彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別方法研究

周尚輝，曾德賢，胡晶晶,3，吳署光,4，趙彤

（1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.中國人民解放軍95806部隊，北京 100076；3.中國人民解放軍31638部隊，云南 昆明 650100；4.中國人民解放軍32039部隊，北京 102300）

1 前言

彈道導(dǎo)彈因其射程遠(yuǎn)、精度高、機(jī)動性好、殺傷威力大、突防能力強(qiáng)等獨特優(yōu)勢，已成為世界軍事強(qiáng)國競相發(fā)展的重要武器裝備，隨之而來也給各國的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。隨著相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，分導(dǎo)式多彈頭技術(shù)和誘餌技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的目標(biāo)識別問題日益凸現(xiàn)。目標(biāo)識別已逐漸成為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，備受相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注。

在針對來襲彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的防御作戰(zhàn)中，由于誘餌具有和彈頭目標(biāo)極為相似的特性，且各類目標(biāo)在飛行過程中特性均產(chǎn)生動態(tài)變化，基于目標(biāo)不同特征開展彈頭目標(biāo)的真假判別成為彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的關(guān)鍵。合理運(yùn)用多種彈道導(dǎo)彈目標(biāo)特征識別方法，通過對各類目標(biāo)間特征的比較排除誘餌和碎片等假目標(biāo)的干擾，從目標(biāo)群中篩選出真實的彈頭目標(biāo)，這也是當(dāng)前彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)研發(fā)的一個重要領(lǐng)域。

2 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)特性分析

2.1 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)飛行階段

彈道導(dǎo)彈的整個飛行過程分為助推段、中段和再入段三個階段。在飛行助推段，導(dǎo)彈在燃料燃燒產(chǎn)生巨大推力的作用下不斷爬升高度，產(chǎn)生的尾焰具有可見光、短/中波紅外和紫外等顯著識別特征，此時發(fā)動機(jī)處于工作狀態(tài)，彈頭彈體尚未分離；在飛行中段，彈頭與彈體分離，誘餌、干擾機(jī)、假目標(biāo)等各類突防裝置被相繼釋放，彈頭隱匿于由碎片、誘餌、干擾機(jī)、假目標(biāo)等構(gòu)成的威脅目標(biāo)群中，沖出大氣層后在近似真空環(huán)境中慣性飛行；在飛行再入段，威脅目標(biāo)群在大氣阻力的作用下減速返回大氣層，碎片和輕誘餌在該階段由于大氣阻力的摩擦而劇烈燃燒，剩余的彈頭和重誘餌會在高速再入過程中電離大氣層，在其迎面和尾部產(chǎn)生等離子鞘和尾流。彈道導(dǎo)彈目標(biāo)飛行各階段如圖1所示。

圖1 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)飛行階段示意圖

2.2 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)伴飛對象

彈道導(dǎo)彈目標(biāo)飛行時因其動力原因和突防需求，會產(chǎn)生各種伴飛物，主要包括彈體、碎片、誘餌等。

碎片是彈道導(dǎo)彈飛行過程中產(chǎn)生數(shù)量最多的伴飛物。導(dǎo)彈在飛行過程中，動力裝置、制導(dǎo)裝置等協(xié)同作用使其按程序飛行，其中各個部件在不同階段發(fā)揮作用后不斷被丟棄，以此提高導(dǎo)彈飛行能效。除此之外，導(dǎo)彈的彈體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)級間分離多采用爆炸螺栓方式連接，也使得導(dǎo)彈在飛行過程中產(chǎn)生大量碎片。

彈頭誘餌是人為設(shè)計裝載于導(dǎo)彈上的突防裝置，包括輕誘餌、重誘餌、金屬箔條以及電子干擾機(jī)等。輕誘餌主要包括表面金屬涂層覆蓋的氣球、輕質(zhì)模擬彈頭和輕型角反射體，均為充氣型假目標(biāo)，具有簡易、廉價、可攜帶數(shù)量多的特點，其中輕質(zhì)模擬彈頭最為常見，由薄塑料制成，并以金屬箔條或絲網(wǎng)包覆，外形與彈頭幾乎相同。當(dāng)導(dǎo)彈飛行至大氣層外時，輕誘餌被釋放并充氣成型，在彈頭周圍沿彈道慣性飛行，直至再入大氣層急劇減速后高空解體。重誘餌由密度大、熔點高、耐侵蝕、穩(wěn)定性好的特殊材料制成，具備與彈頭目標(biāo)相似的彈道特性與反射特性。金屬箔條作為一種電子對抗措施，在被拋灑至空中后會產(chǎn)生極強(qiáng)的雷達(dá)反射信號，對防御雷達(dá)造成干擾。電子干擾機(jī)安裝于導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部位，隨彈頭一起突防，可通過向?qū)椃烙到y(tǒng)雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)虛假回波信號的方式制造電子欺騙，干擾雷達(dá)對真實彈頭目標(biāo)的跟蹤，或利用噪聲干擾對導(dǎo)彈防御系統(tǒng)雷達(dá)進(jìn)行干擾壓制，削弱雷達(dá)的作用距離。

2.3 針對彈道導(dǎo)彈目標(biāo)特性的識別任務(wù)

在彈道導(dǎo)彈飛行的三個階段中，助推段因其可見光、紅外等散射特性明顯，且飛行速度較慢，成為導(dǎo)彈飛行過程中最易于被探測掌握的階段。處于該階段的導(dǎo)彈沒有產(chǎn)生大量碎片，也沒有釋放各種突防裝置，因此目標(biāo)識別問題并不突出；飛行中段是導(dǎo)彈飛行過程中時間最長的階段。處于該階段的導(dǎo)彈不受大氣阻力影響，彈頭、彈體、整流罩、誘餌和碎片等均在彈頭附近沿彈道慣性飛行，形成一個擴(kuò)散范圍達(dá)幾千米的威脅目標(biāo)群。如何從威脅目標(biāo)群中識別出隱匿于其中的彈頭，是彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的核心任務(wù)；再入段是導(dǎo)彈飛行過程中持續(xù)時間最短的階段。在該階段，威脅目標(biāo)群中伴隨彈頭飛行的輕誘餌、金屬箔條、碎片等會在大氣阻力的作用下劇烈燃燒，急劇減速后高空解體，只留下耐高溫侵蝕的重誘餌伴隨彈頭繼續(xù)飛行，呈現(xiàn)出類似彈頭的運(yùn)動軌跡。針對彈道導(dǎo)彈飛行中各階段的不同目標(biāo)特征，開展彈頭識別任務(wù)，在導(dǎo)彈防御體系中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

彈道導(dǎo)彈在中段飛行時間最長，大量非彈頭目標(biāo)伴隨彈頭飛行形成威脅目標(biāo)群，且彈頭目標(biāo)雷達(dá)散射截面積小、特征變化快，難以分辨真假；彈道導(dǎo)彈在再入段飛行速度快、機(jī)動性強(qiáng)，還時常伴有分導(dǎo)式多彈頭、彈頭末端機(jī)動等突防措施。因此這兩個階段將是進(jìn)行彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的主要階段。

彈道導(dǎo)彈飛行過程中，除了數(shù)量龐大、特性復(fù)雜的伴飛對象使彈頭識別更加因難外，近年來，許多國家還將隱身技術(shù)引入彈頭設(shè)計中，通過改變彈頭或防護(hù)罩形狀、覆涂雷達(dá)吸波材料等方式增強(qiáng)彈頭目標(biāo)的隱身性能，以此減弱其雷達(dá)反射信號特征。其中最為常見的是將彈頭設(shè)計成尖頭球底的錐球體形狀，可使其在被X波段雷達(dá)前向探測時雷達(dá)散射截面積降為普通圓錐體的萬分之一，極大程度上削弱了防御雷達(dá)對其的探測識別能力。

此外，專家學(xué)者仍致力于“反模擬技術(shù)”的研究，對彈頭進(jìn)行偽裝，將真彈頭包裹在氣球內(nèi)部，使真彈頭更像誘餌，從而達(dá)到“假似真，真似假”的效果。這些措施無疑給彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的目標(biāo)識別帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時也促進(jìn)了彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別技術(shù)的發(fā)展，催生出基于RCS特征、微動特征、極化特征等特征量的一系列彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別方法。

3 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別方法

3.1 基于RCS特征識別

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（RCS）是一種反映目標(biāo)在雷達(dá)接收方向上對雷達(dá)信號散射能力的度量?；赗CS特征的識別方法主要是通過對目標(biāo)回波的序列幅度變化特征分析來達(dá)到識別彈頭目標(biāo)的目的。為了實現(xiàn)彈道導(dǎo)彈在打擊行動中的突防，彈頭在設(shè)計時采用姿態(tài)修正技術(shù)，在飛行過程中控制飛行角度，使其飛行軌跡與防御雷達(dá)照射方向保持一定的姿態(tài)角度范圍，從而控制彈頭在被防御雷達(dá)探測時呈現(xiàn)盡可能小的RCS。而彈體、誘餌和碎片等一般不具備姿態(tài)控制功能，在飛行過程中角度變化異常劇烈，呈現(xiàn)出與彈頭目標(biāo)不同的RCS特征。彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中，窄帶雷達(dá)距離維分辨率較低，很難用時域波形對目標(biāo)進(jìn)行分類，但其目標(biāo)回波中包含的目標(biāo)強(qiáng)度信息具有顯著的序列幅度起伏特征，反映了目標(biāo)散射強(qiáng)度的變化信息，可用于對彈頭目標(biāo)的識別。

與此同時，具備RCS測量功能的雷達(dá)裝備還具有造價低廉、易于研發(fā)等優(yōu)勢特點，因此，基于RCS特征的目標(biāo)識別方法成為彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別研究和應(yīng)用的主要方向之一。

3.2 基于微動特征識別

微動是指目標(biāo)因其特殊結(jié)構(gòu)而受到多種外力作用下產(chǎn)生的小幅運(yùn)動，其運(yùn)動狀態(tài)是目標(biāo)“獨一無二”的精細(xì)化特征，如同人的指紋一般，具有極強(qiáng)的身份標(biāo)識性。彈頭目標(biāo)的微動特征從細(xì)節(jié)上反映了目標(biāo)的運(yùn)動特性、結(jié)構(gòu)特性和電磁散射特征。彈頭目標(biāo)的進(jìn)動這一運(yùn)動特征是識別真假彈頭的重要依據(jù)，所謂進(jìn)動是指自旋目標(biāo)在外力作用下其自旋軸線環(huán)繞中心軸線發(fā)生緩慢轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，自旋軸線與中心軸線的夾角稱為進(jìn)動角，如圖2中θ所示。彈道導(dǎo)彈在設(shè)計中，需要對彈頭應(yīng)用自旋轉(zhuǎn)技術(shù)和姿態(tài)控制技術(shù)，使其在飛行中全部突防裝置釋放完畢后產(chǎn)生“自旋”現(xiàn)象，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，確保彈頭能夠按預(yù)定落點精準(zhǔn)命中目標(biāo)。自旋過程中，彈頭會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)和章動現(xiàn)象，即“鼻錐搖擺”，同時也會存在一些進(jìn)動現(xiàn)象，但進(jìn)動角一般不大，對目標(biāo)回波的影響較小。然而，輕誘餌、重誘餌和電子干擾機(jī)等假目標(biāo)為節(jié)約成本考慮并沒有應(yīng)用相關(guān)穩(wěn)定技術(shù)，不具備此類調(diào)整能力，因此會出現(xiàn)大幅擺動、大角度進(jìn)動，甚至翻滾現(xiàn)象，使目標(biāo)回波產(chǎn)生大幅度起伏，與彈頭目標(biāo)回波形成鮮明對比。

圖2 彈頭目標(biāo)的進(jìn)動

由于彈頭所獨有的自旋轉(zhuǎn)技術(shù)和姿態(tài)控制技術(shù)，使其在穩(wěn)定性上區(qū)別于其他假目標(biāo)，而微動是一種可控性較低的小幅運(yùn)動，特征精細(xì)且極具身份標(biāo)識性，對彈頭目標(biāo)微動的模擬十分困難，因此，基于微動特征的目標(biāo)識別方法被認(rèn)為是彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別領(lǐng)域內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。

3.3 基于極化特征識別

（1）窄帶極化。窄帶雷達(dá)體制指雷達(dá)發(fā)射信號為單頻信號或帶寬較窄的電磁波，此時回波信號的距離分辨率極低。通過窄帶極化對目標(biāo)極化散射特性進(jìn)行研究時，首先依據(jù)雷達(dá)準(zhǔn)單色回波信號得出目標(biāo)的極化散射矩陣，其次在此基礎(chǔ)上分析不同方位角下的極化不變量，最終依據(jù)一系列極化不變量和其反應(yīng)的目標(biāo)特性實現(xiàn)對目標(biāo)的分類與識別。

（2）寬帶極化。對于具有高分辨率的寬帶信號，目標(biāo)的散射特性可以通過雷達(dá)的時域極化散射矩陣或者經(jīng)傅里葉變換后的頻域極化散射矩陣來表示。通過寬帶極化對目標(biāo)極化散射特性進(jìn)行研究時，首先依據(jù)寬帶雷達(dá)回波信號得到目標(biāo)的全極化高分辨距離像（HRRP）信息，然后在此基礎(chǔ)上對極化HRRP進(jìn)行目標(biāo)分解，對各散射中心的散射特性展開分析。

3.4 基于質(zhì)阻比特征識別

質(zhì)阻比是指飛行器質(zhì)量與受到阻力的比值，可以認(rèn)為是其質(zhì)量在阻力面上的分布，從數(shù)學(xué)量化層面反映了飛行器的飛行效率。通常情況下，可以通過減小飛行器的迎風(fēng)面積來提高質(zhì)阻比，如對彈頭目標(biāo)進(jìn)行流線型設(shè)計。

作為彈道導(dǎo)彈重要的突防裝置，重誘餌在設(shè)計時外形通常與彈頭一致，以表現(xiàn)出與彈頭目標(biāo)相似的彈道特性與反射特性。而考慮到彈道導(dǎo)彈助推的費(fèi)效比問題，在彈道導(dǎo)彈載重受限的條件下，需盡可能減小除有效載荷外的重量，因此重誘餌的質(zhì)量一般小于真彈頭。彈道導(dǎo)彈目標(biāo)再入大氣層后，在大氣阻力的過濾作用下，碎片、輕誘餌等目標(biāo)急劇減速，只有彈頭和重誘餌沿預(yù)定軌跡繼續(xù)飛行，而此時彈頭和重誘餌因其質(zhì)量的不同表現(xiàn)出不同的質(zhì)阻比特征，并且隨再入高度的下降會產(chǎn)生不同的序列幅度起伏特征，可作為再入段識別彈頭和重誘餌的重要手段。

3.5 基于一維距離像識別

目標(biāo)的一維距離像實質(zhì)上是目標(biāo)上各距離單元沿雷達(dá)照射方向的散射強(qiáng)度分布圖，能夠精細(xì)反映目標(biāo)的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征。彈道導(dǎo)彈目標(biāo)幾何形狀相對簡單，強(qiáng)散射中心分布具有顯著的識別特點，有利于通過一維距離像進(jìn)行識別。

在基于一維距離像進(jìn)行彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的過程中，由于彈道導(dǎo)彈目標(biāo)飛行速度較快，其一維距離像會出現(xiàn)展寬、畸變、波峰分裂等現(xiàn)象，需對高速運(yùn)動的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)行速度補(bǔ)償，速度補(bǔ)償后可準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的一維距離像。在滿足距離像高信噪比的條件下，可以通過所獲得目標(biāo)的一維距離像測算目標(biāo)對應(yīng)距離單元數(shù)，從而根據(jù)雷達(dá)帶寬估計出目標(biāo)的大概尺寸。

基于一維距離像的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別同時也存在一定局限性。由于彈道導(dǎo)彈目標(biāo)在飛行過程中存在旋轉(zhuǎn)、翻滾等一系列姿態(tài)變化現(xiàn)象，而目標(biāo)的一維距離像具有較強(qiáng)的姿態(tài)敏感性，呈現(xiàn)出隨姿態(tài)變化的特征多樣性，因此對識別模板庫的數(shù)據(jù)量提出了很高的要求，而彈頭和各類突防裝置的高分辨一維距離像特征保密程度較高，對于導(dǎo)彈防御方而言極難獲取，給基于一維距離像的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別帶來了困難。

3.6 基于ISAR成像識別

逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）由合成孔徑雷達(dá)（SAR）基礎(chǔ)之上發(fā)展而來，其成像過程相當(dāng)于SAR成像過程的逆過程，利用固定的雷達(dá)對運(yùn)動目標(biāo)成像，從中提取目標(biāo)的二維結(jié)構(gòu)特征，直觀展示目標(biāo)的形狀、大小等信息。此外，還可以進(jìn)一步對ISAR像進(jìn)行特征提取，從而獲取更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)信息。

在彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別過程中，對于威脅目標(biāo)群中飛行姿態(tài)較平穩(wěn)的目標(biāo)，其相對雷達(dá)的轉(zhuǎn)角較小，ISAR成像期間目標(biāo)的回波徑向散布情況變化不大，運(yùn)動補(bǔ)償更易于實現(xiàn)。在運(yùn)動補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上利用距離多普勒成像算法（RD）或距離瞬時多普勒成像算法（RID）對其進(jìn)行處理，從而獲得目標(biāo)的最終ISAR像，開展基于ISAR成像的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別。

4 識別方法發(fā)展趨勢

4.1 資源調(diào)度技術(shù)-綜合多特征識別

彈道導(dǎo)彈目標(biāo)具備多種特征，可表征多類信息。彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的發(fā)展應(yīng)著眼于多元信息融合的思路，準(zhǔn)確把握目標(biāo)各類特征及其內(nèi)在聯(lián)系，通過對探測裝備多種資源的合理調(diào)度，運(yùn)用綜合多特征識別手段融合各類目標(biāo)信息，提高目標(biāo)識別準(zhǔn)確率。

綜合多特征識別手段的運(yùn)用對雷達(dá)裝備的性能提出了更高的要求，既要兼顧多種目標(biāo)特征的獲取，同時也要滿足各類特征測量的精度要求，在“質(zhì)”與“量”上齊頭并進(jìn)。在雷達(dá)裝備的研究設(shè)計中需要靈活運(yùn)用資源調(diào)度、信息融合等各項技術(shù)，使雷達(dá)在探測目標(biāo)時能夠合理分配資源，獲取目標(biāo)的多種特征，同時對獲取的多種目標(biāo)特征進(jìn)行客觀評價、有效融合，避免偏差較大的目標(biāo)特征對最終識別結(jié)果產(chǎn)生不良影響。

4.2 組網(wǎng)探測技術(shù)-多傳感器融合識別

在彈道導(dǎo)彈打擊行動中，導(dǎo)彈面向防御系統(tǒng)雷達(dá)的多類突防措施給單一傳感器的探測帶來了極大困難，在組網(wǎng)探測技術(shù)支撐下，多傳感器融合識別手段的引入，可在空間分集性上充分發(fā)揮組網(wǎng)雷達(dá)體系探測的優(yōu)勢，實現(xiàn)目標(biāo)探測的多源信息融合。多傳感器融合識別手段的運(yùn)用不僅能夠獲得對目標(biāo)更為完全的描述，同時有效提高了彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的體系抗毀性，當(dāng)部分傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)依然能夠通過其他傳感器的補(bǔ)充完成導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)任務(wù)。

4.3 人工智能技術(shù)-智能化識別

隨著導(dǎo)彈突防技術(shù)和雷達(dá)探測技術(shù)的飛速發(fā)展，彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別對象的類型日新月異、種類繁多，相應(yīng)的反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)體制也呈多樣化發(fā)展，使得目標(biāo)識別特征庫無法與武器裝備發(fā)展相適應(yīng)，難以建立精確而完備的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)特征庫。而近年來人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決此類問題提供了新思路。

為解決目標(biāo)特征庫不夠精確的問題，需要提高彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別的智能化水平，使其具有自適應(yīng)調(diào)整的功能，依據(jù)探測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整優(yōu)化特征庫，使特征庫更加匹配目標(biāo)類型；而為解決目標(biāo)特征庫不夠完備的問題，同樣需要引入機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化識別手段，使目標(biāo)識別具有自主學(xué)習(xí)的功能，自動整合目標(biāo)數(shù)據(jù)建立目標(biāo)特征庫，模擬人工方式對特征庫進(jìn)行維護(hù)。智能化識別手段的運(yùn)用，將為彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別創(chuàng)造無限可能。

5 結(jié)語

彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的識別工作就是將彈頭從誘餌、碎片、彈體等非彈頭目標(biāo)中甄別出來，貫穿于來襲導(dǎo)彈飛行全時段、反導(dǎo)預(yù)警全鏈條。近年來，彈道導(dǎo)彈突防技術(shù)迅猛發(fā)展，將導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)推上了風(fēng)口浪尖，對我彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的能力提出了新要求。為與之相適應(yīng)，我們需要積極開展彈道導(dǎo)彈目標(biāo)識別研究工作，在導(dǎo)彈發(fā)射、突防釋放、誘餌伴飛甚至機(jī)動變軌等過程中遵循“去粗取精、去偽存真、遞次篩選、持續(xù)識別”的原則，拓展目標(biāo)識別維度，靈活運(yùn)用多種識別手段，充分挖掘彈頭與非彈頭目標(biāo)的特征差異，研究出一套高時敏、高置信度的彈頭識別方法，助力導(dǎo)彈防御體系發(fā)展建設(shè)。