煙幕對紅外成像干擾效能評估方法研究

吳玉交，閆 喆

（1.91604部隊 山東 龍口 265700；2.海軍航空工程學院 研究生4隊，山東 煙臺 264001）

煙幕對紅外成像干擾效能評估方法研究

吳玉交1，閆 喆2

（1.91604部隊 山東 龍口 265700；2.海軍航空工程學院 研究生4隊，山東 煙臺 264001）

煙幕作為干擾精確制導武器的主要手段之一，以其便捷、廉價的特點得以廣泛使用，而如何評價其干擾效能尤為重要。針對解決目前煙幕干擾紅外成像效能評估沒有權威方法問題的目的，本文采用利用典型紅外成像制導武器的成像過程與及其影響成像干擾因素特點的方法，依據紅外成像制導武器在不同作用距離上的成像特點，結合相關成果論證，提出了的煙幕干擾評估方法，以及對各制導成像階段針對性較強的評估準則。

煙幕；干擾；評估；紅外成像

成像跟蹤、探測、制導是精確武器的重要體現，而煙幕已成為一種應用廣泛的于對抗成像型武器的無源干擾手段，其性能測量直接影響到對成像武器的干擾效能評估[1]。目前對煙幕干擾的評估尚無經典和權威的評估體系和指標，需要根據相應的成像設備、使用條件、煙幕釋放、形成、擴束等方面的情況進行具體的評估[2]。需要利用成像探測跟蹤、光電對抗、煙幕試驗等方面的理論與工程經驗分析、歸納、總結[3]。

紅外成像跟蹤制導系統的突出優點是：作用距離比可見光遠；在遠距離相對于紅外點源成像具有目標選擇能力；在末制導階段可以進行命中點選擇。而當探測視場中存在煙幕目標、背景干擾的影響時，這些優點均會受到削弱[4]。

紅外成像干擾典型評估準則一般包括信息準則、功率準則、概率準則、效率準則、目標鑒別概率變化準則、作用距離變化準則、相似度變化準則等[5]，具體的指標一般為脫靶量、制導誤差、命中概率等[6]。

根據對大量煙幕試驗結果分析，在遠距離上對煙幕干擾的評價應側重與作用距離及識別概率的影響，在中距離階段應側重相關性及跟蹤誤差的影響，在近距離或末制導段應側重命中概率與脫靶量的影響。

1 適用于遠距離成像的煙幕干擾評價指標方法

1.1 紅外成像系統作用距離評價方法

非掃描形式的紅外成像跟蹤系統的作用距離為

其中Iλ為已知目標輻射強度；α為大氣衰減系數；R為探測系統至目標的距離；

NETD為紅外熱像儀的等效噪聲溫差；ω為熱像儀的瞬時視場（sr）；SNR為信噪比；η為經驗系數；

其中MλT為光譜輻射出射強度；c1為第一輻射常量；c2為第二輻射常量；λ1和λ2為輻射的起始和截止波長。

當目標的溫度T、面積A、表面材料發射率ε已知時，作用距離可以使用下式進行估算：

從上式可以看出，煙幕對紅外成像跟蹤系統的作用距離主要影響信噪比指標。

1.2 識別概率評價方法

最小可分辨溫差（MRTD）是紅外成像系統的重要性能參數，指在一定的空間頻率下能夠分辨的目標與背景各部分間的最小溫差，它反映了紅外系統的靈敏度和空間分辨率，煙幕對目標與背景的消光、遮蔽與模糊等影響，對紅外成像系統（尤其是使用“人在回路”控制功能的紅外成像系統）的這個參數產生影響，使得在一定的距離上能夠在成像視場中形成的目標線對數量由于遮蔽、模糊而減少，影響目標的正確判讀概率，干擾紅外成像系統的探測識別能力。下表1為研究人員通過大量實驗得到的不同探測等級在不同概率情況下所需的目標等效的線對數量。

2 適用于中距離成像的評價指標方法

2.1 小視場紅外圖像相關性評價方法

煙幕干擾使紅外成像系統的圖像質量發生變化，各種概率條件下所需的目標線對數如表1所示，干擾效果反映在圖像處理中的客觀指標可以用圖像干擾前后的相似度變化來衡量，即干擾前后的紅外成像圖像的相關函數，而小視場成像決定了紅外圖像的像素數量相對較小，為其相關性處理的算法的實時性提供了保證。其歸一化相關函數為

表1 各種概率條件下所需的目標線對數Tab.1 The lines required under miscellaneous probability circumstance

其中式中fij為干擾實施前圖像第i行第j列的像素灰度值；gij為干擾實施后圖像第i行第j列的像素灰度值；m和n分別是紅外成像圖像的像素行數和列數。

由Cauchy-Schwarz不等式可知，在任何情況下，均有0≤C≤1。當兩幅圖像完全相同時，C=1為最大值，此時圖像相關性最高。當干擾使得紅外圖像灰度發生變化時有C＜1，且變化越大C值越小，相關性越低。當C=0時完全不相關。因此可以利用相關函數值的大小反映紅外圖像之間的相關性，其變化的程度反映煙幕干擾的效果，可根據干擾效果能否影響目標識別設定相關函數值的閾值，進而劃分干擾的程度等級，例如：當相關函數近似等于1，圖像無明顯變化，即干擾無效；相關函數小于1大于閾值，圖像對比度（或信噪比）下降，探測距離降低，但在規定試驗條件下能夠識別規定目標；相關函數小于閾值，在規定試驗條件下不能識別規定目標。

2.2 跟蹤誤差評價方法

煙幕直接影響了紅外成像跟蹤系統的目標特征提取和特征選擇的過程，增加了跟蹤誤差變大的概率。紅外圖像進行目標特征提取需要進行圖像分割，形成二值圖像，將目標與背景分割。當煙幕干擾時，高灰度值對應的像點數減少，低灰度值對應的像點數增多，總的灰度等級數減少，當煙幕的對紅外輻射的透過率降低一定程度時，灰度等級數將趨向于極限值1，此時無法使用上述方法分割圖像。

對于典型的紅外成像跟蹤方法，煙幕的干擾根據其圖像處理的算法產生影響。例如對于用矩心跟蹤法的紅外成像系統，當煙幕遮蔽目標使目標圖像的輻射產生嚴重的不均勻變化時，跟蹤波門擴大，灰度值超過閾值的像元數發生變化。對于用矩心跟蹤法的紅外成像系統，如圖1所示。其相關函數為

其中 S（u，v）和 R（u，v）分別是源圖像和實時對比圖像的灰度分布。

圖1 相關跟蹤中的基準圖像與實時圖像Fig.1 Sample image and real-time image in the relative tracking

當有煙幕干擾目標時，造成實時圖像的灰度產生不均勻變化，此時實時圖像灰度分布函數改變為R′（u+x，v+y）。這時，它與源圖像的灰度分布函數間的相關函數為

相關跟蹤的配置點坐標誤差為，Δx=x-x′，Δy=y-y′。

3 適用于近距離（成像末制導段）的評價指標方法

3.1 命中概率評估法

命中概率是導彈的脫靶量ρ落在以目標為中心，半徑為殺傷半徑為的R圓內（即ρ≤R）的概率。命中概率受導引誤差分布規律影響，導引誤差服從正態分布。

假設有一通過目標質心O，垂直于導彈與目標的相對速度方向的平面YOZ，導彈在 YOZ的彈著點（y，z）為按正態分布的二維隨機變量，分布概率密度為

其中，my，mz為彈著點的平均坐標，彈著點與目標間的距離 ρ0為系統誤差；σy，σz分別為彈著點在 y軸和 z軸方向上的均方差。彈著點在靶平面上的分布如圖2所示。

以極坐標替換直角坐標進行轉化后，可得脫靶量的分布函數為

圖2 彈著點在靶平面上的散布Fig.2 Distribution of shooting position in target

其中，I0（ρρ0/σ2）是零階第一類變形貝塞爾函數，從上式中可知脫靶量是遵循廣義瑞利分布的。 設 R=ρ/σ，A=ρ0/σ，則

若導彈殺傷半徑為ρd，定義ρd/σ=Rd為相對殺傷半徑，則導彈的命中概率為

當導彈受到干擾形成了導彈彈著點分布中心與目標中心不重合的情況（即ρ0≠0，這是系統誤差），但對純屬隨機誤差的彈著點分布方差σ無影響，此時導彈的命中概率為

這時有P′1＜P1，表示導彈受到干擾后發命中概率降低。

3.2 脫靶量評價方法

設目標在靶平面上的位置矢量為r0，彈著點的位置矢量為 ri（i=1，2，…，n），n 是有效試驗的次數，第 i次試驗的脫靶量矢量為Δr=ri-r0，平均脫靶量矢量為

理論分析及大量試驗結果證實了正常情況下制導武器的制導誤差服從正態分布，根據誤差理論，制導武器彈著點落在以目標為中心半徑為S的圓內的概率將為68.27%，落在以2S和3S為半徑的范圍內的概率則分別為95.45%和99.73%，因此可以3S為界限判定干擾對制導誤差的影響是否超出正常制導精度的允許范圍。

如果未受到煙幕干擾時制導武器的制導精度為S0，受到煙幕干擾后脫靶量大小為Δr，可以判斷當Δr≤3S0時，煙幕干擾基本無效；當Δr＞3S0時，煙幕干擾有效。在實際使用中，由于干擾效果有很大的隨機性，需要進行多次干擾試驗并記錄分析脫靶量結果，統計歸納出干擾成功率。

4 結束語

紅外成像制導由于其制導過程相對距離和時間短，而相對成像視場小，有其自身特定的規律，而煙幕對其干擾的效能評價也相應的需要針對其不同階段的特定才有實際意義，由于目前尚無針對紅外成像制導全過程的唯一權威評價準則，針對性強的評價指標更有實際價值。因此，通過對多次煙幕外場試驗的多傳感器數據進行各典型指標分析歸納出基于紅外成像制導系統的作用距離的針對性評價更能夠相對準確的評價其對制導過程的干擾效能。

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Research about evaluation for the disturb efficiency of smoke to the IR imaging

WU Yu-jiao1，YAN Zhe2
（1.91604thUnit， Longkou 265700， China；2.4thGraduate Student Team of Navy Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China）

Smoke is now widely used as a cheap and convenience way to disturb photoelectricity imaging guidance weapons.And how to evaluate the disturb efficiency of smoke is very important to the imaging guidance weapons.In order to solve problem that the evaluate smoke disturb efficiency without authority rules presently.Consider the relative characters of classic IR imaging guidance weapon in different imaging period at different imaging distance and concluded with their imaging and interfere character，this paper present the smoke disturb efficiency evaluation method.

smoke； disturb； evaluation； IR imaging

TN972

A

1674-6236（2014）15-0001-03

2014-04-15 稿件編號：201404155

國家“863”創新自然基金（2110AAJ211）

吳玉交（1978—），男，湖南岳陽人，助理工程師。研究方向：跟蹤測量方向。