鄧傳加 鮑 珊

（1.91550部隊93分隊 大連 116023）（2.91550部隊91分隊 大連 116023）

1 引言

某型紅外成像末制導武器，裝載于某型潛艇或大型驅(qū)逐艦等，主要用于攻擊周邊地區(qū)作戰(zhàn)對象港內(nèi)/近岸和陸地縱深高價值的政治目標、固定點目標、面目標、關鍵軍事目標和經(jīng)濟目標等等。攻擊的固定點目標主要包括樓房、橋梁、機場塔臺、指揮中心、地面機庫、簡易機棚、油罐車、船塢、飛機洞庫出入口等地面建筑物；攻擊的固定面目標主要包括機場跑道、飛機洞庫引道、導彈陣地等；攻擊的時敏目標主要包括導彈發(fā)射控制車、雷達探測車、指揮車等各類車輛和港內(nèi)停泊、駐泊的各類水面艦船和保障船等。該型紅外成像末制導武器命具有較高命中率高、干擾能力強的優(yōu)勢，在未來戰(zhàn)爭中將發(fā)揮重要作用。靶場試驗中，針對實戰(zhàn)化考核的需要，設計實施紅外煙幕干擾，考核對陸攻擊紅外成像制導系統(tǒng)抗紅外煙幕的性能［1］。

2 某型對陸攻擊紅外成像制導系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 紅外成像制導系統(tǒng)組成

根據(jù)對陸攻擊巡航作戰(zhàn)模式及使用流程，紅外成像制導系統(tǒng)按照功能由紅外成像分系統(tǒng)、隨動分系統(tǒng)和信息處理分系統(tǒng)三個部分組成。其功能特性是將目標和背景的輻射能量通過光學系統(tǒng)匯聚到探測器上，完成能量的光電轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字圖像信號。該系統(tǒng)的組成及功能如圖1［2］。

圖1 紅外成像制導系統(tǒng)功能組成框圖

2.2 紅外成像制導系統(tǒng)工作過程

導彈末制導階段，紅外成像制導系統(tǒng)采用自動目標識別的方式工作。根據(jù)預先裝訂的目標模板圖或目標知識信息，結(jié)合導彈飛行參數(shù)信息（包括距離、高度、姿態(tài)等），在飛行末段實時處理導引頭輸出的序列圖像并檢測識別目標。

當導彈到達航跡規(guī)劃的自動目標識別點時，啟動目標識別流程，通過獲取此時目標實時圖及拍圖時刻的相關信息數(shù)據(jù)（包括彈體姿態(tài)，成像器光軸姿態(tài)、彈體位置等），對實時圖進行預處理（主要包括平滑去噪，圖像增強、特征提?。?，然后與事先裝訂在彈上的相應目標模板圖或目標知識信息進行特征相關匹配，從圖像中選出候選目標，最后將特征最相似的候選目標位置作為識別結(jié)果輸出，完成一次目標識別處理。為保證可靠性，可采用多幀識別策略，最后綜合多次識別結(jié)果，給出目標在實時圖中的位置。紅外成像制導系統(tǒng)根據(jù)識別結(jié)果轉(zhuǎn)入跟蹤，在跟蹤過程中，采用識別跟蹤一體化策略，融合識別及跟蹤信息，對跟蹤點進行多次修正以保證最終命中精度［3］。

2.3 自動目標識別算法

依據(jù)保障條件、目標的紅外特性及形狀特性、背景的復雜程度、目標的成像大小和攻擊策略的不同，對陸攻擊紅外成像制導系統(tǒng)可以分別采用基于模板匹配的目標識別算法和基于指示的目標識別算法，充分發(fā)揮兩類方法各自特點滿足不同的識別任務需求。

2.3.1 基于模板匹配的識別算法

基于模板匹配的識別算法就是采用目標區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖或紋理圖制作目標基準圖，與紅外前視成像裝置輸出的實時圖像進行匹配識別，從而確定目標在實時圖像中的位置。基于模板匹配的自動目標識別算法的優(yōu)點是目標類型適應性強，適合所有與周圍背景相比有一定獨特模式特征的目標。

基于模板匹配識別算法詳細流程如下：

1）根據(jù)待識別目標瞄準點信息（經(jīng)緯度坐標、海拔高等數(shù)據(jù)）和任務規(guī)劃與遠程管控系統(tǒng)規(guī)劃出的若干前視目標識別工作點數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、海拔高度、慣導和高度散布等），利用測繪基準數(shù)據(jù)在每個識別工作點制作出若干目標模板；

2）當導彈飛行導某一目標識別工作點時，目標識別算法根據(jù)實時圖像拍攝時刻的慣導數(shù)據(jù)、海拔高度數(shù)據(jù)、成像器光軸俯仰和航向數(shù)據(jù)，計算出實時圖像旋轉(zhuǎn)角，然后對實時圖像進行旋轉(zhuǎn)校正；

3）根據(jù)實時拍圖時刻的位置、高度或視線角信息，在彈上存儲的一系列模板中選擇若干模板；

4）對實時圖像進行特征提取處理（包括邊緣等信息提?。?；

5）利用特征提取后的實時圖像與選中的若干模板逐一匹配處理，選出最為接近的，作為本次目標識別的結(jié)果。

若慣導位置散布和高度誤差較小或目標本身特征明顯，則可以選擇裝訂一系列的小模板在大實時圖上進行匹配，得到目標位置；若目標本身特性較弱，需依賴周圍場景的特征進行識別或慣導位置散布和高度誤差較大時，則可以選擇裝訂大模板，采用小實時圖在大模板上進行匹配，最終得到目標位置［4］。

2.3.2 基于指示的識別算法

基于指示的識別算法是利用目標的統(tǒng)計和結(jié)構(gòu)，目標和背景信息的顯著差異，獲得與目標位置有關的約束條件，進行自適應識別處理。這種算法通過將裝訂目標的特征信息和在實時圖中提取的特征進行比較，給出目標在實時圖中的位置。該算法不需要制作和裝訂大數(shù)據(jù)量的模板，同時避免了模板制作時引入的視線角及距離偏差帶來的識別偏差，但對目標特征信息豐富程度要求相對較高?；趨^(qū)域關聯(lián)知識識別算法詳細流程如下：根據(jù)待識別目標瞄準點信息（經(jīng)緯度坐標、海拔高等數(shù)據(jù)）裝訂特征信息；

1）當導彈飛行到某一目標識別工作點時，目標識別算法根據(jù)實時圖像拍攝時刻的慣導數(shù)據(jù)、海拔高度數(shù)據(jù)、成像器光軸俯仰和航向數(shù)據(jù)，計算出實時圖像旋轉(zhuǎn)角，然后對實時圖像進行旋轉(zhuǎn)校正；

2）根據(jù)實時圖像拍圖時刻的導航信息，在彈上生產(chǎn)建筑物在圖像中的邊緣模板圖；

3）對預處理后的圖像進行分割、邊緣提取、檢測等目標特性提取處理，為目標特征的檢測識別提供數(shù)據(jù)；

4）利用特征提取后的實時圖像與生成的目標特性進行相似性度量，確定出特征最符合的目標作為結(jié)果輸出。

綜上所述，自動目標識別算法依據(jù)不同的打擊目標、保障條件以及攻擊彈道，采用基于模板匹配和基于區(qū)域關聯(lián)指示兩類識別算法擇優(yōu)選用或綜合應用的方式，可拓寬打擊目標的范圍，降低武器系統(tǒng)彈的保障要求，提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和適應程度。

3 煙幕干擾紅外成像制導的工作原理

煙幕是煙和霧的通稱，屬于氣溶膠體系，是光學不均勻介質(zhì)。由于受波長及煙霧特性的影響，當光輻射通過煙霧時，光會產(chǎn)生折射、反射、衍射及被煙霧吸收等情況，通過的光輻射會大大減弱［5］。

煙霧對紅外成像武器干擾主要包括兩個方面，一是通過強的紅外輻射，對被攻擊目標進行干擾，進而達到保護的目的，二是利用煙幕顆粒的物理特性，進行吸收和散射，大大降低其分辨識別能力，從而影響跟蹤系統(tǒng)的特征提取和選擇過程，使紅外成像制導系統(tǒng)跟蹤階段無法正常工作。煙幕干擾對紅外成像制導的遮蔽原理如圖2所示［6］。

圖2 煙幕干擾遮蔽原理圖

由上圖可見，紅外煙霧對紅外制導武器的紅外及可見光的遮蔽效果比較明顯，大部分被吸收和散射，效果明顯且價格低廉，因此在國內(nèi)外戰(zhàn)場上廣泛應用煙霧對抗光電及紅外制導武器等裝備。同時煙幕器材成本相對較低，因此煙幕是一種高效費比的干擾手段?；诩t外成像制導系統(tǒng)的工作原理和煙幕干擾的工作原理分析，目前復雜對抗環(huán)境下，靶場試驗采用紅外煙幕干擾考核紅外成像制導系統(tǒng)抗紅外干擾性能［7］。

4 煙幕對紅外成像制導系統(tǒng)干擾分析

4.1 相關跟蹤算法

某型紅外成像末制導武器，跟蹤階段主要采取相關跟蹤的方法。相關跟蹤主要通過比對法進行計算，通過實時測量的目標圖像和預先保存在數(shù)據(jù)庫的圖像進行比對計算，通過相關度的取值，生成誤差信號，采用閉環(huán)原理對目標的比對從而進行跟蹤［8］。

假設測量目標圖像的亮度值用R(x,y)表示，在預先保存在數(shù)據(jù)庫的同一圖像的亮度值為S(x,y)，R和S分別為對應的視場范圍，通常情況下視場R要大于視場S，圖像示意圖如圖3所示。

圖3 預存圖像與實時圖像比對示意圖

可用相關函數(shù)C(x,y)來描述它們之間的相關程度，即：

式中，s(u,v)和r(u,v)表示兩幅圖像的矩陣，(x,y)則表示它們的位移量。

圖像相關法對目標圖像的跟蹤描述如下［1］：在同一時刻對目標圖像為進行連續(xù)測量，第N幀圖像為rN(x,y)，第N+1幀圖像rN+1(x,y)的目標圖像具體位置和上一張及下一張的位置一定有所變化，求出兩者之間的相關值，就可以求出跟蹤目標的位移值，以此作為誤差信號控制伺服機構(gòu)進行跟蹤測量。

4.2 紅外煙幕對相關跟蹤測量的影響

由于實時目標圖像和數(shù)據(jù)庫圖像不是在同一時間或環(huán)境中提取的，會有一定的偏差，所以相關矩陣的主峰值可能會出現(xiàn)相應不是配準點的情況［1］。煙霧造成圖像亮度不均勻變化，使實時圖像的亮度函數(shù)就可能為為r'=(u,v)，這樣與預存圖像亮度函數(shù)s(u,v)之間的相互關系為

配準點位置坐標為x'、y'，與無煙幕時的配準點位置x、y相比，有：

圖像的照度由于受煙霧的擾動，使照度隨機變化，造成配準點隨機變化，使系統(tǒng)的跟蹤誤差加大。

5 紅外成像制導系統(tǒng)抗煙幕干擾試驗研究

5.1 抗煙幕干擾帶飛試驗

靶場帶飛試驗用來驗證紅外成像制導系統(tǒng)在飛行載體上的探測性能和抗干擾性能。研究紅外成像制導系統(tǒng)抗干擾性能試驗中，將紅外成像制導系統(tǒng)放置在吊艙內(nèi)，并將吊艙掛載于飛機下方，或者將紅外成像制導系統(tǒng)直接通過支架掛于飛機機庫下；通過與指定合作目標進行跟蹤測量，模擬彈上紅外成像制導系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤狀態(tài)，并且在此過程中對系統(tǒng)進行干擾，檢測動態(tài)環(huán)境下干擾效應情況。掛飛試驗所需的配電設備、測控設備、數(shù)據(jù)記錄設備和通信設備等都安置在飛行載體上。

5.2 抗煙幕干擾試驗條件選擇

靶場帶飛試驗首先選定合適的飛行航路，對目標進行過程逼近飛行，達到動態(tài)驗證紅外成像制導系統(tǒng)平臺特性、成像效果、跟蹤穩(wěn)定及工作流程合理性。其次，還需對紅外成像制導系統(tǒng)性能以及目標識別能力進行考核，在上午、中午、下午、順光、逆光等不同試驗工況下，對各種典型目標配合制導控制系統(tǒng)進行機載帶飛試驗。典型目標主要包括樓房、地下掩體、機場跑道、導彈發(fā)射車等目標。根據(jù)典型目標及特征要求，試驗地點選擇在具有典型地形地貌特征和典型目標特征的渤海沿岸的船塢碼頭、小型城鎮(zhèn)、雷達哨所、機場和測量站點等，使其紅外輻射特性相對而言具有一定的真實性。

5.3 紅外成像制導系統(tǒng)抗煙幕試驗方法

5.3.1 抗煙幕干擾試驗方法設計

靶場抗紅外煙幕干擾帶飛試驗主要驗證紅外成像制導系統(tǒng)在不同時間、不同攻擊方向與自然環(huán)境下，抗干擾流程及性能。試驗設計時，考慮武器系統(tǒng)的飛行性能和紅外成像制導系統(tǒng)的作用距離，干擾發(fā)射裝置視情布設在陸上指定位置，試驗目標構(gòu)設位于M點。紅外成像制導系統(tǒng)抗紅外煙幕干擾試驗航路仰視圖如圖4所示。

圖4 抗紅外干擾試驗航路仰視圖

以煙幕干擾紅外成像導引頭識別典型固定點目標為例，選取陸上符合典型目標特性的實體靶樓或是機房、倉庫作為典型固定點目標（M點），載機沿指定航路AM進入，AM距離約15km，載機從A點進入時飛行高度約150m，飛行至距目標12km左右B點處，逐漸下降至50m高度。載機飛行距目標10km左右C點處，紅外成像系統(tǒng)開機搜索，當能夠識別目標后，紅外成像系統(tǒng)關機。陸上干擾發(fā)射站位聽令分2波次（每波次2枚）施放紅外煙幕干擾彈，紅外成像系統(tǒng)聽令開機搜索目標，驗證煙幕干擾條件下對目標的識別性能；若紅外成像系統(tǒng)未被干擾，當紅外成像系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤目標，載機距目標5km左右D點處，陸上干擾發(fā)射站位聽令分2波次（每波次2枚）施放紅外煙幕干擾彈，驗證煙幕干擾條件下紅外成像系統(tǒng)對目標的跟蹤性能。載機保持該高度平飛過目標M后沿E點退出航路。載機進入方向與目標夾角分別為45°、90°、135°，共進行3個有效航次試驗。該項試驗航路圖如圖5所示。

圖5 煙幕干擾紅外成像系統(tǒng)識別典型固定點目標航路圖

5.3.2 抗煙幕干擾試驗結(jié)果評定方法

在紅外制導系統(tǒng)進入方向，煙幕干擾形成后，能夠遮蓋全部或大部分陸上目標，判定煙幕干擾態(tài)勢設置有效。在煙幕干擾態(tài)勢設置有效的前提下，若紅外成像制導系統(tǒng)被干擾，經(jīng)對抗最終仍能穩(wěn)定跟蹤陸上指定目標，則判定紅外成像制導系統(tǒng)抗煙幕干擾成功。

6 結(jié)語

目前復雜電磁環(huán)境下對抗紅外成像制導系統(tǒng)最實用、最有效的干擾樣式設計采用紅外煙幕干擾?；诩t外成像制導系統(tǒng)的工作原理和煙幕干擾的工作原理分析，探討了煙幕對紅外成像制導系統(tǒng)的干擾。著眼靶場試驗實戰(zhàn)化需求，探討了紅外成像制導系統(tǒng)抗煙幕干擾試驗方法及初步結(jié)果評定方法，為某型對陸攻擊紅外成像制導武器設計定型抗干擾性能試驗提供可靠的技術支撐。