红外探测设备抗阳光和海面亮带干扰试验设计∗

王 琦

（中国人民解放军92941部队 葫芦岛 125001）

1 引言

红外探测设备鉴定试验是设备从设计到使用过程中不可缺少的重要环节，是其性能和质量的根本保证。该类试验一般是根据试验的目的和要求，采用必要的方法来获取适当的可靠的数据，通过对试验结果的处理和分析，从而对被试设备的性能做出评估。随着高科技的快速发展，对红外探测设备来说，对位于海面亮带或迎面太阳照射强光中的目标具有一定的探测、跟踪能力是其基本作战使用要求［1］。因此红外探测设备抗阳光和海面亮带的干扰能力成为其抗干扰能力的重要部分。如何设计试验获取有效数据，实现对红外探测设备科学合理有效的检验成为鉴定试验工作的难点。本文主要对试验设计的关键问题即太阳角度推算、试验航路设计、试验样本确立等开展分析和研究，指导试验获得科学合理有效的数据，从而实现对红外探测设备抗干扰指标的准确评估。

2 关键技术分析

试验过程描述为红外探测设备放置船上，靶机从太阳照射方向飞入，如图2。红外探测设备先根据目指系统送来的目标指示在指定位置搜索靶机，待靶机进入视场后进行跟踪，根据跟踪情况进行性能评估［2～3］。可以看出红外探测设备抗阳光和海面亮带干扰试验设计的关键问题有三点：一是通过天体运动规律，计算特定时间、特定位置的太阳方位角和俯仰角；二是根据红外探测设备对阳光和海面亮带的抗干扰能力指标，精确设计在太阳、船和靶机相对运动条件下的试验航路，尤其是通过对靶机、试验船的运动姿态、误差特性、与红外探测设备相关联的装备误差特性分析研究，确定试验有效航路；三是试验样本数的确立。

2.1 太阳方位角和高度角的计算

红外探测设备抗阳光和海面亮带的干扰性能一般描述为，海面亮带对红外探测设备致盲区域为太阳方位角α以内，高低角β以内，太阳对红外探测设备致盲区域为太阳夹角γ。其中，β和γ均可由太阳方位角和高度角计算得出。因此该试验航路设计的关键点之一就是推算出特定时间、特定位置的太阳方位角和高度角。

太阳高度角指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角，可通过太阳赤纬角和太阳时角获得；太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可通过太阳高度角获得。太阳高度角和方位角计算流程见图1。

图1 太阳高度角和方位角计算流程

太阳高度角为

式中，δ为太阳赤纬角，φ为当地地理纬度，τ为当时太阳时角，H为太阳高度角。

太阳方位角为

式中，δ为太阳赤纬角，φ为当地地理纬度，H为太阳高度角，α为太阳方位角。

高度角是影响太阳辐射照度的重要因素，当高度角不同时，太阳经过大气的传输路径不同，会使到达海面的辐射照度和天空的辐射有所改变，高度角越大，辐照度越小。季节和纬度的变化对太阳的辐照度影响不大［4～8］。所以在设计航路时，为了更全面地评估红外探测设备抗干扰能力，可在形成海面亮带的前提下尽量考虑多种不同高度的航路。

2.2 试验航路设计

2.2.1 试验航路设想

航路设计时首先根据试验船的位置和试验安排计划推算出满足条件的时间段的太阳方位角和高低角，然后根据海面亮带和太阳对红外探测设备致盲区的范围，选定试验的合适时间点。通常红外探测设备抗干扰性能是分别对海面亮带和太阳夹角提出要求，由于海面亮带和太阳同时出现，均对探测设备跟踪目标产生影响，所以在设计时应结合海面亮带致盲区和太阳致盲区进行设计。船和靶机相对航路分两种情况，一是太阳盲区与海面亮带盲区有重叠，二是太阳盲区与海面亮带盲区无重叠。当太阳致盲区与海面亮带盲区有重叠时，靶机飞行航路需从方位上避开盲区，可超低空侧向从海面亮带边缘进入，见图2（a）。当太阳致盲区与海面亮带盲区无重叠时，靶机可由远至近由高向低从太阳和海面亮带之间进入，见图2（b）。

图2 船与靶机相对航路示意图

2.2.2 试验航路精确设计

靶机试验航路设计原则［9］是靶机在有效的试验航路内飞行，即靶机飞行航路既接近盲区边缘，又保证进入红外探测设备视场的海面亮带和阳光干扰强度不会对其造成损伤。首先对影响红外探测设备指向误差因素进行分析，然后针对各误差因素的分布特性计算总误差的分布特性，最后根据试验要求的有效航路概率，计算出靶机飞行航路及有效区域。

1）误差因素分析

（1）靶机和试验船的运动姿态

试验时，试验船与靶机相对运动，航路设计的长度和靶机的水平运动速度决定了飞行整个航路需要的时间，飞行整个航路的时间和靶机的垂直运动速度决定了靶机下降距离，靶机下降距离决定了红外探测设备俯仰角的变化区间，飞行整个航路的时间决定了太阳方位角变化区间，即靶机的飞行航路（方位）区间。

图3 试验航路精确设计框图

（2）靶机和试验船的运动误差

运动误差特性包含靶机的飞行速度误差、位置误差和试验船的定位误差。靶机和试验船距离越近时，误差对红外探测设备跟踪角度影响越大。试验船的定位误差主要影响红外探测设备跟踪方位角，靶机的飞行速度误差、位置误差同时影响红外探测设备跟踪方位角和俯仰角。

（3）指向误差

指向误差包括目指误差、探测设备指向误差。红外探测设备工作在不同的阶段，其误差的组成也不同。在搜索阶段，误差主要来源于目指误差和探测设备指向误差；在跟踪阶段，误差主要来源于靶机和试验船的运动误差。误差包含距离误差、方位角误差和俯仰角误差，对航路设计影响较大的主要是方位角误差和俯仰角误差。

2）误差特性分析

靶机的位置误差和试验船的位置误差受到大量随机因素影响，由概率论李雅普诺夫定理：独立的均匀微小的随机变量的总和近似地服从正态分布，因此可假设位置误差服从正态分布，分别为N(μ机，σ机2)、N(μ船，σ船2)，其均值（系统误差）和方差（随机误差）均为已知；指向误差包括目指误差和红外探测设备指向误差，红外探测设备的目指一般来源于雷达或GPS等探测系统，其测量误差表现为正态分布；红外探测设备指向因受海况等随机因素的影响，误差可假设服从正态分布；目指误差和红外探测设备误差分别为N(μ目，σ目2)、N(μ指，σ指2)，其均值和方差也均为已知。

因靶机的位置误差、试验船的位置误差、目指误差、红外探测设备指向误差均相互独立，且有限个相互独立的正态随机变量的线性组合仍然服从正态分布［8-9］，则红外探测设备角度误差也应服从正态分布。

红外探测设备搜索状态角度误差分布为N(μ搜索，σ搜索2)，其中均值μ搜索=μ目+μ指。方差根据随机误差合成方法可以得到：。

红外探测设备跟踪状态角度误差分布为N(μ跟踪，σ跟踪2)，其中均值μ跟踪=μ机+μ船。

3）靶机航路有效区间计算

假设红外探测设备抗干扰检飞试验规定的航路有效的概率为p（靶机进入红外探测设备抗干扰指标视场内视为无效航路），若太阳致盲区与海面亮带致盲区重叠，如图2（a）所示，靶机进入航路方位角为x，x和试验航路有效的区间计算方法为

航路有效区域概率分布则可看为以q+μ为对称的正态分布曲线，q=α+180+max(α，γ)，其置信水平为p的置信区间如图4所示。

图4 有效区间示意图

红外探测设备搜索状态航路有效的区间为

计算出x值，则区间(q，x)为探测设备搜索状态试验航路有效区间。

探测设备跟踪状态航路有效的区间为

计算出x值，则区间(q，x)为探测设备跟踪状态试验航路有效区间。

若太阳致盲区与海面亮带致盲区不重叠，靶机飞行航路应为太阳方位角α，靶机由远至近从高向低沿太阳锥角边缘进入。靶机飞行的俯仰角及有效区间也可根据上述方法进行计算。

2.3 试验样本数的确定

假设红外探测设备抗干扰检飞试验规定的置信水平为（1-α），α为分位数，红外探测设备的发现概率为p，服从（0-1）分布，样本估计的均值［10～12］为

发现概率p的置信区间为，

3 仿真算例

设红外探测设备抗干扰指标为太阳对探测设备致盲区域为太阳夹角10°，海面亮带对探测设备致盲区域为方位10°以内，俯仰角5°以下。抗干扰试验时间计划安排在2015年11月5日，试验地点：经度110°，纬度40°。要求试验有效航路概率为80%。

首先在试验前根据图1计算出该日所有时间段的太阳方位角、俯仰角，因探测设备在致盲区外发现目标概率为95%，取α=0.2，计算得试验次数为8次，选择该日9、10、11、12、13、14、15、16点开展试验，计算出太阳高度角和方位角，见表1。

表1 太阳高度角和方位角

根据表1可看到9、10、15、16点太阳致盲区与海面亮带盲区重叠，11、12、13、14点太阳致盲区与海面亮带盲区不重叠。下面以10点为例，对靶机飞行航路进行设计。10点时，太阳致盲区与海面亮带盲区重叠，靶机飞行时需从方位上避开盲区。根据靶机和试验船的运动姿态计算的靶机试验航路方位为q=141.3+10+180=331.3°，设靶机的方位位置误差N(30，102)（m）、试验船的定位误差N(50，202)（m）、目指方位误差N(0.2，0.12)°、红外探测设备指向方位误差N(0.5，0.22)°，则红外探测设备搜索状态航路有效的区间：

计算得x=332.2°，则搜索有效区间为（331.3°，332.2°）。

红外探测设备跟踪状态航路有效的区间：

跟踪状态航路有效的区间计算时，需根据跟踪距离段把靶机和试验船的距离误差转换成角度误差。设靶机跟踪距离段从35km～1km，因μ跟踪=80m，对应最大角度为0.08°，σ跟踪=30m，对应最大角度为0.03°，计算得x=331.41°，则跟踪有效区间为（331.3°，331.41°）。

4 结语

如何有效地开展红外探测设备抗阳光和海面亮带干扰试验是试验鉴定的一个难题，本文对开展试验的关键问题即太阳角度推算、试验航路设计、试验样本数确定等开展分析和研究，仿真算例证明了该方法的合理和有效。该方法对红外探测设备抗干扰试验的航路设计有明确的指导意义。