李 學(xué),王學(xué)偉
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雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系研究
李 學(xué),王學(xué)偉
(海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264001)
雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾能力評(píng)估對(duì)精確制導(dǎo)武器的發(fā)展具有重大推動(dòng)作用。通過(guò)分析復(fù)合導(dǎo)引頭的工作原理,抗干擾效能評(píng)估準(zhǔn)則以及指標(biāo)體系構(gòu)建原則,系統(tǒng)構(gòu)建了雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系,并對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行了建模分析。
雷達(dá)/紅外;復(fù)合導(dǎo)引;抗干擾能力;指標(biāo)體系
隨著制導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展,雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈以其特有的抗干擾能力,越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外重視,國(guó)內(nèi)多型雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭已進(jìn)入靶場(chǎng)試驗(yàn)階段。由于靶場(chǎng)試驗(yàn)耗費(fèi)巨大,更多的采用半實(shí)物仿真對(duì)導(dǎo)引頭性能進(jìn)行全面的測(cè)試,抗干擾能力是描述導(dǎo)引頭性能的重要指標(biāo),王濤[1]等提出了導(dǎo)彈抗干擾能力多維度評(píng)估方法,龐艷靜[2]提出了基于層次分析法的導(dǎo)彈抗干擾能力評(píng)估方法,這些方法未能形成一個(gè)指標(biāo)體系。復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系構(gòu)建是評(píng)估導(dǎo)引頭抗干擾效能的難點(diǎn)和重點(diǎn),抗干擾指標(biāo)的選取直接影響評(píng)估結(jié)果的可信度[3]。目前,雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系的研究在國(guó)內(nèi)外可查閱文獻(xiàn)中鮮有涉及,但其中針對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系的研究較多。本論文通過(guò)分析雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭工作原理以及抗干擾效能評(píng)估準(zhǔn)則,在參考雷達(dá)抗干擾指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的構(gòu)建了雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的抗干擾指標(biāo)體系,并對(duì)指標(biāo)因子的正確性、應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析。
雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭工作模式可以分為4個(gè)模塊:正常跟蹤模塊、干擾檢測(cè)模塊、決策模塊、抗干擾跟蹤模塊[4-5]。工作模式轉(zhuǎn)換如圖1所示。
圖1 雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭工作模式
復(fù)合導(dǎo)引頭在正常跟蹤模塊工作時(shí),導(dǎo)引頭通過(guò)不斷獲取的穩(wěn)定目標(biāo)信息,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤[6]。干擾檢測(cè)模塊通過(guò)對(duì)比正常跟蹤時(shí)記錄的目標(biāo)輻射能量以及量測(cè)角度的變化判斷是否出現(xiàn)假目標(biāo)。干擾檢測(cè)模塊的信息進(jìn)入決策模塊,決策模塊根據(jù)設(shè)定的閾值判斷進(jìn)入正常跟蹤模塊或抗干擾跟蹤模塊。抗干擾跟蹤模塊工作時(shí),系統(tǒng)根據(jù)干擾的不同采取不同的抗干擾措施實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
選擇正確的效能評(píng)估準(zhǔn)則,是進(jìn)行復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效能評(píng)估的基礎(chǔ)。評(píng)估準(zhǔn)則選擇得是否合適,將直接關(guān)系到效能評(píng)估的科學(xué)性與合理性。因此,在研究雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效能評(píng)估中,必須科學(xué)合理地選擇有效的評(píng)估準(zhǔn)則[7-8]。
在進(jìn)行抗干擾效能評(píng)估時(shí),主要有以下幾個(gè)評(píng)估準(zhǔn)則:
1)信息準(zhǔn)則;
2)效率準(zhǔn)則(戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)則);
3)功率準(zhǔn)則;
4)時(shí)間準(zhǔn)則。
信息準(zhǔn)則利用導(dǎo)引頭受噪聲干擾后損失的信息衡量干擾效果,不確定性大,不方便使用。而效率準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、時(shí)間準(zhǔn)則分別通過(guò)導(dǎo)引頭完成本事使命能力、有無(wú)干擾時(shí)系統(tǒng)信干比、排除干擾正常跟蹤的反應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量干擾效果,直觀有效。在實(shí)際運(yùn)用中,單獨(dú)運(yùn)用一種評(píng)估準(zhǔn)則選取復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效能評(píng)估指標(biāo),往往不能較全面地反映復(fù)合導(dǎo)引頭的抗干擾性能。本文針對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的特點(diǎn),在選取抗干擾效能評(píng)估指標(biāo)時(shí),綜合運(yùn)用了效率準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、時(shí)間準(zhǔn)則。
雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效能評(píng)估由于其指標(biāo)眾多,并且各個(gè)指標(biāo)屬性不一,因此它屬于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的范疇。多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)是將反映研究對(duì)象不同屬性的多個(gè)指標(biāo)的信息聯(lián)合起來(lái),得到一個(gè)綜合指標(biāo),由此來(lái)反映被評(píng)價(jià)對(duì)象的整體情況,指標(biāo)選擇是進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的首要工作,它的主要任務(wù)是構(gòu)建一個(gè)能夠完整反映研究對(duì)象總體屬性的指標(biāo)體系[9]。要使評(píng)估結(jié)果可信,必須要建立起科學(xué)、合理的指標(biāo)體系。在建立指標(biāo)體系的過(guò)程中一般要遵循以下幾個(gè)原則:
1)完備性原則;
2)客觀性原則;
3)系統(tǒng)性原則:①相關(guān)性問(wèn)題,②層次性問(wèn)題,③整體性問(wèn)題,④綜合性問(wèn)題;
4)可測(cè)性原則;
5)突出性原則;
6)可比性原則;
7)定性與定量相結(jié)合的原則。
上述各項(xiàng)原則之間并不是毫無(wú)關(guān)系的。在建立雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系的時(shí)候,首先要根據(jù)系統(tǒng)性的原則來(lái)分析,在此基礎(chǔ)上才能選取科學(xué)合理的評(píng)估指標(biāo)來(lái)保證指標(biāo)體系的完備性。當(dāng)然在評(píng)估過(guò)程中,只有堅(jiān)持定性與定量指標(biāo)相結(jié)合的原則才能進(jìn)行,最后上述所有原則的最終目的是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效能的評(píng)估,從而體現(xiàn)了建立指標(biāo)體系的目的性原則。
體系構(gòu)建過(guò)程中,指標(biāo)因子的選取是構(gòu)建的重點(diǎn)也是難點(diǎn),根據(jù)評(píng)估準(zhǔn)則就可以基于構(gòu)建原則來(lái)選取效能評(píng)估指標(biāo)?,F(xiàn)有的雷達(dá)抗干擾指標(biāo)數(shù)量較多,如雷達(dá)抗干擾改善因子、抗干擾有效因子、燒穿距離、自衛(wèi)距離、干擾壓制系數(shù)、抗干擾品質(zhì)因素等,以上因子模型無(wú)法有效評(píng)估復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾性能。本文在分析了復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭工作原理、抗干擾機(jī)理以及指標(biāo)構(gòu)建的原則后,通過(guò)參考已有的雷達(dá)抗干擾指標(biāo)體系,構(gòu)建了復(fù)合導(dǎo)引頭的抗干擾指標(biāo)體系?;诶走_(dá)和紅外傳感器的固有屬性,提出了抗干擾基本因子;基于復(fù)合導(dǎo)引頭對(duì)抗兩類(lèi)欺騙干擾的能力,提出了抗欺騙干擾改善因子;基于復(fù)合導(dǎo)引頭融合算法和作戰(zhàn)效能,提出了權(quán)重系數(shù)改善因子;基于復(fù)合導(dǎo)引頭識(shí)別排除人為干擾的能力,提出了模塊跳轉(zhuǎn)時(shí)間因子和反應(yīng)距離因子;參考雷達(dá)抗干擾指標(biāo)體系修改了抗干擾改善因子。指標(biāo)體系構(gòu)建過(guò)程系統(tǒng)的考慮了導(dǎo)引頭自身性能、發(fā)現(xiàn)干擾排除干擾的能力、毀傷目標(biāo)概率的因素,比較客觀地反應(yīng)了導(dǎo)引頭排除干擾打擊目標(biāo)的過(guò)程,指標(biāo)因子在定性分析基礎(chǔ)上能夠定量計(jì)算,并且可以對(duì)比不同條件下的抗干擾效能。
初步建立的效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。
基本抗干擾因子是復(fù)合導(dǎo)引頭的基本性能參數(shù)決定的抗干擾能力,其表達(dá)式定義為:
式中:t為雷達(dá)功率;s為信號(hào)帶寬;0為信號(hào)照射時(shí)間;t為天線增益;為雷達(dá)所能探測(cè)到的最小目標(biāo)有效反射面積;Δ為雷達(dá)分辨體積單元;m為實(shí)時(shí)大氣透過(guò)率;MRT為最小可辨溫差;MDT為最小可探溫差;NEDT為噪聲等效溫差。
紅外成像系統(tǒng)參數(shù)具體定義計(jì)算可以參照文獻(xiàn)[10]。設(shè)理想天氣條件下的己方所擁有的最先進(jìn)復(fù)合導(dǎo)引頭的基本抗干擾因子數(shù)值為,則歸一化后的基本因子為:
圖2 雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾指標(biāo)體系
Fig.2 Jamming index system of Radar/IR seeker
1¢=1/(2)
雷達(dá)因子部分可衡量雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力,雷達(dá)功率越大,天線增益越大其探測(cè)到微弱目標(biāo)的能力越強(qiáng),對(duì)抗遮蔽類(lèi)干擾的能力越強(qiáng);紅外因子部分反映了紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力,大氣透過(guò)率越高,MRT、MDT、NEDT越小說(shuō)明紅外傳感器探測(cè)目標(biāo)能力越強(qiáng),對(duì)抗遮蔽隱身類(lèi)干擾能力越好。這一因子綜合分析了雷達(dá)和紅外傳感器的工作原理,在一定程度上反映了復(fù)合導(dǎo)引頭發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和對(duì)抗遮蔽、偽裝、隱身等干擾的能力。
復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾機(jī)欺騙電子干擾模型如圖3所示,結(jié)合概率準(zhǔn)則和效率準(zhǔn)則可定義復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾機(jī)欺騙性干擾概率因子為:
得到2后,就可以判斷復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾效果的好壞??墒且ㄟ^(guò)該公式求得2,有些概率值需要通過(guò)仿真用統(tǒng)計(jì)的方法確定。導(dǎo)引頭抵抗誘餌彈欺騙干擾模型如圖4所示,餌彈信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)引頭前端進(jìn)入識(shí)別系統(tǒng)時(shí),雷達(dá)系統(tǒng)和紅外成像系統(tǒng)會(huì)分別對(duì)其進(jìn)行甄別,在這里我們假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)任何一個(gè)系統(tǒng)可以分辨它是假目標(biāo)時(shí),復(fù)合導(dǎo)引頭就可以認(rèn)定它是虛假信號(hào)。仿照上面模型可建立詳細(xì)模型,但限于篇幅我們這在里簡(jiǎn)化了模型。復(fù)合導(dǎo)引頭抗誘餌欺騙因子定義為下式:
3=1-123(4)
式中:1為雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并誤判概率;2為紅外成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并誤判概率;3為融合后仍誤判概率。
圖3 抗干擾機(jī)欺騙電子干擾模型
圖4 抗誘餌欺騙模型
這一因子可用仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到3個(gè)概率,進(jìn)行次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)分別得到3個(gè)概率的乘積,最終得到抗欺騙干擾的數(shù)值。其運(yùn)用需要經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)或靶場(chǎng)試驗(yàn)的分析,通過(guò)結(jié)果評(píng)估復(fù)合導(dǎo)引頭對(duì)抗不同欺騙干擾的能力,最終可建立一個(gè)對(duì)抗欺騙干擾的統(tǒng)計(jì)庫(kù),對(duì)評(píng)估作戰(zhàn)能力具有指導(dǎo)意義。
這一因子是基于概率準(zhǔn)則提出的,在不同目標(biāo)環(huán)境中,復(fù)合導(dǎo)引頭的融合算法的權(quán)重系數(shù)定義為雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)系數(shù),紅外導(dǎo)引系統(tǒng),有:
+=1 (5)
這一系數(shù)分別為在復(fù)合導(dǎo)引頭工作中是時(shí)刻變化的,參考文獻(xiàn)[11]中仿真實(shí)驗(yàn)9特征量分析法測(cè)試復(fù)合導(dǎo)引頭在采取抗干擾措施前后的目標(biāo)識(shí)別率的改變來(lái)衡量這一因子。假設(shè)未采取抗干擾措施時(shí)識(shí)別率為1,采取抗干擾措施后識(shí)別率為2,定義權(quán)重系數(shù)改善因子1,則:
這一因子可以用來(lái)衡量復(fù)合導(dǎo)引頭融合算法的優(yōu)劣。復(fù)合導(dǎo)引頭跟蹤的目標(biāo)發(fā)射紅外誘餌時(shí),紅外導(dǎo)引頭將跟蹤目標(biāo)和干擾的質(zhì)心軌跡,雷達(dá)和紅外測(cè)量的角度出現(xiàn)的誤差逐步增大,超過(guò)閾值后,導(dǎo)引頭進(jìn)入抗干擾跟蹤模式,采取雷達(dá)跟蹤。這一跳變過(guò)程中,如果導(dǎo)引頭融合算法不能保持導(dǎo)引頭偏離在一定范圍內(nèi),雷達(dá)導(dǎo)引頭視角范圍內(nèi)可能丟失目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]中采取的融合算法具有自適應(yīng)調(diào)整性,能夠保證進(jìn)入雷達(dá)跟蹤時(shí)不丟失目標(biāo)。在對(duì)抗定向干擾和欺騙干擾時(shí)可使用這因子。
設(shè)復(fù)合導(dǎo)引頭發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離為,進(jìn)入抗干擾跟蹤模塊工作時(shí),與目標(biāo)距離為R我們定義導(dǎo)引頭自衛(wèi)距離比例因子為:
自干擾出現(xiàn)到導(dǎo)引頭進(jìn)入抗干擾跟蹤平均時(shí)間為,自干擾出現(xiàn)到導(dǎo)彈擊中目標(biāo)時(shí)間為,定義模塊跳轉(zhuǎn)平均時(shí)間因子:
6=exp(-/) (8)
導(dǎo)引頭排除虛假信息進(jìn)而跟蹤真實(shí)目標(biāo)的速度綜合反應(yīng)了其抗干擾的能力,這一過(guò)程可用導(dǎo)引頭工作時(shí)間、飛行距離來(lái)衡量。反應(yīng)時(shí)間越短,飛行距離越小說(shuō)明導(dǎo)引頭對(duì)抗干擾能力越強(qiáng)。飛行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或飛行距離越遠(yuǎn)偏離目標(biāo)的角度和距離就會(huì)增大,丟失目標(biāo)的概率增大,所以距離因子和時(shí)間因子指標(biāo)能夠衡量復(fù)合導(dǎo)引頭抗干擾能力。這一指標(biāo)考慮了導(dǎo)引頭角度跟蹤原理,其適合于范圍較廣,在仿真實(shí)驗(yàn)和靶場(chǎng)試驗(yàn)中這一指標(biāo)對(duì)衡量導(dǎo)引頭性能具有重要指導(dǎo)意義。
抗干擾改善因子是最早由Johnston S L[12]提出,這一指標(biāo)是衡量雷達(dá)抗干擾能力的重要指標(biāo)。對(duì)于復(fù)合導(dǎo)引頭其仍有較重要意義,復(fù)合模式的導(dǎo)引頭獲得了兩種單一模式導(dǎo)引頭的優(yōu)點(diǎn),并且可以彌補(bǔ)互相缺點(diǎn)。復(fù)合導(dǎo)引頭的消耗的能量主要在于雷達(dá)系統(tǒng),假設(shè)雷達(dá)平均功率占系統(tǒng)平均功率的比率為,根據(jù)雷達(dá)EIF定義可以得到修正后的改善因子EIF為:
式中:(/)0為未采取抗干擾措施時(shí)信干比;(/)為采取抗干擾措施后的信干比。
從文獻(xiàn)[13]中,可以看出這一指標(biāo)的通用性和可信性,對(duì)于二級(jí)的抗干擾改善因子不進(jìn)行討論。
導(dǎo)引頭抗干擾評(píng)估指標(biāo)還有很多,如文獻(xiàn)[5]、[14]中提出的雷達(dá)觀察扇區(qū)損失度改善因子,平均虛假航跡改善因子,目標(biāo)起始航跡平均時(shí)間改善因子、系統(tǒng)平均透漏航跡數(shù)改善因子等等。本文提出了6種指標(biāo),并分析了指標(biāo)的使用范圍。其中權(quán)重系數(shù)改善因子、抗欺騙干擾因子、抗干擾改善因子、抗干擾基本因子4種因子的數(shù)值均是越大越好,而導(dǎo)引頭反應(yīng)距離因子和模塊跳轉(zhuǎn)平均時(shí)間因子則是越小越好。
導(dǎo)引頭技術(shù)為自有最先進(jìn)水平,條件1:大氣透過(guò)率為0.95,發(fā)射5枚面源紅外誘餌,條件2:大氣透過(guò)率為0.95,相隔10s分別發(fā)射5枚紅外誘餌,條件3:大氣透過(guò)率0.85,發(fā)射5枚紅外誘餌。3種條件第1次發(fā)射干擾彈(相對(duì)輻射強(qiáng)度為目標(biāo)3倍)時(shí),導(dǎo)彈速度350km/h,目標(biāo)50km/h距離目標(biāo)10km,雷達(dá)與紅外量測(cè)角度閾值設(shè)定為3°,超過(guò)閾值導(dǎo)引頭認(rèn)定干擾,導(dǎo)彈與目標(biāo)在同一水平線。評(píng)估導(dǎo)引頭在3種條件下的效能。
解:根據(jù)本文建立的指標(biāo)因子模型,選取指標(biāo)1、3、4、5、6進(jìn)行評(píng)估,采用專(zhuān)家打分法評(píng)估各指標(biāo)的權(quán)重,結(jié)果如表1所示(相對(duì)重要性表示行指標(biāo)相對(duì)列指標(biāo)的重要程度,采用1~7檔,1表示同等、3相對(duì)重要、5較重要、7絕對(duì)重要,2、4、6表示中間重要程度):
綜合考慮各方因素,導(dǎo)引頭在正常跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率0.95,采取干擾措施后提升為0.98,跳轉(zhuǎn)時(shí)間
表1 指標(biāo)權(quán)重打分表
計(jì)算:采用簡(jiǎn)化模型計(jì)算,彈目距離10000m量測(cè)質(zhì)心超過(guò)3°,能量質(zhì)心下降距離:
=(2/)1/2≈12.3s,=彈目×≈1025m
根據(jù)=1×1+2×3+3×4+4×5+5×6,可計(jì)算得到3種條件抗干擾效能:
條件1:因子1=0.95,3=0.93,4=0.5,5=0.9,6=0.9,1=0.9113;
條件2:因子1=0.95,3=0.86,4=0.5,e5=0.82,6=0.81,2=0.8581;
條件3:因子1=0.85,3=0.93,4=0.5,5=0.9,6=0.9,3=0.8862。
由結(jié)果可知,復(fù)合導(dǎo)引頭對(duì)紅外誘餌干擾效果非常好,隨著誘餌數(shù)目增多,大氣透過(guò)率降低,導(dǎo)引頭抗干擾效能會(huì)略有下降。
本論文通過(guò)分析雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭工作原理,抗干擾效能評(píng)估準(zhǔn)則以及指標(biāo)體系構(gòu)建原則,系統(tǒng)構(gòu)建了雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的抗干擾效能評(píng)估指標(biāo)體系,并對(duì)指標(biāo)因子建模分析,最后以實(shí)例驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)外可查文獻(xiàn)中對(duì)雷達(dá)/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭指標(biāo)體系的描述非常少,因此本論文構(gòu)建的指標(biāo)因子需要大量的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。
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Research of Radar/IR Composite Seeker Anti-jamming Index System
LI Xue,WANG Xue-wei
(,264001,)
The development of precision-guided weapons is promoted by Radar/IR composite seeker anti-jamming capability assessment. The working principle of composite seeker, anti-jamming effectiveness evaluation criteria and construction principles of indicators are analyzed. Radar/IR composite seeker anti-jamming index system is established and analyzed by modeling.
radar/IR,composite guide,anti-jamming capability,index system
TN97
A
1001-8891(2015)03-0258-05
2014-09-10;
2014-10-13 .
李學(xué)(1989-),山東德州人,碩士研究生,主要從事精確制導(dǎo)智能化技術(shù)研究。E-mail:Chnialxsky@yahoo.com。