雷達目標特性仿真VV&A方法研究

李艷艷, 陳 巖, 邵學輝, 王亞輝, 李全運

( 1.北京航天自動控制研究所, 北京 100854; 2. 宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室, 北京 100854)

0 引言

近年來，雷達、光學等多種傳感器被廣泛應用于多種平臺的裝備上，復雜環(huán)境下的目標探測與識別能力很大程度上決定了現(xiàn)代裝備實戰(zhàn)化水平。目標特性與環(huán)境特性的研究是目標探測與識別、隱身與反隱身等方面研究的基礎(chǔ)，貫穿于裝備的設(shè)計、驗證和使用等各個環(huán)節(jié)，受到了極大的重視。雷達目標與環(huán)境特性的研究范疇主要包括目標的輻射及散射特性和復雜電磁環(huán)境下目標與場景的耦合特性，具體研究內(nèi)容為目標(包括干擾)及場景數(shù)據(jù)的獲取、分析和應用。其中，目標及場景數(shù)據(jù)的獲取是基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)獲取的手段包括實際測量和數(shù)學仿真，實際測量需要消耗大量的資源，且覆蓋場景有限。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，同時得益于計算機技術(shù)的突飛猛進，目標特性仿真逐漸成為了人們解決目標特性數(shù)據(jù)獲取難題的重要手段。而仿真模型本質(zhì)上是對現(xiàn)實世界的近似抽象，其可信度直接關(guān)系到仿真應用的成敗。目前在仿真界已經(jīng)形成了這樣一個共識：沒有經(jīng)過驗證的仿真模型沒有任何價值，沒有經(jīng)過可信性評估的仿真系統(tǒng)也沒有任何價值。因此，目標特性仿真模型可信度成為目標及場景建模仿真普遍面臨的問題。鑒于此，國內(nèi)外研究人員逐步開展了針對目標與環(huán)境特性仿真評估的研究工作。

仿真模型可信度可以通過校核與驗證加以測量，通過確認來正式地加以認證，確認其可以為某一特定的應用目的服務(wù)，這個過程就是仿真的校核、驗證與確認，即VV&A(Verification，Validation and Accreditation)。王子才院士曾指出：“仿真可信度能否達到要求，直接關(guān)系到仿真系統(tǒng)應用的成敗”。VV&A是保證仿真模型可信度最重要的手段，其應用應貫穿于仿真的全生命周期。作為數(shù)值計算領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究方向，VV&A已廣泛應用于計算流體力學、計算空氣動力學、計算力學、電磁計算等各個領(lǐng)域。VV&A 理論的研究與發(fā)展是一個從具體到抽象、從片面到全面的內(nèi)容不斷充實完善的過程。國外學者經(jīng)歷了50余年的理論及技術(shù)方法研究工作，現(xiàn)在已經(jīng)獲得豐富研究成果，不但有多個組織、機構(gòu)進行多種標準規(guī)范的研究，而且其中的一些標準規(guī)范還隨著研究工作進展得到全面“升級”，例如美國防部的 VV&A 建議指導規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為第三版。除了成熟的標準規(guī)范，國外一直結(jié)合理論研究進行著大量的VV&A 理論的應用方法研究，并獲得了豐富的經(jīng)驗，從而能夠?qū)σ延袠藴室?guī)范做出進一步完善，實現(xiàn)VV&A 理論結(jié)合實際應用的“雙贏”效果。我國系統(tǒng)仿真可信度研究也日益得到重視，然而此方面的研究工作起步較晚，目前正處于快速發(fā)展階段，尚未形成一套完整的VV&A標準體系。

本文介紹了VV&A理論在雷達目標與環(huán)境特性研究中的應用，結(jié)合圖1所示VV&A與建模仿真的關(guān)系，分析了目前國內(nèi)外關(guān)于VV&A在雷達目標特性仿真、電子對抗等方面的研究進展。

圖1 VV&A與建模仿真的關(guān)系Fig.1 The relationship of VV&A, modeling and simulation

1 國內(nèi)外關(guān)于雷達目標特性仿真中的VV&A方法研究

經(jīng)過多年的研究與實踐，仿真可信度評估與VV&A工作取得了很大的發(fā)展，已成為國內(nèi)外仿真領(lǐng)域的研究熱點。隨著雷達等多種探測制導武器研制過程中對目標特性數(shù)據(jù)應用需求和要求的提升，現(xiàn)有目標特性建模仿真暴露出仿真過程無規(guī)范參考、建模結(jié)果置信度說不清的問題。

國內(nèi)外在提高數(shù)值仿真計算結(jié)果可靠性、精確性方面開展了大量的工作。但在雷達目標特性仿真研究及應用方面表現(xiàn)較為零散，在工程應用上雖有一定積累卻并未形成規(guī)模。

隨著VV&A技術(shù)的成熟，目前國外各項建模與仿真的項目均需進行VV&A過程的驗證。在目標RCS建模仿真方面，1999年美國學者Duffy等提出了特征選擇驗證方法模擬專家視覺的數(shù)據(jù)驗證方法，經(jīng)過不斷的修正和完善，在2008年成為IEEE計算電磁學建模與仿真驗證標準的核心內(nèi)容。此后，該方法逐步應用于天線方向圖數(shù)據(jù)、飛機在高強度輻射場下電磁強度分析等多個方向。近幾年，IEEE電磁兼容期刊(IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility)連續(xù)刊發(fā)了多篇VV&A相關(guān)的文章，內(nèi)容包含電磁學領(lǐng)域物理模型和計算模型誤差分析、網(wǎng)格收斂性等VV&A相關(guān)工作，涉及目標特性、微波射頻、電子對抗等方面的應用。國外在VV&A研究過程中非常重視研究的體系化，美國已經(jīng)建立了一套完善的程序測試基準模型庫。除了測試體系外，相關(guān)標準的制定工作也同步開展，相繼突出了多個標準，為各領(lǐng)域建模仿真提供了標準規(guī)范。

近年來，國內(nèi)相關(guān)單位通過內(nèi)外場試驗獲取了大量目標、場景的雷達探測數(shù)據(jù)，對目標特性仿真軟件和建模方法進行了系統(tǒng)的校核。此外，一些高校和研究機構(gòu)已開展了仿真結(jié)果的部分驗證工作，普遍采用均方根誤差和相關(guān)系數(shù)對不同建模軟件及不同電磁計算方法得到的雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)數(shù)據(jù)進行驗證。2014年哈爾濱工業(yè)大學張剛提出了電磁仿真結(jié)果可信度FSA評估方法的關(guān)鍵問題，西安電子科技大學、西北核技術(shù)研究所、西安交通大學、電子科學研究院等單位先后發(fā)表VV&A相關(guān)文章，研究了計算電磁學、目標RCS仿真和電子對抗仿真中VV&A理論和技術(shù)方法。近年來，許多學者提出了將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法應用于仿真模型驗證中，重點解決一些非同等輸入條件下的仿真模型可信度驗證，進一步促進VV&A在建模仿真中的應用。國內(nèi)仿真專業(yè)相關(guān)機構(gòu)也開始著手VV&A體系和標準制定，該工作對國內(nèi)建模與仿真方面具有重要的意義。

綜上所述，國外在雷達目標特性仿真可信度評估方面的研究起步早、積累多，在應用深度、廣度和標準化等方面處于領(lǐng)先水平。但國內(nèi)各大部分研究機構(gòu)在雷達目標特性建模仿真的置信度評估方面，積累較少，缺乏系統(tǒng)的標準規(guī)范和技術(shù)支撐，在裝備系統(tǒng)研制中發(fā)揮的作用有限。在仿真模型驗證方面，針對目標、場景和干擾建模的逼真度問題，現(xiàn)有方法多數(shù)依賴內(nèi)場縮比模型測試和有限的外場掛飛試驗結(jié)果，對試驗環(huán)境和測試方法的影響方面考慮較少，校核結(jié)果不夠準確；仿真算法選擇方面，對于復雜場景下目標及干擾特性的仿真，由于結(jié)構(gòu)和電尺寸較大，普遍采用高頻近似方法進行計算，而每種高頻算法都有其局限性，對于部分特殊結(jié)構(gòu)可能會存在計算精度差的問題。此外，通常在內(nèi)外場測試中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如何利用測試數(shù)據(jù)對仿真模型進行有效校核和優(yōu)化，也是迫切需要研究的問題。因此，在雷達目標建模仿真評估方面需要大力加強VV&A方法的研究和應用，推動VV&A標準體系的制定，進一步提高目標特性仿真置信度評估能力。

2 VV&A理論在雷達目標特性仿真中的應用分析

通過將 VV&A 理論與雷達目標特性仿真進行融合，通過VV&A提高雷達目標特性仿真的可信度，結(jié)合實際項目工作進行案例應用與分析，不但可以獲得工程應用的經(jīng)驗積累，同時還可以對VV&A 標準化研究提供可參考案例，對目標特性研究領(lǐng)域VV&A 標準規(guī)范建立及應用研究意義深遠。

雷達目標特性仿真包括目標的雷達散射截面RCS仿真和目標與場景的成像仿真等。其中，RCS表征雷達目標對于照射電磁波的散射能力，目標與場景的成像是對目標高精度識別的主要手段之一。RCS和成像仿真過程如圖2所示，主要包括幾何建模、材質(zhì)屬性設(shè)置、激勵及觀測角度等參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格剖分、電磁計算和后處理等。每一個步驟實施過程中均存在方法及參數(shù)的選擇問題，仿真過程中的校核和驗證是整個仿真系統(tǒng)有效性的前提。

圖2 雷達目標特性仿真過程Fig.2 The process of radar target characteristic simulation

建立系統(tǒng)模型的過程是雷達目標特性仿真的前提，隨著電子對抗愈演愈烈，目標的形狀、材質(zhì)和狀態(tài)越來越復雜。在建模仿真過程中要綜合考慮模型復雜度和硬件資源消耗，在計算資源能力范圍內(nèi)，盡可能地保證模型足夠簡化且不影響仿真結(jié)果正確性。因此需要對模型的細節(jié)進行敏感度分析，分析目標的各個部件在不同頻段下的變化規(guī)律。建模過程中需要反復進行大量的模型校核與驗證，研究人員還可以利用有限的實測數(shù)據(jù)驗證數(shù)據(jù)、模型和方法有效性，對仿真模型進行迭代修正。

對于仿真算法的選擇和模型網(wǎng)格剖分精度等，要依據(jù)目標的電尺寸和實際需求確定。網(wǎng)格剖分與算法選擇密不可分，有些算法需要剖分為體網(wǎng)格，另外一些需要剖分為面網(wǎng)格，網(wǎng)格大小也需要具體情況而定。隨著軟件框架在數(shù)值模擬中地位的日益提升，基于結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分技術(shù)的軟件框架開發(fā)已經(jīng)成為數(shù)值模擬研究的一個重要方面，并且已經(jīng)在雷達目標特性建模仿真中得到了廣泛應用。

電磁計算是雷達目標特性仿真過程中最重要的部分，大量成熟的數(shù)值計算程序或軟件在不斷地研發(fā)和更新。商業(yè)軟件和專業(yè)軟件采用的電磁計算方法包括頻域方法中的有限元方法、矩量法、高頻方法(物理光學法、彈跳射線法等)等，以及時域方法中的時域有限差分法、時域有限元法、時域積分方程法等，如圖3所示。通用電磁場計算軟件包括HFSS、CST、FEKO、HOBBIES，目標特性仿真軟件包括XPATCH、SE、RADARBASE、FASTEM等。在仿真中利用VV&A理論研究，可以不斷提高計算結(jié)果的可靠性和精確性。

圖3 通用電磁仿真算法和商業(yè)軟件Fig.3 The common electromagnetic simulation algorithm and commercial software

實際測量和仿真在目標特性研究中是不可能割裂的，實際測量是驗證仿真結(jié)果有效性最有說服力的方式，通過對比實測與仿真結(jié)果的一致性，指導測量方法和仿真建模的不斷優(yōu)化。另外，仿真過程中應充分考慮測量過程可能帶入的其他影響因素。在仿真和測量的全過程均進行VV&A分析，提高仿真和實測的可信度，通過部分到整體的不斷迭代完成全流程VV&A工作，最終實現(xiàn)雷達目標特性研究的高可靠性。同時，對建模仿真中的過程數(shù)據(jù)和文檔進行及時整理和收集，作為評估仿真可信度的重要依據(jù)。

3 結(jié)論

本文詳細調(diào)研了國內(nèi)外VV&A理論在雷達目標與環(huán)境特性信息中的方法，詳細分析了目前國內(nèi)外VV&A理論及方法在雷達目標特性建模與仿真中的研究及應用情況，對后續(xù)雷達目標特性仿真驗證評估方法的研究具有指導意義。