空天目標電磁散射特性建模與特征認知研究*

肖志河，任紅梅，董純柱，趙濤，陳軒

?目標特性與探測跟蹤技術?

空天目標電磁散射特性建模與特征認知研究*

肖志河，任紅梅，董純柱，趙濤，陳軒

（散射輻射全國重點實驗室，北京 100854）

空天目標的準確探測是識別面臨的首要問題，目標電磁散射特性是雷達傳感器目標識別的重要依據。概述了國外空天目標電磁散射特性研究發展現狀，針對高動態復雜結構空天目標電磁散射精確建模、高效仿真和識別應用的普適性等難點問題，提出了空天目標電磁散射特性建模與特征認知技術研究途徑。并結合仿真算例闡述了目標群動態場景構建、目標特性高效生成，以及微動、分離和目標群等典型動態場景特征認知的實現方法；針對未來空天目標發展引起的散射機理變化，提出了未來空天目標特性深化研究的發展設想。

空天目標；目標特性；電磁散射特性；動態場景；高效生成；特征認知

0　引言

目標特性體現了目標的固有屬性［1］，其中雷達散射截面、一維距離像等電磁散射特性是空天目標特性重要組成部分［2］。通過對目標特性的研究，形成規律性認識，是雷達目標檢測、跟蹤與識別的主要依據。在雷達目標特性的研究中，數據的獲取十分關鍵，大樣本的電磁散射特性數據是目標特征分析及進一步目標識別的基礎。尤其是當前空天目標實測數據獲取有限，對空天目標特性研究缺乏規律性的認識，針對高動態、復雜結構以及未來新型空天目標開展電磁散射建模、高效仿真預示形成大樣本目標特性數據，從而支撐開展特征認知研究，具有重要的軍事意義和應用價值。

1　國外空天目標電磁散射特性研究發展現狀

目標特性的研究作為空天識別系統實現有效目標探測和正確識別的基礎和前提，受到了各軍事強國重視，各個國家都有專業的目標特性與場景研究機構，其中以依托林肯實驗室及NASA的美國最為先進［3］。美國注重空天目標與環境特性模型的研制、驗證和認可，已形成若干標準國家代碼，且不斷開展目標特性新現象和新機理研究，重視對目標特性現象學的集成仿真與演示驗證，并投入巨大，現已經建設形成了集地基、海基、空集、天基多平臺，靜態測量、動態測量等多途徑于一體的研究與試驗體系。

在目標特性建模方面，美國國防電磁公司研制的電磁特性計算模型（Xpatch）、波音航空公司的RECOTA，能夠實現對空天目標電磁散射特性準確計算；建立的綜合場景生成模型，可以評估各種光/電傳感器和監視系統在空天目標探測、鎖定、跟蹤和攔截等戰場環境中執行其預定任務的能力。

在目標特性測量方面，早在20世紀50年代中期美國就開始研究軍用目標特性測試，目前美國在目標特性測量方面處于世界領先地位，擁有大量先進的、系統的測試設備，世界上最大的地面、航空、航天等多種平臺的目標特性測試系統，如已建成的夸賈林靶場目標特性測量站，擁有像ALTAIR、RADEX、ALCOR、MMW等多部雷達及其他測量設備；建成的“眼鏡蛇朱迪”、“眼鏡蛇雙子星”等雷達目標特性測量船，船上加裝有S及X波段的大口徑天線。美國已建設形成集地基、海基、空集、天基多平臺，靜態測量、動態測量等多途徑于一體的研究與試驗體系，獲取了巨量目標特性基礎數據。美國“地-海-空-天”一體化測量手段如圖 1所示［4］。

圖1 　美國“地-海-空-天”一體化測量手段

在識別特征認知方面，“認知學識別”作為下一代人工智能技術，屬于強人工智能，是未來智能化發展趨勢，更強調人機融合。2006年，多倫多大學的Geoffrey Hinton教授在《Science》上發表的一篇文章開辟了深度學習這一研究領域?；谏疃葘W習的雷達目標特征提取與識別智能算法，近年來研究較為熱門，發展迅猛。

2　空天目標電磁散射建模方法綜述

空天目標特性主要是通過理論建模計算、實驗室模擬測量、室外測試場靜態測量、動態跟蹤測量等一體化工作，來研究空天威脅目標的特性以及變化規律。

目前空天目標靶試驗證代價高，飛行試驗有限，空天目標特性動態仿真成為重要途徑，空天目標動態電磁散射特性建模的主要過程如圖2所示。

圖2 　空天目標特性動態仿真研究思路

空天目標特性動態仿真主要包括3個主要環節：動態場景構建、目標電磁散射精確建模、目標動態場景高效生成。

2.1　空天目標動態場景構建

對于在空間運動的目標，為了更好地分析其運動狀態，方便進行建模仿真計算，需要對目標進行運動建模。目標作為在空間運動的剛體，在空間中有6個自由度，為了更簡便地對目標的運動狀態建模，解算出目標姿態隨運動的變化情況，在不同情況下需要選取合適的坐標系。坐標系的轉換變得非常重要。圖3為常用坐標系示意圖。

圖3 　常用坐標系示意圖

建立雷達觀測進動目標飛行場景，如圖4所示，空天目標場景構建需要設置參數包括：目標發射點、落點、發動機關機時刻、速度、高度、速度傾角、目標、形狀、質量、長度、底面半徑以及進動周期、進動角、自旋頻率等參數。

圖4 　進動目標飛行場景示意圖

進動目標飛行場景設置完成后，需要對多部雷達的部署位置及雷達參數進行設置。雷達本身的技術參數及性能自然會影響到真假目標識別能力，但是同樣性能的雷達，在軌跡平面內或軌跡平面外不同位置的部署同樣會造成不同的識別結果，這是因為雷達部署在不同的位置時，距離目標的遠近、雷達觀測目標的視線角以及觀測時間、雷達寬窄帶回波都會有一定的區別，因此，首先需要對雷達的參數及位置進行合理的部署。雷達觀測進動目標的場景設置完成以后，需要將軌跡與雷達結合起來，計算進動目標的雷達視線角，對圖4進動目標飛行場景進行仿真，取其中的50 s，雷達視線角結果如圖5所示。

圖5 　四部雷達的雷達視線角

2.2　目標電磁散射特性高精度建模方法

在目標電磁特性模型與校驗方面，基于數值計算方法如特征基函數法（characteristic basis function method，CBFM）、多層快速多極子算法（multi level fast multipol method，MLFMM）和高頻漸近方法如物理光學法、等效邊緣電磁流、彈跳射線法［5］，開發了電磁散射特性模塊軟件。通過實驗室測試等試驗，開展了仿真結果和測試和動態測量結果的對比分析，均方根誤差精度均優于3 dB。

重點針對非均勻厚度結構型防熱材料引起的RCS難以快速準確仿真問題，提出了基于射線管分裂技術的高頻漸近方法，實現了反射/折射高效射線追蹤、結構型材料體散射準確預估、介質/金屬復合邊緣繞射精確計算，通用性和實用性強，顯著提高了計算精度。目標結構和仿真結果如圖6、7所示。

2.3　目標特性動態場景高效生成方法

面對的空天場景越來越復雜，為滿足群目標識別對海量電磁特性數據的需求，需要研究動態場景數據快速生成方法。

本節提出了基于稀疏信號處理的RCS快速生成方法，對目標RCS數據進行處理提取特征散射中心，進而可以實現對數據的壓縮與重構，基于三維成像開發了多源散射中心動態電磁散射特性生成工程模型，可用于空天群目標場景特性的快速計算，如圖8所示。實現了全空間掃頻RCS在3 dB重構精度下近300倍高效壓縮，如圖9所示。

圖6 　目標結構

圖7 　基于射線管分裂技術的高頻漸近方法

圖8 　多源散射中心動態電磁散射特性生成模型

圖9 　壓縮重構比對圖

3　空天目標動態場景特征認知

3.1　微動目標場景特征認知

對微動目標各時刻的動態雷達回波仿真，獲得錐類微動目標的一維距離像歷程圖，如圖10所示，基于此可分辨出各散射中心的微動特征。提出基于多雷達HRRP對目標結構參數的提取算法，如圖11所示。

圖10 　錐類微動目標一維距離像歷程圖

圖11 　目標進動角和結構參數求取流程圖

表1為本文曲線擬合方法和最大最小值方法提取的進動角對比。其中，為觀測時間，為進動角，為誤差，可以看出，曲線擬合方法不但縮短了觀測時間，提取的誤差也同樣減少。本方法通過兩部雷達同時觀測和曲線擬合方法將所需的觀測時間縮短，在觀測時間不足一個周期的情況下，依然能夠精確地提取目標進動角。

表1 　不同方法提取的進動角對比

3.2　分離過程場景仿真特征認知

本節采用建模數據仿真目標分離場景一維距離像的變化情況。因此，為了分析的方便，假設雷達位于落點附近。主目標分離出2個子目標，由于分離的速度快，約1 s之后，主目標與2個子目標之間距離大于雷達的寬帶距離分辨力，從一維距離像中已經完全可以分辨出3個目標了，所以這里詳細描述在1 s內一維距離像的變化，如圖12所示。

圖12 　1s內一維距離像的變化

采用分散特性描述散射點的分布特征為

表2給出了不同時刻對應的分散特性，隨著時間的推移，3個目標相對距離越來越大，散射點之間的間隔也越來越大，強散射中心也越來越分散，因此分散特性也越來越大。

表2 　不同時刻目標散射性變化

3.3　群目標散射特性統計分析

出現在雷達同一波數下的群目標總散射場是多個目標散射的整體疊加，不同的雷達視線姿態角其位置、強度以及幅度也會隨之變化，造成雷達目標各姿態角下的RCS隨機起伏。這種起伏在數學統計上是有規律的，與散射中心的數量及散射強度相關。

表3為三目標水平分布不同距離時的值與誤差。

表3 　三目標、水平分布時的k值與誤差

表4為三目標垂直分布不同距離時的值與誤差。表5為三目標三角分布不同距離時的值與誤差。

表4 　三目標、垂直分布時的k值與誤差

表5 　三目標、三角分布時的k值與誤差

從值的大小來看，水平和垂直2種分布方式，依視線角的變化規律是相似的。三目標下側向角度值最小，RCS的起伏最為劇烈，此時的擬合誤差較大。說明空間位置分布對值有較大的影響。但目標間距離的小范圍變化對值影響不大。

4　未來空天目標特性研究發展趨勢

未來空天目標更強大的突防能力、更多樣化多形式的突防手段，智能化發展［6］等大幅提升識別難度，需要更加精細化的目標特性支撐。目標特性研究也由獨立目標的建模計算向復雜群目標及其伴生效應建模技術方向發展，空天目標特性的認知研究也面臨智能化識別以及綜合態勢重構等新需求；同時由于未來新型目標可能采用超材料等隱身技術，可能會對目標特性研究帶來顛覆性技術途徑的變化。

4.1　密集群目標動態場景重構技術

開展場景反演研究，進一步提高目標場景仿真中目標物理特性、運動特性和電磁特性數據的置信度。首先收集多傳感器實測數據，進行場景的分析、挖掘與反演，進而確定場景內目標的質心軌跡、姿態、目標屬性以及目標的光電特性，最終重構真實動態場景的完整表述。

4.2　復雜運動目標伴生效應研究

由于高速運動產生的伴生也逐漸成為后續空天目標特性研究的熱點。一方面要研究空天目標高速運動過程中產生的各種伴生效應，可減少對探測系統的干擾影響；另一方面要通過這些效應認知、反演來襲目標的屬性，可以輔助探測系統對來襲目標的探測、識別、跟蹤等應用。

4.3　智能識別新技術研究

為解決傳統識別方法對目標特征的認識維度片面，本質屬性難以提取，對目標和環境的適應能力較差，對不同戰場環境的推廣能力也比較有限的問題，需要提升識別特征對目標和環境的自我學習和智能認知能力。未來研究方向，包括基于目標特性數據的智能挖掘技術、戰場環境目標特性數字孿生技術以及基于深度學習的智能識別方法等。

4.4　超材料目標散射特性研究

超材料通過亞波長尺度的周期或者準周期結構對電磁波的幅度、相位、極化等特性進行調控，通過設計反射相位大尺度變化的反射型超材料陣列能夠實現后向RCS增強與縮減［7］。超材料調控應用于空天目標散射特性模擬與控制新技，將帶有超常電磁特性，將顛覆現有的目標特性認知，傳感器將出現新探測技術，從而引起目標特性研究新的發展方向［8］。

5　結束語

隨著信息化技術的不斷深入，空天目標特性的研究也要向著精細化，智能化和高效重構能力等方面不斷發展，進一步提升解決關鍵事件分析、實測數據清晰挖掘、目標特征深化認識等關鍵問題的能力。

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Research on Modeling Technology and Feature Cognition of Electromagnetic Scattering Characteristics of Aerospace Targets

XIAOZhihe，RENHongmei，DONGChunzhu，ZHAOTao，CHENXuan

（National Key Laboratory of Scattering and Radiation， Beijing 100854，China）

Accurate detection of aerospace target is the primary challenge of recognition. The electromagnetic scattering characteristics are an important basis for radar sensor-based target recognition in defense systems. This paper summarizes the current status of foreign research on the electromagnetic scattering characteristics of aerospace target. Aiming at the difficulties such as accurate modeling， efficient simulation， and recognition of application of electromagnetic scattering characteristics of aerospace targets with high dynamic and complex structures， the research approach of electromagnetic scattering characteristics modeling and feature recognition technology of aerospace targets are proposed. Combined with simulation examples， it expounds the methods for realizing dynamic scene construction of target groups， efficient generation of target characteristics， and feature cognition of typical dynamic scenes such as micro-motion， separation and target groups. This paper analyzes changes in the scattering mechanism caused by the future development of aerospace targets and presents ideas for deepening research on the characteristics of aerospace defense targets.

aerospace target；target characteristic；electromagnetic scattering characteristics；dynamic scene；the efficient generation；feature cognition

2023 -03 -22 ;

2023 -05 -06

肖志河（1966-），男，江西吉安人。研究員，碩士，研究方向為目標特性與識別研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.010

TN959.1+7； TJ760.1

文章編號：1009-086X（2023）-03-0083-08

肖志河, 任紅梅, 董純柱, 等.空天目標電磁散射特性建模與特征認知研究[J].現代防御技術,2023,51(3):83-90.

Reference format:XIAO Zhihe,REN Hongmei,DONG Chunzhu,et al.Research on Modeling Technology and Feature Cognition of Electromagnetic Scattering Characteristics of Aerospace Targets[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):83-90.

通信地址：100854 北京142信箱207分箱