紅外成像導引頭抗干擾評估指標體系構建*

周永恒,崔少輝,方丹

(陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003)

0 引言

紅外導引技術在精確制導技術領域中占有極為重要的地位,它具有制導精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強、“打了不管”、全天候作戰和自動選擇攻擊目標要害部位等優點,是制導體制中重要的發展方向之一[1]。近年來，紅外抗干擾性能已成為紅外成像導引頭研制與試驗鑒定中及其重要的性能指標，可以說其抗干擾性能的強弱很大程度上決定了紅外成像導引頭的最終作戰效能[2]。因此，如何準確地評價紅外成像導引頭在干擾條件下的工作性能優劣，為紅外成像導引頭抗干擾性能的改善以及其驗收鑒定提供重要的依據，是一項亟待完成的工作。

抗干擾性能評估指標集的選取是評估的首要工作[3]，但當前的通用做法是以抗干擾概率這單一指標或少數幾個指標作為其評估指標集，所得評估結果不能綜合反映出紅外成像導引頭在干擾條件下各方面性能的優劣。同時,紅外對抗中包含了大量不確定的環境因素、人為因素以及復雜紅外對抗技術因素，因此在選取評估指標時往往存在著指標繁復、冗余等問題，仍需進一步深入研究。

本文通過分析紅外成像導引頭工作原理以及性能評估準則，在參考紅外成像導引頭設計指標的基礎上，系統的構建了紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標體系。同時，為提升評估效率，針對所建立的指標體系采用粗糙集理論進行約簡，從而得到簡潔、科學、準確的紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標體系。

1 評估指標體系的構建

通過分析紅外成像導引頭作戰過程及其抗干擾原理可知，紅外成像導引頭在干擾環境下的性能表現最終由2個方面決定：紅外成像導引頭的自身固有特性和其抗干擾特性。基于此來分析對紅外成像導引頭抗干擾產生影響的指標，就可以構建一個起準確、全面、科學的評估指標體系。

1.1 紅外成像導引頭固有特性分析

紅外成像導引頭主要任務是對目標的高精度探測與跟蹤，主要由其光學成像系統和隨動系統來實現，因此這兩個分系統的基本性能參數的好壞對導引頭的抗干擾性能有著直接的影響。

光學成像系統[4-5]：光學成像系統的主要功能是接收目標或景物的紅外輻射能并把轉換為包含跟蹤信息的電信號輸出給隨動系統。它的主要性能參數包括導引頭視場大小、noise equivalent temperature difference(NETD,噪聲等效溫差)、minimum resolvable temperature difference(MRTD,最小可分辨溫差)。

隨動系統[4]：隨動系統的作用是根據光學系統給出的彈目視線與光軸間的誤差信號驅動導引頭光軸向誤差減小的方向運動，使其對準目標，實現目標實時跟蹤。主要性能參數包括最大跟蹤角速度、隔離度和靜態跟蹤誤差。

1.2 導引頭抗干擾特性分析

紅外成像導引頭抗干擾性能受環境影響該很大，同一型號導引頭在不同環境條件、不同干擾條件以及不同目標特性下所體現出的抗干擾性能也不一樣。本文通過分析各因素對紅外成像導引頭的影響以及導引頭攻擊過程中的抗干擾原理，探尋能反映不同干擾條件下導引頭性能變化的評估指標。認為當紅外成像導引頭處于干擾環境中時，其抗干擾性能主要體現在其抗干擾識別能力和抗干擾跟蹤能力上[6]。

(1) 抗干擾識別能力

抗干擾識別能力是指紅外成像導引頭運用相應的目標識別算法，在打擊目標的過程中，紅外成像導引頭從其所采集到的每一幀圖像中識別出正確目標的能力。

在衡量紅外成像導引頭抗干擾識別能力時，最關心的是目標是否被其檢測到，因此選取檢測概率作為考核抗干擾識別能力的指標，其定義為在大量的目標檢測次數中，從干擾環境中檢測到目標的次數N1與檢測總次數N的比值，N即包含目標的圖像幀數，則用Pd=N1/N來估算檢測概率。

虛警概率指的紅外成像導引頭在干擾環境中識別過程中將非目標識別為目標的次數N2與檢測總次數N的比值，則用Pf=N2/N來估算虛警概率[7]。

有效識別時間指的是紅外成像導引頭從每一幀采集到的圖像中提取出目標信息所需要的時間。對紅外成像導引頭而言，其有效識別跟蹤目標的反應時間越短，留給制導系統的時間就越充分，其抗干擾性能就越好。

有效作用距離是指在干擾環境下紅外成像導引頭的真實作用距離，與其所處的干擾環境有很大關系，目標與背景的相對溫差，大氣傳輸效應以及信噪比對導引頭的有效作用距離都有很大影響。

(2) 抗干擾跟蹤能力

抗干擾跟蹤能力是指紅外成像導引頭在干擾環境下沒能正確識別目標時，其所采取的跟蹤方式，其目的是保證干擾消失后目標依然處于導引頭視場中，保證紅外成像導引頭在干擾消失或干擾減弱后能夠再次截獲目標[8]。本文主要通過紅外成像導引頭輸出的視線角速度誤差(俯仰、偏航2個方向)以及跟蹤回路時間常數2個參數來評價紅外成像導引頭的抗干擾跟蹤能力。

考慮到由于整個抗干擾過程是一個實時動態變化的過程，彈目視線角每個時刻都在變化中，所以定義視線角速度誤差因子:

(1)

角跟蹤回路時間常數反應的是紅外成像導引頭對目標機動的反映能力，同時也可以表達在抗干擾過程中其從干擾態轉入跟蹤態的快速性。

綜上所述，建立如圖1所示紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標體系。

2 基于粗糙理論集的指標體系約簡

評估過程中并不是選取的指標多評估結果就準確，指標的冗余不僅會導致相互干擾反而降低評估準確度，還會增加評估的工作量。因此，為提高評估效率和評估精確度,對上述所建立的紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標體系，仍需要采用相應的方法對其進行約簡，去除冗余項，僅保留主要指標。

粗集理論是一種處理不完整不精確知識的新型數學工具，是當前備受關注的一種軟件計算基礎理論[9]。粗集理論無需任何先驗和外部信息便能從大量數據中探尋出決策規則，揭示出屬性間的關聯關系并刪除冗余屬性[9-10]。在對所建立的指標體系進行約簡時，可以把評估指標認為是粗糙集中的條件屬性，所得到的評估結果可認為是粗糙理論集中的決策屬性，因此粗糙集中的屬性約簡即為評估指標集的約簡[11]。

定義設D為紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標體系，U為評估對象(紅外成像導引頭抗干擾性能)，需要對n種不同條件下的紅外成像導引頭的抗干擾性能進行評價，因此，記|U|=n。與之相對應的區分矩陣表示為d(x,y)={a∈D|f(x,a)≠f(y,a)}，d(x,y)表示可以區分的對象x以及另一個可以區分對象y的指標集合，并且有dij=dji，dii=?，djj=?。

核屬性集合是區分矩陣中所有出現的單指標的集合[12]。

如果用布爾變量表示可以區分的對象x，以及另一個可以區分對象y的指標集a(x,y)={a1,a2,…,ak}≠?，則布爾函數表示為∑a(x,y)。對應指標體系的區分函數表示為

f(D)=∏∑a(x,y),(x,y)?U×U.

(2)

f(D)的極小析取范式中的所有合取式是屬性集A的所有約簡，即能滿足有效區別所有屬性集對象的屬性極小子集[13]。

3 仿真驗證

大量客觀、有效的評估指標數據是實現指標集約簡的前提，而紅外成像導引頭抗干擾性能指標數據較難獲得，本文采用半實物仿真的方法，通過視景仿真軟件設置不同的干擾條件，從而獲取相關數據進行指標約簡。對于同一型號導紅外成像導引頭而言，其固有性能指標不隨干擾環境而變化，不屬于性能變化量，但它是其完成抗干擾任務的前提保證，因此本文不對固有性能指標進行約簡。對于這部分指標通過導引頭測試臺以及平行光管進行測試，如表1所示。

由于紅外成像導引頭在不同干擾環境下所表現出來的抗干擾能力好壞有所差異，本文利用半實物仿真系統，對5種不同典型干擾條件下紅外成像導引頭的抗干擾性能指標進行了測試，獲得抗干擾性能評估樣本數據，并以仿真實驗的命中精度作為評估值，如表2所示。

通常情況下，通過實驗獲得的紅外成像導引頭抗干擾性能評估指標的值是連續的，但在運用粗糙集對評估體系進行約簡的過程中要求評估指標的值是離散的，因此必須對每組評估數據進行離散化處理。本文采用等距劃分法來進行數據的離散化。離散化后的決策表如表3所示。

表1 固有性能評估指標參數Table 1 Inherent performance evaluation index parameters

表2 抗干擾性能評估指標參數Table 2 Anti-interference performance evaluation index parameters

表3 評估數據離散化決策表Table 3 Evaluation data discretization decision table

對離散化的決策表建立區分矩陣，得到的區分函數為

f(D)=(a1∨a3∨a4∨a5)…

(a1∨a2∨a3∨a4∨a5)=a1∨a3∨a4.

(3)

可得到系統的決策屬性約簡集為(a1,a3,a4)，因此經約簡后的紅外成像導引頭抗干擾性能指標集為抗干擾識別概率，俯仰視線角速度誤差和偏航視線角速度誤差，其與固有性能指標共同構成了紅外成像導引頭抗干擾性能指評估標簡約集。

4 有效性驗證

決策系統的一個最小化約簡對應于一種決策規則，該決策規則可以認為是從條件屬性到決策屬性的一種映射。人工神經網絡具有較強的非線性映射關系，因此可以通過神經網絡來建立這種映射關系[14]。因此，本文采用人工神經網絡法對約簡后所得評估結果進行有效性檢驗[15]，通過設置不同的干擾條件對紅外成像導引頭進行半實物仿真測試，共產生70組的測試評估數據，用這些數據分別對約簡前后的2個神經網絡進行訓練，訓練誤差曲線見圖2和圖3。

利用表3所得離散后的紅外成像導引頭干擾性能評估指標數據,對約簡后指標體系的有效性進行驗證，將其帶入訓練好的2個網絡中，得到的約簡前后的兩組評估結果，如表4所示。

觀察圖2,3可以發現，約簡后人工神經網絡訓練次數由700次減小到300次，計算量降低使得評估效率有了很大提高，同時從表4可以看出，指標集約簡前、后所得5種條件下的抗干擾性能評估結果一致。顯然，指標約簡前的評估指標體系存在冗余項，評估工作量大且計算繁瑣，而約簡后的指標集顯然更加簡潔、實用。

表4 約簡前后抗干擾性能評估結果對比Table 4 Comparison of anti-interference performance evaluation results before and after reduction

5 結束語

本文從紅外成像導引頭其自身硬件性能和作戰過程出發，全面分析了構成紅外導成像引頭抗干擾性能評估指標體系的主要性能指標。以紅外成像導引頭為研究對象建立了抗干擾性能評估指標體系，并采用粗糙集屬性約簡方法進行指標約簡，去除冗余項，得到簡潔高效的評估指標體系。該方法為紅外成像導引頭抗干擾性能評估的指標體系的建立供了理論依據。隨著紅外對抗的日趨劇烈，紅外成像導引頭抗干擾性能的評估也越發重要，如何建立一套簡潔、科學的評估方法還需進一步研究。