红外成像导引头抗干扰评估指标体系构建*

周永恒,崔少辉,方丹

(陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003)

0 引言

红外导引技术在精确制导技术领域中占有极为重要的地位,它具有制导精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强、“打了不管”、全天候作战和自动选择攻击目标要害部位等优点,是制导体制中重要的发展方向之一[1]。近年来，红外抗干扰性能已成为红外成像导引头研制与试验鉴定中及其重要的性能指标，可以说其抗干扰性能的强弱很大程度上决定了红外成像导引头的最终作战效能[2]。因此，如何准确地评价红外成像导引头在干扰条件下的工作性能优劣，为红外成像导引头抗干扰性能的改善以及其验收鉴定提供重要的依据，是一项亟待完成的工作。

抗干扰性能评估指标集的选取是评估的首要工作[3]，但当前的通用做法是以抗干扰概率这单一指标或少数几个指标作为其评估指标集，所得评估结果不能综合反映出红外成像导引头在干扰条件下各方面性能的优劣。同时,红外对抗中包含了大量不确定的环境因素、人为因素以及复杂红外对抗技术因素，因此在选取评估指标时往往存在着指标繁复、冗余等问题，仍需进一步深入研究。

本文通过分析红外成像导引头工作原理以及性能评估准则，在参考红外成像导引头设计指标的基础上，系统的构建了红外成像导引头抗干扰性能评估指标体系。同时，为提升评估效率，针对所建立的指标体系采用粗糙集理论进行约简，从而得到简洁、科学、准确的红外成像导引头抗干扰性能评估指标体系。

1 评估指标体系的构建

通过分析红外成像导引头作战过程及其抗干扰原理可知，红外成像导引头在干扰环境下的性能表现最终由2个方面决定：红外成像导引头的自身固有特性和其抗干扰特性。基于此来分析对红外成像导引头抗干扰产生影响的指标，就可以构建一个起准确、全面、科学的评估指标体系。

1.1 红外成像导引头固有特性分析

红外成像导引头主要任务是对目标的高精度探测与跟踪，主要由其光学成像系统和随动系统来实现，因此这两个分系统的基本性能参数的好坏对导引头的抗干扰性能有着直接的影响。

光学成像系统[4-5]：光学成像系统的主要功能是接收目标或景物的红外辐射能并把转换为包含跟踪信息的电信号输出给随动系统。它的主要性能参数包括导引头视场大小、noise equivalent temperature difference(NETD,噪声等效温差)、minimum resolvable temperature difference(MRTD,最小可分辨温差)。

随动系统[4]：随动系统的作用是根据光学系统给出的弹目视线与光轴间的误差信号驱动导引头光轴向误差减小的方向运动，使其对准目标，实现目标实时跟踪。主要性能参数包括最大跟踪角速度、隔离度和静态跟踪误差。

1.2 导引头抗干扰特性分析

红外成像导引头抗干扰性能受环境影响该很大，同一型号导引头在不同环境条件、不同干扰条件以及不同目标特性下所体现出的抗干扰性能也不一样。本文通过分析各因素对红外成像导引头的影响以及导引头攻击过程中的抗干扰原理，探寻能反映不同干扰条件下导引头性能变化的评估指标。认为当红外成像导引头处于干扰环境中时，其抗干扰性能主要体现在其抗干扰识别能力和抗干扰跟踪能力上[6]。

(1) 抗干扰识别能力

抗干扰识别能力是指红外成像导引头运用相应的目标识别算法，在打击目标的过程中，红外成像导引头从其所采集到的每一帧图像中识别出正确目标的能力。

在衡量红外成像导引头抗干扰识别能力时，最关心的是目标是否被其检测到，因此选取检测概率作为考核抗干扰识别能力的指标，其定义为在大量的目标检测次数中，从干扰环境中检测到目标的次数N1与检测总次数N的比值，N即包含目标的图像帧数，则用Pd=N1/N来估算检测概率。

虚警概率指的红外成像导引头在干扰环境中识别过程中将非目标识别为目标的次数N2与检测总次数N的比值，则用Pf=N2/N来估算虚警概率[7]。

有效识别时间指的是红外成像导引头从每一帧采集到的图像中提取出目标信息所需要的时间。对红外成像导引头而言，其有效识别跟踪目标的反应时间越短，留给制导系统的时间就越充分，其抗干扰性能就越好。

有效作用距离是指在干扰环境下红外成像导引头的真实作用距离，与其所处的干扰环境有很大关系，目标与背景的相对温差，大气传输效应以及信噪比对导引头的有效作用距离都有很大影响。

(2) 抗干扰跟踪能力

抗干扰跟踪能力是指红外成像导引头在干扰环境下没能正确识别目标时，其所采取的跟踪方式，其目的是保证干扰消失后目标依然处于导引头视场中，保证红外成像导引头在干扰消失或干扰减弱后能够再次截获目标[8]。本文主要通过红外成像导引头输出的视线角速度误差(俯仰、偏航2个方向)以及跟踪回路时间常数2个参数来评价红外成像导引头的抗干扰跟踪能力。

考虑到由于整个抗干扰过程是一个实时动态变化的过程，弹目视线角每个时刻都在变化中，所以定义视线角速度误差因子:

(1)

角跟踪回路时间常数反应的是红外成像导引头对目标机动的反映能力，同时也可以表达在抗干扰过程中其从干扰态转入跟踪态的快速性。

综上所述，建立如图1所示红外成像导引头抗干扰性能评估指标体系。

2 基于粗糙理论集的指标体系约简

评估过程中并不是选取的指标多评估结果就准确，指标的冗余不仅会导致相互干扰反而降低评估准确度，还会增加评估的工作量。因此，为提高评估效率和评估精确度,对上述所建立的红外成像导引头抗干扰性能评估指标体系，仍需要采用相应的方法对其进行约简，去除冗余项，仅保留主要指标。

粗集理论是一种处理不完整不精确知识的新型数学工具，是当前备受关注的一种软件计算基础理论[9]。粗集理论无需任何先验和外部信息便能从大量数据中探寻出决策规则，揭示出属性间的关联关系并删除冗余属性[9-10]。在对所建立的指标体系进行约简时，可以把评估指标认为是粗糙集中的条件属性，所得到的评估结果可认为是粗糙理论集中的决策属性，因此粗糙集中的属性约简即为评估指标集的约简[11]。

定义设D为红外成像导引头抗干扰性能评估指标体系，U为评估对象(红外成像导引头抗干扰性能)，需要对n种不同条件下的红外成像导引头的抗干扰性能进行评价，因此，记|U|=n。与之相对应的区分矩阵表示为d(x,y)={a∈D|f(x,a)≠f(y,a)}，d(x,y)表示可以区分的对象x以及另一个可以区分对象y的指标集合，并且有dij=dji，dii=∅，djj=∅。

核属性集合是区分矩阵中所有出现的单指标的集合[12]。

如果用布尔变量表示可以区分的对象x，以及另一个可以区分对象y的指标集a(x,y)={a1,a2,…,ak}≠∅，则布尔函数表示为∑a(x,y)。对应指标体系的区分函数表示为

f(D)=∏∑a(x,y),(x,y)⊂U×U.

(2)

f(D)的极小析取范式中的所有合取式是属性集A的所有约简，即能满足有效区别所有属性集对象的属性极小子集[13]。

3 仿真验证

大量客观、有效的评估指标数据是实现指标集约简的前提，而红外成像导引头抗干扰性能指标数据较难获得，本文采用半实物仿真的方法，通过视景仿真软件设置不同的干扰条件，从而获取相关数据进行指标约简。对于同一型号导红外成像导引头而言，其固有性能指标不随干扰环境而变化，不属于性能变化量，但它是其完成抗干扰任务的前提保证，因此本文不对固有性能指标进行约简。对于这部分指标通过导引头测试台以及平行光管进行测试，如表1所示。

由于红外成像导引头在不同干扰环境下所表现出来的抗干扰能力好坏有所差异，本文利用半实物仿真系统，对5种不同典型干扰条件下红外成像导引头的抗干扰性能指标进行了测试，获得抗干扰性能评估样本数据，并以仿真实验的命中精度作为评估值，如表2所示。

通常情况下，通过实验获得的红外成像导引头抗干扰性能评估指标的值是连续的，但在运用粗糙集对评估体系进行约简的过程中要求评估指标的值是离散的，因此必须对每组评估数据进行离散化处理。本文采用等距划分法来进行数据的离散化。离散化后的决策表如表3所示。

表1 固有性能评估指标参数Table 1 Inherent performance evaluation index parameters

表2 抗干扰性能评估指标参数Table 2 Anti-interference performance evaluation index parameters

表3 评估数据离散化决策表Table 3 Evaluation data discretization decision table

对离散化的决策表建立区分矩阵，得到的区分函数为

f(D)=(a1∨a3∨a4∨a5)…

(a1∨a2∨a3∨a4∨a5)=a1∨a3∨a4.

(3)

可得到系统的决策属性约简集为(a1,a3,a4)，因此经约简后的红外成像导引头抗干扰性能指标集为抗干扰识别概率，俯仰视线角速度误差和偏航视线角速度误差，其与固有性能指标共同构成了红外成像导引头抗干扰性能指评估标简约集。

4 有效性验证

决策系统的一个最小化约简对应于一种决策规则，该决策规则可以认为是从条件属性到决策属性的一种映射。人工神经网络具有较强的非线性映射关系，因此可以通过神经网络来建立这种映射关系[14]。因此，本文采用人工神经网络法对约简后所得评估结果进行有效性检验[15]，通过设置不同的干扰条件对红外成像导引头进行半实物仿真测试，共产生70组的测试评估数据，用这些数据分别对约简前后的2个神经网络进行训练，训练误差曲线见图2和图3。

利用表3所得离散后的红外成像导引头干扰性能评估指标数据,对约简后指标体系的有效性进行验证，将其带入训练好的2个网络中，得到的约简前后的两组评估结果，如表4所示。

观察图2,3可以发现，约简后人工神经网络训练次数由700次减小到300次，计算量降低使得评估效率有了很大提高，同时从表4可以看出，指标集约简前、后所得5种条件下的抗干扰性能评估结果一致。显然，指标约简前的评估指标体系存在冗余项，评估工作量大且计算繁琐，而约简后的指标集显然更加简洁、实用。

表4 约简前后抗干扰性能评估结果对比Table 4 Comparison of anti-interference performance evaluation results before and after reduction

5 结束语

本文从红外成像导引头其自身硬件性能和作战过程出发，全面分析了构成红外导成像引头抗干扰性能评估指标体系的主要性能指标。以红外成像导引头为研究对象建立了抗干扰性能评估指标体系，并采用粗糙集属性约简方法进行指标约简，去除冗余项，得到简洁高效的评估指标体系。该方法为红外成像导引头抗干扰性能评估的指标体系的建立供了理论依据。随着红外对抗的日趋剧烈，红外成像导引头抗干扰性能的评估也越发重要，如何建立一套简洁、科学的评估方法还需进一步研究。