戎永杰，劉文舉，蘇 坡，張 明

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

末敏彈是末端敏感彈藥的簡稱，是把先進(jìn)的敏感器技術(shù)和爆炸成形彈丸(EFP)技術(shù)應(yīng)用到子母彈領(lǐng)域中的新型彈藥。末敏彈可由多種平臺發(fā)射，在彈道末端末敏子彈從母彈中拋灑出來，在穩(wěn)態(tài)掃描平臺作用下以螺旋掃描方式掃描探測地面背景和目標(biāo)，當(dāng)彈上敏感器探測并識別出裝甲目標(biāo)后，立即起爆EFP戰(zhàn)斗部摧毀目標(biāo)。末敏彈具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、命中概率高、毀傷效果好、效費(fèi)比高和發(fā)射后不管等優(yōu)點(diǎn)。

末敏彈主要利用裝甲車輛在紅外波段、毫米波波段、幾何形體等方面與背景的差異進(jìn)行目標(biāo)探測和識別，復(fù)雜的背景環(huán)境直接影響末敏彈的探測性能和識別率，嚴(yán)重時甚至使末敏彈失效，因此有必要對戰(zhàn)場背景環(huán)境的復(fù)雜性進(jìn)行研究，并根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境對末敏彈探測和識別性能的影響程度進(jìn)行復(fù)雜程度分類。

戰(zhàn)場環(huán)境在紅外、毫米波波段和激光測距3個方面的復(fù)雜度雖有差別，但其研究方法是一致的，文中以紅外波段的戰(zhàn)場環(huán)境特性進(jìn)行復(fù)雜度分析和研究。

1 末敏彈探測識別原理

末敏子彈依靠穩(wěn)定機(jī)構(gòu)實現(xiàn)子彈勻速下落、同時繞鉛垂軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動，通過將子彈彈軸和旋轉(zhuǎn)軸錯開一定角度(掃描角), 彈軸、戰(zhàn)斗部軸線和敏感器視線三軸設(shè)計為平行，使子彈在穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動時其敏感器視線沿一條不斷向內(nèi)收縮的反阿基米德螺線軌跡掃描探測一整片圓形區(qū)域，實現(xiàn)對地面目標(biāo)的搜索、探測，子彈轉(zhuǎn)向哪里，敏感器就看到哪里，戰(zhàn)斗部就指向哪里。當(dāng)敏感器探測到目標(biāo)并識別后，立即起爆EFP戰(zhàn)斗部摧毀目標(biāo)，末敏彈探測識別如圖1所示。

圖1 末敏彈探測識別示意圖

目前國際上已裝備部隊的末敏彈一般采用多模敏感器探測方式，主要是從目標(biāo)的紅外特性、毫米波特性、幾何形體等方面進(jìn)行探測和識別，見表1。

表1 典型末敏彈及敏感器類型

2 戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜度分析

一般的，裝甲車輛運(yùn)動一段時間或停下來在一定的時間內(nèi)，其發(fā)動機(jī)、大功率設(shè)備等部位相對地面背景都有明顯且穩(wěn)定的正溫差。末敏彈通過紅外敏感器掃描探測能夠響應(yīng)目標(biāo)與背景的正溫差并識別目標(biāo)，紅外敏感器的特點(diǎn)是對熱目標(biāo)探測識別率高、定位性能好。

復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境能夠?qū)δ┟魪椉t外探測識別產(chǎn)生顯著的影響，使末敏彈多模探測數(shù)據(jù)的信號噪聲增大，目標(biāo)特征提取難度增加，最終使末敏彈識別率下降、虛警率上升。

由上分析，從識別率、探測數(shù)據(jù)和背景環(huán)境3個方面進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜性研究。首先，根據(jù)末敏彈識別率定義復(fù)雜度等級；然后，根據(jù)探測數(shù)據(jù)分析計算識別率和虛警率，確定復(fù)雜度參數(shù)并劃分等級；最后，根據(jù)多模探測原理確定背景復(fù)雜度參數(shù)，并劃分等級，見圖2。

圖2 背景復(fù)雜度研究路線

2.1 通過識別率定義復(fù)雜度等級

戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜程度最終影響末敏彈識別率，因此通過末敏彈探測識別率研究戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜程度，能夠直觀的評估末敏彈在復(fù)雜背景環(huán)境和干擾環(huán)境下的毀傷效能。

在一般環(huán)境下末敏彈對裝甲目標(biāo)的識別率大于0.9，此時末敏彈能獲得較理想的毀傷效果，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為輕度；當(dāng)背景環(huán)境復(fù)雜度增加，末敏彈識別率降低到0.5～0.9之間時，末敏彈毀傷性能有一定程度降低，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為中度；當(dāng)識別率下降到0.5以下，末敏彈毀傷性能大幅下降，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為重度。如表2所示。

表2 通過識別率定義背景復(fù)雜度等級

2.2 通過紅外探測數(shù)據(jù)分析背景復(fù)雜度

紅外敏感器探測信號的噪聲可等效為均值為0、均方差為的高斯噪聲，經(jīng)包絡(luò)檢波后,它服從瑞利分布,即：

(1)

其中:是檢波前高斯噪聲的均方；為檢波器輸出端噪聲包絡(luò)的幅值。在對單個脈沖目標(biāo)信號進(jìn)行檢測的過程中,設(shè)門限電平為，則噪聲包絡(luò)電壓值超過門限電平的概率即虛警概率為:

(2)

通過研究信號加噪聲的情況，可以計算目標(biāo)信號的檢測概率。這里討論振幅為的正弦信號同高斯噪聲迭加的情況, 經(jīng)檢波后, 它服從廣義瑞利分布：

(3)

式中:為零階修正貝塞爾函數(shù)；為信號加噪聲的包絡(luò)。信號的檢測概率即其超過門限的概率為:

(4)

對式(4)求解,可獲得典型(，，)關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 Pd，Pfa，RSN關(guān)系曲線

當(dāng)探測概率>0.9，虛警率<0.001時，末敏彈毀傷性能理想，此時信噪比>11.9，對應(yīng)背景復(fù)雜程度為輕度；當(dāng)探測概率在0.5～0.9之間，虛警率<0.01時，末敏彈毀傷性能有一定程度降低，此時信噪比在4.1～11.9之間，對應(yīng)背景復(fù)雜程度為中度；當(dāng)探測概率<0.5，虛警率>0.01時，末敏彈毀傷性能下降較大，此時信噪比<4.1，對應(yīng)背景復(fù)雜程度為重度。

根據(jù)電壓與信噪比關(guān)系：

(5)

其中為信號幅值：

=Δ·

(6)

當(dāng)識別溫差Δ為10 K、響應(yīng)率為50 mV/K時，探測信號噪聲均方差與背景復(fù)雜度對應(yīng)關(guān)系如表3所示。紅外探測信號噪聲均方差<100 mV時，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為輕度；噪聲均方差為100～175 mV時，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為中度；噪聲均方差>175 mV時，對應(yīng)背景復(fù)雜度定義為重度。

表3 探測信號復(fù)雜度分類

2.3 通過背景紅外特性分析復(fù)雜度

地面背景的紅外復(fù)雜度與地物種類及分布、太陽光照、天氣等因素有關(guān)。不同地物的輻射率、反射率、含水量和熱容不同，表現(xiàn)出不同的紅外輻射溫度，特別在太陽光照射下，地面背景中不同地物，如干土地、路面等和植被的溫差可達(dá)10～20 K。當(dāng)?shù)孛姹尘暗募t外復(fù)雜度較高，即地物之間的溫差較大時，就會影響紅外敏感器對熱目標(biāo)探測信號的信噪比，從而使末敏彈的目標(biāo)識別率降低、虛警率增加。

末敏彈紅外探測數(shù)據(jù)是紅外敏感器通過掃描探測地面背景和目標(biāo)獲取的，根據(jù)式(6)背景溫度均方差與紅外探測信號均方差有如式(7)所示關(guān)系：

=/

(7)

依據(jù)表3參數(shù)計算紅外背景復(fù)雜度分類如表4。背景溫度均方差小于2 K時背景復(fù)雜度為輕度；背景溫度均方差為2～3.5 K時背景復(fù)雜度為中度；背景溫度均方差大于3.5 K時背景復(fù)雜度為重度。

表4 紅外背景復(fù)雜度分類

3 仿真驗證

根據(jù)第2節(jié)分析，通過計算機(jī)仿真對背景環(huán)境復(fù)雜度進(jìn)行分析和驗證。

3.1 背景分析

圖4為同一場景不同時刻拍攝的紅外照片。

圖4 不同時刻同場景的紅外圖像

對以上3幅紅外圖像進(jìn)行溫度均方差計算，結(jié)果如表5所示?？梢娡粓鼍霸诓煌竟?jié)、不同時刻表現(xiàn)出不同的紅外復(fù)雜度。

表5 紅外背景復(fù)雜度計算結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)仿真

根據(jù)末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動原理和紅外敏感器探測原理建立掃描探測數(shù)學(xué)模型，以圖4紅外圖像為背景，通過仿真生成紅外敏感器探測數(shù)據(jù)，見圖5。求取紅外探測數(shù)據(jù)的噪聲均方差，其復(fù)雜度分類如表6所示。由分析結(jié)果可見通過紅外探測數(shù)據(jù)均方差確定背景復(fù)雜度與通過背景紅外圖像進(jìn)行復(fù)雜度分類基本一致。

圖5 不同紅外背景的紅外探測數(shù)據(jù)

表6 通過紅外探測數(shù)據(jù)均方差對背景復(fù)雜度分類

3.3 識別仿真

在前述工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行紅外識別仿真分析。在圖4的3個背景中分別隨機(jī)放置一個與背景平均溫度差為15 ℃、熱區(qū)大小為2 m×2 m的目標(biāo)；同3.2節(jié)生成目標(biāo)背景探測數(shù)據(jù)；識別門限為500 mV(識別溫差10 K)，采用蒙特卡洛方法對3種紅外背景分別進(jìn)行1 000次識別仿真，結(jié)果如表7所示。

表7 不同紅外背景下的識別仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

基于末敏彈對背景環(huán)境紅外復(fù)雜程度進(jìn)行了研究，從末敏彈識別率、探測數(shù)據(jù)、背景紅外特征3個方面進(jìn)行分析，將背景環(huán)境分為輕度、中度和重度3種復(fù)雜程度，并給出了對應(yīng)的分類參數(shù)，經(jīng)仿真分析表明參數(shù)設(shè)置合理，復(fù)雜度等級能夠反應(yīng)背景環(huán)境的復(fù)雜程度。研究為末敏彈及相關(guān)智能彈藥在不同復(fù)雜環(huán)境下的作戰(zhàn)效能分析和評估提供了依據(jù)。