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

(陸軍勤務學院， 重慶　401311)

在現代信息化戰爭中，國防工程偽裝是戰場生存的關鍵，是對抗高技術偵查探測的重要手段。作為軍事斗爭的重要環節，偽裝設計是偽裝能力的重要基礎和保障[1]。目前，傳統偽裝手段存在很多問題，如預先設計考慮不充分，憑決策人員主觀經驗進行偽裝，忽略了戰場全天候、全方位的威脅特點，設計方案未經模擬論證等等，嚴重地影響了偽裝效果[2]。針對以上問題，在進行國防工程偽裝方案設計時，應當有針對性地考慮空天偵察，把握平時戰時國防工程的暴露征候，以此為依據制定偽裝方案[3]。本研究將沙盤模型引入國防工程偽裝方案設計中，并對目標工程進行偽裝方案沙盤模擬設計和評估，為偽裝方案設計的科學化和精細化提供了一種新思路。

1　沙盤應用現狀及優勢分析

從海灣戰爭直至伊拉克戰爭，美軍的作戰體系不斷進化，其中最重要特點為 “設計戰爭”，其中沙盤就是“設計戰爭”的一種重要方式。利用沙盤模型模擬戰情能讓軍事參謀作業更加方便有效，可以預先擬定作戰及偽裝方案，進行模擬對抗演習和制定偽裝策略，來檢驗戰爭的效益和偽裝方案的可行性[4]。我軍部分部隊在演習中運用沙盤擬定作戰計劃，劃定戰略部署，布置假目標群，并根據當地條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系，直觀評估推敲，修正偽裝設計不足，選擇恰當的方案。且簡易的沙盤可同時應用于演習和實戰對抗，操作性強，時效性高，實施偽裝方案和戰場模擬對抗同步進行。戰場空間廣闊，沙盤體積小，包含空間大，可以對整個戰場空間進行綜合偽裝方案設計和效果評估，防止偽裝重點難點目標的暴露[5]，其研究流程如圖1所示。

2　某工程目標沙盤化及偽裝任務

某工程地處丘陵山地地帶，主要暴露的目標由洞庫口部，指揮所，試驗模型和接近路組成，通過無人機拍攝航拍圖如圖所示。根據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和周圍地形地貌。

該工程偽裝防護主要針對敵方的空中偵察和遠程打擊。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星偵察，戰時主要遭受的威脅為衛星偵察、飛機偵察和精確制導武器打擊[6]。

目前，衛星和飛機偵察的分辨率為：光學照相偵察地面分辨率為0.1～0.3 m、合成孔徑雷達地面分辨率為 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。商業成像衛星的光學照相偵察地面分辨率為0.5～1.0 m[7]。

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

目標工程周圍草木茂密，路邊樹木較多。根據航拍成像圖片和偵察脅分析，經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) 實驗模型排布較為規整、有序，矩形輪廓較為明顯，陰影較為規律。

此外，目標之間的配置特征、人員活動和物資堆放痕跡也很明顯。以上暴露征候將會成為敵方偵查系統發現和識別目標的重要信息，也是精確制導武器跟蹤打擊目標的依據。

偽裝方案的設計原則為：

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、表面狀態及波譜特征應與背景相匹配，使得目標區域圖案成為背景斑點的自然延伸[10]。

3　偽裝方案設計與模擬研究

3.1　偽裝方案設計

根據沙盤模型以及現場實地勘察、設計原則和有關技術要求，總體偽裝方案以應對衛星偵察為主，以削弱暴露征候，降低目標被探測概率為目的，根據遮蔽、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合的多種偽裝方法[11-12]。

根據分析預先在沙盤進行模擬某工程實地偽裝方案實驗，通過多組方案推敲，進行優化改良，最終選得兩個方案。

方案1：將主要3個軍事設施偽裝成民用設施，實驗模型偽裝為別墅，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，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。對接近路進行背景仿造，提取周圍環境的元素和色彩，通過移植草皮、與當地長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。對實驗模具采取植物偽裝技術對其實施植物偽裝，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

本沙盤材質輕便，結構簡明，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，可同時用于關于偽裝教學的特點。

偽裝方案1：利用PVC板模型材料制作假民用設施的墻體，用ABS板制作坡屋頂以獲得逼真的效果。總計使用PVC結皮發泡板(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，在此基礎上利用假樹和草皮模型裝飾，以達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，周圍易產生陰影的地塊進行遮障偽裝并利用假植物遮蓋；對實驗模型利用天然葉片進行植物偽裝，以在不同波段的圖像突出對比，對明顯的直角輪廓遮蔽。經過推敲方案后，3小時內實施完畢，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行量化分析與評估。首先設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，并利用多種偽裝前后效果圖進行對比實驗。軟件運行環境：Intel(R) Core(TM) CPU i5-4210U 2.40GHz；內存：金士頓DDR2 4G；操作系統：Windows 7專業版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慣的目標區域相關度、目標對比度、主體識別率、邊緣特征、紋理特征等參數作為主要評判依據[15]。

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

由檢測結果得知，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值下降幅度不明顯。方案2偽裝前后的主要特征指數下降比例顯著，其中圖像相關度下降了87.74%，表明偽裝前后的圖像相似的內容程度大幅減少且差異顯著，可達到欺騙敵人的效果；對比度和目標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，識別目標的可能性降低。

方案2以消除空中偵察和衛星偵察為重點，在可見光波段對偽裝前和偽裝后的模型進行空中航拍。通過在沙盤上布置偽裝遮障，設置假樹，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圖像相關度、對比度、主體識別率、紋理特征等參數大大降低，在可見光波段達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/%圖像相關度10．38040．122661．9687．74對比度0．74631．06690．0498-32．693．33目標主體識別率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

為進一步檢測偽裝效果，本論文對兩個方案進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(圖7)，成像參數(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　結論

1) 運用沙盤設計偽裝方案可預先推敲恰當的偽裝策略和方法以預先模擬工程目標的偽裝方案，可同時用于關于偽裝的教學，良好的模擬方案設計可以指導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現，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一步改進。

參考文獻：

[1]康青，周澤平.軍事工程偽裝技術[M].北京：國防工業出版社，2004：2-6.

[2]秦有權，馬棟良，劉峰．重要經濟目標遮障偽裝防護系統設計與應用[J]．防護工程，2013，35(5) :58-61.

[3]李翔城，戴穗安，譚小波．基于紫外分光光度法對軍事偽裝識別的實驗探索[J]．四川兵工學報，2014，35(3) :141-143.

[4]王春賀.基于仿真模擬技術的電子沙盤在武警部隊的應用淺析[J].科技展望,2006(01):146.

[5]徐德生，黃玉全.沙盤模型在建設領域的功用初探[J].山西建筑,2010,36(1):51-52.

[6]李海寧，曹金橋，高波.偽裝色快速配置技術初探[J].工兵裝備研究,2013,32(4):22-25.

[7]康青，姜雙斌.合成孔徑雷達成像及工程偽裝發展趨勢[J]．后勤工程學院學報，2008，24(4):87-91.

[8]崔大朋，蘇建平．精確制導武器穩定平臺技術[J]．四川兵工學報，2015，36(5) :35-38.

[9]崔長彬，康青，夏雪，等.遮障后洞庫口部的水霧紅外偽裝性能分析[J]紅外與激光工程，2013,42(增1):1-5.

[10] 陳都，譚可可，安瑞楠，等.TOPSIS 偽裝決策方法在洞庫工程中的應用研究[J].兵器裝備工程學報,2016,37(5):77-80.

[11] 蔡凌豪.基于增強實境的地形設計沙盤系統研究[J].西部人居環境學刊， 2016，31(4)：26-33.

[12] 方奇.自然生態復綠技術偽裝應用綜合評價研究[D].武漢：海軍工程大學，2011:60-75.

[13] 張維波，李彥彬．防空武器陣地反偵察偽裝防護[J]．四川兵工學報，2011，32( 7) :134-136.

[14] ELLIOT A C,WOODWARD W A.Statistical Analysis[M].Chicago:SAGE Publications,2006:99-105.

[15] 陳善靜，康青，王正剛，等.仿生偽裝圖案遺傳進化設計方法研究[J].儀器儀表學報，2017,38(2):425-435.

[16] 王正剛,康青,沈志強,等.一種三波段成像對比演示系統設計與初步應用[J].紅外與激光工程,2016,45(a02):115-119.