的暴露[5]，其研究流程如圖1所示。

2　某工程目標(biāo)沙盤化及偽裝任務(wù)

某工程地處丘陵山地地帶，主要暴露的目標(biāo)由洞庫口部，指揮所，試驗?zāi)Ｐ秃徒咏方M成，通過無人機拍攝航拍圖如圖所示。根據(jù)該工程制作沙盤模型比例為1:50(見圖2)，包括了主要偽裝工程目標(biāo)和周圍地形地貌。

該工程偽裝防護(hù)主要針對敵方的空中偵察和遠(yuǎn)程打擊。通過分析軍事斗爭形勢可知,平時該工程主要遭受的威脅為衛(wèi)星偵察，戰(zhàn)時主要遭受的威脅為衛(wèi)星偵察、飛機偵察和精確制導(dǎo)武器打擊[6]。

目前，衛(wèi)星和飛機偵察的分辨率為：光學(xué)照相偵察地面分辨率為0.1～0.3 m、合成孔徑雷達(dá)地面分辨率為 0.3 m,機載紅外成像探測的溫度分辨率為0.05 ℃，空間分辨率0.1 mrad。商業(yè)成像衛(wèi)星的光學(xué)照相偵察地面分辨率為0.5～1.0 m[7]。

戰(zhàn)時攻擊威脅主要是精確制導(dǎo)武器的攻擊，即采用巡航導(dǎo)彈、航空制導(dǎo)炸彈或戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行直接命中攻擊，其特點是命中精度高，采用電視成像、紅外制導(dǎo)和激光末制導(dǎo)的精確制導(dǎo)武器的圓概率偏差(CEP)通常為1～3 m[8]。

目標(biāo)工程周圍草木茂密，路邊樹木較多。根據(jù)航拍成像圖片和偵察脅分析，經(jīng)過對該工程的實地偽裝勘察，該地的主要暴露征候為:

1) 洞庫口部梯形切口特征突出，產(chǎn)生的陰影輪廓明顯，極易被識別；

2) 接近路無植被遮擋，特征明顯，材質(zhì)與周圍差異大，直線輪廓暴露；

3) 指揮所的矩形輪廓特征明顯，陰影突出，顏色與周圍植被差異較大；

4) 實驗?zāi)Ｐ团挪驾^為規(guī)整、有序，矩形輪廓較為明顯，陰影較為規(guī)律。

此外，目標(biāo)之間的配置特征、人員活動和物資堆放痕跡也很明顯。以上暴露征候?qū)蔀閿撤絺刹橄到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)的重要信息，也是精確制導(dǎo)武器跟蹤打擊目標(biāo)的依據(jù)。

偽裝方案的設(shè)計原則為：

1) 以削弱暴露征候為目的，對洞庫口部實施隱蔽偽裝，通過遮障偽裝措施削弱目標(biāo)與周圍山體、植被背景的反射特征[9]；

2) 選用的偽裝器材、材料滿足工程多波段偽裝性能和使用安全要求，充分利用地形和自然條件，提高偽裝效果；

3) 偽裝面所仿造的圖像斑點、表面狀態(tài)及波譜特征應(yīng)與背景相匹配，使得目標(biāo)區(qū)域圖案成為背景斑點的自然延伸[10]。

3　偽裝方案設(shè)計與模擬研究

3.1　偽裝方案設(shè)計

根據(jù)沙盤模型以及現(xiàn)場實地勘察、設(shè)計原則和有關(guān)技術(shù)要求，總體偽裝方案以應(yīng)對衛(wèi)星偵察為主，以削弱暴露征候，降低目標(biāo)被探測概率為目的，根據(jù)遮蔽、變形、融合、仿真模擬等偽裝原理,綜合采用遮障偽裝、視錯覺偽裝以及植物偽裝等措施相結(jié)合的多種偽裝方法[11-12]。

根據(jù)分析預(yù)先在沙盤進(jìn)行模擬某工程實地偽裝方案實驗，通過多組方案推敲，進(jìn)行優(yōu)化改良，最終選得兩個方案。

方案1：將主要3個軍事設(shè)施偽裝成民用設(shè)施，實驗?zāi)Ｐ蛡窝b為別墅，洞庫偽裝為廠房，指揮所偽裝為瓦房。

方案2：對洞庫口部的偽裝采用輕型遮障偽裝技術(shù)，在遮障表面利用草木灌木增加與背景契合程度，起到隱真和迷惑的作用。對接近路進(jìn)行背景仿造，提取周圍環(huán)境的元素和色彩，通過移植草皮、與當(dāng)?shù)亻L勢和品種相一致的樹木，消除接近路的形狀和顏色等暴露征候。對指揮所主要采取變形偽裝，先用偽裝篷布或偽裝網(wǎng)斜拉變化其外形特征，初步消除其矩形輪廓、陰影和顏色等，再利用假樹裝飾以融合背景。對實驗?zāi)＞卟扇≈参飩窝b技術(shù)對其實施植物偽裝，以消除4個角輪廓的明顯暴露點，以充分融合背景特征[13-14]。

3.2　基于沙盤模型偽裝方案模擬

本沙盤材質(zhì)輕便，結(jié)構(gòu)簡明，實施方案無粘接均為搭接，撤收還原方便快捷，由于原理與實地偽裝類似，可同時用于關(guān)于偽裝教學(xué)的特點。

偽裝方案1：利用PVC板模型材料制作假民用設(shè)施的墻體，用ABS板制作坡屋頂以獲得逼真的效果?？傆嬍褂肞VC結(jié)皮發(fā)泡板(30 cm×40 cm)5塊，ABS版(20 cm×30 cm)3塊，502膠水一瓶，用時3小時完成。

偽裝方案2：對洞口實施偽裝遮障，利用ABS塑料草皮模擬偽裝蓋布，在此基礎(chǔ)上利用假樹和草皮模型裝飾，以達(dá)到良好的背景融合效果；對接近路采用背景仿造，取與周圍植被類似的假樹和草皮模型鋪在路面上；對指揮所采變形偽裝，先用對指揮所的屋頂面利用假樹模型仿造周圍背景，周圍易產(chǎn)生陰影的地塊進(jìn)行遮障偽裝并利用假植物遮蓋；對實驗?zāi)Ｐ屠锰烊蝗~片進(jìn)行植物偽裝，以在不同波段的圖像突出對比，對明顯的直角輪廓遮蔽。經(jīng)過推敲方案后，3小時內(nèi)實施完畢，總計使用假模型樹60棵，假草皮100 cm2，遮障75 cm2(見圖3)。

3.3　可見光波段沙盤模型偽裝效果評估

為檢測可見光波段偽裝效果，本論文對偽裝方案進(jìn)行量化分析與評估。首先設(shè)計了偽裝效果評估算法及軟件，該評估軟件通過MATLAB編程實現(xiàn)，并利用多種偽裝前后效果圖進(jìn)行對比實驗。軟件運行環(huán)境：Intel(R) Core(TM) CPU i5-4210U 2.40GHz；內(nèi)存：金士頓DDR2 4G；操作系統(tǒng)：Windows 7專業(yè)版Service Pack 1。軟件流程如圖4所示。在偽裝效果評估中，本文選取接近人眼觀察習(xí)慣的目標(biāo)區(qū)域相關(guān)度、目標(biāo)對比度、主體識別率、邊緣特征、紋理特征等參數(shù)作為主要評判依據(jù)[15]。

劃定檢測暴露區(qū)域后[圖5(a)]，將偽裝前后圖像導(dǎo)入評估軟件后，輸出后經(jīng)整理得到圖5(b)，圖6和表1所示。

由檢測結(jié)果得知，方案1采用以示假欺騙為主的偽裝方式，相比方案2采用的背景融合偽裝方式各項數(shù)值下降幅度不明顯。方案2偽裝前后的主要特征指數(shù)下降比例顯著，其中圖像相關(guān)度下降了87.74%，表明偽裝前后的圖像相似的內(nèi)容程度大幅減少且差異顯著，可達(dá)到欺騙敵人的效果；對比度和目標(biāo)主體識別率分別下降了93.33%和79.87%，表明偽裝前的對比反差較大，容易引起敵方注意，偽裝后對比反差大幅減少，識別目標(biāo)的可能性降低。

方案2以消除空中偵察和衛(wèi)星偵察為重點，在可見光波段對偽裝前和偽裝后的模型進(jìn)行空中航拍。通過在沙盤上布置偽裝遮障，設(shè)置假樹，仿造背景對道路做背景融合處理，最后得到了較為理想的偽裝效果，基本消除了所有的暴露征候，從量化效果評估得知，該偽裝模擬方案使得暴露目標(biāo)圖像相關(guān)度、對比度、主體識別率、紋理特征等參數(shù)大大降低，在可見光波段達(dá)到了理想的偽裝效果。

偽裝前圖像方案1圖像方案2圖像方案1下降/%方案2下降/%圖像相關(guān)度10．38040．122661．9687．74對比度0．74631．06690．0498-32．693．33目標(biāo)主體識別率0．81950．66690．165015．2679．87邊緣特征識別率18．745．5118．2913．232．40紋理特征能量對比度0．42010．41940．18780．0755．30信息熵對比度0．01850．40320．0043-38．4776．76慣性矩對比度0．15960．06320．15689．641．75相關(guān)性對比度0．18080．13050．02565．0385．84

3.4　近紅外和近紫外波段沙盤模型偽裝效果評估

為進(jìn)一步檢測偽裝效果，本論文對兩個方案進(jìn)行近紅外和近紫外波段圖像采集并分析,采用三波段成像系統(tǒng)(圖7)，成像參數(shù)(圖7)：近紅外XC-EI50攝像頭CCD尺寸1/2in，50 mm 1∶1.8鏡頭，工作波段 400～870 nm；近紫外XC-EU50攝像頭，CCD尺寸1/2in(1in=2.54 cm)，50 mm 1∶1.8鏡頭，工作波段300～420 nm[16]。

分別對兩個方案進(jìn)行近紅外和近紫外圖像采集后得知：方案一中在近紅外波段，建筑模型材料反射率高于背景，在近紫外波段，不僅建筑模型材料的反射率較高，主干道路面材質(zhì)的反射率也明顯高于背景，在實地實施偽裝方案時要注意選用低反射率的材料以防止在某以波段產(chǎn)生明顯的對比差異(見圖8)；方案二模具的植物偽裝采用天然植物材料，在近紅外和近紫外圖像中亮度明顯超過周圍人工沙盤塑料，所以在實地實施偽裝方案的過程中，若采用人工材料制作的假樹和假草等材料，易被敵近紅外和近紫外波段傳感器識破偽裝，要使用天然植被而不是人工假植被實施植物偽裝(見圖9)。

4　結(jié)論

1) 運用沙盤設(shè)計偽裝方案可預(yù)先推敲恰當(dāng)?shù)膫窝b策略和方法以預(yù)先模擬工程目標(biāo)的偽裝方案，可同時用于關(guān)于偽裝的教學(xué)，良好的模擬方案設(shè)計可以指導(dǎo)實地偽裝方案的實施；

2) 通過量化分析以及多波段成像偽裝效果評估表明：模擬方案在可見光波段基本消除了目標(biāo)工程沙盤模型的暴露征候，大大提升了偽裝效果；

3) 在近紅外和近紫外波段對比分析后發(fā)現(xiàn)，天然植物與人工材料在不同波段存在反射特性差異，需要運用與自然背景反射率相似的模型材料進(jìn)一步改進(jìn)。

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