地面装备借助遮蔽物反RQ-4侧成像研究*

李若愚，谈何易，陈林，胡懋洋

(电子工程学院，安徽 合肥 230037)

0 引言

侧成像是相对从目标正上方俯视成像而言，以一定的角度从目标侧面进行成像。这种成像方式易受到地物和地形遮挡。美“全球鹰”无人侦察机(RQ-4)是高空侦察机，可凭借高度优势和制空权来缓解这种潜在的弱点。但当RQ-4远距离成像时，地物和地形遮挡仍可能会超过分辨率因素成为影响RQ-4作战效能的重要因素[1-4]。这种潜在的弱点是否能为被侦察方所利用，来有效反侦察，必须结合装备大小、性能，以及对遮蔽物要求等情况进行考量。事实上，RQ-4通常执行防区外侦察任务。活动空域受限的RQ-4受遮蔽物影响存在一定的探测盲区，其无法探测到这个地域内的目标。本文研究在RQ-4活动空域受限的情况下，装备车辆借助工程建筑或自然地形反RQ-4侧成像的可行性，以此探索除电子干扰、伪装等手段之外的新的反侦察措施。

1 战术背景及基本原理

1.1 战术背景

一般情况下，国土防空和要地防空有明确的防空警戒线。一旦对方侦察机靠近警戒线将受到航空兵驱离，穿越警戒线将被击毁。地面战术部队受机动速度和射程限制较大，为在规定时间突进到对方纵深地域或对纵深目标实施火力突击需前沿部署。由于RQ-4侦察距离达到200 km，地面战术部队不可避免地进入到其有效侦察半径内受到其监视，如图1所示。地面部队需要采取掩、骗、藏、扰等手段反侦察，以保护自身安全，维持作战行动突然性[5]。

图1 侦察威胁有效活动空域Fig.1 Effective airspace for reconnaissance threatens

1.2 基本原理

可见光/红外传感器和合成孔径雷达(synthetic aperture rader,SAR)是RQ-4的主要成像载荷。其中,SAR作用距离远、分辨率高，是RQ-4防区外侦察的主要图像收集载荷[6]。成像侦察依赖直接波，空基对地成像距离越远擦地角越小，受地面遮蔽物的影响越严重。这是RQ-4对地成像侦察的潜在弱点。在RQ-4的作战测试与评估中，美军分别评估了RQ-4侦察图像的分辨率指标和情报价值指标。情报价值表征单次成像识别场景中目标的比例。能识别场景中50%以上目标为高价值,50%以下为低价值,0为无价值。RQ-4对千余个合作目标进行成像测试，随着成像距离增加，高价值图片比例减小，低价值和无价值图片比例增大。地物遮挡和地形起伏应当是影响图片情报价值的主要原因之一。SAR图像分辨率指标与情报价值单调性不同，较能说明问题，其测试数据如表1所示[7]。分辨率指标是图片平均的美国国家图像解译度分级标准(Natoinal Imagery Interpretability Rating Scale,NIIRS)，情报价值指标栏中表示的是高价值、低价值、无价值图片百分比。可以看出，SAR图像分辨率基本不受距离影响，图像的情报价值随着距离增加单调减少。

表1 RQ-4 SAR作战测试与评估数据

可见光/红外传感器对地成像的实用距离不超过80 km，但RQ-4仍然测试了可见光/红外传感器在80～200 km的成像效果。所成图片情报价值分别为28/35/37和8/30/62，仍然具有一定的识别能力。由此可见，地面部队需要重视防范200 km范围内的RQ-4的可见光、红外、SAR成像侦察，并考虑针对RQ-4对地成像的潜在弱点，利用遮蔽物规避侦察。

2 模型构建

2.1 基本模型

忽略遮蔽物具体形状、地球曲率、电磁波折射等影响，侦察机、遮蔽物、地面装备空间关系如图2所示。

图2 遮蔽作用斜视图Fig.2 Oblique view of obstruct area

图2中，H为侦察机巡航高度，R为遮蔽物与侦察机地距，ψ为擦地角，α为∠ACB在地面投影角的一半。

侦察机在防空警戒线外侧沿着警戒线飞行，通过可见光、红外、微波等直接波对警戒线内侧纵深的地面目标进行成像侦察。受地面突起遮蔽物影响，侦察机在受限空域通过直接波所成图像中将出现探测盲区域。该区域在可见光、红外图像中体现为被障碍物遮挡，在SAR图像中为阴影[8]，并且从受限空域任何角度侦察均不能去除。因遮蔽物与侦察机距离、遮蔽物大小不同，探测盲区有不同的尺寸和形状，可为不同的地面装备提供掩护。

探测盲区基本形状主要受2方面的影响。一是侦察机升限Hmax固定，侦察距离影响探测盲区长度x1；二是侦察机最远侦察距离Rmax固定，侦察距离影响探测盲区长度x2。x1与x2相对大小不同，探测盲区域基本形状不同，如图3所示。遮蔽物高和长分别为h和l，侧视图和俯视图显示当侦察距离减小时，探测盲区长度变化趋势均是减小，但2种变化方式不同。当x1>x2时，探测盲区两侧面将先相交，x1

图3 探测盲区形成图Fig.3 Detection blind-zone formation graph

暂忽略探测盲区长度的影响，则存在以下等式

x1=h/tanψ,

假设，装备侧面紧靠遮蔽物由近及远依次摆放，则仅考虑探测盲区长度时可摆放装备列数为

g=min(x1,x2)/k0.

若第j列装备外侧的长边和高边均在探测盲区内，则可利用遮蔽物提供的掩护。即满足:

hj=x1-kjtanψ≥h0,

lj=2x2-kjtanα≥l0，

式中：装备长宽高分别为l0，k0，h0；lj为第j列外侧探测盲区宽度；hj为第j列外侧探测盲区高度。长宽高均满足条件时探测盲区可为装备提供完全掩护。

2.2 非理想遮蔽物影响

非理想遮蔽物形成的探测盲区形状复杂，与遮蔽物的几何外形、朝向走向、侦察机受限空域等有关，本文仅对矩形体非理想遮蔽物模型进行简单的补充修正。

如图4所示，遮蔽物宽度为k，长边与防空警戒线成角度θ，所有平行于警戒线的遮蔽物切面同时起到遮挡效果。假设，装备仍然以侧面平行警戒线的方式依次摆放，以经过矩形体遮蔽物靠内侧高棱的切面进行计算，按下式修正l,x1和x2:

tanβ=k/l，

x1′=x1-w，x2′=x2-w.

这种方法不能充分利用遮蔽物形成的探测盲区，但计算结果一定满足装备隐藏要求。

图4 旋转角度和地球曲率对探测盲区的影响Fig.4 Rotation angle and earth curvature influence the detection blind-zone

2.3 地球曲率和大气折射影响

由于侦察机作用距离远，地球曲率和大气层对电磁波的折射影响不可忽略，如图4侧视图所示。通过余弦定理和正弦定理计算球面情况下的擦地角，如下式所示：

式中：RE为地球平均半径；RS为侦察机到遮蔽物斜距；∠EOF为地心角。

由于对流层的不均匀性影响，电波的轨迹为曲线，采用等效地球半径计算可计入其影响。等效地球半径为4/3倍地球平均半径[9]。

3 仿真计算

通过以上分析获得了较为精确的探测盲区模型。其形状、大小与遮蔽物形状、遮蔽物与防空警戒线平行关系、遮蔽物与防空警戒线距离有关。装备是否能利用探测盲区与具体装备的尺寸相关，需要基于计算结果进行判断。地面装备(含停车间隙)和常见遮蔽物典型大小如表2所示[10]。

表2 装备和遮蔽物典型数值

RQ-4实用升限Hmax为18.4km，最远侦察距离Rmax为200km，RE为8 495km。理想遮蔽物，即遮蔽物长边与防空警戒线平行时，遮蔽物所形成的探测盲区长度和擦地角，与遮蔽物距警戒线R关系如图5所示。

图5 探测盲区和擦地角随警戒线地距变化Fig.5 Detection blind-zone and grazing angle in different ground range

在0～190 km的遮蔽物与警戒线地距中，x1始终大于x2，即该遮蔽物长度是影响其探测盲区长度的关键因素，其基本形状如图3探测盲区斜视图中左图所示。在190km范围内该遮蔽物所形成的探测盲区长度在200m内，远小于Rmax，说明在计算x1和x2时可忽略探测盲区长度的影响。擦地角随着地距增加急剧减小，约在25km左右就已小于通常星载成像侦察的最小侦察角度[11]。擦地角直接影响x1的大小，但考虑RQ-4可能从警戒线外的任何位置对该目标进行侦察时，x2成为了主要的影响因素。探测盲区中所能容纳的装备数量变化如图6所示。

图6 理想遮蔽物探测盲区可容纳装备数量Fig.6 Equipment capacity of detection Blind-zone ideal obstruction forms

该遮蔽物在距警戒线40 km时所形成的探测盲区可容纳下一辆装甲车，50 km时可容纳下一个地地导弹发射车，而旋翼展开的直升机有较大的宽度数值，需要到距防空警戒线130 km时才能容纳下第1架。

不借助遮蔽物隐蔽时，地面部队为避开RQ-4侦察需部署在防空警戒线以内200 km处的纵深。借助遮蔽物可将攻击发起地点前移，以缩短突击时间或延伸火力突击距离。在该例中，假设装甲车正常以55 km/h机动，则攻击发起地点前移可缩短2h以上突击时间；直升机正常以280 km/h机动，可缩短15min；地地导弹射程300 km，发射阵地前移后在防空警戒线外的有效射程增加了150 km，防空警戒线外的打击区域增加3.6倍。在防空力量的有限掩护下，地面部队借助普通工程建筑可不同程度地隐蔽行踪，前伸部署，尤其是射程与RQ-4最远成像侦察距离相当的近程战术地地导弹。其抵近部署将显著延伸火力打击范围，压缩对方反应时间，造成严重威慑。

当遮蔽物与防空警戒线成角度θ时，将会对探测盲区形状造成一定影响，超过一定角度就可能无法为装备提供完全掩护。以本文的处理方法得到的数值如图7和图8所示。

图7 转动角度影响可容纳装甲车数量Fig.7 Rotation angle influences armored vehicle capacity

图8 转动角度影响可容纳地地导弹发射车数量Fig.8 Rotation angle influences ground-to-ground missile iaunching vehicle capacity

由图7和图8可见，遮蔽物朝向或走向对探测盲区的掩护作用有较大的影响。当其相对防空警戒线旋转角度θ=20°时，能容下第1辆装甲车或地地导弹发射车的距离已达到150km，与RQ-4的最远作用距离相差很近，遮蔽效用已然不高。地面装备需以更加灵活的摆放方式来有效利用探测盲区，或选择更大、更有效的遮蔽物。山地、丘陵、峡谷等自然地形具有较大的体积，能给地面装备提供更大的探测盲区。

探测盲区的价值主要体现在与活动受限RQ-4的对抗中，而星载成像载荷的擦地角大多在49～70°，且卫星运行轨道不受防空警戒线限制，遮蔽物对其影响较小。

4 结束语

1991年“沙漠风暴”行动中，联军需要一种全天时的空中侦察平台，以追猎“飞毛腿”导弹。RQ-4正是对这种需求的回应[12]。然而，在没有制空权保障下，被誉为“大气层卫星”的RQ-4仍然无法解决“山那边”的感知难题，地面装备借助常规建筑和反斜面地形，仍然可以规避RQ-4的成像侦察。本文通过仿真分析认为，近程战术地地导弹借助遮蔽物反RQ-4侧成像的潜在效用较高。实际运用中，需要考虑遮蔽物对地面装备战场感知、火力投射和机动的影响，而大量运用遮蔽物反侦察，则需要基于战场态势图和数字地图自动生成作战区域的遮蔽界，并且考虑不同频段电磁波对遮蔽物的穿透性。

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