烟幕对红外成像干扰效能评估方法研究

吴玉交，闫 喆

（1.91604部队 山东 龙口 265700；2.海军航空工程学院 研究生4队，山东 烟台 264001）

烟幕对红外成像干扰效能评估方法研究

吴玉交1，闫 喆2

（1.91604部队 山东 龙口 265700；2.海军航空工程学院 研究生4队，山东 烟台 264001）

烟幕作为干扰精确制导武器的主要手段之一，以其便捷、廉价的特点得以广泛使用，而如何评价其干扰效能尤为重要。针对解决目前烟幕干扰红外成像效能评估没有权威方法问题的目的，本文采用利用典型红外成像制导武器的成像过程与及其影响成像干扰因素特点的方法，依据红外成像制导武器在不同作用距离上的成像特点，结合相关成果论证，提出了的烟幕干扰评估方法，以及对各制导成像阶段针对性较强的评估准则。

烟幕；干扰；评估；红外成像

成像跟踪、探测、制导是精确武器的重要体现，而烟幕已成为一种应用广泛的于对抗成像型武器的无源干扰手段，其性能测量直接影响到对成像武器的干扰效能评估[1]。目前对烟幕干扰的评估尚无经典和权威的评估体系和指标，需要根据相应的成像设备、使用条件、烟幕释放、形成、扩束等方面的情况进行具体的评估[2]。需要利用成像探测跟踪、光电对抗、烟幕试验等方面的理论与工程经验分析、归纳、总结[3]。

红外成像跟踪制导系统的突出优点是：作用距离比可见光远；在远距离相对于红外点源成像具有目标选择能力；在末制导阶段可以进行命中点选择。而当探测视场中存在烟幕目标、背景干扰的影响时，这些优点均会受到削弱[4]。

红外成像干扰典型评估准则一般包括信息准则、功率准则、概率准则、效率准则、目标鉴别概率变化准则、作用距离变化准则、相似度变化准则等[5]，具体的指标一般为脱靶量、制导误差、命中概率等[6]。

根据对大量烟幕试验结果分析，在远距离上对烟幕干扰的评价应侧重与作用距离及识别概率的影响，在中距离阶段应侧重相关性及跟踪误差的影响，在近距离或末制导段应侧重命中概率与脱靶量的影响。

1 适用于远距离成像的烟幕干扰评价指标方法

1.1 红外成像系统作用距离评价方法

非扫描形式的红外成像跟踪系统的作用距离为

其中Iλ为已知目标辐射强度；α为大气衰减系数；R为探测系统至目标的距离；

NETD为红外热像仪的等效噪声温差；ω为热像仪的瞬时视场（sr）；SNR为信噪比；η为经验系数；

其中MλT为光谱辐射出射强度；c1为第一辐射常量；c2为第二辐射常量；λ1和λ2为辐射的起始和截止波长。

当目标的温度T、面积A、表面材料发射率ε已知时，作用距离可以使用下式进行估算：

从上式可以看出，烟幕对红外成像跟踪系统的作用距离主要影响信噪比指标。

1.2 识别概率评价方法

最小可分辨温差（MRTD）是红外成像系统的重要性能参数，指在一定的空间频率下能够分辨的目标与背景各部分间的最小温差，它反映了红外系统的灵敏度和空间分辨率，烟幕对目标与背景的消光、遮蔽与模糊等影响，对红外成像系统（尤其是使用“人在回路”控制功能的红外成像系统）的这个参数产生影响，使得在一定的距离上能够在成像视场中形成的目标线对数量由于遮蔽、模糊而减少，影响目标的正确判读概率，干扰红外成像系统的探测识别能力。下表1为研究人员通过大量实验得到的不同探测等级在不同概率情况下所需的目标等效的线对数量。

2 适用于中距离成像的评价指标方法

2.1 小视场红外图像相关性评价方法

烟幕干扰使红外成像系统的图像质量发生变化，各种概率条件下所需的目标线对数如表1所示，干扰效果反映在图像处理中的客观指标可以用图像干扰前后的相似度变化来衡量，即干扰前后的红外成像图像的相关函数，而小视场成像决定了红外图像的像素数量相对较小，为其相关性处理的算法的实时性提供了保证。其归一化相关函数为

表1 各种概率条件下所需的目标线对数Tab.1 The lines required under miscellaneous probability circumstance

其中式中fij为干扰实施前图像第i行第j列的像素灰度值；gij为干扰实施后图像第i行第j列的像素灰度值；m和n分别是红外成像图像的像素行数和列数。

由Cauchy-Schwarz不等式可知，在任何情况下，均有0≤C≤1。当两幅图像完全相同时，C=1为最大值，此时图像相关性最高。当干扰使得红外图像灰度发生变化时有C＜1，且变化越大C值越小，相关性越低。当C=0时完全不相关。因此可以利用相关函数值的大小反映红外图像之间的相关性，其变化的程度反映烟幕干扰的效果，可根据干扰效果能否影响目标识别设定相关函数值的阈值，进而划分干扰的程度等级，例如：当相关函数近似等于1，图像无明显变化，即干扰无效；相关函数小于1大于阈值，图像对比度（或信噪比）下降，探测距离降低，但在规定试验条件下能够识别规定目标；相关函数小于阈值，在规定试验条件下不能识别规定目标。

2.2 跟踪误差评价方法

烟幕直接影响了红外成像跟踪系统的目标特征提取和特征选择的过程，增加了跟踪误差变大的概率。红外图像进行目标特征提取需要进行图像分割，形成二值图像，将目标与背景分割。当烟幕干扰时，高灰度值对应的像点数减少，低灰度值对应的像点数增多，总的灰度等级数减少，当烟幕的对红外辐射的透过率降低一定程度时，灰度等级数将趋向于极限值1，此时无法使用上述方法分割图像。

对于典型的红外成像跟踪方法，烟幕的干扰根据其图像处理的算法产生影响。例如对于用矩心跟踪法的红外成像系统，当烟幕遮蔽目标使目标图像的辐射产生严重的不均匀变化时，跟踪波门扩大，灰度值超过阈值的像元数发生变化。对于用矩心跟踪法的红外成像系统，如图1所示。其相关函数为

其中 S（u，v）和 R（u，v）分别是源图像和实时对比图像的灰度分布。

图1 相关跟踪中的基准图像与实时图像Fig.1 Sample image and real-time image in the relative tracking

当有烟幕干扰目标时，造成实时图像的灰度产生不均匀变化，此时实时图像灰度分布函数改变为R′（u+x，v+y）。这时，它与源图像的灰度分布函数间的相关函数为

相关跟踪的配置点坐标误差为，Δx=x-x′，Δy=y-y′。

3 适用于近距离（成像末制导段）的评价指标方法

3.1 命中概率评估法

命中概率是导弹的脱靶量ρ落在以目标为中心，半径为杀伤半径为的R圆内（即ρ≤R）的概率。命中概率受导引误差分布规律影响，导引误差服从正态分布。

假设有一通过目标质心O，垂直于导弹与目标的相对速度方向的平面YOZ，导弹在 YOZ的弹着点（y，z）为按正态分布的二维随机变量，分布概率密度为

其中，my，mz为弹着点的平均坐标，弹着点与目标间的距离 ρ0为系统误差；σy，σz分别为弹着点在 y轴和 z轴方向上的均方差。弹着点在靶平面上的分布如图2所示。

以极坐标替换直角坐标进行转化后，可得脱靶量的分布函数为

图2 弹着点在靶平面上的散布Fig.2 Distribution of shooting position in target

其中，I0（ρρ0/σ2）是零阶第一类变形贝塞尔函数，从上式中可知脱靶量是遵循广义瑞利分布的。 设 R=ρ/σ，A=ρ0/σ，则

若导弹杀伤半径为ρd，定义ρd/σ=Rd为相对杀伤半径，则导弹的命中概率为

当导弹受到干扰形成了导弹弹着点分布中心与目标中心不重合的情况（即ρ0≠0，这是系统误差），但对纯属随机误差的弹着点分布方差σ无影响，此时导弹的命中概率为

这时有P′1＜P1，表示导弹受到干扰后发命中概率降低。

3.2 脱靶量评价方法

设目标在靶平面上的位置矢量为r0，弹着点的位置矢量为 ri（i=1，2，…，n），n 是有效试验的次数，第 i次试验的脱靶量矢量为Δr=ri-r0，平均脱靶量矢量为

理论分析及大量试验结果证实了正常情况下制导武器的制导误差服从正态分布，根据误差理论，制导武器弹着点落在以目标为中心半径为S的圆内的概率将为68.27%，落在以2S和3S为半径的范围内的概率则分别为95.45%和99.73%，因此可以3S为界限判定干扰对制导误差的影响是否超出正常制导精度的允许范围。

如果未受到烟幕干扰时制导武器的制导精度为S0，受到烟幕干扰后脱靶量大小为Δr，可以判断当Δr≤3S0时，烟幕干扰基本无效；当Δr＞3S0时，烟幕干扰有效。在实际使用中，由于干扰效果有很大的随机性，需要进行多次干扰试验并记录分析脱靶量结果，统计归纳出干扰成功率。

4 结束语

红外成像制导由于其制导过程相对距离和时间短，而相对成像视场小，有其自身特定的规律，而烟幕对其干扰的效能评价也相应的需要针对其不同阶段的特定才有实际意义，由于目前尚无针对红外成像制导全过程的唯一权威评价准则，针对性强的评价指标更有实际价值。因此，通过对多次烟幕外场试验的多传感器数据进行各典型指标分析归纳出基于红外成像制导系统的作用距离的针对性评价更能够相对准确的评价其对制导过程的干扰效能。

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GAO Wei，HE Wei.Smokescreen for optical observation device interference effects assessment criteria[J].Photon Journal，2007（36）:270-273.

[3]Tao Shen，Jianshe Song.A method of calculation based on wind field diagnosis mode forsmoke [C]//The Ninth InternationalConference on Electronic Measurement&Instruments， 2009.ICEMI’，2009（4）:840-842.

[4]Ding Wanning，JiaLimin.A new method of smoke simulation[C]//2010 InternationalConference on Educationaland Network Technology 2010.ICENT 2010:267-270.

[5]程文，李俊山.红外辐射在烟幕中的蒙特卡洛模拟[J].红外技术，2010，32（11）:672-675.

CHENG Wen，LIJun-shan.Montecarlosimulation of infrared radiation in the smoke[J].Infrared Technology，2010，32（11）:672-675.

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Research about evaluation for the disturb efficiency of smoke to the IR imaging

WU Yu-jiao1，YAN Zhe2
（1.91604thUnit， Longkou 265700， China；2.4thGraduate Student Team of Navy Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China）

Smoke is now widely used as a cheap and convenience way to disturb photoelectricity imaging guidance weapons.And how to evaluate the disturb efficiency of smoke is very important to the imaging guidance weapons.In order to solve problem that the evaluate smoke disturb efficiency without authority rules presently.Consider the relative characters of classic IR imaging guidance weapon in different imaging period at different imaging distance and concluded with their imaging and interfere character，this paper present the smoke disturb efficiency evaluation method.

smoke； disturb； evaluation； IR imaging

TN972

A

1674-6236（2014）15-0001-03

2014-04-15 稿件编号：201404155

国家“863”创新自然基金（2110AAJ211）

吴玉交（1978—），男，湖南岳阳人，助理工程师。研究方向：跟踪测量方向。