基于雷達紅外復合信息的目標毀傷評估技術研究＊

（武漢數字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

武器系統在面對進攻方飽和攻擊時，攔截并毀傷一個目標后，需要快速釋放該通道，跟蹤并攔截另外一個目標。由于艦艇末端防空導彈射程較近，實際可用于抗擊的時間短，態勢非常緊迫，這就對指控系統輔助決策軟件的快速反應能力，決策的快捷性和決策結果的正確可靠性均提出了較高的要求。及時準確的毀傷評估已經成為影響作戰運用、決策與運籌的必不可少的內容。

傳統的毀傷評估主要是基于雷達傳感器的，雷達作用距離較遠且作用距離受天氣和武器發射的影響很小，跟蹤精度高。但在電子戰環境中，容易受到干擾。由于多路徑效應和海浪雜波干擾，雷達的低角跟蹤能力較差，而反艦導彈多為掠海飛行，是雷達跟蹤的盲區。而紅外設備處于被動工作方式、隱蔽性好，能直觀顯示目標的幾何圖像或熱圖像。工作于電子對抗環境時，紅外設備能穩定地跟蹤目標，不受雷達干擾的影響，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信息上的互補，可改善目標毀傷評估的水平，提高毀傷評估結果的穩定性和可靠性。

2 目標毀傷特性分析

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

由于不同類型目標的易損性不同，不同類型導彈的戰斗部性能不同，被擊中并有效毀傷后的目標的總體特征也各不相同［1～2］，但是被有效毀傷目標的共同特性是相同的——目標失去對既定攻擊對象的威脅或毀傷能力。目標被毀傷最直接的表現是其運動特征的異常，致使目標運動航跡的變化，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，其氣動外形會發生變形，同時也導致對電磁波的反射特性發生改變；目標的尾焰或發動機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。

3 目標毀傷效果評估等級劃分

本文把目標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。目標發生了明顯的轟燃、轟爆，運動狀態發生了劇烈而明顯的改變。

2）任務毀傷，是指雖然不能夠徹底毀傷彈頭，但目標運動航跡的變化，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，均認為達到目的。

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

本文把目標遭受火力打擊后的破壞程度定量地劃分在［0，1］區間內且規定目標毀傷等級。其中0．80級定義為目標發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正好喪失了對預定目的造成損傷時的毀傷程度。0．50～0．80級定義為目標受到不同程度軟破壞。0．50級以下表示沒有擊中目標或對目標打擊力度很小，致使對我方可能造成損傷。當毀傷等級為零時，表明目標基本上沒有受到火力的打擊，很有可能達到其預期目的。設定一個紅色警戒值，當毀傷等級小于這一低限時就應實施對目標的再次打擊，這個值設置為0．30可能比較合適［4］。

4 目標毀傷效果評估流程

目標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，光電跟蹤系統是否返回有效的碰撞瞬間的圖像。若通過圖像判定目標有明顯轟然、轟爆，則目標被徹底毀傷。若目標雖然未發生轟燃、轟爆但目標發生解體、航跡改變、運動狀態改變等特征，說明對彈頭造成損傷，達到了任務毀傷的效果。

2）若在碰撞瞬間由于各種原因導致裝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，需要通過雷達顯示器判斷目標是否從屏幕上消失。若目標消失，則可以判斷目標被攔截并引爆，達到徹底毀傷效果；若目標未消失，則需要根據屏幕顯示繼續判斷目標是否偏離原來襲彈道，若彈頭彈道發生偏離，則可判斷為任務毀傷。若彈頭并未改變原彈道，則判斷為攔截失敗，未毀傷。

基于雷達和紅外傳感器的機動目標毀傷評估判定流程如圖1所示。

圖1 機動目標毀傷評估判定流程圖

5 紅外圖像目標毀傷評估

采用圖像不變矩對目標進行描述一直是圖像處理領域中的一個重要研究方向。灰度方差描述了像元值的離散性。目標打擊后而爆炸、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。目標遭受打擊破壞后原有結構會發生改變，不同損傷程度的影像灰度在空間上的起伏變化，將表現為一定紋理差異，具有一定的統計規律，因此紋理特征是識別目標損傷的重要依據。

基于上述分析，本系統選擇了基于灰度共生矩陣的標準差、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行建模。在對各特征值進行歸一化處理的基礎上，采用打擊前后圖像上目標特征向量的歐氏距離來分析目標打擊前后的相似性。

設特征向量的第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是目標打擊后的特征值，Yi是對應的目標打擊前的特征值。由上式計算出的距離大小可以說明目標的摧毀情況，該值越大，說明摧毀程度越嚴重。

6 雷達運動學參數目標毀傷評估

6．1 運動學參數選取標準

1）參數的可觀測性：對于用作毀傷判據的參數，首先要被防空導彈武器系統的跟蹤設備進行測量。當前的反導作戰系統常以雷達、紅外跟蹤設備和可見光跟蹤設備為傳感器，測量的主要是目標運動學參數，一般包括：

（1）目標斜距R（m）；

（2）目標徑向速度V（m／s）；

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

（4）目標視航角β（mrad）；

（5）目標俯仰角ε（mrad）；

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

2）參數的敏感性：通過反導指控系統得到的目標運動學參數必須能夠對目標運動狀態的改變十分敏感，這里的敏感包含兩層含義：一是測量參數的精度要滿足敏感目標運動狀態在一定范圍內變化的要求；二是測量參數要能準確表征目標的運動狀態的變化。

3）參數的實時性：防空導彈武器系統在實戰中要盡快判別目標是否被毀傷，對彈目遭遇后目標的運動軌跡不允許進行較長時間的觀測；近程防空導彈判斷彈目遭遇后目標運動軌跡變化的時間一般在2s～3s；因此毀傷判據使用參數要具有實時性。

6．2 運動學參數選取

目標被導彈戰斗部切割后，無論切割在什么部位，在短時間段內比較敏感的運動參數是目標速度方向的變化［2］。反應目標速度方向的參量有兩個，一個是目標的航路捷徑P；另一個是目標的視航角αt；由于目標的視航角能直觀反應出目標對防空導彈制導裝備的攻擊角度關系，選擇其作為分析研究的參數，分析它在目標被擊中后的變化情況。

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

圖2 目標全速度與視航角示意圖

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

7 毀傷評估仿真分析

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

在確定目標視航角和加速度變化程度的比較閾值時，考慮到數據分段平均效果，一般要比30°和5g小，根據對大量數據的分析［2］，取為20°和4g；即當Δαt＞20°或Δvt＞4g時，認為該特征可作為目標毀傷的有力判據，通過目標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0＜Δvt＜λ1時，ε1為0；當0＜Δ∝t＜θ1，ε2為0；當λ1＜Δvt＜λ2且θ1＜Δ∝t＜θ2時，取ε1＝ε2＝0．5。

圖3 目標被擊中后速度變化

圖4 目標被擊中后加速度變化

圖5 目標被擊中后視航角變化

本文實驗數據根據文獻［10］中的毀傷效果仿真模型，使用matlab對目標毀傷的反射特性進行建模并隨機產生雷達觀測數據，目標1產生108條、目標2產生120條、目標3產生142 條、目標4 產生72條、目標5產生153條。圖3～圖5中是目標1的損傷評估的仿真示例，目標從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，目標被擊中后，若遭到有效毀傷，目標會瞬間產生最大為5g～15g的機動；目標在彈目遭遇的短時間內，若做出了大于5g的機動，有理由認為是目標瞬時受到較大外力的作用；說明目標已被有效毀傷。

表1為根據Matlab仿真生成的目標毀傷運動學特征變化的目標視航角數據和加速度數據，對其中每一個平均后的參數，與導彈爆炸前的參數相減后求絕對值，并再取最大值得出加速度和視航角的變化峰值。相關毀傷效果評估結果如表1所示。

表1 機動目標雷達毀傷效果評估

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

表2為融合目標毀傷效果評估結果。

表2 融合目標毀傷效果評估

通過對表2的分析可以看出目標1的紅外特征和運動特征均發生劇烈變化，可認為目標發生徹底毀傷，達到了目標發生的硬破壞中轟燃時的臨界；目標2、目標5表示受到不同程度軟破壞，目標運動航跡的變化，偏離既定飛行線路，喪失毀傷既定攻擊對象的能力；目標4通過雷達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為目標被成功攔截，可進行轉火射擊；目標3表示沒有擊中目標或對目標打擊力度很小，致使對我方可能造成損傷，可認為攔截未成功，需要進行二次攔截。

8 結語

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

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

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