空間復雜目標群的雷達目標識別技術*

馮德軍，徐樂濤，艾小鋒

(國防科技大學，電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

空間復雜目標群的雷達目標識別技術*

馮德軍，徐樂濤，艾小鋒

(國防科技大學，電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

復雜的空間目標群給雷達目標識別帶來了挑戰。分析了彈道中段空間目標群的構成及其對識別的挑戰。系統歸納了反導中段雷達目標識別方法。根據雷達識別所采用的特征不同，將空間目標雷達目標識別方法分為其于結構特征的識別方法、基于彈道特征的識別方法和基于微動特征的識別方法，詳細闡述了這3類識別方法的物理基礎及其特征提取方法，分析了各種識別方法的特點，最后展望了中段雷達目標識別的發展趨勢。

復雜目標群；雷達目標識別；特征提取；結構特征；彈道特征；微運動特征

0 引言

空間目標群日益復雜，給反導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彈威脅的《國家情報評估》報告指出：“我們的評價認為，研制彈道導彈的國家也將研制各種措施來對抗導彈防御系統，很多國家在開始時將采用容易獲得的技術，包括分離彈頭、旋轉穩定彈頭、彈頭重新定向、雷達吸波材料、助推器破片、小功率干擾機、箔條和簡易誘餌”[3]。突防目標群的復雜化使識別環境變得更為惡劣，增加了識別難度。

不論是哪類假目標，它們總在某個特征層面上與真實彈頭存在著一定的差別，因此識別真假目標是可能的。理論上能夠用于識別真假彈道目標的特性主要有3個：一是目標的尺寸和形狀；二是目標的溫度；三是目標的運動狀態。導彈防御系統主要通過雷達和紅外系統來感知真假目標的特性差異。但中段真假目標的紅外特性差別不明顯，因此雷達是中段目標識別的主要傳感器。雷達識別的基本途徑從目標的后向電磁散射提取目標的結構特征和運動特征，再根據一定的先驗信息來辨別真偽[4]。本文分析了中段復雜目標群的構成，并根據識別的特點對識別方法進行了概括與分類。

1 導彈防御系統的發展演變

彈道導彈 (ballistic missile, BM)技術是國家軍事威懾的重要構成。現代的彈道導彈通常攜帶高爆彈頭、化學彈頭、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、誘餌欺騙、干擾機干擾、機動變軌等突防技術，以提升導彈的生存能力，實現對敵方的有效打擊。隨著彈道導彈技術的發展，彈道導彈系統將具有更高的靈活性、隱蔽性、可靠性、準確性、毀傷性以及生存能力，其所形成的安全威脅亦隨之持續增加。

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

圖1 美國彈道導彈防御系統示意圖Fig.1 Sketch map of the BMD

中段防御系統是彈道導彈防御系統的重要組成部分，其主要原因在于：彈道導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動。彈道導彈在中段飛行距離遠、時間長，是防方用于跟蹤、識別、攔截目標的重要時間段。雷達系統是中段防御系統中負責檢測、跟蹤、識別目標的重要傳感器。目前，美國導彈防御系統已包括了15 部大型相控陣雷達，涉及的雷達工作頻率覆蓋了P，L，C，S，X波段，這些雷達傳感器與天基監視/跟蹤系統聯合，實現對彈道目標的全彈道、多層次檢測、跟蹤與識別[6]。為證明中段攔截系統識別的能力，美軍方進行了多次實驗。據報導：自1999年以來，美國地基防御系統共進行了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攔截實驗情況Table 1 Experimental results of the midcourse interception

2 空間復雜環境帶來的挑戰

2.1 空間目標識別的特點

理論上講，導彈防御系統的各個階段都可實現目標識別及攔截。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，使得再入段的目標識別最為有利，但是此時攔截時間風險太大。由于導彈在中段飛行時間相對較長，反導系統可以進行多次觀測與攔截，實現“發射-觀察-再發射”的工作方式，因此成為反導系統首選的識別階段。導彈防御系統工作流程如圖2所示。

圖2 導彈防御系統工作流程Fig.2 Flowchart of the BMD

導彈防御系統采取了天基衛星和地基雷達等多種識別手段相結合的方法。在推進系統關機后，中段目標的溫度大為降低，這時天基紅外系統的定位和識別能力都相當有限，因此雷達將在中段目標識別中發揮核心作用。

2.2 復雜目標群帶來的挑戰

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非常之高，經常燒制出來的釉里紅會產生飛紅的現象，所以線繪法釉里紅裝飾方法燒制比較困難

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

發射碎片：在中段，由于沒有大氣阻力，導彈發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(用于保護再入飛行器或增強誘餌的信號特征)、輕型充氣或剛性復制誘餌。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，如果進行復雜的信息調制，甚至可形成虛假的雷達一維和二維圖像。另外，通過有源干擾還可形成密集的多假目標群，大量消耗雷達資源。

密集目標群：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式多彈頭技術，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。

除形成中段復雜的目標群外，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(包括雷達隱身、紅外隱身和等離子體隱身)，大大降低彈頭的可探測距離。空間目標群的復雜增加了識別的難度。

彈道目標識別是典型的非合作目標識別，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，對識別的準確率要求高。無論是以真為假還是以假為值，其代價均相當高。因此，防御方對彈道目標識別的準確程度要求苛刻。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據庫，只能根據粗略的先驗知識進行識別，這是彈道目標十分棘手的主要原因。第三，識別的實時性要求強。彈道中段的飛行時間雖然長，但反導系統的識別窗口和攔截窗口卻十分有限，在有限的時間內，識別制導雷達要完成目標識別、威脅評估、目標引導、殺傷效果評估等一系列工作，識別系統必須反應迅速。

3 空間目標群的雷達識別技術

目前關于空間目標識別的報道很多，系統歸納起來，在特征提取層次，各種識別技術可總分為3類，即基于結構特征的識別技術、基于彈道特征的識別技術和基于微動特征的識別技術。

3.1 基于結構特征的識別技術

空間假目標種類較多，主要有各種碎片、仿真誘餌和氣球等。碎片的形狀多樣，難以進行準確的描述。由于保密的原因，模擬真彈頭的誘餌數據也很難獲取。根據少量資料，圓錐形及其變形或充氣球是較常見的結構。而彈頭具有特殊的戰斗使命，要滿足飛行穩定性的要求，同時還要具備較小的雷達散射截面。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。可看出，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材料，其質量較輕；而彈頭的表面通常涂敷有隱身材料，由于具有戰斗部，其質量要遠大于誘餌。由于質量、幾何形狀、尺寸等的差異，使得彈頭和各種類型的假目標的雷達散射特性存在較大的差異，這是基于結構特征提取的雷達目標識別基礎和前提條件。

從獲取手段上講，獲取結構特征主要依靠目標群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，這些方法獲取的結構特征與我們視覺獲取的結構特征存在很大的差異。以雷達獲取的二維圖像為例，往往幾個甚至一個強散射點，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，如何從目標群中中解讀出穩定、能支撐目標識別的結構信息是當前人們關注的熱點之一。

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

真目標的彈道一般符合二體運動方程，有源多假目標難以滿足該方程，因此，通過數據處理，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，根據二體運動方程，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相同而徑向距離和真目標不同的有源距離假目標，其動力學特性不符合二體運動規律。因此當在雷達目標跟蹤中，對有源假目標采用二體運動動力學模型，則必然導致較大的模型失配。此外，中段還可采用動力學匹配系數、機械能、動量矩、加速度等特征進行識別，可識別有源假目標和關聯錯誤的航跡[10]。如果通過多部雷達組網，則對抗多假目標欺騙更為有效。圖4給出了采用動力學模型實現有源電假目標的鑒別效果，其中ΔR為產生的電假目標和真實目標間的距離，動力學模型匹配系數的定義參見文獻[10]。

3.3 基于微動特征的識別技術

相對于目標質心運動而言，目標上各點圍繞某點的轉動或部件相對與物體上質心的機械振動、旋轉等運動通常被稱為微運動(Micro-Motion)。目標的微運動特性與其結構、質量分布、初始狀態和受力狀態密切相關，它可以作為目標識別的重要特征量[11]。

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

中應用甚廣。在彈頭自旋的同時，其極軸往往伴隨著非期望的章動。彈頭在中段的運動與軸對稱陀螺體的自由運動相同。中段彈頭和輕質誘餌的微運動特性通常是不同的。對于質量較重的彈頭，為了使其在中段保持姿態穩定(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量較輕的誘餌。微運動的差異是目標識別的物理基礎，通過對中段章動彈頭進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，很有可能使得其特征難于被雷達感知。盡管有許多文獻聲稱能實現提取微動角度、頻率等特征信息，但實現穩健、可靠、實用的微動特征提取仍需要深入探究。

圖4 基于動力學模型的有源假目標鑒別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 結束語

空間目標識別特殊的軍事價值及其實現的復雜性，使得它成為目標識別領域的關注的焦點。當前它正朝以下幾個方面發展：一是豐富的信息獲取，通過采用大帶寬、多極化、相參雷達技術，盡可能地獲取目標和環境的多維信息[12-13]；二是深入的特征挖掘技術，通過信號處理、數據處理等手段，挖掘目標的電磁和運動特征[14]；三是先進的信息融合技術，融合目標的散射、運動等多維信息，通過綜合識別真假[15]；四是穩鍵的分類器設計與實現，盡量選擇對先驗信息要求較弱、可靠、穩健的分類識別算法[16]。

空間雷達目標識別是一項復雜的工程，其中既包括雷達信號處理、特征提取等基礎理論問題，又包括識別方案選擇、優化、組合等頂層設計問題，涉及到雷達基礎理論、電子對抗、模式識別等多個領域。其復雜還體現于其博弈性：一旦突防方得知防御方的具體識別手段，也將提出相應的對抗措施，反之亦然。因此，研究中需要加強識別方法與識別戰情的結合，考慮到識別先驗信息的多寡、目標群的復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，才有可能對系統的識別能力做出準確的判斷。

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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與目標識別、雷達電子戰系統建模與仿真等。

通信地址：410073 河南長沙國防科技大學四院 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年復雜戰場環境與精確制導技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，共征集到近70篇論文。《現代防御技術》特開辟專欄陸續分期刊登此次會議的部分優秀論文，供讀者參考。