阳光反射对空地成像设备干扰影响分析.pdf

第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ，年 月 ，文章编号：（）光电对抗阳光反射对空地成像设备干扰影响分析邹前进，陆静，陆洪涛，刘胜利，耿志辉，路亚旭（部队，河南 洛阳 ）摘要：分析了强反射源阳光反射干扰效应，并利用精密转台、镜面反射装置和空地成像设备实测了干扰效应。实测显示：阳光反射干扰效应像素数可达镜面理想成像像素数 倍；较强的干扰效应及闪烁，对空地成像设备稳定跟踪造成较大影响。全流程的外场阳光反射干扰实验实现难度较大；本文提出和实现了基于实测阳光干扰效应，仿真包含背景、目标和干扰的场景图像注入空地成像设备获取跟踪制导数据，将数据代入弹道计算模型的实验方法。最后分析了阳光反射对空地成像设备最终干扰效果。当 干扰有效，落点误差大于 ；干扰有效，落点误差大于 ，被保护目标需采取一定的措施；若干扰距离不小于 ，即使人在回路重新锁定目标，落点误差大于 。本文对空地成像设备抗阳光干扰算法改进和抗干扰能力评估具有一定的借鉴意义。关键词：空地成像设备；阳光反射；干扰效应；落点误差中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；，；，；，：；作者简介：邹前进（），男，硕士，高级工程师，主要从事光电对抗方面的研究。：收稿日期：；修订日期：引言目前国内外大多数空地成像设备一般依据的俯仰、偏航视线角速度或角度信号实现设备位置或姿态控制 。视线角速度或角度一般基于跟踪后的图像输出，因此设备对目标的稳定跟踪结果对空地成像设备最终的落点分布情况影响巨大 。随着对抗技术发展，空地成像设备不但要考虑目标三维投影变化，还需要考虑外部干扰因素对跟踪的影响 。目前，国内外在干扰效应或效果方面开展了大量研究，当前多集中在主动的激光辐照、诱饵和烟幕等对红外跟踪效果影响评估 ，。太阳作为自然界常见的自然干扰，在空地成像设备实际使用中很难完全规避，太阳干扰包括直射阳光干扰、阳光反射干扰等。对于直射阳光干扰目前可通过航迹规划进行规避 ，但对于目标上或目标附近的人为阳光反射干扰则很难规避 ，。由于太阳反射干扰辐射亮度远大于目标辐射亮度，且存在闪烁，给目标稳定跟踪带来较大困难 。当前多数空地成像设备并未考虑太阳反射干扰在内容的抗干扰能力，当目标上或目标附近出现较强阳光反射干扰时，易出现目标丢失，甚至无法命中的情形。目前多采用挂飞或实弹的方法考核空地成像设备抗阳光等干扰能力 ，外场动态测量无论是在人力资源方面，还是在经费方面，代价都较大。因此，开展阳光反射干扰对空地成像设备最终落点偏差的影响研究，对空地成像设备跟踪算法的改进、抗干扰效果评估等具有重要意义。鉴于全流程的外场阳光反射干扰实验实现难度较大，本文通过将实测阳光反射干扰效应注入空地成像设备获取跟踪制导数据，进而将跟踪制导数据带入弹道仿真模型的实验方法，获得了阳光反射干扰下空地成像设备最终落点偏差变化情况。可为空地成像设备抗阳光反射干扰评估支撑，也可为空地成像设备其他干扰因素抗干扰评估提供借鉴。阳光反射干扰效应分析及测试目标表面一般符合漫反射特性，但当目标周围出现反射率较高的物体或人为布设高反射率物体时，将会出现远比目标辐射亮度大的阳光反射干扰 。太阳辐射较强，且波段范围较宽，覆盖了可见至长波红外波段，其中可见和短波红外的辐射占有显著地位；太阳辐射虽在中波比例不高，但其绝对值仍相当大 。因此阳光反射干扰一旦入射到空地成像设备的入瞳，甚至只要部分进入光学系统，就会影响目标的最终成像质量。当入射的阳光反射超出空地成像设备的线性工作范围，甚至可能产生饱和等一系列非线性光学效应，影响空地成像设备的最终成像效果，从而影响空地成像设备对目标的跟踪；而跟踪不稳定将导致阳光反射干扰闪烁，进一步影响跟踪稳定。到达地球表面的太阳辐射并不是严格的平行光，一般可以等效为 的无穷远目标 。太阳距地球平均距离为 ，太阳在地球大气层外产生的总辐射照度约为 （日地距离 ），可以采用理论计算到达地球表面的太阳辐射照度 。本文采用中国科学院安徽光学精密机械研究所开发的通用大气辐射传输软件（）计算到达某一地面处的太阳辐射照度，计算时采用分辨率为 逐线积分的精确辐射传输计算模式。采用该软件，结合实测气象条件可以计算洛阳地区 年 月 日和 月 日地面处中波 太阳辐射照度，如表 所示。表 洛阳不同时刻太阳中波辐照度结果表 时刻月 日中波辐照度（）月 日中波辐照度（）时 时 时 时 时 到达空地成像设备处反射太阳辐射照度可由下式表示。（）式中，为到达空地成像设备入瞳处反射太阳辐射照度；为到镜面处太阳辐射照度；为镜面等反射面大小；为镜面反射特性；为镜面和空地成像设备之间距离。由式（），结合空地成像设备入瞳面积、透过率、瞬时视场角、探测器面积和干扰效应分布可以计算到达空地成像设备靶面辐射亮度分布，如式：激 光 与 红 外 第 卷 （）式中，为空地成像设备探测器面辐射亮度；为空地成像设备入瞳面积；为路径透过率；为光学系统透过率；为干扰效应分布系数；为探测器面积；为探测器瞬时视场角。根据图像仿真可知，只要获得背景、目标或干扰到达探测器处的辐射亮度，结合定标获得的空地成像设备响应参数，即可以获得所需仿真场景灰度图像。式（）中，阳光反射干扰辐射亮度除干扰效应分布外，其他参数均可由仿真计算获得。虽然理论上可利用杂散光分析软件（或 ）仿真获得干扰效应分布，但实际工作中多利用实测的干扰效应统计获得对应分布。本文采用空地成像设备对阳光反射干扰效应进行了测试，进而统计获得干扰效应分布。将成像设备置于某一高处精密二维转台上，成像设备工作波段为 ，像元尺寸为 ，量化位数为 。将镜面反射源固定于 外地面。调整镜面反射源方位、俯仰，并同步调整高处精密二维转台方位、俯仰瞄准镜面反射源区域，使得镜面反射干扰效应最强。以 间隔调整转台方位，测量不同太阳夹角下反射效应，结果如图 所示。当出现镜面反射时，干扰光斑的像素高达 多个，干扰效应光斑面积远大于镜面理想成像面积，掩盖了镜面本身成像；干扰效应光斑中心区域近 个像素点等效辐射温度饱和。随着精密二维转台旋转，干扰效应光斑减小；当旋转角度约 时，镜面成像大小约为 个像素。图 阳光反射干扰效应测试结果 由图 镜面反射的全角约为 ，与分析结果一致；实际阳光反射干扰需要较高的瞄准精度，干扰容易出现起伏。一般情况下对于玻璃等强反射源的反射特性可以使用下述模型来表示 。（，）（）（）（）式中，为太阳入射角；为太阳反射角；、为相关参数。由式（）和图 可以看出：镜面强反射源及空地成像设备构成镜面反射关系时，镜面反射干扰效应最强，并随太阳入射角和反射角变化而变化。反射阳光辐射大小与入射太阳方向、红外跟踪设备视轴方向夹角等密切相关，其中入射太阳方向主要由时间和地理位置等决定。空地成像设备如果一直跟踪某一目标，大于多数激光器干扰源约 的束散角，则镜面反射源较为很容易跟踪空地成像设备光轴，则空地成像设备将面临阳光反干扰，对空地成像设备稳定造成影响 。空地成像设备在对目标跟踪过程中由于设备震动等，不可避免出现光轴抖动，干扰效将出现闪烁，对设备的目标提取和稳定跟踪造成较大影响。空地成像设备阳光反射干扰影响分析从干扰效应测试可见：阳光反射干扰效应测试相对较为容易，但空地成像设备全流程的外场干扰实验实现难度较大。因此本文考虑将阳光干扰效应图像注入空地成像设备，并将跟踪制导数据带入弹道计算模型的方法，分步仿真计算阳光反射对最终落点的影响。阳光反射干扰下设备跟踪实验结果分析将阳光干扰效应图像注入空地成像设备实验原理为：在实验前根据实际可能的跟踪位置想定不同的气象条件、航迹、干扰介入时间和位置等战情参数，仿真生成大场景下地面、目标和干扰图像序列。太阳反射辐射亮度的大气和光学系统衰减，由想定的气象条件、航迹、时间和设备参数等决定，可提前计算或输入。认为距离主要影响反射阳光到达探测器处的辐射亮度；太阳干扰效应采用实测数据构建干扰效应数据库，提前对不同夹角下和辐射照度下阳光反射干扰效应分布进行插值处理。阳光反射干扰战情想定为空地成像设备已瞄准目标，目标上出现阳光反射干扰；由于空地成像设备光轴抖动，阳光反射干扰效应存在闪烁，实验中根据光轴夹角读取对应的阳光反射效应数据和场景图像数据进行叠加，当夹角大于 时仅叠加镜面的理想成像激 光 与 红 外 邹前进等阳光反射对空地成像设备干扰影响分析数据。空地成像设备跟踪抗干扰仿真实验过程为：（）加载全航迹的大场景数字图像序列和干扰图像序列；（）由空地成像设备俯仰、偏航信号计算光轴指向，在大场景中截取对应的场景，并进行稳定跟踪，记录跟踪制导数据；（）根据光轴指向和想定的镜面法向计算太阳夹角并调用相关干扰效应图像，合成阳光反射干扰后红外图像；（）记录跟踪制导数据和图像数据，当出现跟踪丢失时，人工操作并尽可能再次锁定目标，记录再次锁定时间。空地成像设备跟踪、受干扰和失锁结果如图 所示。图 跟踪仿真试验结果 仿真实验结果显示，在目标跟踪区域或附近出现阳光反射闪烁干扰时，空地成像设备跟踪点出现抖动，易出现丢失目标的情况。当空地成像设备目标丢失后，通人工过单杆搜索后可再次锁定跟踪目标，但实际中极易出现无法再次锁定目标或仿真试验已结束的情况，一般再次锁定目标需要时间较长。空地成像设备受干扰影响分析导弹制导控制是导弹的核心之一，通过计算位置偏差，形成导引指令，并操纵导弹改变飞行方向，使其沿预定的弹道或根据目标的运动情况随时修正自己的弹道，直至飞向目标。将上文的跟踪制导数据带入导弹比例制导弹道模型，可以查看其落点变化情况。空地导弹常用制导律为比例导引制导律与弹道成型制导律。比例导引制导律是空地导弹最为广泛使用的制导律，其弹道前段弯曲，能充分利用导弹的机动能力；弹道后段较为平直，使导弹具有较充裕的机动能力，且实现容易，对发射初始条件要求不严。空地导弹广泛装备美国海 空军的各种作战飞机，如 、等其他盟国的作战飞机，该弹为空地红外成像制导武器的典型代表，不失一般性可模拟该弹弹道模型计算阳光反射干扰对导弹落点影响程度。弹长为 、弹径为 、翼展为 、弹重为 、发射高度为 、发射速度为 、最大速度为 、巡航速度为 。空地导弹典型工作流程为机载设备搜索目标，并将载机组合导航系统信息以及目标信息装订给导弹惯导及导引头；导弹脱离弹射装置，启动火箭发动机，导弹进入惯性导航阶段，距离目标 左右红外导引头开机搜索目标；搜索目标后导引头锁定目标，进入末制导段。综上为分析一般性，本文取 导弹为通用的比例制导模型，计算干扰后落点。比例制导表达式一般为 ，：()（）式中，为驾驶仪加速度指令；为导航比，一般取；为弹目接近速度；为视线相对惯性系旋转角速度；为重力加速度；为弹道倾角。根据多个非线性常微分方程与普通方程可构成弹体六自由度方程组，用数值积分法可以解得导弹弹道。根据典型红外成像导引头的作用距离假定确定最大干扰距离为 。一般情况下导引头在受到有效干扰后，当目标丢失、无法锁定目标是，导引头输出制导信息会失效，飞控系统保持失锁前一刻控制指令；当导引头重新锁定目标，飞控系统重新接收到制导指令，从而发出新的控制指令。将 起始干扰跟踪制导数据、起始干扰跟踪数据及想定 能再次跟踪目标，分别仿真了不同状态下落点变化情况。表 给出发射高度 、和 条件下，无干扰、持续干扰、起始持续干扰和 起始 秒重新捕获目标等条件下导弹落点变化情激 光 与 红 外 第 卷况。仿真计算结果显示：通过对 多种发射条件下的弹道仿真可以看出，在导引头无干扰的情况下落点偏差一般在以内，能够较为精准地命中目标。在 起始对 导引头持续有效干扰情况下，落点误差为几百米，能够有效保护重要目标；在 起始对 导引头持续有效干扰情况下，导弹落点误差在 以上，目标需要采取一定的措施。导引头在受到干扰后，平均 左右能够重新锁定目标，则落点误差在百米以上，可有效保护目标。表 不同状态下落点偏差表 发射高 干扰状态及落点偏差无干扰 起始持续干扰 起始持续干扰 起始 秒重新捕获目标 结论阳光反射作为自然界较为常见的自然环境干扰，空地成像设备在实际使用时无法完全规避。特别是人为的阳光反射干扰对空地成像设备的目标跟踪影响巨大。本文通过实测阳光反射干扰效应，并将阳光干扰效应图像合成注入空地成像设备，进而获取跟踪制导数据，最后将跟踪制导数据带入弹道计算模型的方法，分析了阳光反射对空地成像设备干扰最终影响情况。干扰效应测试结果、注入试验结果和落点计算结果表明，人为的阳光反射干扰不但影响设备成像质量，破坏目标稳定跟踪状态，还可能导致跟踪失锁及无法命中目标；即使人在回路介入再次捕获跟踪，受再次搜索锁定时间限制，空地成像设备仍有较大可能性无法命中目标。本文对空地成像设备抗阳光干扰算法改进和抗干扰能力评估具有一定的借鉴意义。参考文献：，（），（）邓传加，鲍珊 某型对陆攻击红外成像制导武器抗烟幕干扰试验研究 舰船电子工程，（），：（）邹汝平，陈士超，陈韵等 一种图像寻的空地导弹的制导控制方法 战术导弹技术，：，（）：（）李楠 烟幕干扰对红外成像导引头命中概率影响 激光与红外，（）：，（）：（）徐倩，陈咸志，白志刚，等 强阳光反射背景下红外舰船目标自适应分割 红外技术，（）：，（）：（）刘建永，沈均平，胡江华，等 对抗红外成像制导反坦克导弹的一种伪装方法 红外与激光工程，（）：，：（）李奕 气动效应及激光干扰红外导引头成像建模仿真研究 西安：西安电子科技大学，：，（）：（）周卫文，康美玲，周泽强 红外诱饵对成像制导导弹影响规 律 研 究 红 外 与 激 光 工 程，激 光 与 红 外 邹前进等阳光反射对空地成像设备干扰影响分析（）：，（）：（）王琦 红外探测设备抗阳光和海面亮带干扰试验设计 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