空間復(fù)雜目標(biāo)群的雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)*

馮德軍，徐樂濤，艾小鋒

(國防科技大學(xué)，電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

空間復(fù)雜目標(biāo)群的雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)*

馮德軍，徐樂濤，艾小鋒

(國防科技大學(xué)，電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

復(fù)雜的空間目標(biāo)群給雷達(dá)目標(biāo)識別帶來了挑戰(zhàn)。分析了彈道中段空間目標(biāo)群的構(gòu)成及其對識別的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)歸納了反導(dǎo)中段雷達(dá)目標(biāo)識別方法。根據(jù)雷達(dá)識別所采用的特征不同，將空間目標(biāo)雷達(dá)目標(biāo)識別方法分為其于結(jié)構(gòu)特征的識別方法、基于彈道特征的識別方法和基于微動特征的識別方法，詳細(xì)闡述了這3類識別方法的物理基礎(chǔ)及其特征提取方法，分析了各種識別方法的特點，最后展望了中段雷達(dá)目標(biāo)識別的發(fā)展趨勢。

復(fù)雜目標(biāo)群；雷達(dá)目標(biāo)識別；特征提取；結(jié)構(gòu)特征；彈道特征；微運(yùn)動特征

0 引言

空間目標(biāo)群日益復(fù)雜，給反導(dǎo)防御帶來了極大的困難，特別是缺乏大氣過濾作用下的中段目標(biāo)識別，已成為十分棘手的瓶頸問題[1-2]。早在1999年，美國情報部門提交的美國受到彈道導(dǎo)彈威脅的《國家情報評估》報告指出：“我們的評價認(rèn)為，研制彈道導(dǎo)彈的國家也將研制各種措施來對抗導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，很多國家在開始時將采用容易獲得的技術(shù)，包括分離彈頭、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈頭、彈頭重新定向、雷達(dá)吸波材料、助推器破片、小功率干擾機(jī)、箔條和簡易誘餌”[3]。突防目標(biāo)群的復(fù)雜化使識別環(huán)境變得更為惡劣，增加了識別難度。

不論是哪類假目標(biāo)，它們總在某個特征層面上與真實彈頭存在著一定的差別，因此識別真假目標(biāo)是可能的。理論上能夠用于識別真假彈道目標(biāo)的特性主要有3個：一是目標(biāo)的尺寸和形狀；二是目標(biāo)的溫度；三是目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)。導(dǎo)彈防御系統(tǒng)主要通過雷達(dá)和紅外系統(tǒng)來感知真假目標(biāo)的特性差異。但中段真假目標(biāo)的紅外特性差別不明顯，因此雷達(dá)是中段目標(biāo)識別的主要傳感器。雷達(dá)識別的基本途徑從目標(biāo)的后向電磁散射提取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動特征，再根據(jù)一定的先驗信息來辨別真?zhèn)蝃4]。本文分析了中段復(fù)雜目標(biāo)群的構(gòu)成，并根據(jù)識別的特點對識別方法進(jìn)行了概括與分類。

1 導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的發(fā)展演變

彈道導(dǎo)彈 (ballistic missile, BM)技術(shù)是國家軍事威懾的重要構(gòu)成。現(xiàn)代的彈道導(dǎo)彈通常攜帶高爆彈頭、化學(xué)彈頭、生物彈頭甚至熱核彈頭，射程約6 000～10 000 km，采用多彈頭分導(dǎo)、誘餌欺騙、干擾機(jī)干擾、機(jī)動變軌等突防技術(shù)，以提升導(dǎo)彈的生存能力，實現(xiàn)對敵方的有效打擊。隨著彈道導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)將具有更高的靈活性、隱蔽性、可靠性、準(zhǔn)確性、毀傷性以及生存能力，其所形成的安全威脅亦隨之持續(xù)增加。

作為制衡彈道導(dǎo)彈技術(shù)的戰(zhàn)略性武器系統(tǒng)，彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)亦隨之不斷發(fā)展。以美國為例，其彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的研究工作起始于20 世紀(jì)50 年代，經(jīng)歷了7 個主要階段，包括奈基-宙斯系統(tǒng)(Nike-Zeus)、奈基-X 系統(tǒng)(Nike-X)、哨兵系統(tǒng)(Sentinel)、衛(wèi)兵系統(tǒng)(Safeguard)等以核制核的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，戰(zhàn)略防御計劃(strategic defense initiative, SDI)(即星球大戰(zhàn)計劃)、防御有限打擊全球保護(hù)系統(tǒng)(global protection against limited strikes, GPALS)、導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(ballistic missile defense, BMD)等非核導(dǎo)彈防御系統(tǒng)[5]。圖1給出美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)集成空基、天基、?；?、地基傳感器，具有在彈道導(dǎo)彈任意階段實現(xiàn)檢測、識別、跟蹤并攔截的能力。

圖1 美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of the BMD

中段防御系統(tǒng)是彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，其主要原因在于：彈道導(dǎo)彈中段是彈道中最長的一段，在整個中段，所有彈頭和誘餌、母艙和火箭殘骸在重力的作用下，均沿著軌道附近以同樣速度運(yùn)動。彈道導(dǎo)彈在中段飛行距離遠(yuǎn)、時間長，是防方用于跟蹤、識別、攔截目標(biāo)的重要時間段。雷達(dá)系統(tǒng)是中段防御系統(tǒng)中負(fù)責(zé)檢測、跟蹤、識別目標(biāo)的重要傳感器。目前，美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)已包括了15 部大型相控陣?yán)走_(dá)，涉及的雷達(dá)工作頻率覆蓋了P，L，C，S，X波段，這些雷達(dá)傳感器與天基監(jiān)視/跟蹤系統(tǒng)聯(lián)合，實現(xiàn)對彈道目標(biāo)的全彈道、多層次檢測、跟蹤與識別[6]。為證明中段攔截系統(tǒng)識別的能力，美軍方進(jìn)行了多次實驗。據(jù)報導(dǎo)：自1999年以來，美國地基防御系統(tǒng)共進(jìn)行了19次攔截實驗，其中11次成功，8次失敗，如表1所示。

表1 美國地基中段防御系統(tǒng)攔截實驗情況Table 1 Experimental results of the midcourse interception

2 空間復(fù)雜環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)

2.1 空間目標(biāo)識別的特點

理論上講，導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的各個階段都可實現(xiàn)目標(biāo)識別及攔截。理想的識別階段是助推段，這個階段待識別目標(biāo)單一，紅外特性明顯，但存在時間和空間上的困難；在再入段，由于大氣過濾等作用，使得再入段的目標(biāo)識別最為有利，但是此時攔截時間風(fēng)險太大。由于導(dǎo)彈在中段飛行時間相對較長，反導(dǎo)系統(tǒng)可以進(jìn)行多次觀測與攔截，實現(xiàn)“發(fā)射-觀察-再發(fā)射”的工作方式，因此成為反導(dǎo)系統(tǒng)首選的識別階段。導(dǎo)彈防御系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈防御系統(tǒng)工作流程Fig.2 Flowchart of the BMD

導(dǎo)彈防御系統(tǒng)采取了天基衛(wèi)星和地基雷達(dá)等多種識別手段相結(jié)合的方法。在推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，中段目標(biāo)的溫度大為降低，這時天基紅外系統(tǒng)的定位和識別能力都相當(dāng)有限，因此雷達(dá)將在中段目標(biāo)識別中發(fā)揮核心作用。

2.2 復(fù)雜目標(biāo)群帶來的挑戰(zhàn)

釉里紅線繪法指的是在坯胎上用釉里紅顏料描繪出各種不同的圖案和花紋，這也是釉里紅瓷器最主要的裝飾方法，但由于高溫銅紅燒制技術(shù)非常之高，經(jīng)常燒制出來的釉里紅會產(chǎn)生飛紅的現(xiàn)象，所以線繪法釉里紅裝飾方法燒制比較困難

從雷達(dá)識別角度看，中段具有最大的難度，這主要是因為目標(biāo)群的復(fù)雜帶來的識別挑戰(zhàn)越來越大。一旦助推火箭將彈頭送入空間預(yù)定點并達(dá)到要求的速度，末級助推火箭便脫落，彈頭進(jìn)入中段飛行軌道。與彈頭一起飛行的還可能包括母艙，并在設(shè)定的軌跡點釋放再入飛行器和各種干擾裝置。隨著彈道導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展，空間中段目標(biāo)群總體上趨于復(fù)雜，其構(gòu)成主要有[7-8]：

發(fā)射碎片：在中段，由于沒有大氣阻力，導(dǎo)彈發(fā)射碎片與再入彈頭一起飛行，碎片可能包括助推火箭、母艙(通常被炸碎以增加識別難度)、幫助再入彈頭脫離母艙的彈簧以及各種爆炸螺栓部件等。

無源誘餌：無源誘餌包括涂有金屬的氣球、系留氣球(用于保護(hù)再入飛行器或增強(qiáng)誘餌的信號特征)、輕型充氣或剛性復(fù)制誘餌。還可能包括一個與再入飛行器非常相似的紅外熱源。另外，金屬箔條也是無源誘餌的重要組成部分。

有源干擾：有源干擾可形成壓制式、欺騙式等多種干擾，如果進(jìn)行復(fù)雜的信息調(diào)制，甚至可形成虛假的雷達(dá)一維和二維圖像。另外，通過有源干擾還可形成密集的多假目標(biāo)群，大量消耗雷達(dá)資源。

密集目標(biāo)群：飽和攻擊是突防方最容易采取的突防措施之一。通過將彈頭小型化和分導(dǎo)式多彈頭技術(shù)，可在中段形成大量的子彈頭，從而使防御體系的識別和火控能力飽和。

除形成中段復(fù)雜的目標(biāo)群外，突防方還可通過多種手段降低彈頭本身的可探測性。例如采用彈頭隱身技術(shù)(包括雷達(dá)隱身、紅外隱身和等離子體隱身)，大大降低彈頭的可探測距離?？臻g目標(biāo)群的復(fù)雜增加了識別的難度。

彈道目標(biāo)識別是典型的非合作目標(biāo)識別，與其它識別場景(如字符識別、語音識別、人臉識別)相比，它有3個特點。首先，對識別的準(zhǔn)確率要求高。無論是以真為假還是以假為值，其代價均相當(dāng)高。因此，防御方對彈道目標(biāo)識別的準(zhǔn)確程度要求苛刻。其次，識別先驗信息缺乏。由于識別對象(彈頭、誘餌)的特殊軍事地位，識別方一般較無法獲得待識別對象的特征數(shù)據(jù)庫，只能根據(jù)粗略的先驗知識進(jìn)行識別，這是彈道目標(biāo)十分棘手的主要原因。第三，識別的實時性要求強(qiáng)。彈道中段的飛行時間雖然長，但反導(dǎo)系統(tǒng)的識別窗口和攔截窗口卻十分有限，在有限的時間內(nèi)，識別制導(dǎo)雷達(dá)要完成目標(biāo)識別、威脅評估、目標(biāo)引導(dǎo)、殺傷效果評估等一系列工作，識別系統(tǒng)必須反應(yīng)迅速。

3 空間目標(biāo)群的雷達(dá)識別技術(shù)

目前關(guān)于空間目標(biāo)識別的報道很多，系統(tǒng)歸納起來，在特征提取層次，各種識別技術(shù)可總分為3類，即基于結(jié)構(gòu)特征的識別技術(shù)、基于彈道特征的識別技術(shù)和基于微動特征的識別技術(shù)。

3.1 基于結(jié)構(gòu)特征的識別技術(shù)

空間假目標(biāo)種類較多，主要有各種碎片、仿真誘餌和氣球等。碎片的形狀多樣，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。由于保密的原因，模擬真彈頭的誘餌數(shù)據(jù)也很難獲取。根據(jù)少量資料，圓錐形及其變形或充氣球是較常見的結(jié)構(gòu)。而彈頭具有特殊的戰(zhàn)斗使命，要滿足飛行穩(wěn)定性的要求，同時還要具備較小的雷達(dá)散射截面。通常彈頭的基本形可分為平底錐、球體錐、柱頭體和球體錐柱頭體4種。圖3為誘餌和彈頭模型的外形對比?？煽闯?，圓錐形誘餌與彈頭外形相似，球形誘餌則與彈頭存在較大差別。

從材料和質(zhì)量上來說，彈頭和誘餌的差別則更為顯著。誘餌通常采用涂敷金屬的輕質(zhì)材料，其質(zhì)量較輕；而彈頭的表面通常涂敷有隱身材料，由于具有戰(zhàn)斗部，其質(zhì)量要遠(yuǎn)大于誘餌。由于質(zhì)量、幾何形狀、尺寸等的差異，使得彈頭和各種類型的假目標(biāo)的雷達(dá)散射特性存在較大的差異，這是基于結(jié)構(gòu)特征提取的雷達(dá)目標(biāo)識別基礎(chǔ)和前提條件。

從獲取手段上講，獲取結(jié)構(gòu)特征主要依靠目標(biāo)群RCS特征、一維像特征、二維像特征、極化特征等[9]。需要指出的是，這些方法獲取的結(jié)構(gòu)特征與我們視覺獲取的結(jié)構(gòu)特征存在很大的差異。以雷達(dá)獲取的二維圖像為例，往往幾個甚至一個強(qiáng)散射點，如果沒有先驗知識，很難直接從圖中判斷出這是彈頭的形狀，因此，如何從目標(biāo)群中中解讀出穩(wěn)定、能支撐目標(biāo)識別的結(jié)構(gòu)信息是當(dāng)前人們關(guān)注的熱點之一。

圖3 誘餌和彈頭的外形Fig.3 Shape of a decoy and a warhead

3.2 基于彈道特征的識別技術(shù)

真目標(biāo)的彈道一般符合二體運(yùn)動方程，有源多假目標(biāo)難以滿足該方程，因此，通過數(shù)據(jù)處理，采用彈道特征鑒別真假是一種簡單有效的方法。對于自由段飛行的彈道目標(biāo)，根據(jù)二體運(yùn)動方程，給定一系列角度量測序列可唯一確定一條彈道軌跡。對于角度量測序列和真目標(biāo)相同而徑向距離和真目標(biāo)不同的有源距離假目標(biāo)，其動力學(xué)特性不符合二體運(yùn)動規(guī)律。因此當(dāng)在雷達(dá)目標(biāo)跟蹤中，對有源假目標(biāo)采用二體運(yùn)動動力學(xué)模型，則必然導(dǎo)致較大的模型失配。此外，中段還可采用動力學(xué)匹配系數(shù)、機(jī)械能、動量矩、加速度等特征進(jìn)行識別，可識別有源假目標(biāo)和關(guān)聯(lián)錯誤的航跡[10]。如果通過多部雷達(dá)組網(wǎng)，則對抗多假目標(biāo)欺騙更為有效。圖4給出了采用動力學(xué)模型實現(xiàn)有源電假目標(biāo)的鑒別效果，其中ΔR為產(chǎn)生的電假目標(biāo)和真實目標(biāo)間的距離，動力學(xué)模型匹配系數(shù)的定義參見文獻(xiàn)[10]。

3.3 基于微動特征的識別技術(shù)

相對于目標(biāo)質(zhì)心運(yùn)動而言，目標(biāo)上各點圍繞某點的轉(zhuǎn)動或部件相對與物體上質(zhì)心的機(jī)械振動、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動通常被稱為微運(yùn)動(Micro-Motion)。目標(biāo)的微運(yùn)動特性與其結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布、初始狀態(tài)和受力狀態(tài)密切相關(guān)，它可以作為目標(biāo)識別的重要特征量[11]。

自旋穩(wěn)定是空間飛行目標(biāo)最常用的姿態(tài)穩(wěn)定方式，它不但控制簡單，抗干擾能力較強(qiáng)， 而且可以保持空間飛行器的指向不變， 因而在彈頭的姿態(tài)控制

中應(yīng)用甚廣。在彈頭自旋的同時，其極軸往往伴隨著非期望的章動。彈頭在中段的運(yùn)動與軸對稱陀螺體的自由運(yùn)動相同。中段彈頭和輕質(zhì)誘餌的微運(yùn)動特性通常是不同的。對于質(zhì)量較重的彈頭，為了使其在中段保持姿態(tài)穩(wěn)定(以保證較小的RCS和安全再入)，彈頭的自旋頻率通常要小于質(zhì)量較輕的誘餌。微運(yùn)動的差異是目標(biāo)識別的物理基礎(chǔ)，通過對中段章動彈頭進(jìn)行微多普勒分析可以得到彈頭的章動頻率等微動信息，彈頭的微動特征如圖5所示。但微動識別也存在一個顯著的缺點：一旦突防方有意識地控制微動參數(shù)，很有可能使得其特征難于被雷達(dá)感知。盡管有許多文獻(xiàn)聲稱能實現(xiàn)提取微動角度、頻率等特征信息，但實現(xiàn)穩(wěn)健、可靠、實用的微動特征提取仍需要深入探究。

圖4 基于動力學(xué)模型的有源假目標(biāo)鑒別Fig.4 Active decoys discrimination based on dynamic model

圖5 彈頭的微動特征及其提取Fig.5 Micro-Doppler feature of warhead and its extraction

4 結(jié)束語

空間目標(biāo)識別特殊的軍事價值及其實現(xiàn)的復(fù)雜性，使得它成為目標(biāo)識別領(lǐng)域的關(guān)注的焦點。當(dāng)前它正朝以下幾個方面發(fā)展：一是豐富的信息獲取，通過采用大帶寬、多極化、相參雷達(dá)技術(shù)，盡可能地獲取目標(biāo)和環(huán)境的多維信息[12-13]；二是深入的特征挖掘技術(shù)，通過信號處理、數(shù)據(jù)處理等手段，挖掘目標(biāo)的電磁和運(yùn)動特征[14]；三是先進(jìn)的信息融合技術(shù)，融合目標(biāo)的散射、運(yùn)動等多維信息，通過綜合識別真假[15]；四是穩(wěn)鍵的分類器設(shè)計與實現(xiàn)，盡量選擇對先驗信息要求較弱、可靠、穩(wěn)健的分類識別算法[16]。

空間雷達(dá)目標(biāo)識別是一項復(fù)雜的工程，其中既包括雷達(dá)信號處理、特征提取等基礎(chǔ)理論問題，又包括識別方案選擇、優(yōu)化、組合等頂層設(shè)計問題，涉及到雷達(dá)基礎(chǔ)理論、電子對抗、模式識別等多個領(lǐng)域。其復(fù)雜還體現(xiàn)于其博弈性：一旦突防方得知防御方的具體識別手段，也將提出相應(yīng)的對抗措施，反之亦然。因此，研究中需要加強(qiáng)識別方法與識別戰(zhàn)情的結(jié)合，考慮到識別先驗信息的多寡、目標(biāo)群的復(fù)雜程度和突防方的反識別措施等因素。綜合考慮到這些因素，才有可能對系統(tǒng)的識別能力做出準(zhǔn)確的判斷。

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Radar Recognition Technique for Complex Target Groups in Space

FENG De-jun, XU Le-tao, AI Xiao-feng

(National University of Defense Technology，State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,Hunan Changsha 410073, China)

The complexity of space target brings in some challenges for radar target recognition. The element of space environment in midcourse is analyzed and the difficulties for radar target recognition are expounded. According to different features used by radar, those methods are divided into three categories, namely, methods based on configuration feature, macrodynamics feature and microdynamic feature respectively. The physics foundation and research progress of the three methods are expounded and their characteristics are discussed respectively. Finally, the future tendencies of radar target recognition development in midcourse are forecast.

complex target groups；radar target recognition; feature extract; configuration feature; macrodynamics feature; microdynamic feature

2014-10-10；

2014-12-10

馮德軍(1972-)，男，湖南湘潭人。副研究員，博士，主要研究方向為精確制導(dǎo)與目標(biāo)識別、雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真等。

通信地址：410073 河南長沙國防科技大學(xué)四院 E-mail：fdj117@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.001

TN95

A

1009-086X(2015)-04-0001-06

編者按：“2014年復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境與精確制導(dǎo)技術(shù)研討會”成功舉行。會議得到了國內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到近70篇論文?！冬F(xiàn)代防御技術(shù)》特開辟專欄陸續(xù)分期刊登此次會議的部分優(yōu)秀論文，供讀者參考。