紅外探測設備抗陽光和海面亮帶干擾試驗設計?

王 琦

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

紅外探測設備鑒定試驗是設備從設計到使用過程中不可缺少的重要環節，是其性能和質量的根本保證。該類試驗一般是根據試驗的目的和要求，采用必要的方法來獲取適當的可靠的數據，通過對試驗結果的處理和分析，從而對被試設備的性能做出評估。隨著高科技的快速發展，對紅外探測設備來說，對位于海面亮帶或迎面太陽照射強光中的目標具有一定的探測、跟蹤能力是其基本作戰使用要求［1］。因此紅外探測設備抗陽光和海面亮帶的干擾能力成為其抗干擾能力的重要部分。如何設計試驗獲取有效數據，實現對紅外探測設備科學合理有效的檢驗成為鑒定試驗工作的難點。本文主要對試驗設計的關鍵問題即太陽角度推算、試驗航路設計、試驗樣本確立等開展分析和研究，指導試驗獲得科學合理有效的數據，從而實現對紅外探測設備抗干擾指標的準確評估。

2 關鍵技術分析

試驗過程描述為紅外探測設備放置船上，靶機從太陽照射方向飛入，如圖2。紅外探測設備先根據目指系統送來的目標指示在指定位置搜索靶機，待靶機進入視場后進行跟蹤，根據跟蹤情況進行性能評估［2～3］。可以看出紅外探測設備抗陽光和海面亮帶干擾試驗設計的關鍵問題有三點：一是通過天體運動規律，計算特定時間、特定位置的太陽方位角和俯仰角；二是根據紅外探測設備對陽光和海面亮帶的抗干擾能力指標，精確設計在太陽、船和靶機相對運動條件下的試驗航路，尤其是通過對靶機、試驗船的運動姿態、誤差特性、與紅外探測設備相關聯的裝備誤差特性分析研究，確定試驗有效航路；三是試驗樣本數的確立。

2.1 太陽方位角和高度角的計算

紅外探測設備抗陽光和海面亮帶的干擾性能一般描述為，海面亮帶對紅外探測設備致盲區域為太陽方位角α以內，高低角β以內，太陽對紅外探測設備致盲區域為太陽夾角γ。其中，β和γ均可由太陽方位角和高度角計算得出。因此該試驗航路設計的關鍵點之一就是推算出特定時間、特定位置的太陽方位角和高度角。

太陽高度角指某地太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，可通過太陽赤緯角和太陽時角獲得；太陽方位角指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角，可通過太陽高度角獲得。太陽高度角和方位角計算流程見圖1。

圖1 太陽高度角和方位角計算流程

太陽高度角為

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當地地理緯度，τ為當時太陽時角，H為太陽高度角。

太陽方位角為

式中，δ為太陽赤緯角，φ為當地地理緯度，H為太陽高度角，α為太陽方位角。

高度角是影響太陽輻射照度的重要因素，當高度角不同時，太陽經過大氣的傳輸路徑不同，會使到達海面的輻射照度和天空的輻射有所改變，高度角越大，輻照度越小。季節和緯度的變化對太陽的輻照度影響不大［4～8］。所以在設計航路時，為了更全面地評估紅外探測設備抗干擾能力，可在形成海面亮帶的前提下盡量考慮多種不同高度的航路。

2.2 試驗航路設計

2.2.1 試驗航路設想

航路設計時首先根據試驗船的位置和試驗安排計劃推算出滿足條件的時間段的太陽方位角和高低角，然后根據海面亮帶和太陽對紅外探測設備致盲區的范圍，選定試驗的合適時間點。通常紅外探測設備抗干擾性能是分別對海面亮帶和太陽夾角提出要求，由于海面亮帶和太陽同時出現，均對探測設備跟蹤目標產生影響，所以在設計時應結合海面亮帶致盲區和太陽致盲區進行設計。船和靶機相對航路分兩種情況，一是太陽盲區與海面亮帶盲區有重疊，二是太陽盲區與海面亮帶盲區無重疊。當太陽致盲區與海面亮帶盲區有重疊時，靶機飛行航路需從方位上避開盲區，可超低空側向從海面亮帶邊緣進入，見圖2（a）。當太陽致盲區與海面亮帶盲區無重疊時，靶機可由遠至近由高向低從太陽和海面亮帶之間進入，見圖2（b）。

圖2 船與靶機相對航路示意圖

2.2.2 試驗航路精確設計

靶機試驗航路設計原則［9］是靶機在有效的試驗航路內飛行，即靶機飛行航路既接近盲區邊緣，又保證進入紅外探測設備視場的海面亮帶和陽光干擾強度不會對其造成損傷。首先對影響紅外探測設備指向誤差因素進行分析，然后針對各誤差因素的分布特性計算總誤差的分布特性，最后根據試驗要求的有效航路概率，計算出靶機飛行航路及有效區域。

1）誤差因素分析

（1）靶機和試驗船的運動姿態

試驗時，試驗船與靶機相對運動，航路設計的長度和靶機的水平運動速度決定了飛行整個航路需要的時間，飛行整個航路的時間和靶機的垂直運動速度決定了靶機下降距離，靶機下降距離決定了紅外探測設備俯仰角的變化區間，飛行整個航路的時間決定了太陽方位角變化區間，即靶機的飛行航路（方位）區間。

圖3 試驗航路精確設計框圖

（2）靶機和試驗船的運動誤差

運動誤差特性包含靶機的飛行速度誤差、位置誤差和試驗船的定位誤差。靶機和試驗船距離越近時，誤差對紅外探測設備跟蹤角度影響越大。試驗船的定位誤差主要影響紅外探測設備跟蹤方位角，靶機的飛行速度誤差、位置誤差同時影響紅外探測設備跟蹤方位角和俯仰角。

（3）指向誤差

指向誤差包括目指誤差、探測設備指向誤差。紅外探測設備工作在不同的階段，其誤差的組成也不同。在搜索階段，誤差主要來源于目指誤差和探測設備指向誤差；在跟蹤階段，誤差主要來源于靶機和試驗船的運動誤差。誤差包含距離誤差、方位角誤差和俯仰角誤差，對航路設計影響較大的主要是方位角誤差和俯仰角誤差。

2）誤差特性分析

靶機的位置誤差和試驗船的位置誤差受到大量隨機因素影響，由概率論李雅普諾夫定理：獨立的均勻微小的隨機變量的總和近似地服從正態分布，因此可假設位置誤差服從正態分布，分別為N(μ機，σ機2)、N(μ船，σ船2)，其均值（系統誤差）和方差（隨機誤差）均為已知；指向誤差包括目指誤差和紅外探測設備指向誤差，紅外探測設備的目指一般來源于雷達或GPS等探測系統，其測量誤差表現為正態分布；紅外探測設備指向因受海況等隨機因素的影響，誤差可假設服從正態分布；目指誤差和紅外探測設備誤差分別為N(μ目，σ目2)、N(μ指，σ指2)，其均值和方差也均為已知。

因靶機的位置誤差、試驗船的位置誤差、目指誤差、紅外探測設備指向誤差均相互獨立，且有限個相互獨立的正態隨機變量的線性組合仍然服從正態分布［8-9］，則紅外探測設備角度誤差也應服從正態分布。

紅外探測設備搜索狀態角度誤差分布為N(μ搜索，σ搜索2)，其中均值μ搜索=μ目+μ指。方差根據隨機誤差合成方法可以得到：。

紅外探測設備跟蹤狀態角度誤差分布為N(μ跟蹤，σ跟蹤2)，其中均值μ跟蹤=μ機+μ船。

3）靶機航路有效區間計算

假設紅外探測設備抗干擾檢飛試驗規定的航路有效的概率為p（靶機進入紅外探測設備抗干擾指標視場內視為無效航路），若太陽致盲區與海面亮帶致盲區重疊，如圖2（a）所示，靶機進入航路方位角為x，x和試驗航路有效的區間計算方法為

航路有效區域概率分布則可看為以q+μ為對稱的正態分布曲線，q=α+180+max(α，γ)，其置信水平為p的置信區間如圖4所示。

圖4 有效區間示意圖

紅外探測設備搜索狀態航路有效的區間為

計算出x值，則區間(q，x)為探測設備搜索狀態試驗航路有效區間。

探測設備跟蹤狀態航路有效的區間為

計算出x值，則區間(q，x)為探測設備跟蹤狀態試驗航路有效區間。

若太陽致盲區與海面亮帶致盲區不重疊，靶機飛行航路應為太陽方位角α，靶機由遠至近從高向低沿太陽錐角邊緣進入。靶機飛行的俯仰角及有效區間也可根據上述方法進行計算。

2.3 試驗樣本數的確定

假設紅外探測設備抗干擾檢飛試驗規定的置信水平為（1-α），α為分位數，紅外探測設備的發現概率為p，服從（0-1）分布，樣本估計的均值［10～12］為

發現概率p的置信區間為，

3 仿真算例

設紅外探測設備抗干擾指標為太陽對探測設備致盲區域為太陽夾角10°，海面亮帶對探測設備致盲區域為方位10°以內，俯仰角5°以下。抗干擾試驗時間計劃安排在2015年11月5日，試驗地點：經度110°，緯度40°。要求試驗有效航路概率為80%。

首先在試驗前根據圖1計算出該日所有時間段的太陽方位角、俯仰角，因探測設備在致盲區外發現目標概率為95%，取α=0.2，計算得試驗次數為8次，選擇該日9、10、11、12、13、14、15、16點開展試驗，計算出太陽高度角和方位角，見表1。

表1 太陽高度角和方位角

根據表1可看到9、10、15、16點太陽致盲區與海面亮帶盲區重疊，11、12、13、14點太陽致盲區與海面亮帶盲區不重疊。下面以10點為例，對靶機飛行航路進行設計。10點時，太陽致盲區與海面亮帶盲區重疊，靶機飛行時需從方位上避開盲區。根據靶機和試驗船的運動姿態計算的靶機試驗航路方位為q=141.3+10+180=331.3°，設靶機的方位位置誤差N(30，102)（m）、試驗船的定位誤差N(50，202)（m）、目指方位誤差N(0.2，0.12)°、紅外探測設備指向方位誤差N(0.5，0.22)°，則紅外探測設備搜索狀態航路有效的區間：

計算得x=332.2°，則搜索有效區間為（331.3°，332.2°）。

紅外探測設備跟蹤狀態航路有效的區間：

跟蹤狀態航路有效的區間計算時，需根據跟蹤距離段把靶機和試驗船的距離誤差轉換成角度誤差。設靶機跟蹤距離段從35km～1km，因μ跟蹤=80m，對應最大角度為0.08°，σ跟蹤=30m，對應最大角度為0.03°，計算得x=331.41°，則跟蹤有效區間為（331.3°，331.41°）。

4 結語

如何有效地開展紅外探測設備抗陽光和海面亮帶干擾試驗是試驗鑒定的一個難題，本文對開展試驗的關鍵問題即太陽角度推算、試驗航路設計、試驗樣本數確定等開展分析和研究，仿真算例證明了該方法的合理和有效。該方法對紅外探測設備抗干擾試驗的航路設計有明確的指導意義。