紅外導彈抗干擾能力指標體系和評估研究

唐善軍，王 楓，陳曉東

(上海機電工程研究所,上海 201109)

紅外導彈抗干擾能力指標體系和評估研究

唐善軍，王 楓，陳曉東

(上海機電工程研究所,上海 201109)

為改進紅外制導導彈抗干擾能力評估中因指標較單一而采用綜合抗干擾成功概率表征的缺點，對抗干擾能力指標體系進行了研究。建立了包括抗干擾識別、抗能量壓制、抗干擾跟蹤和持續抗干擾四類能力的識別概率、最大最小能量壓制、視線角速度誤差因子、干擾結束時間占比因子和干擾占空比等6項指標系統。在已知導彈綜合抗干擾成功概率條件下，建立目標評估函數；用遺傳算法和層次分析法對指標進行細化分解，給出了具體實現步驟。對一個算例進行了評估，并將指標分解結果與實際仿真結果進行對比，分析表明：細化分解結果與實際導彈的抗干擾特性基本吻合，且提出的抗干擾能力指標體系與綜合抗干擾成功概率有較強的關聯性，可更細化地評估導彈各分系統的抗干擾能力并指導其抗干擾設計，有較好的實用性和可操作性，提升了紅外導彈抗干擾設計的指導和評估水平。

紅外導彈； 抗干擾； 指標體系； 指標細化； 性能評估； 遺傳算法； 層次分析法

0 引言

紅外制導導彈抗紅外誘餌干擾問題自20世紀90年代開始被廣泛關注。國內研究起步較晚，缺乏實際作戰數據的支持，其抗干擾能力設計和評估一直是業界公認的一個難題[1]。一方面外場靶試的效費比低，因需消耗實彈，不可能進行大量實彈測試，無法獲得充分的樣本可供評估；另一方面是在武器系統研制過程中不同階段的大量試驗數據不能充分被利用[2]。因此，有必要尋找一種方法，在系統研制時同步進行抗干擾性能的評估，及時了解產品的抗干擾性能，并對導彈的抗干擾設計進行指導和改進。

目前，評估紅外導彈抗干擾能力強弱的指標較單一，多是綜合利用層次分析法和模糊綜合評估法對導彈的抗干擾能力進行評估，得到綜合抗干擾概率指標，并根據該指標對導彈抗干擾能力強弱進行判定[3-4]。但實際上，導彈的抗干擾能力是由各分系統的抗干擾能力綜合而成，綜合抗干擾成功概率指標對評價各分系統的抗干擾能力欠缺直接指導意義，一旦整彈的抗干擾指標不能滿足要求，很難確定具體設計的不足，不利于提升導彈抗干擾能力。本文對紅外導彈抗干擾能力設計和評估方法進行了研究，提出了一個描述紅外制導導彈抗干擾能力的指標體系，用層次分析法建立抗干擾能力目標評估函數，用遺傳算法對各項抗干擾指標的取值進行分配和優化，為紅外制導導彈抗干擾能力的設計和評估提供參考。

1 紅外導彈與紅外誘餌彈對抗原理

紅外制導導彈與紅外誘餌彈的典型對抗過程如圖1所示。當目標飛機探測到來襲導彈時，會投放紅外誘餌彈對導彈進行干擾。目前常見的目標飛機施放紅外誘餌彈干擾來襲導彈的基本原理主要有以下三種。

a)在較短時間內施放大量干擾，使來襲導彈視場內充滿干擾，甚至完全無法從空間上區分目標和干擾，降低導引頭識別出目標的概率。

b)通過施放大能量的干擾彈掩蓋目標機，在某些情況下使來襲導彈導引頭信號處理裝置短時間內信號飽和，從而出現對目標的誤判。

c)目標機長時間連續施放干擾彈，使來襲導彈長時間處于抗干擾狀態，導致導引頭逐步喪失積累目標正確信息的能力，從而加大導彈抗干擾失敗的概率[5-6]。

圖1 紅外導彈與紅外誘餌的對抗過程Fig.1 Countermeasure of infrared missile and IR decoy

2 抗干擾能力指標體系構建

紅外制導導彈在攻擊目標的過程中，當視場中出現干擾時，導彈首先需準確判斷出目標開始投放干擾，進入相應的抗干擾狀態，這與干擾彈的紅外輻射能量密切相關；其次，導彈進入抗干擾狀態后為防止目標脫離出視場，需快速準確識別出視場中的目標，識別目標能力對長時間投放干擾過程尤其重要。在抗干擾過程中，導彈跟蹤能力(即預測視線角速度能力)會影響出干擾態后彈道偏差的大小以及修正彈道偏差所需時間，從而影響最后命中目標的精度。另外，在實際作戰環境中，目標為擺脫導彈的攻擊，會連續投放干擾彈，也就意味著紅外導彈的抗干擾過程可能會從發射后一直持續至與目標遭遇，但對一型導彈來說，其能承受的抗干擾時間不是無限的，必定存在一個能承受的最大抗干擾時間，時間越長說明導彈的抗干擾能力越強。如有干擾存在時導彈未識別出真實目標，當視場中干擾消失后，一般就可宣告抗干擾失敗。

目前常用的抗干擾能力評估指標，考慮的角度往往只有一個或幾個，普遍缺乏系統性和全面性，導致抗干擾評估結果置信度偏低。本文根據各種干擾模式的作用機理及導彈整個攻擊過程的抗干擾原理，認為其抗干擾能力主要體現在當視場中同時存在干擾和目標時，對目標的識別能力、抗干擾時的跟蹤能力，以及導彈發射后能經受的最大抗干擾時間。歸納出以下4類共6項指標用于評估紅外導彈的抗干擾能力。

a)抗干擾識別能力

是指紅外導彈的導引頭在抗干擾過程中正確識別目標的能力。在長時間連續抗干擾過程中，因導引頭預測的視線角速度與實際視線角速度會有較大誤差，隨著彈目的接近，有可能使目標脫離視場。如導引頭能正確識別出目標，就能將目標保留在視場中，同時可根據目標識別后獲得的失調角修正預測的視線角速度，提升導引頭抗干擾成功的概率。本文用識別概率P表征抗干擾識別能力，定義為

(1)

式中：Nid為識別目標次數；Nreal為實際干擾投放個數或組數。P與紅外誘餌彈的投射速度、投射方向、投射時間間隔、目標機動，以及導引頭的空間分辨率密切相關，其值越大，表示抗干擾的成功概率越高。

b)抗能量壓制能力

是指在保證抗干擾概率不低于規定值情況下，評估紅外導彈的導引頭能承受干擾與目標能量之比(壓制比)的最小值Kmin和最大值Kmax。定義為

(2)

式中：Edis min，Edis max分別為干擾彈最小和最大輻射能量；Etar為目標輻射能量。Kmin，Kmax與紅外誘餌彈的類型、目標飛機的類型，以及攻擊態勢密切相關，Kmin越小，Kmax越大，表明導引頭的抗能量壓制能力越強。目前，紅外導引頭的Kmin約2，Kmax則能達上百。

c)抗干擾跟蹤能力

是指在干擾環境中，紅外導彈的導引頭未能正確跟蹤目標時預測的視線角速度與真實視線角速度的誤差，以及在抗干擾過程中導引頭從干擾態轉入跟蹤態建立真實視線角速度的快速性。快速性指標一般由導引頭的跟蹤回路時間常數進行明確，本文用視線角速度誤差因子η表征抗干擾跟蹤能力指標。定義為

(3)

d)持續抗干擾能力

在保證抗干擾概率不低于規定值情況下，持續抗干擾能力可由兩項指標表示：一是評估導彈發射后能經受的干擾投放結束時刻與整個彈道飛行時間的比值，可用干擾結束時間占比因子λ表征；二是評估導彈發射后能經受的抗干擾時間占整個彈道時間的比值，可用干擾占空比ε表征[7]。定義為

λ=tend/ttot

(4)

ε=tanti/ttot

(5)

式中：tend為干擾投放結束時刻；tanti為導彈抗干擾時間；ttot為彈道總時間。λ，ε與抗干擾過程中導引頭輸出的視線角速度誤差和目標機動相關。可將ε=1或非常接近1的情況定義為全程抗干擾。

本文用上述6個指標，建立紅外制導導彈的抗干擾能力指標體系。

3 抗干擾能力指標細化分解方法

對構建的上述紅外導彈抗干擾能力指標體系，在實際評估紅外導彈抗干擾能力強弱時，需制定具體的指標數值范圍，用數字仿真和半實物仿真數據統計評估導彈的抗干擾能力。

根據紅外導彈的綜合抗干擾概率合理分解制定抗干擾能力指標體系6個指標的具體數值范圍是一個復雜的問題。該問題屬指標分解優化范疇，系統指標一旦確定后，需在一個搜索空間中自上而下逐層分解，尋找最優解或準優解。該過程要求各指標間能在一定可控范圍內相互協調，如所有的目標值均能達到要求，整個系統指標就將得到滿足。在求解此類問題時，若不能利用問題的固有知識縮小搜索空間，則會產生搜索的組合爆炸。因此，研究可在搜索過程中自動獲得和積累相關知識，并能自適應控制搜索過程，從而獲得最優解的通用搜索算法一直令人關注。實踐證明遺傳算法在這種背景中尤為有效。

在遺傳算法使用過程中需確定系統指標和分指標間的目標評估函數。本文用能力指數法建立目標評估函數，其中的關鍵是各指標對應的能力指數值確定。層次分析法是一種定性和定量結合，系統化、層次化的分析方法，是系統分析法之一。因層次分析法能將復雜問題分解為各組成因素，將這些因素按分配關系分組而形成有序的遞階層次結構，通過構造兩兩判斷矩陣的方式確定每層次中因素的相對重要性，然后在遞階層次內合成，得到決策因素相對目標的權重系數[8-9]。本文采用層次分析法確定各指標的能力指數值。

3.1目標評估函數建立

構造抗干擾能力指標體系層次結構如圖2所示，整個結構由2個層次組成。

圖2 抗干擾能力層次Fig.2 Anti-jamming performance evaluation level

根據層次分析法中的標度1～9(定義見表1)，建立抗干擾能力指標(即評價因素)對綜合抗干擾概率貢獻度的兩兩比較判斷矩陣，判斷矩陣為正互反矩陣，主對角線元素為1。則權重系數wi可表示為。

(6)

表1 標度1～9定義

獲取當前層次的權重系數后，須對判斷矩陣進行一致性校驗，排除其中的人為邏輯判斷錯誤。一致性校驗的步驟如下。

a)計算一致性指標(CI)γCI=(λmax-n)/(n-1)。此處：λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣的階次。

b)查找響應的平均一致性指標(RI)γRI。

c)計算一致性比例(CR)γCR=γCI/γRI。當γCR<0.1時，認為判斷矩陣的一致性可接受；當γCR≥0.1時，需對判斷矩陣做適當修改，再行校驗，直至γCR<0.1。在獲取各因素項的wi后，用能力指數法建立抗干擾能力目標評估函數，有

E=Pw1·(1-η)w2·εw3·λw4·

(7)

3.2遺傳算法求解

本文求解問題的目標評估函數為一多變量函數，以下以一個多變量求解問題為例，說明遺傳算法求解的具體實現[10-12]。

考慮全局優化問題

(8)

式中：α為常量；變量X=[x1x2…xn]T，變量范圍xi∈[ai，bi]，i=1，2，…，n；F為目標函數，Ω?Rn→Rl。

Xi(t)(解碼),Yi(t)(編碼)，i=1,2,…,N

第t代群體可表示為

P(t)={X1(t),X2(t),…,XN(t)}(解碼)

Y(t)={Y1(t),Y2(t),…,YN(t)}(編碼)

第二步：初始化。

a)確定群體規模N、雜交概率Pc、變異概率Pm及終止進化準則；

b)隨機產生初始群體Y(0)={Y1(0),Y2(0),…,YN(0)}(二進制字符串群)；

c)計算Yi(0)的適應度f(Yi(0))；

d)置進化代數k=0。

第三步：遺傳操作。

a)對個體Yi(k)，依據其適應度f(Yi(k))，計算復制概率

(9)

b)以概率Pi(k)從Y(k)中選擇個體，并保留最佳個體，形成新群體

(10)

(11)

Y(k+1)= {Y1(k+1),Y2(k+1),…,

YN(k+1)}

(12)

第四步：若Y(k+1)滿足進化停止準則，則解碼計算輸出最優解X(k+1)，否則k=k+1轉第三步。

4 指標細化分解算例及結果對比評估

4.1指標細化分解算例

用本文方法構造識別概率、壓制比、視線角速度誤差因子、干擾結束時間占比因子和干擾占空比指標相對綜合抗干擾概率的兩兩判斷矩陣A-B，見表2。

表2 判斷矩陣A-B

A-B為5階矩陣，查找表1可得γRI=1.12，則可算得γCI=0.074 1，γCR=0.066 2，均小于0.1，則A-B通過一致性檢驗。算得的B1～B5相對A的權重向量WA=[0.452 4 0.296 8 0.145 7 0.075 4 0.029 7]

由WA得目標評估函數

F(X)= (x1)0.452 4·(x2)0.296 8·(x3)0.145 7·

(x4)0.075 4·(x5)0.029 7

式中：F(X)為紅外導彈的綜合抗干擾概率；x1=P，x1∈[0.7,1.0]；x2=1-η，x2∈[0.8,1.0]；x3=ε，x3∈(0,0.9]；x4=λ，x4∈[0.6,1.0]；x5=(Kmax-Kmin)/Kmax，x5∈[0.9,1.0]。

然后確定適應度函數，本文采用最小值問題方法，設計適應度函數

(13)

式中：Pmax為綜合抗干擾概率，本文取值0.9。

最后確定交叉概率Pc=0.8；變異概率Pm=0.1；進化方向概率Pd=0.3。確定計算終止準則為|f(X*)|≤10-2或迭代次數N>20 000。

圖3 遺傳算法仿真結果Fig.3 Simulation results of genetic algorithm

4.2與導彈仿真結果對比及評估

本文利用某定型紅外導彈(該型導彈的綜合抗干擾成功概率90%)的系統虛擬樣機，根據該導彈的特點選取典型的抗干擾彈道條件進行數字仿真，仿真中記錄仿真時間、脫靶量、識別概率、視線角速度因子、壓制比、干擾結束時間占比因子和干擾占空比等數據，仿真結束后對所得數據結果進行統計，結果與遺傳算法比較見表3。

表3 仿真統計結果及對比

由表3可知：用遺傳算法優化算得的抗干擾能力指標值與仿真結果基本一致，表明該型導彈的各分系統的抗干擾能力已達到最佳。將用遺傳算法求得的結果代入F(X)，可算得綜合抗干擾概率為0.89，與設定的指標非常接近，說明本文的紅外導彈抗干擾能力指標細化分解方法具較好的適用性。

另外，計算結果也表明本文提出的抗干擾能力指標體系與綜合抗干擾成功概率有很強的關聯性，且6個抗干擾能力指標能對導彈的抗干擾能力進行細化評估，及時了解各分系統抗干擾性能，以便采取必要的措施進行設計改進或補救，有較好的實用性和可操作性。

5 結束語

本文構建了紅外導彈抗干擾能力指標體系，用層次分析法計算6個抗干擾能力指標相對導彈綜合抗干擾概率的權重系數，用能力指數法建立了導彈抗干擾能力的目標評估函數，作為遺傳算法適應函數設計的依據，用遺傳算法對抗干擾能力指標進行了細化分解計算。算例表明：用本文方法所得結果與導彈抗干擾數字仿真基本一致，表明指標體系有一定的使用價值，且上述的細化分解方法具一定的適用性。與綜合抗干擾成功概率單一指標相比，本文構建的抗干擾能力指標體系能更細化地對導彈分系統的抗干擾能力進行評估，并指導分系統的抗干擾設計，有較好的實用性和可操作性。但目前所用的層次分析法尚有不足，建立的目標評估函數存在一定的片面性。為保證結果的全面性和準確性，后續在實際應用中可通過增加評價人員等方式提高評價過程的客觀性。

[1] 張偉， 林木. 典型干擾樣式下反艦導彈捕捉概率評估方法研究[J]. 上海航天, 2016, 33(5): 113-117.

[2] 張原, 喬彥峰. 導彈紅外導引頭試驗評估設施綜述[J]. 飛航導彈， 2016(2)： 84-88.

[3] 龐艷靜. 基于層次分析法的某紅外導彈的抗干擾性能評估[J]. 紅外技術, 2014, 36(3): 234-237.

[4] 李凡, 耿旭, 董效杰, 等. 多層次模糊算法在光電抗干擾性能綜合評估中的應用[J]. 系統仿真學報, 2015, 27(9): 2176-2180.

[5] 鮑新郁, 趙廷弟, 趙巍. 艦空導彈武器抗干擾與反隱身技術研究[J]. 現代防御技術, 2011, 39(6): 78-72.

[6] 曹陽, 許誠, 單鑫. 反艦導彈抗干擾試驗與評定仿真系統設計[J]. 計算機仿真, 2007, 24(7): 288-291.

[7] 王濤, 王祥. 紅外導彈抗干擾能力多維度評估方法[J]. 紅外技術, 2014, 36(7): 573-576.

[8] 吳志紅, 董敏周, 王建華, 等. 紅外導引頭抗人工干擾性能評估方法[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(3): 770-772.

[9] 王蓮芬, 許樹柏. 層次分析法引論[M]. 北京: 中國人民大學出版社, 1990.

[10] 郎敏峰. 遺傳算法的改進及其在組合優化中的應用[M]. 上海: 華東師范大學, 2004.

[11] 蘇三買. 遺傳算法及其在航空發動機非線性數學模型中的應用研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2002.

[12] 吳燕玲. 基于遺傳算法的鍋爐受熱面系統智能優化設計研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2010.

Anti-JammingPerformanceIndexSystemandEvaluationofInfraredMissile

TANGShan-jun，WANGFeng，CHENXiao-dong

(Shanghai Electro-mechanical Engineering Institute, Shanghai201109, China)

To improve the disadvantage that the anti-jamming performance was characterized by the successful probability of the comprehensive anti-jamming in evaluation of anti-jamming performance, an evaluation system of anti-jamming performance was studied for infrared missile in this paper. The evaluation system was founded that included4kinds indexes of anti-jamming identification, power suppressing, anti-jamming tracing and anti-jamming continuous, which had6indexes of identification probability, maximum/minimum power suppressing, angular velocity factor of angle of sight, time duty ratio for anti-jamming ending and anti-jamming duty ratio. In case of the successful probability of the comprehensive anti-jamming of the missile knowing, the evaluation function was established. The genetic algorithm and analytic hierarchy process were used to refine the index. The details of analysis steps were given. One evaluation sample was presented, and the results from the decomposition evaluation were compared with the results from the simulation. It showed that the results of decomposition are consistent with the anti-jamming characteristics of the missile. The anti-jamming performance index system proposed has strong relationship with the successful probability of the comprehensive anti interference. The evaluation index system can be applied to evaluate the anti-jamming performances of the missile’s subsystems in more detail and guide the design of the missile’s subsystems. The evaluation index system proposed which is practicable. This study is valuable to improve the design guidance and evaluation for the anti-jamming of infrared missile.

infrared missile; anti-jamming; index system; index refinement; performance evaluation; genetic algorithm; analytic hierarchy process

1006-1630(2017)04-0144-06

2016-11-05；

：2016-12-16

國家973項目資助(6132710201)

唐善軍(1985—)，男，碩士，主要研究方向為紅外導彈制導系統設計和紅外導彈抗干擾評估。

TJ761.1；TN97

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.017