激光告警裝置的布設及其評價方法研究

孫春生，張曉暉，張 爽

(海軍工程大學兵器工程系，湖北武漢 430033)

激光告警裝置的布設及其評價方法研究

孫春生，張曉暉，張 爽

(海軍工程大學兵器工程系，湖北武漢 430033)

為了提高激光告警裝置在激光對抗中的作戰效能，研究了激光告警裝置的布設及布設效能的評價方法。首先根據激光告警裝置的工作原理、設備性能和戰術使用原則，將激光告警裝置的布設要素分解為警戒區域、警戒空間、基準方位、布設數量和水平狀態等5個子項，分析每一子項的布設要求，建立對應的布設效果評分模型;然后采用層次分析法確定各要素的權重，進而得到告警裝置布設效果的總體評價模型;最后給出了布設及布設效能評價方法的應用實例。提出的布設效能評價方法能夠用于激光告警裝置防護效能的自動評估，已應用于激光對抗系統的虛擬訓練系統中。

激光對抗;激光告警裝置;布設評價;評分模型;層次分析法

1 引 言

隨著激光技術的發展，激光測距、激光制導和高能激光武器等激光裝備以其抗干擾能力強、效費比高等優點在現代戰爭中逐步得到了廣泛的應用。為對抗激光裝備、降低其作戰效能，各國都在大力發展相應的對抗技術及裝備。激光告警作為激光對抗的首要步驟，是實施有效激光干擾的前提。激光告警裝置的作戰效能是由它的自身性能和布設方法共同決定的。因此研究如何提高激光告警裝置的性能和布設方法具有重要意義。

目前關于激光告警技術及裝置的研究主要側重于激光輻射源的定位定向方法［1－5］，新型激光告警裝置的設計［6－8］，激光告警裝置探測能力的分析與改善［9－12］等。這些研究基本上都屬于如何評價或提高激光告警裝置性能的范疇。而關于激光告警裝置布設方法研究的文獻很少報道。

激光告警裝置用于探測來襲的激光威脅并向控制中心發送威脅信息。激光告警裝置布設的總體要求是能夠探測到從任何可能方向來襲的激光威脅。對機載和車(艦)載激光告警裝置，通常由多個告警裝置布設在飛機和車輛(艦船)的合適位置處，分別構成4π立體角全球警戒空間和略大于2π立體角的半球警戒空間。機載和車(艦)載激光告警裝置屬無人值守設備，使用過程中無需操作人員參與布設;但用于地面要地防御的激光對抗系統，激光告警裝置在使用時需由操作人員布設在被保護目標的周圍，用于警戒來襲的激光威脅。本文以地面激光告警裝置為研究對象，將激光告警裝置的布設要素分解為警戒區域、警戒空間、基準方位、布設數量和水平狀態等5個子項。分析每一子項的布設要求，建立評價每一子項布設效果的評分模型，提出一種層次分析法與解析評分法相結合的布設效能評價方法，并給出了應用實例。文中，所有方位角的基準為真北向，俯仰角的基準為水平面。

2 告警裝置的布設要素及其評分模型

單個地面激光告警裝置的有效警戒空間通常為略大于2π立體角的半球空間，半球空間的半徑為告警裝置的散射截獲半徑或離軸探測距離。當用于要地防御時，通常需要多個告警裝置共同完成對可能來襲激光威脅的警戒。為量化評價告警裝置的布設效果，根據激光告警裝置的工作原理、設備性能和戰術使用原則，將激光告警裝置的布設要素分解為警戒區域、警戒空間、基準方位、布設數量和水平狀態等5個子項，建立每一子項的評分模型。為便于考核評估，所有要素的評分采用百分制。

2.1 警戒區域及其評分模型

警戒區域指無遮擋條件下所有布設告警裝置合成警戒空間在水平地面上的投影區域，它與告警裝置的離軸探測距離、布設數量和布設位置有關。合理的布設要求告警裝置的警戒區域完全覆蓋被保護目標的占用區域。

實際布設的評分，可以用告警裝置的警戒區域S對被保護目標占用區域T的覆蓋率來表示警戒區域的布設得分V1，即:

式中，S表示警戒區域面積;T表示被保護目標占用區域面積;S∩T表示S與T之間重疊區域的面積。

2.2 警戒空間及其評分模型

警戒空間指所有布設告警裝置合成的有效警戒空間，它與告警裝置布設數量和布設位置有關。合理的布設要求告警裝置的警戒空間為2π半球空間，但考慮到被保護目標對某些角度空間內來襲激光威脅的遮擋，實際的警戒空間通常存在遮蔽空間而達不到半球空間。

實際布設的評分，可以用告警裝置合成的有效警戒空間在2π半球空間中的占有率來表示警戒空間的布設得分V2。以在某保護目標附近布設一個告警裝置為例，不妨假定被保護目標的平均有效高度為H1、平均有效有效寬度為W1、告警裝置離被保護目標的距離為D1、告警裝置自身高度為H2，則警戒空間的布設得分V2為:

式中，分子部分的第二項為告警裝置的遮蔽空間，它的方位遮蔽角的中心線為告警裝置與被保護目標中心的連線。

計算多個告警裝置合成的警戒空間時，為便于合成，可將每一個告警裝置空間角的基準點(原點)移至被保護目標的中心。對有一定高度的被保護目標，一般在被保護目標的兩側同時布設告警裝置可實現警戒空間的互補從而避免合成遮蔽角存在。

2.3 基準方位及其評分模型

基準方位指告警裝置布設時是否調整了北向基準，及調整北向基準的準確性。合理的布設要求基準方位為北向0°，以便為激光干擾裝備提供正確的威脅方位信息。

基準方位偏離北向方位越遠，告警裝置探測到的威脅方位偏差越大。基準方位通常在0°～360°的方位內取值，當基準方位為180°時，完全反向，偏差最大，此后隨著角度的增大，在方位上離北向0°方向反而會越靠近，接近360°時，基本沒影響。假定某告警裝置的基準方位為θa°，則此基準方位的評分V3計算模型為:

當布設了多個告警裝置時，取它們的算術平均值為基準方位V3的最終得分。

2.4 布設數量及其評分模型

布設數量指實際使用的告警裝置數量，從對抗資源節約和戰備展開時間盡可能快的角度考慮，合理的布設要求使用盡可能少的告警裝置來完成警戒任務。因此一旦選定保護目標后，根據警戒區域和警戒空間的要求，需要使用的最佳告警裝置數量就決定了。

告警裝置布設數量的評分是相對于需要使用的最佳告警裝置數量來說的。少使用告警裝置時，必然會影響警戒區域和警戒空間的覆蓋率，在V1和V2中已有考慮，因此這里主要考慮冗余使用告警裝置對對抗資源和反應時間的負面影響。假定最佳告警裝置數量使用數量為N1，實際使用的告警裝置數量為N2，告警裝置布設數量的評分V4計算模型為:

2.5 水平狀態及其評分模型

水平狀態指告警裝置布設的水平程度。合理的布設要求水平基準為0°。

告警裝置水平狀決定著探測到的來襲激光束俯仰角的準確度。對水平地面布設的告警裝置而言，其水平姿態角的最大可能取值范圍為0°～90°，實際布設時的俯仰角應在0°附近。不妨假定告警裝置的水平姿態角(最大俯仰角)為θp°，則告警裝置水平狀態的評分V5計算模型為:

當布設了多個告警裝置時，取它們的算術平均值為水平狀態V5的最終得分。

3 告警裝置布設效果的總體評價

建立了激光告警裝置各布設要素的評分模型后，就可以利用實際布設參數和評分模型計算出各要素的得分。要獲得布設效果的總體評價，還需確定各要素的權重。這里采用層次分析法來確定權重。

3.1 告警裝置布設效果的評價模型

不妨設各布設要素對布設效果影響的權重為Wi，則告警裝置布設效果的總體評分模型V為:

3.2 層次分析法確定權重

層次分析法本質上是一種決策思維方式，它把復雜的問題分解為各個組成因素，將這此因素按支配關系分組形成有序的遞階層次結構，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因索的相對重要性。層次分析法適用于確定激光告警裝置布設要素警戒區域(B1)、警戒空間(B2)、基準方位(B3)、布設數量(B4)和水平狀態(B5)相對于總體布設效果(A1)的權重。在此采用1～9標度法，構造的判斷矩陣如表1所示。

表1 激光告警裝置布設要素的判斷矩陣Tab.1 Judgematrix of layout elements for laser warning receiver

按照方根法權向量計算公式:

計算得到激光告警裝置布設要素的權向量為W=［0.3787，0.3787，0.1396，0.0515，0.0515］T。進一步計算得到判斷矩陣一致性參數為 CR= 0.0023＜0.1，滿足一致性要求，說明構造的判斷矩陣合理。

4 應用實例

具體應用時，首先明確被保護目標的特征參數，如占用區域大小，被保護目標的平均有效高度和寬度等;然后根據告警裝置性能參數和布設要求確定合適的布設方案，包括確定所需告警裝置的最佳數量、布設位置等。對某一布設方案的防護效能進行綜合評估時，提取告警裝置的布設信息代入式(1)～(5)即可計算出每一布設要素的實際得分;再將這些實際得分和布設要素的權向量代入式(6)就可得到這一布設方案的總體防護效能。

下面以對某指揮中心的警戒防護為例來進一步說明激光告警裝置的布設及布設效果的評估。不妨假定此指揮中心的占用區域為80 m×40 m，指揮中心的平均有效離地高度為20 m，在圖1中用黑白柵格區域表示;告警裝置的有效警戒區域半徑為60 m，告警裝置的離地高度為1 m，在圖1中用淺色圓形區域表示。根據被保護目標特征和告警裝置的性能參數可確定最優的布設方案如圖1(a)所示，此時告警裝置分布在指揮中心兩側，使用的告警器數量為2，總體布設效果評價為100分。當只追求布設要素中的某項或某幾項符合布設要求時，往往得不到最優評價，如圖1(b)所示。在圖1(b)中，只使用了一套告警裝置，警戒區域滿足最佳布設要求，但由于保護目標的遮擋，警戒空間沒能覆蓋2π半球空間。將告警器的布設參數和被保護目標參數帶入式(2)，可計算出警戒空間的布設得分V2為65.68分，同時假定基準方位、布設數量和水平狀態的得分為100分，將這些信息帶入式(6)即得此布設方案的總體防護效能為87分。當對目標特性和告警裝置性能把握不準時，通常會出現多使用告警器的冗余布設情況，如圖1(c)所示。此時警戒區域和警戒空間符合布設要求，同時假定基準方位和水平狀態也符合布設要求，由式(4)可計算出布設數量的評分V4為66.67分，進一步由式(6)可得這一布設方案的總體防護效能為98分。

實際布設時會出現復雜得多的情況，按相同的方法可評估激光告警裝置的總體布設效果。

圖1 激光告警裝置的三種典型布設示意圖Fig.1 Sketch map of three typical layout for laser warning receiver

5 結 論

將激光告警裝置的布設要素分解為警戒區域、警戒空間、基準方位、布設數量和水平狀態等5個子項，分析了每一子項的布設要求，并提出了一種解析評分法與層次分析法相結合的布設效能評價方法。解析評分法通過建立各布設要素的評價模型，代入告警裝置的布設信息和被保護目標信息即可獲得各要素的布設得分，此方法克服了常用的專家評分法中主觀因素和知識結構水平的影響。層次分析法可方便的用來確定各布設要素的權重。提出的布設效能評價方法能夠用于激光告警裝置防護效能的自動評估，已應用于激光對抗系統的虛擬訓練系統中。

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Research on the layout and evaluation of laser warning receiver

SUN Chun-sheng，ZHANG Xiao-hui，ZHANG Shuang
(Department ofWeaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

In order to improve the effectiveness of laserwarning receiver in laser countermeasure，the layoutand evaluation of laser warning receiver are researched.Firstly，the layout elements of laser warning receiver are divided into warning region，warning space，fiducial orientation，layout quantity and horizontal stance based on principle，capability and tactical application of laser warning receiver.The layout requirement for every sub-element is analyzed，and the corresponding evaluation models for layouteffectiveness are further established.Afterwards，the index weights of every sub-element are confirmed by using analytic hierarchy process.Furthermore the holistic evaluationmodel for layout of laserwarning receiver is obtained.Lastly，the applied example for the layoutand its evaluation of laserwarning receiver is also provided.The presented effectiveness evaluationmethod can be used for automatic evaluation of laserwarning receiver layout，and has been used for simulation drilling system of laser countermeasure.

laser countermeasure;laser warning receiver;layout evaluation;graded model;analytic hierarchy process

TN977

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.015

1001-5078(2014)04-0419-05

孫春生(1977－)，男，講師，博士，主要研究方向為光電對抗技術，光電探測與信息處理。E-mail:scs96581@163.com

2013-08-12