总第197期 2010年第11期 舰船电子工程 Ship Electronic Engineering Vo1.30 No.11 162 光学侦察卫星对迷彩伪装目标的威胁评估研究 刘承承李少凯张中华 430012) (第二炮兵指挥学院武汉摘要对侦察带来的威胁进行评估具有一定的特殊性,即必须将侦察与伪装两者充分结合起来考虑,不能简单孤立 地只考虑侦察或只考虑伪装。针对光学侦察卫星对迷彩伪装目标带来的威胁,在综合考虑卫星的侦察能力、目标的迷彩伪 装能力和客观环境的基础上,提出了一种新的评估模型。能够避免以往评估方法中主观因素带来的影响。仿真结果与侦察 实践基本一致。通过仿真分析,得到了卫星的地面分辨率、云量、目标尺寸以及迷彩伪装与背景相似度等因素对威胁度的影 响关系。可以为指挥员决策提供数据支持,为迷彩伪装的设计和使用提供依据。 关键词威胁评估;光学成像卫星;迷彩伪装;数学模型 E917;E951.4 中图分类号Evaluation Study on the Threat of Optical Reconnaissance Satellite to Camouflage Target s Liu Chengcheng Li Shaokai Zhang Zhonghua (The Second Artillery Command College,Wuhan 430012) Abstract Evaluation on threats brought out by reconnaissance has some specia1 nature,which means that both recon— naissance and camouflage should be considered together rather than separately.A new evaluation model on the threat of opti— cal reconnaissance satellite to camouflage targets was raised out based on the integra1 consideration of reconnaissance capabili— ty of satellite,camouflage capability and objective environment.Using this new model,the simulation result was consistent with reconnaissance practice which avoided the influence causing by subjective factors.By simulation analysis,effect of fac— tors such as ground resolution,cloud COVer,target size,camouflage and background similarity on threat level was gained, which could provide data support in commanders’decision making as well as in the design and usage of camouflage. Key Words threat assessment,optical imaging satellite,camouflage,mathmatical model Class Number E917;E951.4 1 引言 卫星侦察是主要的战略侦察手段,随着实时性 的提高也逐渐用于战术侦察。卫星侦察带来的威 胁主要是目标的暴露进而导致作战部署、作战意图 的暴露。所以对光学侦察卫星带来的威胁做出合 理准确的评估具有重要意义。目前对于威胁评估 威胁评估的研究理论和方法主要有:贝叶斯推理、 D-S证据理论、模糊推理、多属性决策理论、灰色理 论等等。这些理论和方法有着共同的特点,即都是 不确定性推理理论。利用不确定性的信息,对威胁 度做出合理的评估。这些理论和方法可以分类为 定性与定量相结合的方法,之中不可避免的加入主 观因素的影响。 的研究主要集中在了多传感器数据融合领域。研 究对象主要集中于空战平台或地面防空系统受到 对侦察带来的威胁进行评估有一定的特殊性, 即必须将侦察与伪装两者融合起来考虑,并不能简 单孤立的考虑侦察能力和伪装能力。如何表征侦 的空中目标带来的威胁,对侦察威胁鲜有研究。对 *收稿日期:2010年6月1 13,修回日期:2010年7月10日 作者简介:刘承承,男,硕士研究生,研究方向:电子信息系统,目标威胁评估。 2010年第11期 舰船电子工程 察能力和伪装能力成为侦察威胁评估问题的关键。 文中以光学成像侦察卫星识别目标的概率来表征 侦察能力,以采取迷彩伪装后目标未被识别的概率 来表征伪装能力,结合实际情况提出一种客观的定 迷彩伪装条件下,目标与背景的对比度、斑点相似 性等对识别概率是有重要影响的,而带来的影像实 际上也是伪装能力的表征。所以站在被侦察的角 度,考虑一些既可操作性强又对威胁评估带来重要 影响的因素,提出光学成像卫星识别目标概率的改 进模型,为: 量计算模型。该模型综合考虑了侦察卫星的性能、 重要目标的伪装能力和天候条件对威胁度带来的 影响。 2侦察威胁评估模型 根据实际情况,在侦察威胁评估模型中综合考 D 虑侦察能力和伪装能力,引入两者之比ZR/H一 。 』h 经过分析可知,一般情况下ZR H越大,威胁度T就 越大;反之ZR/H越小,威胁度丁越小;当Z尺/ 一1, 则应该有威胁度丁一0.5,即当侦察卫星的侦察能 力与目标的伪装能力相当时,威胁度是中值。建立 如下评估模型: 丁一1--exp(--0。6931・Z /H) (1) 式中,丁表示威胁度, 表示侦察能力, 表示反 侦察能力。为了保证两者的可比性,在这里,侦察 能力用光学成像侦察卫星识别目标的概率来表征, 反侦察能力则用采取反侦察措施后未被识别的概 率来表征。 (a)71 与 酌关系 关系 (b)71与 的关系 ( )c) r与 q关系 关系 图1威胁度丁 3光学成像卫星侦察能力模型 以发现目标概率为指标,表征光学成像侦察卫 星的侦察能力。影响光学侦察卫星探测目标的主 要因素包括:卫星的轨道高度、倾角、探测方式、幅 宽(对应空间分辨率)、重访间隔(对应时间分辨 率)、太阳高度角、气象(云层等)、目标区域(范围、 形状)等[3]。文献[1,4]中参照美国和前苏联给出 的经典目标识别程度与地面分辨率的关系,建立了 光学成像侦察卫星识别目标概率的计算模型。可 以看到该模型是基于作战使用的角度提出的,即使 用己方侦察卫星侦察目标时的探测概率。但是在 P 一f e}m而e47s-brg (2) 式中:s为目标特征尺寸,单位为m;b为目标形状 修正因子,依据目标外形是否易于判定目标属性来 确定,如果目标形状特殊,6=1,如果目标形状易混 淆,6—2, 为卫星地面分辨率,单位为m; 、厶 分别为太阳高度角、气象对识别目标的影响因子。 3.1卫星地面分辨率 分辨率是指在影像中,将两个物体分开的最小 距离。地面分辨率是对光学成像侦察卫星对地面 目标观测精度的描述,表示在像元可分辨的极限条 件下,像元对应的地面空间尺度。分辨率越低,对 地面目标的分辨能力越高,即看的越清晰。根据经 验,可以得出识别各类军事目标所需的照片地面分 辨率。比如,在照片上发现一个港口,所需要的分 辨率为30m,识别是15m,确认6m,描述则需要 3m;而要发现一架飞机,则所需要的分辨率为4m, 识别是1.5m,确认0.9m,描述需要0.15m。 地面分辨率受影像分辨率和成像比例尺的影 响 引,为: 厂g一 1 (3) 式中,3}为影像分辨率,C为成像比例尺,可由式(4) 计算得到。 c=J/H (4) 式中,.,表示相机的焦距,H表示卫星运行高度。 文献[2]中给出了地面分辨率的具体算例。 3.2太阳高度角影像因子 对可见光成像侦察而言,制约成像效果最直接 的因素是太阳高度角,也就是卫星在目标区域上空 拍照的地方时刻[3]。太阳高度角可由下式计算: si —sin i +co cos&os (5) 式中: 为A点的纬度; 为太阳赤纬(太阳光与赤 道面的夹角);t为太阳时角(地方时)。太阳高度角 受季节和时间的影响,正午时太阳高度角最大。 一般认为,在目前的技术水平下,当侦察区域 内的太阳高度角 30。时可进行详查照相,当太阳 高度角 15。时可进行普查照相。对于电视侦察, 164 刘承承等:光学侦察卫星对迷彩伪装目标的威胁评估研究 总第197期 太阳高度角h>5。时就可进行 。借鉴文献[2]中 侦察时间对侦察效果的影响,可以简单的用分段函 指标(色度坐标,二维)、斑点的尺寸值[引。借鉴文 献[5]中利用目标的特征空间与背景的中心特征向 数来描述太阳高度角影响因子: f0.95, >30。 f:::j 0.65,15。<h ̄30。 1【0.35, 5。< <15。 0, 5。 3.3气象影响因子 光学成像卫星对地面目标成像时,光线要穿过 大气层,成像质量直接受大气层中云量的影响,云 层厚度增加,成像质量会迅速下降。1984年,美国 挑战者号航天飞机利益光学相机对陆地和海洋进 行拍摄,航天员发现,地球表面约7O 9/6被云层覆 盖,云层覆盖低于15 的图像约占图像总量的 28.6 ,从该例子可以看到云层的影响是很严重 的[7]。因此考虑气象对侦察能力的影响是必要的。 为了便于分析,对云量分级,建立云量等级及 其对成像效果的影响间的映射,即一定云量等级与 目标暴露特征可信程度之间的定量关系。云量分 O~8级,0级为“万里无云”,8级为“乌云密布”,则 云量影响的效用函数[1]为: (7) 式中, 为云量等级。为了准确评估云量带来的影 响,必须仔细地收集云量统计资料。对于我目标区 域,一年中的某一季度,甚至某一天中的某一刻,统 计资料都必须真实可靠。 4 目标迷彩伪装能力模型 目标不是孤立的,而是存在于背景之中,因此 相机收集到并保存的结果是目标及其背景景物的 光反射、发射以及大气的光反射、散射、投射和吸收 综合作用的结果。相片中目标与背景之间在亮度、 斑点颜色、形状、大小等方面的对比差别是判读识 别目标的基本依据。人眼在识别物体时对比度很 重要,目标与背景对比度越强,成像越清晰,越容易 辨认,反之图像边缘模糊,难以辨认_4]。迷彩伪装 的原理和目的就是消除目标与背景之间的差异,即 降低对比度或者说增加相似度使目标与背景融为 一体,则对目标与背景对比度的消减作用就是其伪 装能力的主要表征。这里借用目标与背景的相似 度的概念来考虑迷彩伪装能力。 结合可见光侦察原理归纳出三个具有代表性 的迷彩伪装能力指标:斑点的反射率、斑点的颜色 量之间的欧氏距离评价伪装器材伪装效果的方法, 建立迷彩伪装能力模型。 假设通过检测,获得了咒个某一背景类型(如 林地类)的斑点B ( 一1,2,…, ),对于每个斑点, 提取S个特征向量指标,则第i个斑点的S个特征 向量可记为: V 一L , ,…, ]1 (8) 那么, 个斑点的特征向量就构成了背景斑点 特性的特征空间。通过求平均得到特征空间的中 心向量 一[ , z,…, ] 。在这里还要计算该特 征空间中各特征向量指标的标准差 ,0"2,…, ,后 面伪装效能函数的确定还要依据特征向量指标的 波动性。 第i个斑点的第J个特征向量 ;与对应的中 心特征向量 ,的欧氏距离为L5]: 一 ( ;, )=二、 ( 1,2,…, ) (9) 1 一 一 定Y-N定相似程度的尺度为di=== ∑ ,(~ i—i 一1,2,…,s)。 假设我们得到迷彩面 个斑点的特征空间, 其中第k个斑点的S个特征向量为P 一[ ,Pl, …, ] ,它与背景的中心向量 的第J个特征向 量72,的欧氏距离为: D 一D( , )-=V( 一 )。 ( 一1,2,…,S; 一1,2,…,m) (10) 对迷彩面斑点的第 个特征,我们选择其与中 心向量最大的欧氏距离D,=max{ ) ( 一 1,2,…,s),作为判定迷彩面与背景相似度的变量。 利用前面得到的相似度判定尺度和欧氏距离 变量,结合背景斑点各特征向量指标的标准差,得 到迷彩伪装第 个特征向量与背景的相似度为: f 1, < 一 ,(D..)z ( 一1,2,…,s) (11) l 一 ,D, 从图2中可以看出,背景斑点的特征向量指标 的波动性对 影响较大。这是由于迷彩伪装效果 的优劣(即与背景相似度的大小)依赖于目标所处 具体背景的特性。背景斑点特征向量指标的波动 性越小,说明各斑点之间的差异越小,这对伪装与 背景相似性的要求就会越高,当迷彩面各斑点间的 差异增大会导致与背景中心向量的欧氏距离变量 增大,此时伪装效果剧烈降低。这是符合客观规律 2010年第11期 舰船电子工程 的,比如一片同树种均匀种植的树林作为背景,其 斑点特征向量指标的波动性较小,迷彩伪装在各特 0.4454,采取迷彩伪装B时的相似度为0.4231,受 到的威胁度为0.7517。显然迷彩伪装A受到“大 鸟”侦察卫星的威胁小于迷彩伪装B的,该结果和 征向量指标上略有不同就会很容易被发现。相反, 背景斑点特征向量指标的波动性越大,说明背景斑 点的“包容性”越强,对迷彩斑点的要求降低,当欧 氏距离增大时,伪装效果降低较慢。当然,背景斑 点特征向量指标的波动性不会无限的增大,这是不 合客观规律的。当D < 时,说明斑点的第J个特 文献[5]中的结论是一致的。 征向量指标与背景相应的中心特征向量指标近乎相 似,在模式识别理论中可以将其归类为背景,如果迷 彩斑点的S个特征向量指标的欧氏距离都小于对应 的判定尺度,那么认为该迷彩伪装将目标完全融于 背景当中。但是,如果有一个D 远大于 ,,那么在 判读时,将会是很明显的暴露征候,相似度受该特征 向量与中心向量欧氏距离的约束,所以有: F^一一1,2.…min{, 。 ) (12) 图2第J个特征 图3未被识别 的相似度 概率 经过分析可知,当迷彩伪装与背景相似度增大 时,显然两者之间的对比度较低,此时它对目标的 未被识别概率 起主导影响作用,也就是说如果 迷彩伪装效果非常好时,卫星识别目标的概率Pr 对目标的未被识别概率P 的影响较小;当迷彩伪 装与背景相似度降低时,两者之间的对比度增大, 此时 对P 的影响起主导作用,也就是说伪装效 果差的时候伪装的作用显现不出来,未被识别概率 受约于侦察能力即P 一1一P,。所以有: P^一1一P,+P,・ (13) 5仿真及结果分析 仿真中选用文献[5]中林地背景和迷彩伪装的 特征向量数据,这里不在赘述。目标长15m,宽 4m。选取美国“大鸟”侦察卫星为例[ ,卫星飞行 高度160km,相机焦距2.44m,携带胶片的影像分 辨力1801p/mm。假设在万里无云,太阳高度角h 三三=30。的情况下卫星临空,通过仿真计算得到该光 学侦察卫星对目标的识别概率为0.9224,采取迷 彩伪装A时的相似度为1,受到的威胁度为 分辨率(m) 目标尺寸(m) (a)分辨率与 (b)云量对威 (c)N标尺寸对 威胁度的关系 胁度的影响 威胁度的影响 图4影响因素与威胁度的关系 从图4(a)中可以看到,随着卫星分辨率的降 低,给目标带来的威胁度减小。卫星的分辨率在一 定的阈值下变化时,对目标的威胁度变化缓慢,而 当超过某一阈值时,对目标的威胁度会迅速降低。 这是由于随着分辨率降低卫星识别目标的概率会 迅速减小,从而导致威胁度变化幅度大。从图4 (b)中可以看到,随着云量的增加,卫星带来的威胁 度逐渐降低,所以利用多云或阴天等云量大的天气 可以有效降低威胁度。从图4(c)中可以看到,在同 一分辨率下(仿真采用5m分辨率),随着目标尺寸 的增大,卫星带来的威胁度会迅速增加。所以目标 小型化也可以有效降低侦察卫星带来的威胁。此 外,从以上三幅图中中还可以看到,对于同一目标, 不同的伪装效果对卫星威胁度的影响是明显不同 的,可以看到卫星对迷彩伪装A的威胁度明显低 于迷彩伪装B。所以在迷彩伪装网的设计和使用 时应该充分考虑到背景的特性,尽量增大与背景的 相似度。 由于背景因地而宜、因时而宜,可以采取 增大迷彩伪装“分辨率”的方法,即设计多种迷彩伪 装网斑点特性,以缩短同一迷彩伪装网在某一地域 的使用时长,这样就可以使迷彩伪装不断适应变化 的背景,以降低光学侦察卫星带来的威胁。 6 结语 在对侦察威胁进行评估时应该综合考虑侦察 能力、伪装能力以及客观环境的影响。本文站在被 侦察的角度,综合评估光学侦察卫星对迷彩伪装目 标带来的威胁。选取已有的数据进行了仿真,通过 对仿真结果的比较,验证了模型是正确有效的。通 (下转第175页) 2010年第11期 舰船电子工程 了降阻剂后,可以起到增大接地极外形尺寸,降低与 仅是对其中的几种重要的因素进行了分析并提出 其周围大地介质之间的接触电阻的作用,因而能在 一了一定的解决方案。因此在确定降低高土壤电阻 率地区接地电阻的具体措施时,应根据当地原有运 行经验、气候状况、地形地貌的特点和土壤电阻率 的高低等条件进行全面、综合分析,通过比较来确 定,因地制宜地选择合理的接地方法。这样,既可 定程度上降低接地极的接地电阻l7]。降阻剂用于 小面积的集中接地、小型接地网时,其降阻效果较为 显著。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻 剂,是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些 强电解质和水分被网状胶体所包围,网状胶体的空 格又被部分水解的胶体所填充,使它不致于随地下 水和雨水而流失,因而能长期保持良好的导电作用。 这是目前采用的一种较新和积极推广普及的方法。 保障设备的正常运行,又可避免使用年限过短的现 象。 参考文献 6)采取伸长水平接地体。结合工程实际运 用,经过分析,结果表明,当水平接地体长度增大 [1]赖世能,慕家骁.通信系统防雷接地技术[M].北京:人 民邮电出版社,2008 时,电感的影响随之增大,从而使冲击系数增大,当 接地体达到一定长度后,再增加其长度,冲击接地 电阻也不再下降。 一[2]陈家斌.接地技术与接地装置[M].北京:中国电力出 版社,2002 [3]何金良发变电站接地系统的季节系数分析[J].高压 电器,2003,39(3):1~3 般说来,水平接地体的有效长度不应大于接地 体的有效长度。根据土壤电阻率确定如表2所示_7]。 表2在不同土壤电阻率下的水平接地体有效长度 [4]孙为民.季节因素对发变电站地表高阻层安全效果的 影响[J].中国电力,2000,33(1):62 ̄64 [5]李景禄.接地降阻应用及存在问题分析[J].高电压技 术,2004,30(3):65 ̄68 土壤电阻率(Q・m) 500 1000 2000 水平接地体有效长度(m) 30440 45 ̄55 60 ̄80 7)采取深井接地。有条件时还可采用深井接 地。用钻机钻孔(也可利用勘探钻孔),把钢管接地 极打人井孔内,并向钢管内和井内灌注泥浆。 [6]赖世能,慕家骁.通信系统防雷接地技术[M].北京:人 民邮电出版社,2008 [7]李景禄.接地装置的运行与改造[M].北京:中国水利 水电出版社,2005 5 结语 防雷接地的设计受各种因素影响较大,本文仅 3 留 尉 堂 2 e 甜 甜 E Es]中华人民共和国国家标准,建筑物防雷设计规范 GB5O057—94(2000年修订版)[M].北京:中国计划出版 社,2o01 一 、’ 、、 。~ 。 、 、 c 、 , 、 , 一 、 。 、、 (上接第165页) 过探索性仿真,得到了光学侦察卫星对目标构成威 胁的主要影响因素,以及这些因素与威胁度之间的 [2]黄河,吕瑛洁.光学成像卫星发现目标概率的计算方法 及仿真分析[J].光电技术应用,2007,22(4):21 ̄24 [3]吴炜琦,张育林.光学侦察卫星的目标探测概率分析 [J].国防科技大学学报,2006,28(4):14 ̄17 [4]沈如松.航天装备体系需求分析与评价方法研究[D]. 国防科技大学,2006 关系,其结果与侦察实践基本一致,可以为解决光 学侦察卫星过顶威胁的虚警或漏警问题提供科学 依据,为指挥员提供决策支持。特别是迷彩伪装中 迷彩斑点的颜色、亮度、大小等对威胁度的影响,可 为伪装的设计和使用提供依据。 参考文献 [5]许卫东,唐建宁,等.一种基于欧氏距离的伪装器材性 能评估模型口].解放军理工大学学报,2001,2(1):744 76 [6]王友军,胡江华,等.一种基于马氏距离的伪装器材性 [1]沈如松,宋贵宝,等.成像侦察卫星识别目标能力分析 [J].系统仿真学报,2006,18(2):34 ̄37 能评估模型[J].光电技术应用,2006,21(2):71 ̄73 [7]胡世祥.航天气象学[M].北京:国防工业出版社,2002