地物背景近場散射特性數(shù)據(jù)產(chǎn)品建設(shè)論證研究

秦德淳，靳佰良，李 勇，樊智濤

(中國人民解放軍32215部隊， 河北 張家口 075421)

1 引言

空地探測雷達(dá)探測、制導(dǎo)工作在遠(yuǎn)場區(qū)，照射距離較遠(yuǎn)，一般都是公里級，探測波束在地物背景照射區(qū)域面積巨大。隨著雷達(dá)、彈體的飛行，照射區(qū)域的場景不斷變化，地物背景的類型也隨之改變，但在探測距離基本不變的情況下，其探測波束形成覆蓋面積也基本保持不變，此時地物背景的目標(biāo)特性信息以雜波的形式出現(xiàn)，并采用統(tǒng)計方法研究雜波的分布規(guī)律。

近炸引信工作在近場區(qū)，照射距離近，一般在100 km以內(nèi)，探測波束在地物照射區(qū)域的面積不大，但隨著交會距離的變化，引信探測器照射面積劇烈變化，每一個照射區(qū)域內(nèi)的地物都可以看成一個背景目標(biāo)，此時地物的目標(biāo)特性信息不能以雜波的形式表述，而是把每一引信探測器照射區(qū)域內(nèi)的地物作為背景目標(biāo)，而在整個交會過程中，引信探測器照射區(qū)域內(nèi)的地物就形成一個隨交會距離的變化背景目標(biāo)序列，一般采用等效散射截面來表述，單個背景目標(biāo)的散射特性，不能用統(tǒng)計方法研究散射特性，但是對于整個背景目標(biāo)序列可以采用統(tǒng)計方法進(jìn)行研究。

本文中主要針對近炸引信探測識別目標(biāo)過程中激光、電磁散射特性數(shù)據(jù)獲取需求，分析了國內(nèi)外試驗測試、建模仿真、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，構(gòu)建了地物背景近場激光、電磁散射特性測試、建模仿真、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等數(shù)據(jù)產(chǎn)品建設(shè)總體技術(shù)框架，研究了地物背景激光、毫米波散射特性數(shù)據(jù)測試、后向散射系數(shù)建模、散射特性統(tǒng)計建模、散射特性數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法，通過測量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)分析處理及校核，形成典型氣候條件下地物背景目標(biāo)測試、仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2 軍事需求分析

近炸引信是現(xiàn)代引信的重要分支之一，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，近炸引信開始向著多波段、多體制方向發(fā)展。近炸引信多采用主動探測體制，基于目標(biāo)散射回波信息進(jìn)行探測、識別，完成決策和起爆控制。因此，目標(biāo)散射特性信息是引信探測性能設(shè)計的重要依據(jù)，直接影響到近炸引信探測性能如靈敏度、探測范圍及精確識別等。

目前壓制彈藥、反坦克彈藥、遠(yuǎn)程火箭彈、空地武器彈藥等多采用激光、無線電引信，在實際應(yīng)用環(huán)境中，地物背景目標(biāo)成為影響軍事目標(biāo)檢測性能的主要因素。近炸引信起爆決策的回波信息可能被地物背景目標(biāo)信號干擾甚至淹沒，導(dǎo)致引信無法正常探測、識別軍事目標(biāo)和非軍事目標(biāo)。特別是現(xiàn)代戰(zhàn)場中隱身技術(shù)的應(yīng)用，造成真實軍事目標(biāo)回波信號微弱，難以探測；而水面、叢林、地面等多樣性背景目標(biāo)信號往往較強(qiáng)，在這種環(huán)境背景下，近炸引信對軍事目標(biāo)易形成誤識別，造成早炸、誤炸。

在引信設(shè)計和研制過程中，迫切需要將多樣性地物背景目標(biāo)全天候散射特性信息作為近炸引信探測、啟動特性設(shè)計的依據(jù)。而目前尚缺乏各類地物背景的近場目標(biāo)特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型，尚不能全面支持近炸引信設(shè)計需求，急需開展地物背景近場散射特性研究，滿足多波段、多模復(fù)合近炸引信設(shè)計、研制對地物背景引信特性信息的迫切需求。

3 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

國外引信近場散射特性的研究主要是通過縮比試驗和仿真試驗來進(jìn)行，獲取了大量的試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，為各類武器裝備型號研制提供了技術(shù)支撐。

美國彈目交會仿真中心(MESA)彈目交會試驗采用的是速度縮比原理，其測試方法是：控制計算機(jī)控制引信探測器，沿彈目相對速度矢量以縮比速度向目標(biāo)移動。用精密測量儀器構(gòu)成的電磁測量系統(tǒng)，模擬各種測量體制，精密地模擬測量參數(shù)，對各種目標(biāo)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)或慢速穩(wěn)定的直線運動進(jìn)行動靜態(tài)電磁測量，可更有效、更準(zhǔn)確地獲取近場目標(biāo)特性。轉(zhuǎn)臺主要用于目標(biāo)靜態(tài)特性測量時，為系統(tǒng)提供被測目標(biāo)的各種狀態(tài)、姿態(tài)。轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)與轉(zhuǎn)臺端進(jìn)行通信。由主控程序通過轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)向轉(zhuǎn)臺發(fā)命令，指示轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到指定角度，轉(zhuǎn)臺到位后向轉(zhuǎn)臺控制計算機(jī)發(fā)回到位信息。主控程序在收到轉(zhuǎn)臺到位信息后，開始在新的角度下進(jìn)行測量。對于某些大型目標(biāo)，例如軍艦、大型飛機(jī)、或不能獲得的國外目標(biāo)等，不便于進(jìn)行實物測試，可以采用這些目標(biāo)的縮比模型進(jìn)行測試。如圖1所示，目標(biāo)為縮比目標(biāo)，在8h時間內(nèi)，可以完成百組低速交會試驗。該系統(tǒng)具有彈目交會姿態(tài)可控、時間測量準(zhǔn)確等特點。

圖1 測試目標(biāo)1∶5的縮比目標(biāo)模型示意圖

俄羅斯關(guān)于高速目標(biāo)近場動態(tài)特性驗證試驗的工作已經(jīng)開展了30多年，現(xiàn)在主要依靠實驗室內(nèi)全數(shù)字仿真和半實物仿真，獲取主要的目標(biāo)近場動態(tài)特性數(shù)據(jù)。可鑒定近炸引信是否具有識別目標(biāo)與背景環(huán)境、對抗各種主動/被動干擾的能力，可通過分析目標(biāo)背景特性和干擾特性，建立各種目標(biāo)、海面、地面綜合回波信號數(shù)據(jù)庫、彈目交會姿態(tài)數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的計算機(jī)處理程序等，從而利用仿真試驗技術(shù)獲取引信性能參數(shù)。

綜上所述，國外針對目標(biāo)近場動態(tài)特性驗證建立了大型的測試研究中心，獲得了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在高速交會測試、目標(biāo)光電目標(biāo)特性測試及建模方面，取得了大量的研究成果，并建立了高速交會目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫。

國內(nèi)上海航天科技802所，針對處于地面上方簡單目標(biāo)復(fù)合電磁散射開展了X、Ku波段測量實驗；中國電科第22研究所，針對還雜波開展了Ku波段機(jī)載掛飛實驗。由于實驗測量成本昂貴、數(shù)據(jù)獲取不易，且干擾因素不易去除，因此國內(nèi)研究者重點從仿真方面對地海雜波背景的復(fù)合電磁散射特性進(jìn)行研究。北京環(huán)境特性研究所開展了大量粗糙地海與縮比艦船、坦克等目標(biāo)的測量實驗，并對復(fù)合電磁散射特性和SAR成像特性進(jìn)行仿真。中國電科第22研究所結(jié)合開展長期的地海雜波測量任務(wù)，建立了地海雜波數(shù)據(jù)庫，積累了大量的地海雜波數(shù)據(jù)。

與國外武器裝備目標(biāo)特性的研究相比較，國內(nèi)也采用縮比測試試驗和仿真試驗等技術(shù)，但沒有形成完整的測試鏈條，且未獲取足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，積累的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)不成體系，難以發(fā)揮支撐武器裝備研發(fā)的作用。

4 建設(shè)方案

地物背景涉及的物理因素包括每一種地形地物的高度、空間分布、氣象季節(jié)變化、地域等。由于地形地貌、植被覆蓋的多樣性和地面形態(tài)復(fù)雜多變，在地物背景散射特性研究中，重點特征是后向散射系數(shù)、幅度分布和譜特性。地物背景近場散射特性數(shù)據(jù)產(chǎn)品測量不同地形、不同氣象條件下典型地物背景散射特性，獲取特征數(shù)據(jù)，開展地物背景散射特性、幅度分布特性研究，引入適用于工程應(yīng)用的后向散射系數(shù)模型、地物背景散射特性統(tǒng)計模型，并建立數(shù)據(jù)庫，總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)架構(gòu)框圖

4.1 地物背景激光、毫米波散射特性數(shù)據(jù)測試

地物背景激光、毫米波散射特性測試分為靜態(tài)和動態(tài)測試等2個部分，其測試技術(shù)方案如圖3所示，靜態(tài)測試擬采取的實施方案如圖4所示。

圖3 地物背景激光、毫米波散射特性測試技術(shù)方案框圖

圖4 地物背景激光、毫米波散射特性靜態(tài)測試方案示意圖

激光、毫米波散射特性測試系統(tǒng)置于高臺上，對單一背景進(jìn)行離散測量，即通過電控云臺調(diào)節(jié)探測系統(tǒng)的俯仰角改變擦地角，離散化測量各個單一背景散射特性得到特征數(shù)據(jù)；對多樣化背景進(jìn)行連續(xù)測量，即設(shè)定測試俯仰角范圍，通過電控云臺連續(xù)調(diào)節(jié)探測系統(tǒng)俯仰角連續(xù)變化，并同步探測多樣化地物背景散射信號得到特征數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法得到邊界散射特性。

激光探測擬采用朗伯板定標(biāo)，由于俯仰角的存在，在照射到地物背景時激光光斑投影部分會照射在朗伯板之外，通過精細(xì)化調(diào)節(jié)朗伯板的俯仰，保證激光光斑全部照射在朗伯板以提高定標(biāo)精度。毫米波探測擬采用角反射器或標(biāo)準(zhǔn)球體定標(biāo)，角反射器定標(biāo)時和激光探測定標(biāo)一樣，也要精細(xì)化調(diào)節(jié)角反射器俯仰，保證對準(zhǔn)電軸中心。

毫米波散射特性動態(tài)測試方案如圖5所示。在高臺與地物背景之間按照不同擦地角建立滑索，按照產(chǎn)品的定高高度，在多樣化背景下進(jìn)行滑彈試驗，探測、采集毫米波對地物背景的多普勒信號，并進(jìn)行信號處理提取散射特征。

圖5 地物背景毫米波散射特性動態(tài)測試方案示意圖

4.2 后向散射系數(shù)建模

針對近炸引信應(yīng)用，利用實驗測量結(jié)果對雜波散射系數(shù)開展理論分析，建立引信雜波散射機(jī)理模型，應(yīng)用于近炸引信前期設(shè)計有助于提高抗雜波干擾性能。

后向散射系數(shù)主要和雷達(dá)發(fā)射頻率、入射余角、地貌類型和極化方式有關(guān)。描述地面雷達(dá)地雜波散射模型主要有理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?種。目前常用的理論模型主要有：Morchin模型、GIT模型和γ-f模型。用理論模型來估計雜波散射系數(shù)，無法反映真實地形環(huán)境對雷達(dá)性能的影響，這是由于真實地形環(huán)境復(fù)雜、波束低入射余角照射時存在“遮蔽”和“多路徑”效應(yīng)的影響，而且對同一地形和波束入射余角環(huán)境下，地雜波后向散射理論模型估計出的散射系數(shù)有時會相差數(shù)十個dB。造成這種差別的原因是缺少足夠地面真實情況數(shù)據(jù)、精確的系統(tǒng)校準(zhǔn)或精確的數(shù)據(jù)處理。因此，針對近炸引信抗雜波設(shè)計，應(yīng)在大量實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上建立工程化應(yīng)用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

地雜波后向散射系數(shù)建模研究，擬選定3個較有代表性的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停旱圈媚Ｐ?、修正等γ模型和Ulaby模型。

1) 等γ模型

等γ模型把地面雜波看作是均勻各向同性散射現(xiàn)象來建立模型，由于該模型與實測數(shù)據(jù)擬合較好，是比較有代表性的地雜波散射模型，該模型經(jīng)常用于機(jī)載雷達(dá)下視情況，這一點和攻頂掠飛用的近炸引信比較相似，其數(shù)學(xué)模型為：

=sin

(1)

式(1)中：為地面反射率表征參數(shù)，為與地形有關(guān)的常數(shù)；為擦地角。

2) 修正等模型

為常數(shù)的近似，在入射余角接近0°或90°時是不精確的，可用Gauss衰減項表示，于是模型可修正為：

2.平均產(chǎn)仔數(shù)。采用人工授精為（11.94±0.62）頭/胎，采用自然交配為（11.35±0.78）頭/胎，差異顯著（P<0.05）。

(2)

式(2)中：為等γ模型的常數(shù)；為擦地角；為垂直入射時的鏡面散射強(qiáng)度；為鏡面反射分量角寬度。式(2)中，右邊第1項是漫射分量，第2項是鏡面反射分量。該模型常用于機(jī)載雷達(dá)地面雜波的計算，因此也可以一直應(yīng)用到近炸引信雜波的計算。

3) F.T.Ulaby 模型

F.T.Ulaby綜合了大量的地面散射系數(shù)測量數(shù)據(jù)，將地形分為若干子類，包括土壤和巖石表面、樹林、草地、灌木叢、短植被、路面、城市地區(qū)、干雪、濕雪等等，建立了數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上提出了散射系數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其表達(dá)式為：

=+exp()+cos(+)

(3)

式(3)中：～為統(tǒng)計參數(shù)；為局部入射角，以弧度為單位。

當(dāng)測試地物背景可以進(jìn)行上述分類時，應(yīng)用這類模型比較方便。

4.3 散射特性統(tǒng)計建模

雷達(dá)雜波是來自雷達(dá)分辨單元內(nèi)的許多散射體回波的矢量和。由于雷達(dá)分辨單元內(nèi)一般包括許多隨機(jī)分布的散射體，它們的介電常數(shù)和幾何特性都是隨機(jī)變量，同時散射體或雷達(dá)的運動也將引起回波振幅和相位的變化，這些原因?qū)е码s波的雷達(dá)散射截面具有起伏性。將雜波散射現(xiàn)象理解為與地面隨機(jī)形態(tài)相關(guān)的一種隨機(jī)過程，人們通常用雜波幅度的概率分布模型和雜波相關(guān)模型來描述其統(tǒng)計特性。

雜波的概率統(tǒng)計分析主要特性包括幅度統(tǒng)計特性和譜分布特性。幅度統(tǒng)計特性由雜波幅度的概率密度函數(shù)(PDF)來描述，譜分布特性由雜波的功率譜密度描述。雜波的幅度統(tǒng)計特性反映了雜波的幅度變化特性，在引信雜波分析中，根據(jù)引信探測器波束擦地角的不同，常用的幅度統(tǒng)計特性模型有瑞利(Rayleigh)分布、對數(shù)正態(tài)分布(Log-Normal分布)、Weibull分布與分布。

1) 瑞利(rayleigh)分布

地雜波在引信探測器波束擦地角大于5°、分辨單元極大時，一般可認(rèn)為它們合成的回波包絡(luò)振幅可用Rayleigh分布來描述。如果用||表示Rayleigh分布雜波回波的包絡(luò)振幅。則||的概率密度函數(shù)(PDF)為：

(4)

式(4)中，為雜波的標(biāo)準(zhǔn)差。

2) 對數(shù)正態(tài)(log-normal)分布

對數(shù)正態(tài)分布是雷達(dá)波掠射地面時(擦地角小于5°)，所觀測的回波符合的分布。當(dāng)引信探測器波束對地面進(jìn)行低入射角探測時，地雜波的分布與Rayleigh分布明顯不同，雜波包絡(luò)的概率密度函數(shù)與Rayleigh分布的概率密度函數(shù)相比有一個長的拖尾，而且地面起伏越大，實際的雜波分布與Rayleigh分布偏差越大。一般當(dāng)擦地角低于5°時，使用對數(shù)正態(tài)分布能較好的描述雜波幅度統(tǒng)計模型。設(shè)||代表對數(shù)正態(tài)分布雜波的包絡(luò)振幅，則其概率密度函數(shù)(PDF)為：

(5)

3) 韋布爾()分布

瑞利分布與對數(shù)正態(tài)分布實際上是2個極端情況，前者動態(tài)范圍較窄，預(yù)測出現(xiàn)的大回波的概率較小，而后者的動態(tài)范圍過于寬廣，出現(xiàn)大回波的概率比實際情況大。韋布爾分布則具有更廣泛的適應(yīng)性，其有2個參數(shù):一個是反映均值的尺度參數(shù)，另一個是反映函數(shù)形狀的形狀參數(shù)。是韋布爾分布的特例，同時韋布爾分布又可近似接近對數(shù)正態(tài)分布，所以對于得到的雜波數(shù)據(jù)都能比較好得擬合，該分布在地雜波中得到了許多應(yīng)用，在實驗數(shù)據(jù)擬合，雜波模擬以及目標(biāo)恒虛警處理()等方面都有較大進(jìn)步。分布的概率密度函數(shù)為：

(6)

式(6)中：為尺度參數(shù);與分布的均方值有關(guān)， 是形狀參數(shù)，控制分布尾部的形狀。

由式(6)可以看出，對數(shù)正態(tài)分布和瑞利分布是Weibull分布的形狀參數(shù)分別取1和2時的特例。

4.4 散射特性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

地雜波涉及的物理因素包括每一種地形、地物的高度、空間分布、氣象季節(jié)變化、地域等。由于地形地貌、植被覆蓋的多樣性和地面形態(tài)復(fù)雜多變，在地物背景散射特性的研究中，重點特征是后向散射系數(shù)、幅度分布和譜特性。測量不同地形、不同氣象條件下典型地物背景多波段散射特性，獲取特征數(shù)據(jù)，開展多波段雜波數(shù)據(jù)庫開發(fā)，研究地物類型、波段、極化、入射角度、樣本數(shù)、單一波段特性統(tǒng)計數(shù)據(jù)和模型等元素信息的錄入、檢索、統(tǒng)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。滿足對數(shù)據(jù)信息的智能化管理和數(shù)據(jù)積累。開展數(shù)據(jù)的特征提取、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源信息的挖掘、聚類分析。

秉承面向?qū)ο蠓椒ǖ乃枷脒M(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，在進(jìn)行必要的系統(tǒng)分析后，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫軟硬結(jié)構(gòu)搭建及功能程序開發(fā)，實現(xiàn)對模型、數(shù)據(jù)等信息的錄入、存儲、修改、更新、維護(hù)等智能化管理。

結(jié)合數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)資源通過對數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)變換、聚類分析等功能模塊的開發(fā)，開展數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)基于目標(biāo)特性機(jī)理的特征挖掘。具體對應(yīng)的技術(shù)方法有：

1) 信息收集：根據(jù)確定的數(shù)據(jù)分析對象抽象出在數(shù)據(jù)分析中所需要的特征信息，然后選擇合適的信息收集方法，將收集到的信息存入數(shù)據(jù)庫。

2) 數(shù)據(jù)清理：在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)有一些是不完整的(環(huán)境、測試條件等)，含噪聲的(包含錯誤的屬性值)，并且是不一致的(同樣的信息不同的表示方式)，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清理，將完整、正確、一致的數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)倉庫中。

3) 數(shù)據(jù)變換：通過平滑聚集，數(shù)據(jù)概化，規(guī)范化等方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于數(shù)據(jù)挖掘的形式。

4)數(shù)據(jù)挖掘：根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息，編制對應(yīng)的的數(shù)據(jù)分析功能算法，應(yīng)用統(tǒng)計方法、事例推理、決策樹、規(guī)則推理、甚至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法的方法處理信息，得出有用的數(shù)據(jù)特征信息。

4.5 數(shù)據(jù)校核

在VV&A方面，根據(jù)目標(biāo)與環(huán)境特性測量VV&A實施過程及相關(guān)規(guī)范，VV&A工作貫穿于測試全過程。針對測試過程，VV&A主要分為3個階段：① 測試前，對多波段測試設(shè)備的完備情況進(jìn)行檢查并校核，對測試人員資質(zhì)進(jìn)行考核，對測試方法和原理進(jìn)行論證并校核等；② 測試過程中，首先對系統(tǒng)定標(biāo)和測試步驟是否按照規(guī)范操作進(jìn)行校核，其次對數(shù)據(jù)采集和處理過程進(jìn)行校核，之后通過對比法完成數(shù)據(jù)驗證；③ 最后完成數(shù)據(jù)確認(rèn)和入庫，為近炸引信的研制提供設(shè)計和仿真所需的目標(biāo)與環(huán)境特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和特征信息。

5 結(jié)論

針對地物背景引信散射特性數(shù)據(jù)產(chǎn)品建設(shè)需求，構(gòu)建了地物背景近場激光、電磁散射特性測試、建模仿真、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等數(shù)據(jù)產(chǎn)品建設(shè)的總體技術(shù)框架；設(shè)計了地物背景激光、毫米波散射特性數(shù)據(jù)測試、后向散射系數(shù)建模、散射特性統(tǒng)計建模、散射特性數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案。

本文研究成果可為典型氣候條件下地物背景引信特性測試、仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)品建設(shè)提供借鑒。