舰船目标毁伤特征及其在打击效果评估中的应用

舰船目标毁伤特征及其在打击效果评估中的应用

戴荣1徐廷学2逯程2

（1.海军装备技术研究所北京102202）（2.海军航空工程学院兵器科学与技术系烟台264001）

海上运动目标的打击效果评估受现有技术条件的限制，尚处于理论研究阶段。阐述了舰船目标的物理、光学和电磁散射特性，在此基础上分析了舰船毁伤特征，探讨了各类毁伤特征在武器装备打击效果评估中的应用。

目标特性；毁伤特征；打击效果评估；图像；雷达散射截面；电磁信号

Class NumberTP391

1 引言

在现代海战中，舰船会受到全方位的攻击，造成不同程度的损伤。及时准确地评估舰船遭受打击后的毁伤程度，是决定后续作战计划所必须进行的工作。目前对建筑、桥梁、机场等地面固定目标的打击效果评估方法已经较为成熟，而海上舰船受环境和气候影响较大，机动性强，打击效果评估的实施比较困难。随着信息化战争中高技术手段的应用，各种信号信息、雷达成像、光学成像和红外成像传感器能实时获取大量情报，使得舰船目标的打击效果评估成为可能［1］，但如何从海量情报中提取舰船的毁伤信息进行打击效果评估仍是需要解决的重大问题。针对这一问题，本文阐述了舰船目标特性，在此基础上分析了舰船毁伤特征，并对毁伤特征在打击效果评估中的应用进行了探讨。

2 舰船目标特性

目标特性是目标自身具有、彼此相对独立的内在属性和外部运行规律。对于舰船目标特性的研究有助于在复杂的战场环境中检测与识别舰船，满足不同层次的作战需求。同时，目标特性的变化也反映了目标的毁伤状况。要分析舰船的毁伤特征，首先需要了解舰船目标固有特性。舰船的物理结构和舰船在光波、电磁波作用下产生的响应特征，统称为舰船目标特性。

2.1 物理特性

舰船是人造刚体目标，主要由钢、铝合金等材料组成，除航母外，多呈轴对称结构，一般为舰首较尖的狭长形状。舰船上装载了各种复杂的电子设备和武器系统，根据作战使命的不同，上层建筑的结构也有所差异。舰船或停靠在港口码头，或行驶在海面上，靠岸时通常与码头岸线平行［2］，行驶时的航速、航向、航迹和姿态等也是舰船的重要特征。

2.2 光学特性

舰船的光学特性可以由舰船在光学图像中的特征来表现。舰船图像特征是指舰船图像中可用作标志的属性，法国国家发展研究院（IRD）将图像中所有可用于描述舰船的特征概括为统计、形状、纹理及其他特征四类［3～5］。

1）统计特征：均值、方差、偏斜度、最大值。

2）形状特征：面积、周长、长宽比、转动惯量、对称度、矩特征、密实度。

3）纹理特征：基于灰度共生矩阵提取的纹理对比度、纹理熵等特征。

4）其他特征：位置相关性和尾迹等特征。

利用这些特征可以实现舰船目标提取与识别。舰船为金属壳体，能反射太阳光产生辐射，舰体红外辐射的峰值一般在远红外区，红外图像上的舰船具有一定的长宽比和占空比。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的辐射力与其绝对温度的四次方成正比，因此，温度和发射率决定着舰船的红外辐射强度［6］。烟囱、锅炉、上层建筑等部位温度较高，这些地方所成像素点的灰度值要高于其他像素点。

2.3 电磁散射特性

雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量舰船电磁散射特性的重要参数。RCS定义为：单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍。即

式中：R为接收机到目标的距离；Er为雷达接收的回波信号的电场强度；Ei是入射到目标的电场强度。舰船的几何外形特点决定了其电磁散射特性，上层建筑和桅杆是主要的散射体，在舰首、舰侧和舰尾方向达到局部散射的极大值［7］。

3 舰船目标毁伤特征

在受到打击以后，舰船的固有特性受到破坏，外观、结构和姿态等发生的变化会引起舰船在图像、雷达上特征的改变，舰船电子系统的破坏也会引起其电磁信号的变化。对于舰船目标毁伤特征的分析是提取其毁伤信息的依据，是判定其毁伤状况的基础。

3.1 结构毁伤特征

舰船遭受打击以后，首先发生变化的就是外形结构。在挪威反舰导弹“企鹅”对“豪奇森德”的打靶实验中，打靶毁坏处在舰首，舰桥、烟囱和桅杆被炸掉，甲板和舱下受到严重破坏，舰首的炮架从基座上升高，右舷被炸开一个大洞，裂缝延伸到吃水线以下。可见，反舰武器的爆炸作用会给舰体造成大面积破损，形成破洞和变形，严重的还会炸掉部分舰船结构（如舰首、舰尾），造成部位缺失［8］。这些结构变化体现在打击前后图像上就是几何特征和纹理特征的变化。

1）几何特征

舰船目标可以看成是由许多线性体构成，呈现某种偏正态分布，遭到打击后，这种分布形式会发生变化，并且不同类别、不同破坏程度的线性体分布图形会呈现有规律的变化，反映在图像上的变化特征有长宽比、密实度和归一化转动惯量等。

（1）长宽比。长宽比是舰船的一个重要特征，可以根据最小外切矩形求得舰船长宽比，舰船长为最小外切矩形的长，宽为最小外切矩形的宽。

（2）密实度。密实度表征目标的紧凑程度，描述目标像素空间分布的聚合程度，定义为

式中：L为舰船周长，用目标区域边界像素点的个数表示；S为舰船面积。密实度数值越大，目标形状越不紧凑。

（3）归一化转动惯量。二维m×n灰度图像的质量可定义为该图像所有灰度值之和，记为M，则

图像重心记为() xˉ，yˉ。

图像绕其中任一点(x0，y0)的转动惯量J(x0，y0)可定义为

由此可以给出图像二值图像绕重心的归一化转动惯量的提取公式［9］：

2）纹理特征

纹理特征体现了目标表面共有的属性，包含了结构组织排列的重要信息。基于灰度共生矩阵的纹理统计量能充分利用灰度空间信息［10］，可用于描述舰船毁伤的纹理特征主要有对比度、能量、相关性、熵等：

对比度（反映了图像的清晰度和纹理沟纹的深浅程度）

能量（反映图像灰度分布的均匀程度和纹理粗细度）

相关度（度量图像纹理局部变化的大小，纹理越规则值越大）

式中：i、j为灰度；P() i，j;d，θ为在两个在θ方向上，相互距离d，灰度值分别为i和j的像元在图像中出现的概率。

可以通过变化检测，对打击前后目标的几何特征与纹理特征进行对比，根据这些特征参量变化的程度判断舰船毁伤程度，变化越大，毁伤越严重。

3.2 烟火毁伤特征

反舰武器也可能会引燃舰船，造成起火爆炸，产生大量烟火信息。1982年，英国驱逐舰“谢菲尔德”号在马尔维纳斯群岛附近海域被1枚“飞鱼”导弹击中，船上发生了严重的火灾，从一些资料图像上可以看出，“谢菲尔德”号破损处浓烟滚滚，该舰约三分之一部位陷入火海，火灾使甲板在高温下弯曲变形，加重了舰船毁伤［8］。

熵（表示图像中纹理的非均匀程度或复杂程度）

舰船如果发生起火爆炸，白天可以看到烟雾，夜晚则可以看见火光等信号。光学图像上的浓烟会遮挡住舰船，影响变化检测的结果。SAR图像和红外图像则不会受烟雾信息的影响。在起火爆炸的地方温度明显升高，其红外辐射也相应增加，表现在红外图像上就是该区域灰度值的升高。当舰船被命中发生爆炸时，外形改变也会使得RCS发生变化。

3.3 电子系统毁伤特征

舰船被命中后，其通信、雷达等电子系统可能受到损伤而失去功能。“谢菲尔德”号被“飞鱼”命中20min以后，军舰的操纵、电子设备和武器系统严重受损，无法使用，舰船正常状态下的电磁信号特征也就发生了改变，出现信号变弱或者中断等情况［8］。舰载通信、雷达系统的毁伤主要表现为电磁信号持续时间和信号强度的改变。

3.4 运动状态毁伤特征

如果舰船动力系统受到损坏，会引起运动状态的改变，如航路不规则，航速不稳定等，严重的会导致舰船丧失航行能力。反舰导弹、鱼雷等如果命中吃水线附近，给侧舷造成的破口会导致舰船进水，发生倾斜甚至沉没。例如，1987年美国护卫舰“斯塔克”号被伊拉克飞机发射的两枚“飞鱼”导弹击中，命中部位在左舷，造成舰船左倾，损伤严重［8］。

雷达反射信号和图像上舰船的尾迹特征，都可以作为判断舰船航速和航向的依据。目前对图像中舰船尾迹的检测比较复杂，算法相对较少，大致可以分为无先验知识的线状特征检测和有先验知识的扫描算法两大类，可用于检测舰船速度的是基于扫描的算法，但是该方法需要关于舰船位置的先验知识［11］，因此应用有所局限。船体姿态的改变也会引起舰船RCS和图像特征的变化。

4 毁伤特征在打击效果评估中的应用

为了能够准确评估舰船毁伤状况，可以使用各种手段收集信息，根据舰船外观、结构和姿态信息评估其受损情况。目前获取舰船毁伤信息的手段主要有：侦察卫星、有人侦察机、无人侦察机、舰载侦察系统、弹载侦察平台和人工情报侦察系统等。通过一定的方式，将获取的信息进行处理，能提取出舰船的毁伤特征，判断其毁伤情况。毁伤前后舰船的图像特征、雷达特征和电磁信号特征都可以应用于打击效果评估中。

4.1 图像特征在打击效果评估中的相关应用

照相侦察卫星、侦察机、弹载侦察平台等可以获取舰船目标毁伤前后的可见光、SAR和红外图像。对可见光图像、SAR图像进行几何特征与纹理特征的变化检测，可以得出目标结构特征的变化，然后通过对舰船不同部位进行变化检测，得出毁伤位置及毁伤区域大小等信息［12］；对红外图像进行处理，可以判定舰船起火部位；对图像上舰船尾迹特征的检测，可以得到舰船的航向和航速等信息，判定其运动状态。

基于图像特征的评估方法简单直观，较为常用，但是该方法根据打击前后舰船的几何特征与纹理特征进行判断，不能判定目标内部损伤程度，也会被敌方伪造的毁伤信息所迷惑。

4.2 雷达特征在打击效果评估中的相关应用

舰载高分辨海战场监视雷达和机载预警雷达也具有较强的信息收集能力。舰船发生爆炸会导致其RCS骤然变大，舰船倾斜或沉没则会导致其RCS变小，通过海战场监视雷达可获取舰船的雷达反射信息的改变，进而判断舰船是否遭受打击；通过监视雷达得到舰船位置、航向和航速等信息，根据航速的变化判断其动力系统是否受损，根据航向判断舰船是否逃离战场，进而判定其毁伤状况。

利用雷达能获取舰船运动数据，对运动目标的评估也有一定的效果。但是，雷达受海杂波的影响，虚警率高。

4.3 电磁信号特征在打击效果评估中的相关应用

电子侦察卫星、侦察机和电子侦察船等得到的毁伤舰船电磁信号，也可用于打击效果评估。通过获取的无线电通信信号和雷达、敌我识别、导航等射频信号，分析毁伤前后同一系统的信号强弱和工作持续时间，判断该系统的受损程度。

基于电磁信号的评估方法能提供大量情报资料，但是情报处理速度较慢，对快速移动目标的评估并不理想［13］。

5 结语

海上舰船目标结构复杂、机动性强，对其毁伤特征的充分了解是准确评估打击效果的基础。随着各种传感器技术的不断发展，对舰船目标近实时、全方位、多层次的监视侦察成为了可能，如何从海量的图像和电子情报中提取出舰船毁伤信息有着重要的研究价值。本文对现有技术条件下可利用的舰船毁伤特征进行了分析，并探讨了各类毁伤特征在舰船打击效果评估中的应用，也为舰船综合保障工作的扎实开展提供了参考。在未来的信息化海战中，综合利用各种手段全面评估舰船打击效果将成为取得作战胜利的有力保障。

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Ship Target Damage Features and Their Application in Battle Damage Assessment

DAI Rong1XU Tingxue2LU Cheng2
（1.Naval Equipment Technology Research Institute，Beijing102202）（2.Department of Armament Science and Technology，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001）

Battle damage assessment（BDA）for the moving target at sea is still in the phase of theoretical research because of existing technical conditions'limitations.This paper summed up the ship's physical，optical and electromagnetic scattering characteristics，analyzed the ship's damage features.Then the paper explored each kind of damage features'application in BDA and discussed their advantages and disadvantages.

target characteristics，damage features，BDA，images，RCS，electromagnetic signals

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.023

2017年1月3日，

2017年2月10日

戴荣，男，博士，高级工程师，研究方向：兵器运用工程。徐廷学，男，博士，教授，研究方向：装备综合保障理论与技术。逯程，男，博士研究生，研究方向：装备综合保障理论与技术。