基于效能评估的战斗机末端光电对抗仿真

2021-10-22王立楠蔡楚瀚刘国生马榜马贤杰

航空学报 2021年8期

王立楠，蔡楚瀚，刘国生，马榜，马贤杰

1. 航空工业沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035

2. 中国航天科工集团八五一一研究所，南京 210007

效能评估作为衡量现代武器作战能力的一种研究手段，能进行对抗全过程的武器贡献度和作战效能的研究。同时未来的空战中也由传统的单一作战需求演化为体系化的多型武器协同作战。战斗机在作战过程中面临光电、雷达制导导弹等多种末端威胁，因此，需要加强战斗机末端对抗综合效能评估，为战斗机作战使用和末端无源干扰手段干扰效能优化提供有效技术指导。

效能评估仿真方法分为半实物仿真和全数字仿真两种。各有其优缺点，全数字仿真具有条件设置灵活、可重复性高、成本低等优点，但是有的系统很难建立起准确的数学模型，在仿真建模的时候必须要进行假设和简化，使仿真结果的真实性受到考验。而半实物仿真可以将建模困难的部分以实物直接参与，具有实现更高真实度的可能性，是仿真技术中置信水平最高的一种仿真方法。然而半实物仿真的成本也相对较高，且受硬件部分条件水平的限制[1]。

国外对光电对抗效能评估研究较早，位于美国得克萨斯州爱德华空军基地的飞行试验中心(Air Force Flight Test Center，AFFTC)，1958年就成立了AFEWS实验室。AFEWS的任务是“对国防部与盟友的红外对抗技术提供有效的和综合的测试，以增强飞机在战争中的生存力”。AFEWES可以认为是当前世界上最先进的红外对抗系统仿真平台[2-3]；以色列研发了一种红外场景生成器(Infrared Scene Generator,IRSG)，目标和诱饵弹用高温黑体和可控弧光灯产生，并用动态可调的中性滤光片(Variable Neutral Density Filter, VNDF)模拟目标与导引头距离变化与大气衰减的影响[4]；其他较完善的红外仿真软件还包括Lockheed Martin公司(英国)的CAMEO-SIM(光电合成环境仿真软件)，支持多处理器并行计算，精度可达32 bit；Davis公司(加拿大)的Ship IR/NTCS(海军舰船红外特征预测软件)；MultiGen Paradigm公司(美国)Vega Prime(实时3D视景仿真商用软件包)等。

国内黄建峰等提出了一种基于OSG的红外动态场景仿真系统[5]，包括目标与背景的几何特征模型、红外辐射特征模型、大气辐射传输模型、探测器光电转换模型、探测器噪声模型等，实现了一个参数可调的红外场景仿真系统；高辉等提出基于电阻阵列的红外场景生成技术[6]，主要通过对场景的建模、目标及场景的红外辐射特性模拟，通过红外图像转换器驱动电阻阵列产生红外辐射，实现更为逼真的红外仿真环境。目前国内在红外对抗仿真研究方面与西方国家仍有一定差距，主要在目标特性、红外场景研究等方面。由于针对光电对抗作战效能方面研究的需求，开展基于效能评估的战斗机末端光电对抗仿真研究。

本文通过建立告警决策干扰一体化仿真模型，从告警等级评估角度出发，进行威胁等级评估。利用反向蒙特卡洛方法分别对飞机、多点源诱饵、伴飞诱饵和面源诱饵的红外辐射特性进行计算分析，建立战斗机交战场景下的红外对抗场景，并进行无源干扰的干扰效能评估和使用策略分析。

1 效能评估模型

随着战场态势的复杂变化，战斗机所受光电威胁复杂多变，对抗与反对抗手段和技术的交替更新，需要建立战斗机末端光电对抗效能评估模型，通过实时有效地评估出告警威胁等级和排序，自适应地决策干扰策略[7-8]。

具体效能评估流程如图1所示。

图1 光电效能评估流程

告警等级评估能力要求，进行威胁程度评估和威胁等级排序，利用告警系统提供的威胁信息，对同类型威胁对象进行威胁程度评估，对所有威胁对象进行威胁等级排序。基本方法为确定威胁指标，求得威胁指标权重，综合得到威胁等级排序。

自适应一体化干扰决策能力要求，根据告警威胁等级信息，解算对应的干扰手段和干扰策略，需要比对威胁数据库，预测可能的威胁对象决策能力实现流程如图2所示。

图2 决策能力实现流程

告警决策干扰一体化从效能评估角度出发，作为一个对抗过程环节，是一个不完全信息动态博弈过程，即与告警系统的获取信息的能力有关，又涉及战场环境，作战任务等情况影响。需要对态势进行评估反馈，才能具备实时告警评估和干扰决策能力等。

态势评估是告警威胁等级评估和干扰效果反馈等各种战斗力要素当前状态描述和发展趋势的预测，评估结果直接影响干扰决策效能。

2 告警威胁等级评估

威胁评估就是根据战场敌我双方的态势推断敌方对我方的威胁程度、我方的弱点及可能采取的最佳行动, 为我方的决策、指挥提供支持。威胁评估所依据的前提是态势评估, 它是数据融合的组成部分之一[9]。

经典粗糙集是在研究不完整数据和不精确知识的表达运用中提出的。粗糙集优点：① 属于数据挖掘领域的一个基础性理论，能客观地挖掘出数据内部的信息；② 将数据通过一定的原则进行提炼，得出数据的内涵信息。

2.1 集对分析和粗造集理论的评估

建立基于集对分析和粗糙集理论的综合评估模型，通过选择未知威胁对象信号的多个属性指标，同时给出各属性指标的隶属度函数，然后在用熵值法确定各属性指标权重值的基础上，实现对未知威胁对象信号的威胁等级排序[10]。

2.1.1 建立评估对象

利用粗糙集理论，提出多属性决策问题背景Q=(U,A,W,X)，其中U=[x1,x2,…,xn]表示论域，即待判定的威胁对象；A=[a1,a2,…,an]表示影响威胁对象的属性指标集；W=[w1,w2,…,wn]表示属性指标的权重集，二者一一对应；X=[xkr]n×m表示决策矩阵，即威胁对象关于某项指标的量化值。则论域U和属性集A构成一个集对，问题背景Q即可描述为“所有待判定威胁对象的威胁等级与各属性指标之间的关联程度”。

针对属性集较多的问题背景，根据模型对其进行约简求核，可以约去不重要的属性指标，而后建立属性值指标的隶属度函数。

2.1.2 熵值法求权重

应用信息熵确定指标权重，即每个属性指标对不同威胁对象大小是通过权重大小体现的。具体方法如下：

为消除不同量纲对计算结果的影响，首先将决策矩阵[xkr]n×m转化为标准化矩阵[rkr]n×m来计算。

(1)

不同属性指标传输给决策者的信息熵集E=[E1,E2,…,Em]，各属性指标包含的信息量具体计算如下

(2)

依据信息论中相对熵的计算公式求权重集w=[w1,w2,…,wm]，即

(3)

2.1.3 联系度及威胁排序的确定

借助集对分析的思想，将论域分为同、异、反3个角度进行讨论，这里将决策矩阵X中量化值分为3个部分，因为为一个区间数，其中区间表示“确定能构成威胁”，对应于“同”；区间表示“不确定是否构成威胁”，对应于“异”；区间表示“确定不能构成威胁”，对应于“反”。因此，和威胁度1的集对关系的联系度可表示为

μ(xkr,1)=akr+bkri+ckrj

(4)

由联系度和区间数的运算法则，可得到每个待评价目标的加权平均威胁度：

(5)

此时其对应的联系度为μk=ak+bki+ckj。

然后根据准则相对贴近度的定义，计算目标与威胁程度最高之间的贴近程度，其计算公式为

(6)

由dk值的大小便可判断目标威胁程度的大小，值越大，威胁也就越大。

2.2 具体判定步骤

步骤1分析告警信息，理清楚威胁对象的指标参数值，与得到的信息比对分析。

步骤2确定分析目标即论域U，属性指标集A，写出混合决策矩阵X。

步骤4确定属性指标的权重区间，借助模糊语言和区间数的运算法则，计算待评价目标的加权平均威胁度区间数。

步骤5计算目标联系度μk，确定威胁贴近度dk的大小，判定所评估目标的威胁大小顺序。

3 飞机和末端干扰源的特性仿真建模

战斗机红外对抗仿真系统的组成如图3所示，主要包含3大模块：战斗机模块、机载红外诱饵模块和红外空空导弹模块。其中，战斗机模块包括战斗机运动模型和红外辐射模型，机载红外诱饵模块分别建立多点源、伴飞、面源诱饵红外辐射模型，红外空空导弹模块包括导引头目标识别模型、导引模型、控制模型和运动模型，最终以导弹的命中率评估导弹攻击的效果。

图3 红外对抗仿真系统总体框图

3.1 反向蒙特卡洛法基本原理

干扰特性计算采用基于波束分裂的反向蒙特卡洛法，该算法主要基于BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)反射概率模型进行计算，并通过像素映射与颜色映射计算得到飞机和末端干扰的干扰特性。

反向蒙特卡洛法(RMC)是在标准蒙特卡洛法(MC)的基础上发展而来的，其基本思想是将辐射传输过程分解为发射、吸收、反射等独立过程[11]，依据光路的互易性原理，从探测器出发按照实际辐射传输方向的反向计算辐射传输的路径，在遇到可能的吸收点时，按一定的概率随机决定该光线是否被吸收，若被吸收终止该光线的计算，并记录吸收点，计算其对辐射的贡献，若未被吸收则继续对该光线进行追踪，直至该光线被吸收或到达计算区域之外为止。

图4中以计算两次反射为例简要说明了基于波束分裂的反向蒙特卡洛法的基本原理，假设红外探测器在其视场内均匀向外发射Na条光线R1～RNa，则按照互易性原理，依据该Na条光线确定的传输路径的反向可以代表探测器接收到的Na条辐射路径。

图4 基于波束分裂的反向蒙特卡洛法基本原理示意图

图4中，光线R1与目标表面没有交点，不存在反射过程，但R1可能穿过诱饵燃烧形成的热气体，因此路径R1上存在气体的发射、吸收与散射过程。光线R2与目标表面存在交点A，在点A处部分被吸收，其余被反射，设点A对R2方向的入射光线吸收率为α，总反射率为ρ，对于不透明材料，根据能量守恒定律，有：

α+ρ=1

(7)

光线的反射过程可描述为空间各角度的概率分布，用于描述该概率的模型为BRDF模型

(8)

式中：L(θr,φr)为反射光线的辐射亮度；E(θi,φi)为入射光线的辐射能量；θi、φi为入射光线的俯仰角与方位角；θr、φr为反射光线的俯仰角与方位角；sr为立体角球面度，由于入射光线与反射光线采用的描述形式不同，式(8)存在单位sr-1。BRDF反射率的获取方式有两种，一是基于物理模型或经验模型进行计算，二是基于测量数据库。

按BRDF概率进行采样，可得到光线R2经点A反射后的nf条反射路径，如图4中的Rf1～Rf3所示，重复上述过程计算路径Rf1～Rf3的反射路径，以Rf2为例，其与目标2表面交于点B，按反射概率进行采样得反射路径。

以图4中的路径R2为例说明辐射的计算方法，路径上的辐射总量为

(9)

(10)

式中：nf为采样反射路径的数量；LRf(i)为第i条反射路径的总辐射，其计算方式可类比式(9)。由于采样方式为按概率采样，因此在统计各反射路径的辐射时，不需要按概率进行加权平均，而是取其算术平均值。

根据以上方法，首先确定有探测器发出的Na条路径及其反射路径，然后计算所有路径的辐射亮度，然后通过像素映射与颜色映射得到探测器视场内所有目标的红外图像，通过对所有光线按光谱进行统计可得探测器视场内目标的光谱辐射亮度。

3.2 飞机和末端干扰源的辐射特性建模与计算

3.2.1 飞机红外辐射特性

首先将飞机红外辐射分为排气系统辐射和机体辐射两部分，分别建立飞机排气系统和机体的红外辐射计算模型，求解飞机在零视距下的红外辐射亮度；然后考虑辐射传输路径上的大气衰减及探测器接收到的背景辐射，利用LOWTRAN7大气计算软件求解探测器视场内的目标和背景辐射亮度；最后将亮度值进行灰度量化，生成飞机的红外灰度图像，并根据所得图像求解飞机的红外辐射强度[12-14]。

飞机的红外辐射强度为

(11)

式中：ε为面元的发射率，工程上一般取值为0.9;c1与c2为辐射常数，c1=3.741 8×108W·μm4/m2，c2=1.438 8×104μm·K；T为机体面元的温度值。

设置飞行高度9 km，飞行马赫数Ma=0.8，采用以上算法计算机体xOy平面与yOz平面的机体辐射，如图5所示。

图5(a)与图5(b)分别是3～5 μm与8～12 μm 波段探测器位于不同方位时飞机的红外辐射强度，由图可知，飞机在以上两波段的后半球辐射均高于前半球辐射，尤其在3～5 μm波段，后半球的辐射强度显著大于前半球的辐射强度。3～5 μm波段飞机辐射的最大值出现在飞机上尾向与下尾向40°附近，8～12 μm波段出现在飞机上尾向与下尾向70°附近，两波段辐射最小值则出现在正迎头方向。

由图5(a)可知，机体可见性与探测角度的关系很大，当尾喷口暴露在探测器视场下时，机体在图像中不可见，否则可以显示微弱的机体辐射。这是由于在3～5 μm波段，机体的辐射非常小，而尾喷口辐射亮度很大，如表1中的最大辐射亮度列所示，此时机体辐射相对尾喷口辐射为极小值。

图5 探测器位于不同方位时飞机的红外辐射强度

表1 3～5 μm不同探测方位下飞机辐射计算结果

由图5(b)可知，与3～5 μm波段不同，无论尾喷口是否在机体视场中，机体图像均占主要部分，但尾喷口仍是亮度最大的辐射源，如表2的最大辐射亮度列所示，当尾喷口出现在探测器视场中时，最大亮度增大十分明显。

表2 8～12 μm不同探测方位下飞机辐射计算结果

3.2.2 末端干扰源红外辐射特性

1) 多点源诱饵红外辐射模型

多点源红外诱饵的烟火剂主要由镁粉和聚四氟乙烯组成，其中镁做为燃料，聚四氟乙烯做为氧化剂[15]。诱饵发射后，点火装置将其点燃，诱饵药柱立刻释放出大量的能量，使自身温度迅速上升，从而产生大量的红外辐射。因此，首先需要建立诱饵药柱的燃烧模型，对燃烧过程中温度的变化进行计算，并应用CFD计算药柱的绝热壁温度分布。然后，应用反向蒙特卡洛法，计算多点源诱饵的红外辐射，最终得到多点源诱饵的红外图像。

设载机水平飞行，飞行高度H=8 km。即飞行马赫数分别为Ma=0、Ma=0.4、Ma=0.8、Ma=1.2。则药柱发射后红外辐射强度变化如图6所示。

图6 多点源诱饵不同速度的辐射强度变化

随着诱饵初始运动速度的增加，诱饵的红外辐射强度均大幅下降，而3～5 μm波段的红外辐射下降较为明显。同时诱饵能达到最大红外辐射强度的时间均有所延长。

2) 伴飞诱饵红外辐射模型

伴飞红外诱饵在伴飞过程中，其发动机尾喷口喷射出大量的高温燃气，产生红外辐射。同时喷射出的高温气体加热了诱饵表面壳体，尤其是尾喷口附近的壳体受高温燃气的影响最大，温度最高。同时，诱饵在高速飞行过程中，诱饵机身和弹翼前端挤压空气，压力和温度均升高。因此，诱饵壳体也会产生一定的红外辐射。

本节首先建立诱饵壳体面源热平衡方程，分析空气压差对诱饵壳体的加热效果。然后，建立诱饵的火焰模型，研究火焰的燃烧温度和组分。最后，计算伴飞诱饵的红外辐射强度并应用反向蒙特卡洛法，获得探测器光线传输路径，得到伴飞诱饵的红外图像。

设载机水平飞行，飞行高度H=8 km。即飞行马赫数分别为Ma=0、Ma=0.4、Ma=0.8、Ma=1.2。则药柱发射后红外辐射强度变化如图7所示。

图7 伴飞诱饵不同速度的辐射强度变化

综上，随着伴飞诱饵初始运动速度的增加，诱饵的红外辐射强度均下降，而3～5 μm波段的红外辐射下降较为明显。

3) 面源诱饵红外辐射模型

① 运动模型

面源诱饵释放后受到空气动力、内作用力、随机因素等多种不确定因素作用，使得箔片的运动规律各不相同、杂乱无章，因此文中不去对每一个箔片的运动规律进行研究，将面源诱饵当做一个整体主要研究面源诱饵扩散后的形状、质心运动轨迹。其扩散方程如下[16]：

(12)

式中：CD为气动系数；S为迎风面积；ρ为大气密度；α为vD(t)与Oxgzg平面的夹角，vD(t)为t时刻的速度；β为vD(t)与Oxgyg平面的夹角。则可知诱饵的长短轴大小与速度的平方成正比，设

(13)

式中：vs为当地声速，vD

② 面源红外诱饵辐射模型

面源红外诱饵由许多箔片压制在一个密封筒内与空气隔绝，每一片箔片遇到空气自燃。箔片的燃烧时续时间一般在2～3 s之间，且温度维持在一定范围，不会像点源红外诱饵一样变化过快，同时它的温度也不会过高，其辐射特性更加接近被保护的载机。计算面源诱饵的红外辐射强度并应用反向蒙特卡洛法，获得探测器光线传输路径，得到面源诱饵的红外图像。

设载机水平飞行，飞行高度H=8 km。即飞行马赫数分别为Ma=0.8、Ma=1.0。则药柱发射后红外辐射强度变化如图8和图9所示。

图9 载机飞行Ma=1.0时面源诱饵辐射强度

由图8和图9中的仿真可知，yOz平面的辐射强度明显大于xOy平面。由于两枚面源诱饵的初始位置分别位于机翼两侧，因此其扩散后的红外图像在xOy平面内存在很大的重合，最终造成其辐射强度的减小。同时，Ma=0.8时面源诱饵的辐射强度与Ma=1.0时基本一致，说明气动加热与对流散热产生的热量增量基本抵消。

4 光电对抗效能评估

4.1 告警威胁等级评估

利用前面建立的告警等级评估模型，对未知威胁对象进行威胁等级排序。采集不同类型威胁对象的特征属性，理清楚威胁对象的指标参数值得到决策矩阵X，如图10所示[9]。

图10 威胁等级决策矩阵[9]

确定属性指标的权重区间，借助模糊语言和区间数的运算法则，计算权重系数，如图11所示。

图11 简约值和权重系数计算

计算目标联系度μk，确定威胁贴近度dk的大小，判定所评估目标的威胁大小顺序，如图12所示。

图12 告警威胁等级评估和排序

利用该方法能有效地进行多个威胁目标的等级分析，大类别的威胁等级分类，以及整体的威胁排序。为战斗机末端光电对抗效能评估提供无源干扰策略的实施依据，能自适应决策出需要实施的干扰策略。

4.2 末端红外对抗场景评估

4.2.1 多点源诱饵红外场景仿真评估

根据前面建立的多点源和飞机辐射模型，仿真多点源发射后的红外场景图，同时仿真中的红外图像均进行了灰度量化处理[17-19]。设飞机飞行高度8 km，飞行马赫数Ma=0.8，探测器与飞机高度相同，距离飞机3 km。仿真多点源诱饵在3～5 μm波段的红外图像如图13所示。

图13 战斗机投放多点源诱饵在导引头视场内红外场景

由仿真图像可知，飞机飞行马赫数Ma=0.8时，机身的红外辐射较弱灰度值较低，尾喷口和尾焰的灰度值较高。多点源诱饵发射后0.4 s内红外辐射强度较低，灰度值较暗。0.6 s以后诱饵能够产生足够的辐射强度，图像特征明显。

4.2.2 伴飞诱饵红外场景仿真评估

根据前面建立的伴飞诱饵和飞机辐射模型，仿真伴飞源诱饵发射后的红外场景图，同时仿真中的红外图像均进行了灰度量化处理。设飞机飞行高度8 km，飞行马赫数Ma=0.8，探测器与飞机高度相同，距离飞机3 km。仿真伴飞诱饵在3～5 μm波段的红外图像如图14所示。

图14 战斗机投放伴飞诱饵在导引头视场内红外场景

由仿真图像可知，飞机飞行马赫数Ma=0.8时，机身的红外辐射较弱灰度值较低，尾喷口和尾焰的灰度值较高。伴飞诱饵发射后0.2 s内红外辐射强度较低，灰度值较暗。1.0 s以后诱饵能够产生足够的辐射强度，图像特征明显。

4.2.3 面源诱饵红外场景仿真评估

根据前面建立的面源诱饵和飞机辐射模型，仿真面源源诱饵发射后的红外场景图，同时仿真中的红外图像均进行了灰度量化处理。设飞机飞行高度8 km，飞行马赫数Ma=0.8，探测器与载机高度相同，距离飞机8 km。仿真多点源诱饵在3～5 μm波段的红外图像如图15所示。

通过对战斗机和末端干扰源的红外辐射特性计算分析，模拟导引头视场内的红外对抗场景变化特征，分析时序下各型诱饵在战斗机投放后干扰特性，以及对战斗机红外辐射特性的遮挡、融合等图像特征。

利用反向蒙特卡洛法对战斗机和各型诱饵的干扰特性进行特性计算、红外对抗场景，高效准确地模拟计算与分析，其特点降低红外辐射计算量并能准确模拟不同来袭方位、不同速度等条件的红外辐射强度变化规律，为后续红外对抗效能评估提供目标特性模型和研究基础。

4.3 末端对抗效能评估

4.3.1 多点源诱饵干扰效能评估

通过多点源诱饵的建模仿真，在多个导弹攻击态势下，采用多发齐射或多方位齐射时，可迅速在一定空域形成红外高辐射区，并在导引头瞬时视场内形成持续的多个干扰源，将目标信号淹没，导引头就必须处理多组脉冲信号，降低了导引头检测目标的概率，红外导引头即使启动了抗干扰措施，但因探测器的噪声几何级数增大，而难以提取有效的制导信号，从而起到保护飞机的作用。

4.3.2 伴飞诱饵干扰效能评估

通过伴飞诱饵的建模仿真，在多个导弹攻击态势下，伴飞诱饵在投放过程中，需要发挥其运动特性的干扰特性，需要干扰目标和干扰弹容易拉开的交战场景中，通过组合投放伴飞诱饵，能有效地在导弹工作时间内持续形成干扰源，并且迷惑导引头因运动特性差异的抗干扰能力。通过不同的投放方式(如连续投放、多方位投放等)，能有效破坏制导系统的正常跟踪。

4.3.3 面源诱饵干扰效能评估

通过面源诱饵的建模仿真，在多个导弹攻击态势下，释放多枚面源诱饵将加大面源诱饵的辐射区域，在面源诱饵下降过程中将大大延长面源诱饵的辐射与飞机辐射重合阶段的时间。当重合时间大于导弹的抗干扰周期时，导弹退出抗干扰状态同时选择重合时的像点为目标并记忆目标幅值，当飞机与面源诱饵脱离时，因为面源诱饵的幅值特性更接近于导引头记忆的幅值，导引头会选择面源诱饵为目标继续跟踪从而造成导弹脱靶。释放多枚面源诱饵增加了面源诱饵的图像区域，更有益于与飞机的图像重合，因此干扰效果更好。