機載雷達島岸背景艦船識別能力研究

劉詩超，劉敏名

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

雷達目標識別是指雷達對目標進行探測，對所獲取的回波信息進行分析，從而確定目標的種類、型號等屬性的技術(shù)。盡管雷達目標識別應(yīng)用范圍很廣，并且在某些層面有了成功的應(yīng)用，但是雷達目標識別技術(shù)還未形成完整的理論體系，現(xiàn)有的雷達目標識別系統(tǒng)在功能上存在一定的局限性，其主要原因是目標類型和雷達體制的多樣化及所處環(huán)境的極端復(fù)雜性。

雷達目標識別需要從目標的雷達回波中提取出目標的有關(guān)信息標志和穩(wěn)定特征，并判明其屬性[1]。對所獲取的目標信息進行計算機處理，與已知目標的特性進行比較，從而達到自動識別目標的目的。

1 機載雷達對艦船目標的識別技術(shù)現(xiàn)狀

雷達目標識別需要從目標反射回來的雷達回波中選取目標的穩(wěn)定特征信息判別其屬性。根據(jù)散射理論，當電磁波照射到物體，目標的大小、形狀、方位以及材料導(dǎo)致雷達接收的回波信號不同。常規(guī)雷達目標特征信息隱含于雷達回波 （復(fù)數(shù)值）之中，通過特定的波形設(shè)計和對回波幅度與相位的處理、分析與變換，可以得到雷達散射截面及其起伏統(tǒng)計模型、角閃爍以及統(tǒng)計特征參數(shù)、目標計劃散射矩陣、目標多散射中心分布等參量，它們表征了雷達目標的固有特征[2]。

隨著寬帶和超寬帶雷達的發(fā)展，能夠獲取目標的一維雷達像和二維雷達像，而這些雷達像包含了更多有利于目標識別的信息。根據(jù)成像方式不同，雷達成像識別技術(shù)大致可以分為兩大類：基于一維距離像的雷達目標識別和基于二維成像的雷達目標識別[3]。借助于成像雷達，如激光雷達、合成孔徑(SAR)、逆合成孔徑(ISAR)、無線電攝像機、近毫米波雷達等獲取目標的二維微波像，為目標的檢測和識別展示了廣闊的前景。而獲取一維距離像要容易的多，采用寬帶信號作匹配接收即可。

目前，用于地（海）基平臺雷達系統(tǒng)對艦船進行識別的技術(shù)主要是高分辨率距離像和ISAR[3]。對陸基固定雷達系統(tǒng)而言，平臺顯然無須運動補償，這是在陸基固定雷達系統(tǒng)應(yīng)用ISAR技術(shù)雷達的一個重要優(yōu)點。在理想情況下，岸基監(jiān)視用雷達應(yīng)位于海平面之上，其觀測方向上檢測海上目標時應(yīng)毫無遮擋；而在艦載平臺上，雷達對海上目標應(yīng)用高分辨率識別模式的距離卻受地球曲率的限制，故其應(yīng)盡可能地裝配在艦船上較高的位置。對水面目標識別的重點應(yīng)是具有潛在威脅的小型艦船，比如巡航艇和滲透用橡皮艇。如果艦載平臺在水面轉(zhuǎn)動或直線運動，為了生成清晰的高分辨率目標特征信號，須對平臺運動做運動補償。

對機載平臺所載雷達系統(tǒng)，可采用SAR和ISAR模式，并將兩種技術(shù)的探測結(jié)果進行綜合處理[3]。具體的實際應(yīng)用取決于雷達的積累時間和艦船目標的運動情況。對于復(fù)雜程度較低的應(yīng)用環(huán)境，也可以采用高距離分辨率技術(shù)探測水面艦只，在這種情況下，運動補償仍是重要的問題。

目前應(yīng)用于艦船目標的雷達目標識別技術(shù)總結(jié)如表1所示。

表1應(yīng)用于艦船目標的雷達識別技術(shù)

2 現(xiàn)有機載雷達常采取的目標識別技術(shù)

現(xiàn)有機載雷達采用最多的是基于高分辨率雷達成像的目標識別技術(shù)。高分辨率距離像是一種一維圖像技術(shù)，其將目標剖分為徑向距離單元。利用覆蓋大帶寬的波形信號，可獲得關(guān)于對象的距離像。它是用寬帶雷達信號獲取的目標散射點復(fù)子回波在雷達射線上投影的向量和，它提供了目標散射點沿距離方向的分布信息，其特點是通過發(fā)出某一波長的高頻信號，通過反射成像時間和位置，從而得出高分辨率距離像，具有目標重要的結(jié)構(gòu)特征，對目標識別與分類十分有價值，因而成為雷達自動目標識別的新技術(shù)[4]。目前，通過多種方式可獲得大帶寬波形信號，而實際中采用的波形則取決于其生成技術(shù)能否整合進雷達系統(tǒng)。而最實用、也是非常普及采用的波形生成方式多采用步進頻率波形。

步進頻率合成帶寬技術(shù)能在帶限成像雷達系統(tǒng)里獲取我們期望的高距離分辨率，這種方法成為獲取大帶寬波形信號最具吸引力的解決方法。線性調(diào)頻信號，也就是我們通常所說的Chirp波形，其距離分辨率與信號帶寬成反比。因此距離分辨率受限于雷達接收器和發(fā)射器的瞬時帶寬。步進頻率合成帶寬技術(shù)的基礎(chǔ)思想就是發(fā)射兩個或多個具有一定子帶寬的Chirp脈沖信號，其中心頻率以一定的頻率步長提高，回波信號使用數(shù)字信號處理技術(shù)聯(lián)合各個Chirp的子帶寬得到一個寬帶寬的合成信號，從而實現(xiàn)高距離分辨[4]。目前，500～600MHz帶寬的線性調(diào)頻信號的處理技術(shù)比較成熟，在此基礎(chǔ)上采用步進頻率合成帶寬技術(shù)很容易就能得到1.8GHz甚至以上的大帶寬信號，這樣，獲得分米級的高距離分辨率也變得容易實現(xiàn)。

頻率步進高距離分辨率技術(shù)的基本原理是以已知頻率分量合成極短的脈沖。應(yīng)用頻率步進技術(shù)的第一步是建立窄脈沖頻譜。脈寬為Δτ的脈沖可以用其帶寬的倒數(shù)表示，如1/B，如圖1所示為帶寬為B的脈沖采樣。該技術(shù)的目的是用低帶寬信號的增量合成初始高分辨率脈沖。如圖1所示，可以考慮用一組采樣頻率來覆蓋初始脈沖的帶寬。合成的信號是將脈寬為Δτ的脈沖合成進載波頻率fc?？梢詮膱D中看到，信號的帶寬B由N個頻率構(gòu)建，頻率間的排列間隔為B/(N-1)。這些頻率分量都是脈寬為τ的正弦波，它們的帶寬都較低，它們在圖中用虛線表示。

圖1在N個頻率上采樣信號帶寬脈沖占據(jù)B/(N-1)個間隔

采用步進頻率合成帶寬技術(shù)，可以在不增加系統(tǒng)瞬時帶寬的情況下，通過數(shù)字信號處理的手段獲得寬帶寬信號，進而獲得高距離分辨率。這種方法是目前應(yīng)用較為廣泛的超寬帶高分辨雷達波形的實現(xiàn)方法。運用這種方法由子脈沖合成得到的信號與寬帶寬信號的頻譜和距離分辨率是一致的。

3 數(shù)學(xué)仿真分析結(jié)果

通過島嶼與船只雷達回波的尺度特征，可對島礁和靜止小型船只進行分類，分類識別概率受島礁與船只的尺度差異性影響。當島礁超過船只尺度較大時，能夠可靠區(qū)分船只與島礁。通過試驗采集某小型船只與島礁的距離像數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)仿真分別提取船只與島礁的尺度特征信息，數(shù)據(jù)見圖2～圖4。

圖2目標船只距離像

圖3背景小島礁距離像

從數(shù)據(jù)仿真結(jié)果可以看出，處理得到的背景小島礁與目標船只的尺度信息差異明顯，利用一維距離像計算尺度信息并合理設(shè)置門限，可有效對目標和背景小島礁進行分類識別檢測。

圖4目標船只和背景小島礁尺度信息差異

4 結(jié)論

由于形勢和環(huán)境的變化，對機載雷達提出了島岸背景艦船的目標檢測與識別能力的新要求。要區(qū)分判別島岸背景與艦船，必須選用穩(wěn)定可靠的目標特征。根據(jù)以上分析與仿真驗證，可采用距離高分辨技術(shù)對目標與背景進行高分辨距離成像，提取目標的距離維尺度特征，通過尺度信息差異從而區(qū)分判別目標船只與島岸背景。該技術(shù)可用于區(qū)分海域中的島礁、小型艦艇、大型艦船等尺度差異較大的目標與背景。當然，從目前來看，用單一的技術(shù)完全解決雷達目標識別問題是十分困難的。問題的解決有賴于多種技術(shù)的綜合運用。針對單一方法存在的各自局限性，可以考慮將多種技術(shù)相結(jié)合，以提高正確識別率。