基于末敏彈的戰(zhàn)場環(huán)境復雜度研究

戎永杰，劉文舉，蘇 坡，張 明

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

末敏彈是末端敏感彈藥的簡稱，是把先進的敏感器技術(shù)和爆炸成形彈丸(EFP)技術(shù)應用到子母彈領(lǐng)域中的新型彈藥。末敏彈可由多種平臺發(fā)射，在彈道末端末敏子彈從母彈中拋灑出來，在穩(wěn)態(tài)掃描平臺作用下以螺旋掃描方式掃描探測地面背景和目標，當彈上敏感器探測并識別出裝甲目標后，立即起爆EFP戰(zhàn)斗部摧毀目標。末敏彈具有作戰(zhàn)距離遠、命中概率高、毀傷效果好、效費比高和發(fā)射后不管等優(yōu)點。

末敏彈主要利用裝甲車輛在紅外波段、毫米波波段、幾何形體等方面與背景的差異進行目標探測和識別，復雜的背景環(huán)境直接影響末敏彈的探測性能和識別率，嚴重時甚至使末敏彈失效，因此有必要對戰(zhàn)場背景環(huán)境的復雜性進行研究，并根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境對末敏彈探測和識別性能的影響程度進行復雜程度分類。

戰(zhàn)場環(huán)境在紅外、毫米波波段和激光測距3個方面的復雜度雖有差別，但其研究方法是一致的，文中以紅外波段的戰(zhàn)場環(huán)境特性進行復雜度分析和研究。

1 末敏彈探測識別原理

末敏子彈依靠穩(wěn)定機構(gòu)實現(xiàn)子彈勻速下落、同時繞鉛垂軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)態(tài)掃描運動，通過將子彈彈軸和旋轉(zhuǎn)軸錯開一定角度(掃描角), 彈軸、戰(zhàn)斗部軸線和敏感器視線三軸設(shè)計為平行，使子彈在穩(wěn)態(tài)掃描運動時其敏感器視線沿一條不斷向內(nèi)收縮的反阿基米德螺線軌跡掃描探測一整片圓形區(qū)域，實現(xiàn)對地面目標的搜索、探測，子彈轉(zhuǎn)向哪里，敏感器就看到哪里，戰(zhàn)斗部就指向哪里。當敏感器探測到目標并識別后，立即起爆EFP戰(zhàn)斗部摧毀目標，末敏彈探測識別如圖1所示。

圖1 末敏彈探測識別示意圖

目前國際上已裝備部隊的末敏彈一般采用多模敏感器探測方式，主要是從目標的紅外特性、毫米波特性、幾何形體等方面進行探測和識別，見表1。

表1 典型末敏彈及敏感器類型

2 戰(zhàn)場環(huán)境復雜度分析

一般的，裝甲車輛運動一段時間或停下來在一定的時間內(nèi)，其發(fā)動機、大功率設(shè)備等部位相對地面背景都有明顯且穩(wěn)定的正溫差。末敏彈通過紅外敏感器掃描探測能夠響應目標與背景的正溫差并識別目標，紅外敏感器的特點是對熱目標探測識別率高、定位性能好。

復雜的戰(zhàn)場環(huán)境能夠?qū)δ┟魪椉t外探測識別產(chǎn)生顯著的影響，使末敏彈多模探測數(shù)據(jù)的信號噪聲增大，目標特征提取難度增加，最終使末敏彈識別率下降、虛警率上升。

由上分析，從識別率、探測數(shù)據(jù)和背景環(huán)境3個方面進行戰(zhàn)場環(huán)境復雜性研究。首先，根據(jù)末敏彈識別率定義復雜度等級；然后，根據(jù)探測數(shù)據(jù)分析計算識別率和虛警率，確定復雜度參數(shù)并劃分等級；最后，根據(jù)多模探測原理確定背景復雜度參數(shù)，并劃分等級，見圖2。

圖2 背景復雜度研究路線

2.1 通過識別率定義復雜度等級

戰(zhàn)場環(huán)境復雜程度最終影響末敏彈識別率，因此通過末敏彈探測識別率研究戰(zhàn)場環(huán)境的復雜程度，能夠直觀的評估末敏彈在復雜背景環(huán)境和干擾環(huán)境下的毀傷效能。

在一般環(huán)境下末敏彈對裝甲目標的識別率大于0.9，此時末敏彈能獲得較理想的毀傷效果，對應背景復雜度定義為輕度；當背景環(huán)境復雜度增加，末敏彈識別率降低到0.5～0.9之間時，末敏彈毀傷性能有一定程度降低，對應背景復雜度定義為中度；當識別率下降到0.5以下，末敏彈毀傷性能大幅下降，對應背景復雜度定義為重度。如表2所示。

表2 通過識別率定義背景復雜度等級

2.2 通過紅外探測數(shù)據(jù)分析背景復雜度

紅外敏感器探測信號的噪聲可等效為均值為0、均方差為的高斯噪聲，經(jīng)包絡檢波后,它服從瑞利分布,即：

(1)

其中:是檢波前高斯噪聲的均方；為檢波器輸出端噪聲包絡的幅值。在對單個脈沖目標信號進行檢測的過程中,設(shè)門限電平為，則噪聲包絡電壓值超過門限電平的概率即虛警概率為:

(2)

通過研究信號加噪聲的情況，可以計算目標信號的檢測概率。這里討論振幅為的正弦信號同高斯噪聲迭加的情況, 經(jīng)檢波后, 它服從廣義瑞利分布：

(3)

式中:為零階修正貝塞爾函數(shù)；為信號加噪聲的包絡。信號的檢測概率即其超過門限的概率為:

(4)

對式(4)求解,可獲得典型(，，)關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 Pd，Pfa，RSN關(guān)系曲線

當探測概率>0.9，虛警率<0.001時，末敏彈毀傷性能理想，此時信噪比>11.9，對應背景復雜程度為輕度；當探測概率在0.5～0.9之間，虛警率<0.01時，末敏彈毀傷性能有一定程度降低，此時信噪比在4.1～11.9之間，對應背景復雜程度為中度；當探測概率<0.5，虛警率>0.01時，末敏彈毀傷性能下降較大，此時信噪比<4.1，對應背景復雜程度為重度。

根據(jù)電壓與信噪比關(guān)系：

(5)

其中為信號幅值：

=Δ·

(6)

當識別溫差Δ為10 K、響應率為50 mV/K時，探測信號噪聲均方差與背景復雜度對應關(guān)系如表3所示。紅外探測信號噪聲均方差<100 mV時，對應背景復雜度定義為輕度；噪聲均方差為100～175 mV時，對應背景復雜度定義為中度；噪聲均方差>175 mV時，對應背景復雜度定義為重度。

表3 探測信號復雜度分類

2.3 通過背景紅外特性分析復雜度

地面背景的紅外復雜度與地物種類及分布、太陽光照、天氣等因素有關(guān)。不同地物的輻射率、反射率、含水量和熱容不同，表現(xiàn)出不同的紅外輻射溫度，特別在太陽光照射下，地面背景中不同地物，如干土地、路面等和植被的溫差可達10～20 K。當?shù)孛姹尘暗募t外復雜度較高，即地物之間的溫差較大時，就會影響紅外敏感器對熱目標探測信號的信噪比，從而使末敏彈的目標識別率降低、虛警率增加。

末敏彈紅外探測數(shù)據(jù)是紅外敏感器通過掃描探測地面背景和目標獲取的，根據(jù)式(6)背景溫度均方差與紅外探測信號均方差有如式(7)所示關(guān)系：

=/

(7)

依據(jù)表3參數(shù)計算紅外背景復雜度分類如表4。背景溫度均方差小于2 K時背景復雜度為輕度；背景溫度均方差為2～3.5 K時背景復雜度為中度；背景溫度均方差大于3.5 K時背景復雜度為重度。

表4 紅外背景復雜度分類

3 仿真驗證

根據(jù)第2節(jié)分析，通過計算機仿真對背景環(huán)境復雜度進行分析和驗證。

3.1 背景分析

圖4為同一場景不同時刻拍攝的紅外照片。

圖4 不同時刻同場景的紅外圖像

對以上3幅紅外圖像進行溫度均方差計算，結(jié)果如表5所示?？梢娡粓鼍霸诓煌竟?jié)、不同時刻表現(xiàn)出不同的紅外復雜度。

表5 紅外背景復雜度計算結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)仿真

根據(jù)末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描運動原理和紅外敏感器探測原理建立掃描探測數(shù)學模型，以圖4紅外圖像為背景，通過仿真生成紅外敏感器探測數(shù)據(jù)，見圖5。求取紅外探測數(shù)據(jù)的噪聲均方差，其復雜度分類如表6所示。由分析結(jié)果可見通過紅外探測數(shù)據(jù)均方差確定背景復雜度與通過背景紅外圖像進行復雜度分類基本一致。

圖5 不同紅外背景的紅外探測數(shù)據(jù)

表6 通過紅外探測數(shù)據(jù)均方差對背景復雜度分類

3.3 識別仿真

在前述工作的基礎(chǔ)上，進行紅外識別仿真分析。在圖4的3個背景中分別隨機放置一個與背景平均溫度差為15 ℃、熱區(qū)大小為2 m×2 m的目標；同3.2節(jié)生成目標背景探測數(shù)據(jù)；識別門限為500 mV(識別溫差10 K)，采用蒙特卡洛方法對3種紅外背景分別進行1 000次識別仿真，結(jié)果如表7所示。

表7 不同紅外背景下的識別仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

基于末敏彈對背景環(huán)境紅外復雜程度進行了研究，從末敏彈識別率、探測數(shù)據(jù)、背景紅外特征3個方面進行分析，將背景環(huán)境分為輕度、中度和重度3種復雜程度，并給出了對應的分類參數(shù)，經(jīng)仿真分析表明參數(shù)設(shè)置合理，復雜度等級能夠反應背景環(huán)境的復雜程度。研究為末敏彈及相關(guān)智能彈藥在不同復雜環(huán)境下的作戰(zhàn)效能分析和評估提供了依據(jù)。