煙霧干擾下電視導引頭作用距離研究*

陳 蕾，姜允東，張 峰，劉 學

(空軍航空大學，長春 130022)

0 引言

電視制導作為精確制導技術的重要組成部分，已經在世界各國的武器系統中獲得了成功應用。由于利用可見光，所以電視制導系統具有角分辨率高、制導精度高、抗電子干擾能力強的優點[1]。但是導彈在實際作戰過程中，難以避免地要受到外界各種因素的干擾，這些干擾對電視導引頭的作用距離影響比較大，電視導引頭作用距離的大小又是影響電視制導空地導彈的命中概率最重要最直接的因素。因此為了提高空地導彈模擬訓練的逼真度，并能夠在模擬訓練中設置特情，需要在導彈理想情況下的導彈彈道數學模型之上加入電視導引頭作用距離的計算模型，從而為飛行員提供更為真實的模擬訓練環境，增強飛行員的戰斗能力，加速空軍戰斗力的生成。

1 電視導引頭作用距離計算模型構建

電視導引頭性能參數包括捕獲目標的最大距離、跟蹤目標最小距離、分辨力和抗干擾能力等。捕獲目標的最大距離是理想條件下電視導引頭能夠探測到目標的最大距離;跟蹤目標的最小距離等于理想條件下目標圖像充滿靶面的距離，即盲區。電視導引頭作用距離是指實際工作中電視導引頭能夠發現目標的最遠距離，其值越大，飛行員探測、識別和辨認目標的時間越充裕，操縱導彈命中目標的概率越大;其值越小，如果進入盲區，由于導彈外側過載有限，光軸與彈軸的偏差角大，回路已不能修正，產生一定的脫靶量，從而大大降低命中概率。電視導引頭作用距離的大小是由導引頭內部因素和外部因素共同決定。

1.1 影響因素分析

導引頭內部因素在導引頭出廠時就已經確定，無法進行改變，但是導引頭外部的影響因素(包括自然界的因素和人工干擾因素)卻是不斷變化的，因此，文中主要研究導引頭外部的影響因素對導引頭作用距離的影響。外部的影響因素中對導引頭作用距離影響最大的是對比度和能見度，下面先介紹一下對比度和能見度。

對比度是畫面黑與白的比值，對比度的大小直接影響著電視導引頭處理和識別目標的性能，對比度越大，把目標從背景中區分出來就越容易，對比度越小，把目標從背景中區分出來就越困難。其定義式如下[2]:

式中:C為對比度;LT為目標亮度 ( c d/m2);LB為背景亮度( c d/m2)。

對于非自身發光的物體，其表面亮度是由外部光照射引起的，其亮度L與受到的照度E的關系為[3]:

式中:σ為物體表面反射系數。

能見度是指視力正常的人從背景(天空或地面)中識別出具有一定大小的目標物的最大距離。能見度的大小是評價天氣氣象條件的一個重要的性能指標，天氣的好壞直接影響能見度，天氣氣象條件等級與能見度的關系如下[4]:

式中:Dg為能見度;d為天氣氣象條件等級。

能見度會直接影響大氣平均衰減系數，其與大氣平均衰減系數關系如下[4]:

式中b為大氣平均衰減系數。

1.2 干擾情況下導引頭作用距離計算模型

通過上述對導引頭作用距離影響因素的分析，根據光學原理，并依據文獻[5]的電視導引頭作用距離計算方程，得到改進后的電視導引頭作用距離計算方程如下:

式中:m為鏡頭透過率，一般在0.5～0.7之間取值;n為中性衰減片透過率，根據外界照度和攝像管靶面標準度而定，一般取 0、0.2、0.5、0.8 等數值;σB為背景反射系數，可查表獲得;E為外界照度;S為攝像管靈敏度，是提高導引頭作用距離最主要的內因，同時還決定了電視導引頭可以在什么光照條件下工作;f為鏡頭焦距，其值越大，導引頭作用距離越遠，但導引頭的體積和質量等參數也隨之增大，一般選擇在30～120mm范圍內;D為鏡頭有效孔徑;I為攝像管輸出電流。

將式(4)代入式(5)中可得未干擾情況下電視導引頭作用距離計算模型為:

對電視制導空地導彈實施的人工干擾包括人工有源干擾和人工無源干擾，其中無源干擾技術方法簡單，容易實現，效果較好，所以被廣泛采用。人工無源干擾中最為典型、應用最為廣泛的是煙霧干擾。煙霧由大量的氣溶膠微粒組成，當實施煙霧干擾時，這些氣溶膠微粒通過影響目標與背景的對比度和大氣的能見度，進而影響電視導引頭作用距離，使飛行員進入目標區域后尋找和攻擊目標比較困難，導致導彈命中概率的下降。施放的煙霧干擾源多為人造的化學煙霧筒或者白磷燃燒等能夠釋放濃煙的材質，煙霧干擾可以通過光學干擾厚度進行量化，其量化后的表達式為[6]:

式中:τ為光學干擾厚度;Q為干擾源的能量;l為干擾源的數目;U為風速;r為煙霧擴展半徑;W為干擾源的偽裝能力。

光學干擾厚度對對比度的干擾表達式為:

式中:kC為對比度干擾系數;C0為干擾前目標與背景的對比度。

光學干擾厚度對能見度的干擾表達式為[7]:

式中:kd為能見度干擾系數;Dg0為干擾前大氣能見度。

將式(8)、式(9)代入式(6)并化簡后得到的干擾情況下電視導引頭作用距離計算模型為:

式中:k為光學厚度干擾系數，且k=kC+kd。

2 模型驗證及仿真分析

文中依據某型電視制導空地導彈的數據標準，取m=0.6，n=0.8，σB=0.1，E=80000，S=100，f=100，D=0.12，I=0.005，Q=1，l=5，U=4，W=1.5對導引頭作用距離計算模型進行初始化，基于導彈彈道數學運動模型，選擇Matlab 7.0對未干擾情況下對比度、能見度對電視導引頭作用距離的影響和光學干擾厚度對電視導引頭作用距離的影響以及電視導引頭作用距離對命中概率的影響進行仿真，仿真結果如圖1～圖4所示。

圖1 對比度對電視導引頭作用距離的影響

煙霧干擾對導引頭作用距離的影響，是通過影響目標和背景的對比度和大氣的能見度進而對導引頭作用距離產生影響的，設干擾前對比度C0=0.5，天氣氣象條件等級d=7。

圖3 光學干擾厚度對導引頭作用距離的影響

圖4 導引頭作用距離對命中概率的影響

從圖1可得，當對比度C≤0.2時，導引頭作用距離小于6km。從圖2可得，當能見度Dg≤5km時，導引頭作用距離小于6km。從圖3可得，在對比度為0.5，天氣氣象條件等級為7，即能見度為18km情況下，光學干擾厚度τ≥2時，導引頭作用距離小于6km。從圖4可以看出，當導引頭作用距離L≥6km時，該型電視制導空地導彈具有很高的命中概率;導引頭作用距離L≤6km時，命中概率驟減;導引頭作用距離L≤4km時，命中概率很低，即很難命中目標。綜上所述，實施煙霧干擾，降低導彈的命中概率，削弱了導彈的作戰效能，且影響規律符合導彈的實際作戰情況和導彈性能特性。

3 結論

文中在理想情況下某型電視制導空地導彈彈道數學模型的基礎之上，通過對導引頭作用距離影響因素的分析，建立了煙霧干擾下電視導引頭作用距離計算模型，并對對比度、能見度和光學干擾厚度對導引頭作用距離和導引頭作用距離對命中概率的影響進行了仿真。仿真結果表明，建立的電視導引頭作用距離計算模型符合實際作戰情況和導彈的性能特性，提高了該型導彈模擬的逼真度。進一步對該模型進行處理后應用到模擬器上，可以為該型導彈的模擬訓練提供更為逼真的訓練環境和設置特情，提高飛行員的訓練水平，有利于打贏未來戰爭。

[1]符文星，余云峰，黃勇，等.精確制導導彈制導控制系統仿真[M].西安:西北工業大學出版社，2010.

[2]李尊民.電視圖自動像跟蹤的基本原理[M].北京:國防工業出版社，1999.

[3]李云霞，蒙文，馬麗華，等.光電對抗原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2009.

[4]黃長強，趙輝，杜海文，等.機載彈藥精確制導原理[M].北京:國防工業出版社，2011.

[5]董傳昌，劉仁永.電視導引頭特性分析[J].電光與控制，2003，11(4):58 －60.

[6]方洋旺，伍友利，方斌.機載導彈武器系統作戰效能評估[M].北京:國防工業出版社，2010.

[7]David L Adamy.Ntroduction to electronic warfare modeling and simulation[M].Artech House，2004.

[8]楊滿忠，尹健，于雷.電視導引頭作用距離研究[J].電光與控制，2003，5(2):27 －30.

[9]文戎，曹邦武，薛曉瑜.光學干擾條件下電視導引頭作用距離研究[J].彈箭與制導學報，2003(S3):5－8.

[10]陳紹坤.電視跟蹤器的作用距離估算[J].艦船光學，2001(3):1－7.