馮德軍，王 博，王 偉

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)防科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

彈道導(dǎo)彈的飛行過(guò)程包括助推段、中段和再入段，其中中段是飛行時(shí)間最長(zhǎng)的階段，也是反導(dǎo)攔截的關(guān)鍵階段［1，2］。由于缺乏大氣的過(guò)濾作用，中段真假目標(biāo)識(shí)別成為反導(dǎo)系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。1999年，美國(guó)情報(bào)部門(mén)提交的美國(guó)受到彈道導(dǎo)彈威脅的《國(guó)家情報(bào)評(píng)估》報(bào)告指出:“我們的評(píng)價(jià)認(rèn)為，研制彈道導(dǎo)彈的國(guó)家也將研制各種措施來(lái)對(duì)抗導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，很多國(guó)家在開(kāi)始時(shí)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(jiǎn)易誘餌”［2］。突防目標(biāo)群的復(fù)雜化使識(shí)別環(huán)境變得更為惡劣，增加了識(shí)別難度。美國(guó)導(dǎo)彈防御局的Cooper承認(rèn):“導(dǎo)彈防御的關(guān)鍵問(wèn)題是，能否成功地從氣球誘餌和其他突防裝置中識(shí)別出真彈頭。這是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，它已經(jīng)困擾了防御者30年”。

不論是哪類(lèi)假目標(biāo)，它們總在某個(gè)特征層面上與真實(shí)彈頭存在著一定的差別，因此識(shí)別出真假目標(biāo)是可能的。在理論上，能夠用于識(shí)別真假?gòu)椀滥繕?biāo)的特性主要有三個(gè):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(dòng)狀態(tài)［3］。導(dǎo)彈防御系統(tǒng)主要通過(guò)雷達(dá)和紅外系統(tǒng)來(lái)感知真假目標(biāo)的特性差異，其中雷達(dá)是中段目標(biāo)識(shí)別的主要傳感器。

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的基本途徑是從目標(biāo)的后向電磁散射中提取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)特征，再根據(jù)一定的先驗(yàn)信息來(lái)辨別真?zhèn)?。結(jié)構(gòu)特征包括目標(biāo)的尺寸、形狀、材料等，是鑒別真假目標(biāo)的直觀屬性;運(yùn)動(dòng)特征包括宏觀彈道特征和微運(yùn)動(dòng)特征，它們從不同側(cè)面反映了目標(biāo)的本質(zhì)屬性?；诖?，將彈道中段的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法分為基于結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別方法、基于彈道特征的識(shí)別方法和基于微動(dòng)特征的識(shí)別方法，并分析了它們各自的特點(diǎn)。

1 彈道中段識(shí)別環(huán)境及識(shí)別特點(diǎn)

圖1 彈道中段的識(shí)別環(huán)境

在推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，彈道目標(biāo)進(jìn)入中段飛行。隨著時(shí)間的推移，中段目標(biāo)群的構(gòu)成逐漸復(fù)雜，通常包括如下幾類(lèi)目標(biāo)群:第一類(lèi)是發(fā)射碎片，主要包括助推火箭、幫助再入飛行器脫離母艙的彈簧、各種爆炸螺栓部件等;第二類(lèi)是假目標(biāo)和誘餌，主要有涂有金屬的氣球、輕型充氣或剛性的復(fù)制誘餌，另外還有與再入飛行器的紅外特性非常相似的紅外熱源及箔條等;第三類(lèi)是真實(shí)的彈頭，包括單彈頭，也可能是多彈頭。第四類(lèi)是主動(dòng)干擾機(jī)，以產(chǎn)生虛假的回波信號(hào)。彈道中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別面臨的環(huán)境［4］如圖1所示。

由圖1可以看出，中段目標(biāo)群的構(gòu)成是非常復(fù)雜的，這增加了識(shí)別的難度。另一方面，反導(dǎo)目標(biāo)識(shí)別是典型的非合作目標(biāo)識(shí)別，與其他識(shí)別場(chǎng)景(如字符識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別)相比，它主要有如下三個(gè)特點(diǎn)［5］。

一是對(duì)識(shí)別的準(zhǔn)確率要求高。無(wú)論是以真為假還是以假為真，其代價(jià)均相當(dāng)高。因此，防御方對(duì)彈道目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確程度要求苛刻。

二是識(shí)別先驗(yàn)信息缺乏。由于識(shí)別對(duì)象(彈頭、誘餌)的特殊軍事地位，一般無(wú)法獲得待識(shí)別對(duì)象的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，只能根據(jù)粗略的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行識(shí)別，這是彈道目標(biāo)棘手的主要原因。

三是識(shí)別實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)。彈道中段的飛行時(shí)間雖然長(zhǎng)，但反導(dǎo)系統(tǒng)的識(shí)別窗口和攔截窗口卻十分有限，在有限的時(shí)間內(nèi)，雷達(dá)要完成目標(biāo)識(shí)別、威脅評(píng)估、目標(biāo)引導(dǎo)、殺傷效果評(píng)估等一系列工作，識(shí)別系統(tǒng)必須反應(yīng)迅速。

中段目標(biāo)識(shí)別的以上特點(diǎn)決定了在分類(lèi)器設(shè)計(jì)和特征提取方面都有自己獨(dú)特的要求。在分類(lèi)算法方面，由于先驗(yàn)信息缺乏，無(wú)法采用模板匹配這一類(lèi)的方法，而只能采用專家系統(tǒng)等方法;考慮到實(shí)時(shí)性的要求，分類(lèi)器還應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)健、高效。由于這些限制，許多經(jīng)典而成熟的分類(lèi)識(shí)別算法，如貝葉斯分類(lèi)器等難以直接應(yīng)用于反導(dǎo)目標(biāo)識(shí)別。此外，那些對(duì)學(xué)習(xí)訓(xùn)練要求苛刻、計(jì)算繁瑣、推廣能力較差的識(shí)別方法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，當(dāng)識(shí)別條件改變時(shí)往往要重新訓(xùn)練)也不太適應(yīng)反導(dǎo)目標(biāo)識(shí)別的要求。

在特征的提取方面，目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)必須提取出那些能夠反映出真假目標(biāo)本質(zhì)差異的特征量才能用于識(shí)別。對(duì)特征量的要求主要有兩個(gè)，一是具備良好的可分性，二是物理意義清晰。前者是特征提取的共同要求，而后者是在先驗(yàn)信息缺乏條件下的特定要求。在反導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展的不同歷史階段，盡管受技術(shù)條件的限制，所提取的特征各不相同，但均反映了以上兩個(gè)要求。以美國(guó)的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)為例，在反導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)初期，所采用的是窄帶雷達(dá)系統(tǒng)，所提取的特征主要是目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS，radar cross section)和彈道系數(shù);隨著寬帶技術(shù)和極化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)獲取目標(biāo)精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的能力大為提高。美國(guó)彈道目標(biāo)識(shí)別發(fā)展過(guò)程中涉及的雷達(dá)技術(shù)以及用到的識(shí)別特征量［6，7］，見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識(shí)別技術(shù)發(fā)展歷史

由表1可看出，盡管不同時(shí)期所采用的特征提取技術(shù)不同，但所提取的特征概括起來(lái)可以粗分為三類(lèi)，即結(jié)構(gòu)特征、彈道特征和微運(yùn)動(dòng)特征。下面分別介紹基于這些特征的識(shí)別方法。

2 基于結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別方法

雷達(dá)目標(biāo)對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行特性調(diào)制，由于外形尺寸、散射中心分布等結(jié)構(gòu)上的差異，雷達(dá)目標(biāo)特性存在較大的差別。根據(jù)雷達(dá)提取目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征所采用的信號(hào)形式、提取特征等方面的不同，又可進(jìn)一步分為基于RCS序列的識(shí)別方法、基于HRRP的識(shí)別方法、基于ISAR圖像的識(shí)別方法和基于極化信息的識(shí)別方法。

2.1 基于RCS序列的結(jié)構(gòu)特征提取與識(shí)別

RCS是反映目標(biāo)對(duì)雷達(dá)信號(hào)散射能力的度量指標(biāo)。通常情況下，彈道目標(biāo)沿彈道運(yùn)動(dòng)將引起姿態(tài)相對(duì)于雷達(dá)視線發(fā)生變化，雷達(dá)可獲得RCS隨視角(姿態(tài)角)起伏變化的數(shù)據(jù)，其中的變化規(guī)律反映了目標(biāo)形體結(jié)構(gòu)的物理特性。在20世紀(jì)七八十年代研究者就意識(shí)到了RCS序列包含的目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)行了較深入的研究;Thomas明確指出，采用該方法可以區(qū)分母艙和彈頭［8］;在文獻(xiàn)［9］中，Lambour采用該方法對(duì)空間碎片進(jìn)行分類(lèi)，獲得了滿意的結(jié)果。該文所采用的空間目標(biāo)尺寸估計(jì)模型曲線如圖2所示。

圖2 基于RCS的空間目標(biāo)尺寸估計(jì)模型曲線

2.2 基于HRRP的結(jié)構(gòu)特征提取與識(shí)別

由于尺寸、形狀的差異，彈頭和誘餌呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)特征，反映在HRRP上，體現(xiàn)為其HRRP所具有的散射中心在空間分布數(shù)量、位置、強(qiáng)度等方面存在明顯的差異。因此，根據(jù)目標(biāo)的HRRP識(shí)別真假是一種有效的方法。在文獻(xiàn)［10］中，Clark對(duì)這一方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，說(shuō)明了基于HRRP的特征提取方法。直徑為2.2 m的球形誘餌與某真實(shí)彈頭的外形及HRRP如圖3所示。由圖3可看出，它們的散射特性相差很大。

圖3 球形誘餌與真實(shí)彈頭結(jié)構(gòu)特征對(duì)比

另外一種有效的基于HRRP的識(shí)別方法是在HRRP的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次特征提取，提取目標(biāo)的長(zhǎng)度、長(zhǎng)度變化幅度和周期等物理意義清晰的特征量。目標(biāo)的長(zhǎng)度信息是真假目標(biāo)鑒別最直觀、最重要依據(jù)之一。真假目標(biāo)的長(zhǎng)度存在差別:彈頭長(zhǎng)度大多在1～3 m之間，母艙的長(zhǎng)度一般大于彈頭，簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)發(fā)式有源誘餌往往只能形成單個(gè)尖峰，其長(zhǎng)度很小，碎片的長(zhǎng)度一般也小于彈頭長(zhǎng)度。因此，采用長(zhǎng)度信息識(shí)別目標(biāo)是國(guó)內(nèi)外研究者公認(rèn)的有效手段［11］。但由于噪聲和其他因素的影響，獲取目標(biāo)的長(zhǎng)度信息并非易事:目標(biāo)只占據(jù)距離像中的一部分，而雷達(dá)通常難以區(qū)分目標(biāo)和噪聲的分界點(diǎn)，另外，目標(biāo)的長(zhǎng)度與其姿態(tài)密切相關(guān)，而估計(jì)目標(biāo)姿態(tài)是一件困難的事情。

2.3 基于ISAR的結(jié)構(gòu)特征提取與識(shí)別

ISAR通過(guò)縱向和橫向的二維壓縮，可以獲得目標(biāo)散射中心的二維分布，因而能觀測(cè)到目標(biāo)結(jié)構(gòu)上的微小細(xì)節(jié)，為真假目標(biāo)鑒別提供更豐富的信息。據(jù)稱，美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的地基目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)可能采用了該項(xiàng)技術(shù)。需要指出的是，要在中段實(shí)現(xiàn)對(duì)彈頭ISAR成像和識(shí)別，必須解決多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:首先，中段彈頭飛行速度高達(dá)幾到十幾個(gè)馬赫，使得目標(biāo)距離像變形，因此成像雷達(dá)必須準(zhǔn)確補(bǔ)償高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的距離像展寬和相位畸變;其次，目標(biāo)和成像雷達(dá)相距甚遠(yuǎn)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)姿態(tài)變化很小，要滿足成像積累角的要求，通常需要較長(zhǎng)的成像時(shí)間，或者在較短的成像時(shí)間內(nèi)采用超分辨成像算法;再次，目標(biāo)在中段飛行時(shí)存在自旋、章動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，還可能會(huì)受到偏航、橫滾等因素的影響，這使得運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、橫向定標(biāo)變得更為困難;最后，彈頭表面較光滑，即使成像，也很難獲得清晰的輪廓信息，這給圖像理解帶來(lái)了難題。文獻(xiàn)［5］提出了可以用于識(shí)別的ISAR圖像特征，主要包括區(qū)域面積、體態(tài)比、區(qū)域周長(zhǎng)等。但迄今為止，尚未見(jiàn)到有對(duì)實(shí)測(cè)的中段彈頭成像識(shí)別的報(bào)道。

2.4 基于極化信息的結(jié)構(gòu)特征提取與識(shí)別

雷達(dá)極化技術(shù)始終伴隨著彈道導(dǎo)彈防御技術(shù)的發(fā)展，并一直在彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)中發(fā)揮著重要作用，由于再入彈頭具有比較簡(jiǎn)單和確定的幾何特征，因此可以利用極化特征如極化比等窄帶極化特征和各個(gè)散射中心的寬帶極化特征來(lái)鑒別再入彈頭和彈體碎片等目標(biāo)。文獻(xiàn)［12］在具有彈頭類(lèi)目標(biāo)散射特性先驗(yàn)信息的假定下，提出了幾種彈頭類(lèi)目標(biāo)的極化識(shí)別問(wèn)題，其識(shí)別原理大多是基于模板匹配。另外，自由段再入彈頭具有比較規(guī)則的運(yùn)動(dòng)特征(即章動(dòng)運(yùn)動(dòng))，相應(yīng)地其散射回波的極化特性具有一定的規(guī)律性，利用中段再入彈頭的極化時(shí)變特性可望得到彈頭的微運(yùn)動(dòng)特征。此外，利用雷達(dá)目標(biāo)和有源假目標(biāo)在極化散射特性上的差異，極化測(cè)量雷達(dá)可望有效鑒別中段彈頭類(lèi)目標(biāo)和有源假目標(biāo)［13］。

3 基于彈道特征的識(shí)別方法

3.1 基于速度差異的識(shí)別方法

在彈道導(dǎo)彈實(shí)施誘餌突防時(shí)，誘餌總是以一定的投放速度從彈頭釋放出來(lái)，考慮到誘餌的質(zhì)量總是遠(yuǎn)小于彈頭的質(zhì)量(即便是重誘餌，差別一般也在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上)，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，彈頭在誘餌投放前后的速度變化很小，可忽略不計(jì)，而誘餌在投放后速度則增加一個(gè)速度增量，非常接近投放初始速度。雷達(dá)以高分辨率發(fā)現(xiàn)彈頭目標(biāo)釋放出誘餌后，通過(guò)精確獲取彈頭與誘餌在投放前后的速度差異信息，可將其識(shí)別。文獻(xiàn)［14］指出，導(dǎo)彈防御雷達(dá)在徑向上的測(cè)速精度可達(dá)厘米級(jí)，而誘餌在釋放過(guò)程中相對(duì)于彈道導(dǎo)彈具有一定的初速度，一般在1 m/s以上。通過(guò)這種差別，可以對(duì)導(dǎo)彈的誘餌釋放過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視?；谒俣葴y(cè)量的真假目標(biāo)鑒別示意圖如圖4所示。

圖4 基于速度測(cè)量的真假目標(biāo)鑒別

3.2 基于軌道根數(shù)的有源假目標(biāo)鑒別方法

中段真目標(biāo)彈道符合二體運(yùn)動(dòng)方程，而假目標(biāo)(主要是有源多假目標(biāo))則不一定滿足該方程，因此，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，采用目標(biāo)軌道根數(shù)鑒別真假是一種簡(jiǎn)單有效的方法。對(duì)于自由段飛行的彈道目標(biāo)，根據(jù)二體運(yùn)動(dòng)方程，給定一系列角度量測(cè)序列可唯一確定一條彈道軌跡。由此可知，對(duì)于角度量測(cè)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(dòng)力學(xué)特性不符合二體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此當(dāng)在雷達(dá)目標(biāo)跟蹤中，若對(duì)有源假目標(biāo)采用二體運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)匹配系數(shù)、機(jī)械能、動(dòng)量矩等特征進(jìn)行識(shí)別，可識(shí)別有源假目標(biāo)和關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤的航跡。如果通過(guò)多部雷達(dá)組網(wǎng)，則對(duì)抗多假目標(biāo)欺騙更為有效［15］。

4 基于微運(yùn)動(dòng)特征的識(shí)別方法

4.1 微動(dòng)識(shí)別的物理基礎(chǔ)

相對(duì)于目標(biāo)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)而言，目標(biāo)上各點(diǎn)圍繞某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)或部件相對(duì)與物體上質(zhì)心的機(jī)械振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)通常被稱為微運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)的微運(yùn)動(dòng)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)，可以作為目標(biāo)識(shí)別的重要特征量［16］。雷聲公司的負(fù)責(zé)人曾說(shuō)“我們?cè)谥卸尉哂械膬?yōu)勢(shì)之一是有20分鐘的時(shí)間，并且我們的中段雷達(dá)能夠測(cè)量空間目標(biāo)的細(xì)微的動(dòng)態(tài)變化，也就是說(shuō)能夠繪制出目標(biāo)，從而我們可以清楚地區(qū)分再次進(jìn)入的導(dǎo)彈和復(fù)雜的干擾”。

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(jiǎn)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(shí)，其極軸往往伴隨著非期望的章動(dòng)。彈頭在中段的運(yùn)動(dòng)與軸對(duì)稱陀螺體的自由運(yùn)動(dòng)相同。對(duì)于觀測(cè)雷達(dá)而言，由于彈頭存在的章動(dòng)特性，將引起雷達(dá)視線角隨之呈現(xiàn)的周期性變化。在彈道導(dǎo)彈突防中，中段彈頭和輕質(zhì)誘餌的微運(yùn)動(dòng)特性通常是不同的。對(duì)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為2 Hz左右;對(duì)于質(zhì)量較輕的誘餌，為了使其在中段保持穩(wěn)定的姿態(tài)，其自旋頻率通常要達(dá)到8～15 Hz［17］。真假目標(biāo)微運(yùn)動(dòng)的差異是目標(biāo)識(shí)別的物理基礎(chǔ)。

4.2 基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分辨(TMR)的識(shí)別技術(shù)

導(dǎo)彈目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征的提取就是要分離出三種運(yùn)動(dòng):平移、自旋、圓錐運(yùn)動(dòng)(包括進(jìn)動(dòng)和章動(dòng))，這種通過(guò)相參數(shù)據(jù)的處理，獲得彈道參量和目標(biāo)相對(duì)于重心的運(yùn)動(dòng)特征的技術(shù)稱為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分辨(TMR，target motion resolution)技術(shù)［18］。

導(dǎo)彈目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征提取需要分離其重心的平移運(yùn)動(dòng)和相對(duì)重心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中相對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)分辨則主要靠相位信息獲得，相位信息中包含有平移運(yùn)動(dòng)和相對(duì)重心運(yùn)動(dòng)引起的相位變化。首先在相位中要消除掉平移運(yùn)動(dòng)，消除后的剩余相位即是相對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)，包含著自旋和圓錐運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)彈的自旋頻率通常小于10 Hz，尾翼部分反射點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)頻率將出現(xiàn)在4倍自旋頻率諧波上，也就是在低于40 Hz的范圍內(nèi)，這就是尾翼自旋的特征。圓錐運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是彈體的剩余運(yùn)動(dòng)，即彈體的擺動(dòng)，是一種低頻調(diào)制，在零多普勒頻率附近，大約在±20 Hz以內(nèi)，可見(jiàn)尾翼自旋和圓錐運(yùn)動(dòng)在頻域上是分開(kāi)的，可用低通濾波將這兩種運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)。原始相位中除掉平移運(yùn)動(dòng)，再去掉低通濾波的輸出，則可進(jìn)行尾翼自旋頻率分析。由于低通濾波輸出去掉了尾翼旋轉(zhuǎn)反射回波的干擾，這之后再進(jìn)行分辨可獲得圓錐運(yùn)動(dòng)，包括進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)及視角的變化。

4.3 基于章動(dòng)參數(shù)估計(jì)的識(shí)別技術(shù)

彈頭的章動(dòng)會(huì)引起彈頭RCS周期性變化，因此基于RCS周期變化的章動(dòng)頻率估計(jì)就成為一種樸素的微運(yùn)動(dòng)特征獲取方法。但深入的研究會(huì)發(fā)現(xiàn)，在章動(dòng)周期內(nèi)，彈頭姿態(tài)的單調(diào)變化并不會(huì)導(dǎo)致彈頭RCS的單調(diào)變化。換言之，在章動(dòng)周期內(nèi)，彈頭的RCS會(huì)出現(xiàn)多個(gè)分布不規(guī)則的極小值和極大值點(diǎn)。當(dāng)對(duì)彈頭的時(shí)變RCS特性進(jìn)行頻譜分析時(shí)，彈頭RCS的這種不規(guī)則變化會(huì)導(dǎo)致虛假的周期分量，而且這種虛假周期頻率分量的幅度常常會(huì)遠(yuǎn)大于真實(shí)的章動(dòng)頻率分量。因此，基于RCS時(shí)變特性的微運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析法的穩(wěn)健性比較差。

文獻(xiàn)［19］通過(guò)對(duì)錐體目標(biāo)RCS回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合來(lái)估計(jì)彈頭類(lèi)目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)(嚴(yán)格說(shuō)應(yīng)為自由規(guī)則進(jìn)動(dòng)，即章動(dòng))參數(shù)。該方法適用的前提必須是完全了解彈頭類(lèi)目標(biāo)在各種姿態(tài)下的RCS特性。在實(shí)際中，防御方通常不可能具有如此完備的彈頭信息，苛刻的數(shù)據(jù)條件使得該方法的實(shí)用性較差。文獻(xiàn)［20］利用截頭圓錐的RCS估算公式作為目標(biāo)的模板信息，提出了一種彈頭類(lèi)目標(biāo)的章動(dòng)周期、章動(dòng)角及慣量比的估計(jì)方法，該方法能夠克服原來(lái)方法計(jì)算量大、存在虛假周期等缺點(diǎn)，但是該方法需要了解彈頭類(lèi)目標(biāo)的形狀和幾何特性，這些先驗(yàn)信息通常并不易獲取。因此，文獻(xiàn)［21］分析了自由段彈頭的微運(yùn)動(dòng)特性和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彈頭的極化散射特性，提取了與彈頭RCS無(wú)關(guān)的特征量——彈頭散射矩陣交叉極化分量之和與主極化分量之差的比值，該特征量?jī)H僅與彈頭的章動(dòng)特性有關(guān)，進(jìn)而提出了一種基于彈頭全極化散射特性的章動(dòng)頻率估計(jì)方法，可以更加有效地估計(jì)彈頭的章動(dòng)頻率。

5 中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別特殊的軍事價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，使得國(guó)內(nèi)外的大批研究機(jī)構(gòu)、人員投入其中。目前它正處于不斷發(fā)展的階段。具體來(lái)說(shuō)，它正朝以下四個(gè)方面發(fā)展。

5.1 豐富的信息獲取技術(shù)

獲取盡量豐富的信息是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的前提。隨著硬件性能的不斷提高，當(dāng)前雷達(dá)正朝大功率、大帶寬、多極化方向發(fā)展，其信息獲取能力不斷增強(qiáng)［22］。例如多極化和變極化技術(shù)，它為目標(biāo)的極化結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征提取奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。又如，隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷改善與優(yōu)化，雷達(dá)可能獲得目標(biāo)的二維信息甚至三維信息［23，24］。日漸豐富的信息獲取手段是中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，不論是硬件和軟件目前均處于快速的發(fā)展階段，它們將為目標(biāo)識(shí)別的方案設(shè)計(jì)和選擇提供更大的空間。

5.2 深入的特征挖掘技術(shù)

有效、穩(wěn)健的特征提取是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。隨著研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到，采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，可以從回波中獲得更多的運(yùn)動(dòng)信息和結(jié)構(gòu)信息。Gene Greneker和V.C.Chen采用微多普勒技術(shù)，可以獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)信息，這一方法對(duì)于識(shí)別具有復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)的彈頭類(lèi)目標(biāo)具有重要的借鑒意義。Bi從寬帶回波中提取出穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)信息［25］。隨著雷達(dá)信息獲取能力的增加，它所能提取的特征將更加豐富、全面，不僅包括宏觀運(yùn)動(dòng)信息(如彈道軌跡、落點(diǎn))，微運(yùn)動(dòng)信息(如彈頭的章動(dòng)周期、頻率、微多普勒)，還將包括目標(biāo)的散射特性和結(jié)構(gòu)特性等，這將為后續(xù)的識(shí)別器設(shè)計(jì)提供極大的便利［26］。

5.3 穩(wěn)健的模式識(shí)別技術(shù)

快速、高效的模式識(shí)別技術(shù)是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的中心環(huán)節(jié)。究其根源，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別是模式識(shí)別技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域，因此也受益于模式識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展。例如，從20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來(lái)的支持向量機(jī)［27］技術(shù)對(duì)有限樣本下模式識(shí)別的根本問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論研究，建立了一種良好的通用學(xué)習(xí)算法，成為近年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的熱點(diǎn)，在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中獲得了良好的應(yīng)用［28］。Tipping在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種基于Bayes框架的學(xué)習(xí)算法－相關(guān)向量機(jī)，它具有更強(qiáng)的適用性［29］。此外，采用隱馬爾可夫模型［30］、自適用高斯分類(lèi)器［31］的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別算法也有報(bào)道。目標(biāo)識(shí)別是一個(gè)應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域，不斷見(jiàn)到有將其他范疇的識(shí)別算法移植到雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的報(bào)道。識(shí)別算法的多樣性有利于選擇高效、穩(wěn)健的識(shí)別器。

5.4 先進(jìn)的信息融合技術(shù)

廣泛、多層次的信息融合技術(shù)是改善雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別性能的重要手段。單傳感器提取的特征往往是待識(shí)別目標(biāo)的不完全描述，而利用多個(gè)傳感器提取獨(dú)立、互補(bǔ)的特征利于提高正確識(shí)別率、降低錯(cuò)誤率。隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，人們從理論高度上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了信息融合的深刻內(nèi)涵:融合系統(tǒng)是建立在全信息空間基礎(chǔ)上的一個(gè)多輸入、多任務(wù)、多處理的并行系統(tǒng)，是全信息狀態(tài)的最優(yōu)處理和控制系統(tǒng)，信息融合不僅要在多傳感器之間進(jìn)行，而且應(yīng)當(dāng)貫穿于同一傳感器內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別各個(gè)階段。在文獻(xiàn)［32］中，作者提出:不僅要進(jìn)行多特征融合，而且通過(guò)時(shí)間序貫融合可以進(jìn)一步提高彈道目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的性能。識(shí)別流程如圖5所示。

圖5 彈道目標(biāo)多特征綜合識(shí)別流程

由于信息融合技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)，這將是彈道中段目標(biāo)識(shí)別中一個(gè)極具魅力的發(fā)展方向。

6 結(jié)語(yǔ)

彈道中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中既包括雷達(dá)信號(hào)處理、特征提取等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，又包括識(shí)別方案選擇、優(yōu)化、組合等頂層設(shè)計(jì)問(wèn)題，涉及到雷達(dá)基礎(chǔ)理論、電子對(duì)抗、模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域。本質(zhì)上，彈道中段目標(biāo)識(shí)別是一場(chǎng)突防方與防御方的攻防對(duì)抗，一旦突防方得知防御方的具體識(shí)別手段，也將提出相應(yīng)的對(duì)抗措施，反之亦然?？梢哉f(shuō)，突防與防御、識(shí)別與反識(shí)別是一場(chǎng)永遠(yuǎn)沒(méi)有終點(diǎn)的博弈較量。最后，還需要指出的是，彈道中段雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法多種多樣，但不存在所謂的“最優(yōu)”識(shí)別方法:識(shí)別性能的優(yōu)劣總是與特定的應(yīng)用背景、具體戰(zhàn)情緊密相連。因此，只有綜合考慮到先驗(yàn)信息的多寡、目標(biāo)群的復(fù)雜程度和突防方的反識(shí)別措施等因素，才有可能構(gòu)建適用于具體場(chǎng)景的最優(yōu)分類(lèi)識(shí)別器。

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