空天目標(biāo)電磁散射特性建模與特征認(rèn)知研究*

肖志河，任紅梅，董純柱，趙濤，陳軒

?目標(biāo)特性與探測(cè)跟蹤技術(shù)?

空天目標(biāo)電磁散射特性建模與特征認(rèn)知研究*

肖志河，任紅梅，董純柱，趙濤，陳軒

（散射輻射全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854）

空天目標(biāo)的準(zhǔn)確探測(cè)是識(shí)別面臨的首要問題，目標(biāo)電磁散射特性是雷達(dá)傳感器目標(biāo)識(shí)別的重要依據(jù)。概述了國外空天目標(biāo)電磁散射特性研究發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)高動(dòng)態(tài)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空天目標(biāo)電磁散射精確建模、高效仿真和識(shí)別應(yīng)用的普適性等難點(diǎn)問題，提出了空天目標(biāo)電磁散射特性建模與特征認(rèn)知技術(shù)研究途徑。并結(jié)合仿真算例闡述了目標(biāo)群動(dòng)態(tài)場景構(gòu)建、目標(biāo)特性高效生成，以及微動(dòng)、分離和目標(biāo)群等典型動(dòng)態(tài)場景特征認(rèn)知的實(shí)現(xiàn)方法；針對(duì)未來空天目標(biāo)發(fā)展引起的散射機(jī)理變化，提出了未來空天目標(biāo)特性深化研究的發(fā)展設(shè)想。

空天目標(biāo)；目標(biāo)特性；電磁散射特性；動(dòng)態(tài)場景；高效生成；特征認(rèn)知

0　引言

目標(biāo)特性體現(xiàn)了目標(biāo)的固有屬性［1］，其中雷達(dá)散射截面、一維距離像等電磁散射特性是空天目標(biāo)特性重要組成部分［2］。通過對(duì)目標(biāo)特性的研究，形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)，是雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤與識(shí)別的主要依據(jù)。在雷達(dá)目標(biāo)特性的研究中，數(shù)據(jù)的獲取十分關(guān)鍵，大樣本的電磁散射特性數(shù)據(jù)是目標(biāo)特征分析及進(jìn)一步目標(biāo)識(shí)別的基礎(chǔ)。尤其是當(dāng)前空天目標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取有限，對(duì)空天目標(biāo)特性研究缺乏規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，針對(duì)高動(dòng)態(tài)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及未來新型空天目標(biāo)開展電磁散射建模、高效仿真預(yù)示形成大樣本目標(biāo)特性數(shù)據(jù)，從而支撐開展特征認(rèn)知研究，具有重要的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值。

1　國外空天目標(biāo)電磁散射特性研究發(fā)展現(xiàn)狀

目標(biāo)特性的研究作為空天識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效目標(biāo)探測(cè)和正確識(shí)別的基礎(chǔ)和前提，受到了各軍事強(qiáng)國重視，各個(gè)國家都有專業(yè)的目標(biāo)特性與場景研究機(jī)構(gòu)，其中以依托林肯實(shí)驗(yàn)室及NASA的美國最為先進(jìn)［3］。美國注重空天目標(biāo)與環(huán)境特性模型的研制、驗(yàn)證和認(rèn)可，已形成若干標(biāo)準(zhǔn)國家代碼，且不斷開展目標(biāo)特性新現(xiàn)象和新機(jī)理研究，重視對(duì)目標(biāo)特性現(xiàn)象學(xué)的集成仿真與演示驗(yàn)證，并投入巨大，現(xiàn)已經(jīng)建設(shè)形成了集地基、?；⒖占?、天基多平臺(tái)，靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量等多途徑于一體的研究與試驗(yàn)體系。

在目標(biāo)特性建模方面，美國國防電磁公司研制的電磁特性計(jì)算模型（Xpatch）、波音航空公司的RECOTA，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空天目標(biāo)電磁散射特性準(zhǔn)確計(jì)算；建立的綜合場景生成模型，可以評(píng)估各種光/電傳感器和監(jiān)視系統(tǒng)在空天目標(biāo)探測(cè)、鎖定、跟蹤和攔截等戰(zhàn)場環(huán)境中執(zhí)行其預(yù)定任務(wù)的能力。

在目標(biāo)特性測(cè)量方面，早在20世紀(jì)50年代中期美國就開始研究軍用目標(biāo)特性測(cè)試，目前美國在目標(biāo)特性測(cè)量方面處于世界領(lǐng)先地位，擁有大量先進(jìn)的、系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備，世界上最大的地面、航空、航天等多種平臺(tái)的目標(biāo)特性測(cè)試系統(tǒng)，如已建成的夸賈林靶場目標(biāo)特性測(cè)量站，擁有像ALTAIR、RADEX、ALCOR、MMW等多部雷達(dá)及其他測(cè)量設(shè)備；建成的“眼鏡蛇朱迪”、“眼鏡蛇雙子星”等雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量船，船上加裝有S及X波段的大口徑天線。美國已建設(shè)形成集地基、?；?、空集、天基多平臺(tái)，靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量等多途徑于一體的研究與試驗(yàn)體系，獲取了巨量目標(biāo)特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。美國“地-海-空-天”一體化測(cè)量手段如圖 1所示［4］。

圖1 　美國“地-海-空-天”一體化測(cè)量手段

在識(shí)別特征認(rèn)知方面，“認(rèn)知學(xué)識(shí)別”作為下一代人工智能技術(shù)，屬于強(qiáng)人工智能，是未來智能化發(fā)展趨勢(shì)，更強(qiáng)調(diào)人機(jī)融合。2006年，多倫多大學(xué)的Geoffrey Hinton教授在《Science》上發(fā)表的一篇文章開辟了深度學(xué)習(xí)這一研究領(lǐng)域?；谏疃葘W(xué)習(xí)的雷達(dá)目標(biāo)特征提取與識(shí)別智能算法，近年來研究較為熱門，發(fā)展迅猛。

2　空天目標(biāo)電磁散射建模方法綜述

空天目標(biāo)特性主要是通過理論建模計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)量、室外測(cè)試場靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量等一體化工作，來研究空天威脅目標(biāo)的特性以及變化規(guī)律。

目前空天目標(biāo)靶試驗(yàn)證代價(jià)高，飛行試驗(yàn)有限，空天目標(biāo)特性動(dòng)態(tài)仿真成為重要途徑，空天目標(biāo)動(dòng)態(tài)電磁散射特性建模的主要過程如圖2所示。

圖2 　空天目標(biāo)特性動(dòng)態(tài)仿真研究思路

空天目標(biāo)特性動(dòng)態(tài)仿真主要包括3個(gè)主要環(huán)節(jié)：動(dòng)態(tài)場景構(gòu)建、目標(biāo)電磁散射精確建模、目標(biāo)動(dòng)態(tài)場景高效生成。

2.1　空天目標(biāo)動(dòng)態(tài)場景構(gòu)建

對(duì)于在空間運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，為了更好地分析其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，方便進(jìn)行建模仿真計(jì)算，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模。目標(biāo)作為在空間運(yùn)動(dòng)的剛體，在空間中有6個(gè)自由度，為了更簡便地對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建模，解算出目標(biāo)姿態(tài)隨運(yùn)動(dòng)的變化情況，在不同情況下需要選取合適的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換變得非常重要。圖3為常用坐標(biāo)系示意圖。

圖3 　常用坐標(biāo)系示意圖

建立雷達(dá)觀測(cè)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)飛行場景，如圖4所示，空天目標(biāo)場景構(gòu)建需要設(shè)置參數(shù)包括：目標(biāo)發(fā)射點(diǎn)、落點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)刻、速度、高度、速度傾角、目標(biāo)、形狀、質(zhì)量、長度、底面半徑以及進(jìn)動(dòng)周期、進(jìn)動(dòng)角、自旋頻率等參數(shù)。

圖4 　進(jìn)動(dòng)目標(biāo)飛行場景示意圖

進(jìn)動(dòng)目標(biāo)飛行場景設(shè)置完成后，需要對(duì)多部雷達(dá)的部署位置及雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。雷達(dá)本身的技術(shù)參數(shù)及性能自然會(huì)影響到真假目標(biāo)識(shí)別能力，但是同樣性能的雷達(dá)，在軌跡平面內(nèi)或軌跡平面外不同位置的部署同樣會(huì)造成不同的識(shí)別結(jié)果，這是因?yàn)槔走_(dá)部署在不同的位置時(shí)，距離目標(biāo)的遠(yuǎn)近、雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的視線角以及觀測(cè)時(shí)間、雷達(dá)寬窄帶回波都會(huì)有一定的區(qū)別，因此，首先需要對(duì)雷達(dá)的參數(shù)及位置進(jìn)行合理的部署。雷達(dá)觀測(cè)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的場景設(shè)置完成以后，需要將軌跡與雷達(dá)結(jié)合起來，計(jì)算進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)視線角，對(duì)圖4進(jìn)動(dòng)目標(biāo)飛行場景進(jìn)行仿真，取其中的50 s，雷達(dá)視線角結(jié)果如圖5所示。

圖5 　四部雷達(dá)的雷達(dá)視線角

2.2　目標(biāo)電磁散射特性高精度建模方法

在目標(biāo)電磁特性模型與校驗(yàn)方面，基于數(shù)值計(jì)算方法如特征基函數(shù)法（characteristic basis function method，CBFM）、多層快速多極子算法（multi level fast multipol method，MLFMM）和高頻漸近方法如物理光學(xué)法、等效邊緣電磁流、彈跳射線法［5］，開發(fā)了電磁散射特性模塊軟件。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等試驗(yàn)，開展了仿真結(jié)果和測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，均方根誤差精度均優(yōu)于3 dB。

重點(diǎn)針對(duì)非均勻厚度結(jié)構(gòu)型防熱材料引起的RCS難以快速準(zhǔn)確仿真問題，提出了基于射線管分裂技術(shù)的高頻漸近方法，實(shí)現(xiàn)了反射/折射高效射線追蹤、結(jié)構(gòu)型材料體散射準(zhǔn)確預(yù)估、介質(zhì)/金屬復(fù)合邊緣繞射精確計(jì)算，通用性和實(shí)用性強(qiáng)，顯著提高了計(jì)算精度。目標(biāo)結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖6、7所示。

2.3　目標(biāo)特性動(dòng)態(tài)場景高效生成方法

面對(duì)的空天場景越來越復(fù)雜，為滿足群目標(biāo)識(shí)別對(duì)海量電磁特性數(shù)據(jù)的需求，需要研究動(dòng)態(tài)場景數(shù)據(jù)快速生成方法。

本節(jié)提出了基于稀疏信號(hào)處理的RCS快速生成方法，對(duì)目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理提取特征散射中心，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮與重構(gòu)，基于三維成像開發(fā)了多源散射中心動(dòng)態(tài)電磁散射特性生成工程模型，可用于空天群目標(biāo)場景特性的快速計(jì)算，如圖8所示。實(shí)現(xiàn)了全空間掃頻RCS在3 dB重構(gòu)精度下近300倍高效壓縮，如圖9所示。

圖6 　目標(biāo)結(jié)構(gòu)

圖7 　基于射線管分裂技術(shù)的高頻漸近方法

圖8 　多源散射中心動(dòng)態(tài)電磁散射特性生成模型

圖9 　壓縮重構(gòu)比對(duì)圖

3　空天目標(biāo)動(dòng)態(tài)場景特征認(rèn)知

3.1　微動(dòng)目標(biāo)場景特征認(rèn)知

對(duì)微動(dòng)目標(biāo)各時(shí)刻的動(dòng)態(tài)雷達(dá)回波仿真，獲得錐類微動(dòng)目標(biāo)的一維距離像歷程圖，如圖10所示，基于此可分辨出各散射中心的微動(dòng)特征。提出基于多雷達(dá)HRRP對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取算法，如圖11所示。

圖10 　錐類微動(dòng)目標(biāo)一維距離像歷程圖

圖11 　目標(biāo)進(jìn)動(dòng)角和結(jié)構(gòu)參數(shù)求取流程圖

表1為本文曲線擬合方法和最大最小值方法提取的進(jìn)動(dòng)角對(duì)比。其中，為觀測(cè)時(shí)間，為進(jìn)動(dòng)角，為誤差，可以看出，曲線擬合方法不但縮短了觀測(cè)時(shí)間，提取的誤差也同樣減少。本方法通過兩部雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)和曲線擬合方法將所需的觀測(cè)時(shí)間縮短，在觀測(cè)時(shí)間不足一個(gè)周期的情況下，依然能夠精確地提取目標(biāo)進(jìn)動(dòng)角。

表1 　不同方法提取的進(jìn)動(dòng)角對(duì)比

3.2　分離過程場景仿真特征認(rèn)知

本節(jié)采用建模數(shù)據(jù)仿真目標(biāo)分離場景一維距離像的變化情況。因此，為了分析的方便，假設(shè)雷達(dá)位于落點(diǎn)附近。主目標(biāo)分離出2個(gè)子目標(biāo)，由于分離的速度快，約1 s之后，主目標(biāo)與2個(gè)子目標(biāo)之間距離大于雷達(dá)的寬帶距離分辨力，從一維距離像中已經(jīng)完全可以分辨出3個(gè)目標(biāo)了，所以這里詳細(xì)描述在1 s內(nèi)一維距離像的變化，如圖12所示。

圖12 　1s內(nèi)一維距離像的變化

采用分散特性描述散射點(diǎn)的分布特征為

表2給出了不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的分散特性，隨著時(shí)間的推移，3個(gè)目標(biāo)相對(duì)距離越來越大，散射點(diǎn)之間的間隔也越來越大，強(qiáng)散射中心也越來越分散，因此分散特性也越來越大。

表2 　不同時(shí)刻目標(biāo)散射性變化

3.3　群目標(biāo)散射特性統(tǒng)計(jì)分析

出現(xiàn)在雷達(dá)同一波數(shù)下的群目標(biāo)總散射場是多個(gè)目標(biāo)散射的整體疊加，不同的雷達(dá)視線姿態(tài)角其位置、強(qiáng)度以及幅度也會(huì)隨之變化，造成雷達(dá)目標(biāo)各姿態(tài)角下的RCS隨機(jī)起伏。這種起伏在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)上是有規(guī)律的，與散射中心的數(shù)量及散射強(qiáng)度相關(guān)。

表3為三目標(biāo)水平分布不同距離時(shí)的值與誤差。

表3 　三目標(biāo)、水平分布時(shí)的k值與誤差

表4為三目標(biāo)垂直分布不同距離時(shí)的值與誤差。表5為三目標(biāo)三角分布不同距離時(shí)的值與誤差。

表4 　三目標(biāo)、垂直分布時(shí)的k值與誤差

表5 　三目標(biāo)、三角分布時(shí)的k值與誤差

從值的大小來看，水平和垂直2種分布方式，依視線角的變化規(guī)律是相似的。三目標(biāo)下側(cè)向角度值最小，RCS的起伏最為劇烈，此時(shí)的擬合誤差較大。說明空間位置分布對(duì)值有較大的影響。但目標(biāo)間距離的小范圍變化對(duì)值影響不大。

4　未來空天目標(biāo)特性研究發(fā)展趨勢(shì)

未來空天目標(biāo)更強(qiáng)大的突防能力、更多樣化多形式的突防手段，智能化發(fā)展［6］等大幅提升識(shí)別難度，需要更加精細(xì)化的目標(biāo)特性支撐。目標(biāo)特性研究也由獨(dú)立目標(biāo)的建模計(jì)算向復(fù)雜群目標(biāo)及其伴生效應(yīng)建模技術(shù)方向發(fā)展，空天目標(biāo)特性的認(rèn)知研究也面臨智能化識(shí)別以及綜合態(tài)勢(shì)重構(gòu)等新需求；同時(shí)由于未來新型目標(biāo)可能采用超材料等隱身技術(shù)，可能會(huì)對(duì)目標(biāo)特性研究帶來顛覆性技術(shù)途徑的變化。

4.1　密集群目標(biāo)動(dòng)態(tài)場景重構(gòu)技術(shù)

開展場景反演研究，進(jìn)一步提高目標(biāo)場景仿真中目標(biāo)物理特性、運(yùn)動(dòng)特性和電磁特性數(shù)據(jù)的置信度。首先收集多傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行場景的分析、挖掘與反演，進(jìn)而確定場景內(nèi)目標(biāo)的質(zhì)心軌跡、姿態(tài)、目標(biāo)屬性以及目標(biāo)的光電特性，最終重構(gòu)真實(shí)動(dòng)態(tài)場景的完整表述。

4.2　復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)伴生效應(yīng)研究

由于高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的伴生也逐漸成為后續(xù)空天目標(biāo)特性研究的熱點(diǎn)。一方面要研究空天目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的各種伴生效應(yīng)，可減少對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的干擾影響；另一方面要通過這些效應(yīng)認(rèn)知、反演來襲目標(biāo)的屬性，可以輔助探測(cè)系統(tǒng)對(duì)來襲目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、跟蹤等應(yīng)用。

4.3　智能識(shí)別新技術(shù)研究

為解決傳統(tǒng)識(shí)別方法對(duì)目標(biāo)特征的認(rèn)識(shí)維度片面，本質(zhì)屬性難以提取，對(duì)目標(biāo)和環(huán)境的適應(yīng)能力較差，對(duì)不同戰(zhàn)場環(huán)境的推廣能力也比較有限的問題，需要提升識(shí)別特征對(duì)目標(biāo)和環(huán)境的自我學(xué)習(xí)和智能認(rèn)知能力。未來研究方向，包括基于目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的智能挖掘技術(shù)、戰(zhàn)場環(huán)境目標(biāo)特性數(shù)字孿生技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)的智能識(shí)別方法等。

4.4　超材料目標(biāo)散射特性研究

超材料通過亞波長尺度的周期或者準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的幅度、相位、極化等特性進(jìn)行調(diào)控，通過設(shè)計(jì)反射相位大尺度變化的反射型超材料陣列能夠?qū)崿F(xiàn)后向RCS增強(qiáng)與縮減［7］。超材料調(diào)控應(yīng)用于空天目標(biāo)散射特性模擬與控制新技，將帶有超常電磁特性，將顛覆現(xiàn)有的目標(biāo)特性認(rèn)知，傳感器將出現(xiàn)新探測(cè)技術(shù)，從而引起目標(biāo)特性研究新的發(fā)展方向［8］。

5　結(jié)束語

隨著信息化技術(shù)的不斷深入，空天目標(biāo)特性的研究也要向著精細(xì)化，智能化和高效重構(gòu)能力等方面不斷發(fā)展，進(jìn)一步提升解決關(guān)鍵事件分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)清晰挖掘、目標(biāo)特征深化認(rèn)識(shí)等關(guān)鍵問題的能力。

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XIAOZhihe，RENHongmei，DONGChunzhu，ZHAOTao，CHENXuan

（National Key Laboratory of Scattering and Radiation， Beijing 100854，China）

Accurate detection of aerospace target is the primary challenge of recognition. The electromagnetic scattering characteristics are an important basis for radar sensor-based target recognition in defense systems. This paper summarizes the current status of foreign research on the electromagnetic scattering characteristics of aerospace target. Aiming at the difficulties such as accurate modeling， efficient simulation， and recognition of application of electromagnetic scattering characteristics of aerospace targets with high dynamic and complex structures， the research approach of electromagnetic scattering characteristics modeling and feature recognition technology of aerospace targets are proposed. Combined with simulation examples， it expounds the methods for realizing dynamic scene construction of target groups， efficient generation of target characteristics， and feature cognition of typical dynamic scenes such as micro-motion， separation and target groups. This paper analyzes changes in the scattering mechanism caused by the future development of aerospace targets and presents ideas for deepening research on the characteristics of aerospace defense targets.

aerospace target；target characteristic；electromagnetic scattering characteristics；dynamic scene；the efficient generation；feature cognition

2023 -03 -22 ;

2023 -05 -06

肖志河（1966-），男，江西吉安人。研究員，碩士，研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性與識(shí)別研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.010

TN959.1+7； TJ760.1

文章編號(hào)：1009-086X（2023）-03-0083-08

肖志河, 任紅梅, 董純柱, 等.空天目標(biāo)電磁散射特性建模與特征認(rèn)知研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(3):83-90.

Reference format:XIAO Zhihe,REN Hongmei,DONG Chunzhu,et al.Research on Modeling Technology and Feature Cognition of Electromagnetic Scattering Characteristics of Aerospace Targets[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):83-90.

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