红外成像导引头抗干扰性能评估方法*

方 丹，周永恒，崔少辉，郭晓冉

（1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.解放军32181 部队，石家庄 050003）

0 引言

随着红外对抗技术的迅猛发展，红外成像导引头的生存环境急剧恶化，包括烟幕弹、曳光弹、诱饵弹、红外定向干扰机等人工干扰，以及红外成像导引头自身所面临的复杂环境。随着对红外对抗逐渐升级以及战场环境的日趋复杂，其抗干扰能力已经成为衡量红外成像制导导弹性能的重要指标。因此，如何准确验证红外成像导引头的抗干扰性能，合理规划抗干扰试验方案，搭建有效的抗干扰测试环境，已成为当下一大热点［1-3］。

国内对红外成像导引头抗干扰能力评估的研究起步较晚，由于缺乏实战数据且由于其评估的复杂性，至今还没有一个全面统一的度量标准和方法，始终是一个不确定的技术难题［4-7］。红外成像导引头抗干扰能力不仅由其自身性能决定，且与其所面临的红外对抗强弱、红外干扰的时机及复杂战场环境等外界因素息息相关，考虑到试验成本以及可行性，要设计一个通用的测试评估方法仍然存在严峻的挑战。

对红外成像导引头抗干扰性能测试评估最直接的方式就是进行靶场挂飞试验，采用传统“几发几中”的方法计算抗干扰概率。但由于靶场挂飞试验费用高，不可能进行大量的实弹测试，评估结果难以全面、准确地反映出红外成像导引头的抗干扰性能。因此，国内学者开始利用仿真、半实物仿真等方式获取大量实验数据，并采用层次分析法、模糊评判法等方法对红外成像导引头抗干扰性能进行综合评价［11-13］。

本文通过对红外成像导引头战场条件进行调研，分析了红外成像反坦克导弹目前所面临的主要环境以及干扰因素，对干扰等级进行划分，并详细规划了仿真试验方案对导引头抗干扰性能进行半实物仿真测试，采用贝叶斯估计的方法进行计算出导引头综合抗干扰概率，并给出抗干扰概率置信区间。

1 干扰因素分析

构成战场干扰环境的因数种类、数量众多，其中主要包括目标特性、地面自然场景、人工干扰，弹道条件等因素［9］。

1.1 目标特性分析

坦克作为导弹主要攻击目标，其本身的辐射特性是红外成像导引头的重点关注内容。坦克目标发动机的工作状态，目标的运动特性以及导引头的观察视角均会影响导引头所接收到的红外辐射强度。目标的运动特性包括机动速度以及机动方向，同时随着目标运动特性的变化，履带与地面接触温度升高，其自身辐射特性也会发生改变，因此，红外成像导引头必须具备适应这种辐射变化的能力。

1.2 环境因素分析

红外成像导引头所面临的地面场景往往复杂多变，有森林、沙漠、丘陵、雪地、城市等不同自然环境。同时由于其所处的地理经纬度、季节、云、雨、雾以及太阳辐射等因素的差异会导致大气透过率不同，从而影响导引头探测器对目标辐射能量的接收。

1.3 人工干扰分析

目前国内主战坦克通常使用烟幕弹作为对抗手段，根据实战中的弹目相对距离来选择合适的发射时机以及发射数量，以达到最佳干扰效果。红外烟幕主要通过以下两个方面实施干扰：一是利用烟幕本身发射更强的红外辐射，在数秒钟内压制目标及附近背景的红外辐射，使热成像系统显示烟幕本身的热图，目标的辐射被掩盖从而受到保护。二是利用烟幕中109/m3数量级的遮蔽物微粒（如烟粒或专门制备的特殊材料的微粒）对目标的红外辐射产生吸收、散射作用，使进入成像系统的目标红外辐射低于系统的分辨能力，从而保护目标不被发现［14］。

红外烟幕的干扰效果与其发射数量以及发射时机有关。释放的烟幕数量越大，所形成的烟幕墙者遮蔽范围越大，红外辐射强度越高，干扰效果越好。而红外烟幕弹的发射时机的选取直接影响干扰效果，过早发射会使得烟幕浓度随时间减弱，降低烟幕遮蔽效果，同时还可能提前导致暴露目标位置；从发射烟幕弹到烟幕成型大概需要2 s，过晚发射可能导致烟幕还未完全散开导弹已经击中目标。

2 抗干扰性能测试方案设计

2.1 干扰条件确定

评估红外成像导引头抗干扰性能的首要工作是明确其所处的干扰环境，各因素均会对红外成像导引头的抗干扰性能产生影响，即使同一个导引头在不同的干扰环境下会得出有差异的结论。本文通过部队调研，基于作战想定、干扰战术、干扰模式以及考核要求对干扰环境等级进行了划分［15］。

在此，用干扰因素的强弱等级（Factor Level，FL）来表征干扰环境的强弱等级，其定义为：在不同状态条件下，构成干扰条件的各因素对红外成像导引头工作性能的影响程度，干扰因素等级越高表明干扰能力越强。

干扰环境强弱等级（Countermeasure Level，CL）：实际飞行中，红外成像导引头视场范围内的干扰环境中各因素的综合作用程度，程度越高说明红外成像导引头工作时被劣化越严重。

FL 和CL 应当满足：

各干扰因素的强弱等级和干扰环境的强弱等级如下页表1 和表2 所示。

表1 干扰因素等级

表2 干扰环境等级

由表1 和表2 可以看出，不同的作战条件因素的组合对应不同的干扰环境等级，因此，考核时可以根据CL 的取值来选取干扰环境条件。

2.2 抗干扰测试方案

红外成像导引头抗干扰性能的评估需要考虑的干扰因素如表1 所示，影响导引头抗干扰性能各因素组合为不同的干扰环境，依据每种因素的不同等级划分进行组合来构成均匀试验方案。假设试验中有n 个因素，则试验条件的总数为3n，如果对每一个条件进行重复试验，重复次数设定为5～10次，则总共需要试验的次数为5*3n～10*3n。

同时为了使抗干扰测试结果能够完整地表达红外成像导引头的抗干扰性能，应尽可能使所有的抗干扰试验在导弹的飞行轨迹上，这便要求在仿真时要事先依据攻击的可能性进行弹道规划。对于规划的特征弹道，根据导弹发射条件，目标机动参数和干扰环境条件设置仿真条件，并进行半实物仿真测试，获取评估数据。

3 抗干扰评估模型

3.1 测试样本获取要求

真实战场条件下，红外成像导引头面临的战场环境不同，以及导弹的发射条件不同均会导致红外成像导引头所表现的抗干扰性能优劣不同，因此，能否恰当地评价出导引头的抗干扰性能，与所选择样本有很大关系。如在干扰环境等级弱的测试条件下导引头抗干扰成功概率为90%，在干扰较强的环境中抗干扰成功概率为70%，若选取的样本同样多，则在评估过程中它们所占的权重比相同。但实际情况是，现代化战争条件下，战场环境越来越复杂，在对红外成像导引头抗干扰性能进行考核时，我们更关心其在干扰等级较强的环境下性能的好坏，因此，均匀的取样评估难以适应考核需求。

表3 1～9 尺度aij 含义

本文采用层次分析法进行样本的选择，层次分析法的本质是指在进行决策所采用的一种思维方式。先将一个复杂的问题分解成一些组成因素，然后利用这些因素的隶属关系进行分组，从而形成一种有序的递阶层次结构。利用判断矩阵对各个因素进行两两比较，确定其在各层的相对重要性而后在递阶层次内进行合成，以得到决策因素相对于目标重要性的总的排序。

按照表3 列出的尺度关系，以弱干扰环境为基准1，较强干扰环境的标度值可以取为2，强干扰环境的标度值可以取4。以较强干扰环境为基准1，则强干扰环境标度值取3。可以构造判断矩阵如表4：

表4 判断矩阵

3.2 导引头抗干扰概率bayes 估计

为合理评估红外成像导引头抗干扰性能，本文通过半实物仿真获得大量抗干扰测试数据，考虑到使用bayes 需要使用先验数据，本文按照干扰性能的等级划分，将弱干扰环境下的测试结果作为下一级的先验分布，用后续更强干扰环境下的测试结果去修正上一级的评估结果。bayes 公式如式（1）所示：

式中，θ 为弱干扰环境下总体样本X 的分布参数；h（θ）为验前分布密度参数；h（θ|x1，…，xn）为θ 的验后分布；f（x1，…，xn|θ）是以θ 为条件的条件分布。

从红外成像导引头最终抗干扰结果来看，最终只有抗干扰成功和抗干扰失败两种结果，因此，可认为服从贝努利分布。不过，由于不能事先得到导引头的抗干扰概率，因此，利用同等无知原则，假设其抗干扰概率在［0，1］之间近似服从均匀分布，则由贝叶斯公式可得θ 的后验分布为：

通过贝叶斯估计评估下一级时可以知道红外成像导引头抗干扰的概率分布符合贝塔分布，利用下一等级仿真试验所得的新数据y1，…，yj，继续采用贝叶斯方法对红外成像导引头抗干扰概率的后验分布进行估计：

由以上推断可知，二项分布参数θ 的后验分布为贝塔分布，而贝塔分布的bayes 估计仍然为贝塔分布。因此，不同抗干扰等级下导引头抗干扰概率的bayes 估计为：

式中，xi，yi，zi分别为导引头在3 个不同干扰环境等级下的半实物仿真样本；n，j，k 分别为不同干扰环境等级下的半实物仿真样本数量。根据贝塔分布和F 分布的关系，可求出导弹抗干扰概率的置信区间为：

4 导引头抗干扰性能仿真

确定测试样本总量为500，按照层次分析法给定的每个干扰等级的权重比，确定每个干扰等级的样本量，通过半实物仿真试验获得每个干扰等级下的样本量，运用bayes 估计的方法，逐层地评估导引头抗干扰性能，试验结果如表5 所示：

表5 仿真结果

采用bayes 估计法得到抗干扰概率为：p=0.762，α=0.95 的置信区间为：［0.745 2，0.852 1］。

仿真结果表明：随着干扰环境等级的增加，抗干扰成功概率下降，符合实际情况。bayes 估计法在红外成像导引头试验鉴定过程中，能及时评估导引头的抗干扰性能，并能得到相应的置信区间，同时通过层次分析法规划了不同干扰等级下的试验样本比例，使得评估结果更加合理贴近实际，相比于传统“几发几中”的评估模式，其结果具有说服力。

5 结论

本文以红外成像导引头为研究对象，分析了红外成像导引头所面临的干扰因素，结合实际战场情况对干扰环境的等级进行了划分，并详细设计了仿真测试方案，通过半实物仿真方法获得测试样本，采用bayes 估计对红外成像导引头抗干扰概率进行计算，得出评估结论。该方法直观地反应了红外成像导引头在不同干扰环境下的抗干扰性能，其评估结果可以作为红外成像导引头验收、鉴定的依据，具有重要的实用价值。