雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別概述

王明月 張德慧 魏銘

摘要：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是以信息技術(shù)為先導(dǎo)的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，掌握制信息權(quán)、聯(lián)合作戰(zhàn)、精確打擊是其標(biāo)志性特點(diǎn)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，高技術(shù)武器的信息化、無人化、隱身化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)目標(biāo)識(shí)別的需求愈加迫切?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)信息化探測(cè)技術(shù)的緊迫需求，推動(dòng)了世界各國(guó)對(duì)雷達(dá)、紅外、光學(xué)等多種傳感器平臺(tái)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的研究。雷達(dá)以其全天時(shí)、全天候、作用距離遠(yuǎn)等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為主要的戰(zhàn)場(chǎng)傳感系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；目標(biāo)識(shí)別

雷達(dá)的歷史可以追溯到現(xiàn)代電磁理論發(fā)展的早期（Swords，1986； Skolnik，2001）。1886年， Hertz證明了無線電波具有反射的特性，并且1900年 Tesla在一次訪談中描述了電磁檢測(cè)和速度測(cè)量的概念。1903年和1904年，德國(guó)工程師 Hulsmeyer利用電磁波的反射進(jìn)行了艦船檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。1922年 Marconi又對(duì)這一概念進(jìn)行了廣泛宣傳，同年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的 Taylor和 Young用實(shí)驗(yàn)證實(shí)雷達(dá)可以對(duì)艦船進(jìn)行檢測(cè)，1930年該實(shí)驗(yàn)室的 Hyland首次用雷達(dá)檢測(cè)到了飛機(jī)，雖然這是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，但它引起了科技人員更深入的研究，最終，于1934年誕生了一項(xiàng)現(xiàn)在稱為連續(xù)波雷達(dá)的美國(guó)專利。雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展和擴(kuò)散是在20世紀(jì)30年代的中后期。在此期間，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄國(guó)、意大利和日本都獨(dú)立開展研究，取得了重大進(jìn)展。

1.雷達(dá)的基本概念

利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達(dá)概念形成于20世紀(jì)初。雷達(dá)是英文radar的音譯，為Radio Detection And Ranging的縮寫，意為無線電檢測(cè)和測(cè)距。組成各種雷達(dá)的具體用途和結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本形式是一致的，包括五個(gè)基本組成部分：發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線以及顯示器。還有電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。

雷達(dá)的早期發(fā)展離不開軍事用途的驅(qū)動(dòng)。到今天，軍隊(duì)仍然是雷達(dá)的主要用戶和雷達(dá)技術(shù)的主要研究者。雷達(dá)的軍事用途包括陸海空的監(jiān)視、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)。軍用雷達(dá)的范圍非常廣，大到彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的雷達(dá)，小到只有拳頭大小的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭雷達(dá)。

2.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的研究現(xiàn)狀

（1）雷達(dá)目標(biāo)極化識(shí)別

眾所周知，電磁波可以由幅度、相位、頻率以及極化等參量做完整的表達(dá)，分別描述它的能量特性、相位特性、振蕩特性以及矢量特性。因此，試圖完整地刻畫目標(biāo)的電磁散射行為，除了幅度、相位、頻率等常規(guī)物理量外，極化也是一個(gè)重要的、不可缺少的雷達(dá)參量。經(jīng)過幾十年的發(fā)展雷達(dá)極化理論體系業(yè)已初步形成，而相應(yīng)的極化測(cè)量技術(shù)也已獲得了進(jìn)步的完善，極化技術(shù)的開發(fā)利用已逐步進(jìn)入了活躍期，吸引了國(guó)內(nèi)外一大批學(xué)者致力于相關(guān)領(lǐng)域的研究。

在雷達(dá)目標(biāo)的極化特征提取與識(shí)別研究方面，美國(guó)、俄羅斯、意大利、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)80年代就進(jìn)入活躍期。在技術(shù)路線上可以分為兩大類：第一類是早期形成的基于目標(biāo)極化散射矩陣的識(shí)別思路，即根據(jù)最優(yōu)極化理論和目標(biāo)唯象學(xué)理論，對(duì)極化散射矩陣進(jìn)行映射變換、分解，尋求目標(biāo)的穩(wěn)健性極化特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類與識(shí)別；第二類是以高分辨率雷達(dá)體制為背景，將全極化測(cè)量與高分辨技術(shù)相結(jié)合，通過徑向或二維成像來離析目標(biāo)的空間-極化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抽取目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類識(shí)別。

（2）寬帶雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別

散射中心是目標(biāo)在高頻區(qū)等效的散射源。寬帶雷達(dá)照射目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)的各個(gè)等效散射中心在雷達(dá)視線上被分開，體現(xiàn)為沿雷達(dá)視線分布的像，即高分辨距離像。距離像反映了目標(biāo)的形狀和結(jié)構(gòu)信息，是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的重要依據(jù)?；谝痪S距離像的識(shí)別技術(shù)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

a.距離像特性

（1）姿態(tài)敏感性。它是雷達(dá)高分辨距離像識(shí)別中的核心問題，曾經(jīng)導(dǎo)致人們質(zhì)疑基于高分辨距離像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的可行性。

（2）平移敏感性。目標(biāo)在距離窗中的具體位置會(huì)因距離窗的截取位置不同而發(fā)生改變，這就是高分辨距離像的平移敏感性。

b.預(yù)處理技術(shù)

對(duì)高分辨距離像進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理可以提高高分辨距離像識(shí)別的性能。通常的預(yù)處理方法包括降噪、冪變換等。在低信噪比場(chǎng)景下，降噪對(duì)于提高高分辨距離像的識(shí)別性能非常重要。然而，現(xiàn)有的高分辨距離像識(shí)別通常是針對(duì)高信噪比場(chǎng)景目標(biāo)的，因此在多數(shù)情況下，是否進(jìn)行降噪預(yù)處理對(duì)高分辨距離像識(shí)別性能的影響不大。

（3超寬帶雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別

超寬帶（UWB）雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別可分為基于模型的和無模型約束的兩類方法，其中基于模型的目標(biāo)識(shí)別方法又可分為基于極點(diǎn)特征的目標(biāo)識(shí)別和基于散射中心的目標(biāo)識(shí)別方法。

a.極點(diǎn)特征目標(biāo)識(shí)別

極點(diǎn)特征是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的唯一與入射波形、極化、目標(biāo)姿態(tài)無關(guān)的目標(biāo)本征特征量，長(zhǎng)期以來，一直都是目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

b.散射中心目標(biāo)識(shí)別

與極點(diǎn)特征不同，目標(biāo)散射中心特征與目標(biāo)的姿態(tài)角有關(guān)，同一目標(biāo)在不同姿態(tài)角下可供觀測(cè)的散射中心特征往往變化很大。盡管如此，但其刻畫了目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息，且較之極點(diǎn)特征更易提取。

c.無模型約束目標(biāo)識(shí)別

該方法巧妙利用目標(biāo)極點(diǎn)特征的姿態(tài)不敏感性有效減少了基于前時(shí)E脈沖目標(biāo)識(shí)別的搜索空間，大大提高了目標(biāo)識(shí)別的性能及速度。

3.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（1）雷達(dá)目標(biāo)極化識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

a.復(fù)雜雷達(dá)目標(biāo)多維高分辨極化散射機(jī)理建模

雷達(dá)目標(biāo)極化散射特征機(jī)理準(zhǔn)確建模直接影響著目標(biāo)極化特征提取和目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究的進(jìn)展。

b.雷達(dá)目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)特征的極化反演

雷達(dá)目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)反演是人們?cè)诶走_(dá)信息處理中所長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，是極具挑戰(zhàn)性和實(shí)用性的課題。鑒于極化在揭示目標(biāo)散射機(jī)理及描述目標(biāo)形狀結(jié)構(gòu)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已有研究也對(duì)利用極化信息進(jìn)行目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)反演進(jìn)行了有意義的嘗試。

c.雷達(dá)目標(biāo)多維極化成像、特征提取與識(shí)別

通過充分拓展信息維度，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)多信息維度高分辨極化成像如全極化干涉合成孔徑成像、全極化層析成像技術(shù)等，大幅度提高雷達(dá)的信息感知和智能化處理能力成為未來發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

（2）雷達(dá)目標(biāo)寬帶識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，寬帶雷達(dá)的技術(shù)已非常成熟，大型地面雷達(dá)的帶寬達(dá)到2GHz～4GHz，距離分辨力可以達(dá)到厘米量級(jí)，而小型彈載雷達(dá)的帶寬也能達(dá)到0.5GHz～1GHz，距離分辨力達(dá)到分米量級(jí)。極高的分辨力為目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用提供了較為豐富的信息?；诟叻直婢嚯x像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別還有些實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)勢(shì)，例如相參積累時(shí)間短、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償要求不高、能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像、能有效抑制雜波等。因此，在一些平臺(tái)受限、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，高分辨距離成像是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別功能的重要技術(shù)途徑。

（3）雷達(dá)目標(biāo)超寬帶識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，UWB雷達(dá)目標(biāo)特有的散射特性已通過理論和現(xiàn)象學(xué)研究得到了充分的證明和驗(yàn)證，UWB雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的理論日趨成熟。然而，UWB雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別走向?qū)嶋H應(yīng)用還有很多值得研究的內(nèi)容。在討論地基對(duì)空、對(duì)海UWB雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用之前，首先需要解決制約UWB雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)的系統(tǒng)技術(shù)。近10年來，UWB信號(hào)的高靈敏度接收和高效輻射取得了令人鼓舞的進(jìn)步，預(yù)示著遠(yuǎn)距離的對(duì)空、對(duì)海目標(biāo)的探測(cè)正逐漸成為可能。

總結(jié)：隨著寬帶/超寬帶、極化測(cè)量、組網(wǎng)融合等新型雷達(dá)體制的出現(xiàn)和發(fā)展，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)將有望得到實(shí)質(zhì)性的全面躍升，實(shí)用化將有望得到根本性的突破。在新型雷達(dá)體制下，由于信息來源的大幅度擴(kuò)展，雷達(dá)能夠在時(shí)域、頻域、極化域、空間域獲取目標(biāo)和環(huán)境更加完整的電磁散射信息，得到更大的信息處理自由度，根據(jù)目標(biāo)的寬帶/超寬帶、極化、多基地散射特性，一方面可以更有效地抑制雜波和干擾的影響，另一方面可以用更靈活的信息處理手段提取到更加穩(wěn)健、可靠的目標(biāo)特征，從而全面地提高目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的成功率以及對(duì)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性，大跨度地推動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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