李玉璽,許 丹
(1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051;2.解放軍32147 部隊(duì),陜西 寶雞 721000)
目前,彈道導(dǎo)彈防御主要分3 個(gè)階段:助推段防御、中段防御和末端防御。在中段防御中,導(dǎo)彈飛行時(shí)間長(zhǎng),約為整個(gè)飛行時(shí)間的70%左右,與助推段和末端相比,有充足的防御時(shí)間,且作戰(zhàn)位置不受限,可以部署多級(jí)中段攔截系統(tǒng)。下頁(yè)圖1為彈道導(dǎo)彈多段攔截示意圖。
圖1 彈道導(dǎo)彈多段攔截示意圖
近年來(lái),彈道導(dǎo)彈的突防技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在彈道導(dǎo)彈飛行過(guò)程中,母艙會(huì)釋放與彈頭形狀近似的誘餌、箔條、碎片等具有電磁干擾的物質(zhì),同時(shí)有些導(dǎo)彈還具有攜帶多枚彈頭的能力,這些突防技術(shù)的運(yùn)用使得基于表面材料特征和結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別效果很難滿足要求。2000 年,V.C.Chen教授將微動(dòng)拓展到雷達(dá)觀測(cè)領(lǐng)域中,指出目標(biāo)的微動(dòng)特征是目標(biāo)的固有屬性,因此,可以利用該特性對(duì)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行識(shí)別。
彈道目標(biāo)的微動(dòng)具有多樣性,包括旋轉(zhuǎn)、錐旋、擺動(dòng)、振動(dòng)等簡(jiǎn)單微運(yùn)動(dòng)和進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)等復(fù)雜微運(yùn)動(dòng)。在高頻散射條件下,目標(biāo)可以等效為幾個(gè)強(qiáng)散射中心,其在雷達(dá)回波中表現(xiàn)為復(fù)雜調(diào)制的多分量信號(hào)。不同的微動(dòng)方式對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生不同的調(diào)制作用,得到不同的微多普勒信息,通過(guò)對(duì)這些微多普勒信息進(jìn)行提取可實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)的真假識(shí)別。
基于上述分析,從微動(dòng)信號(hào)補(bǔ)償與分離、微動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)微動(dòng)信息,提取3 個(gè)部分對(duì)彈道中段目標(biāo)的微動(dòng)特性進(jìn)行了分析。
彈道中段存在著大量的目標(biāo),包括彈頭、誘餌和碎片等。這些目標(biāo)具有近似的平動(dòng)速度,同時(shí)還具有不同的微運(yùn)動(dòng)。其中平動(dòng)分量會(huì)使目標(biāo)多普勒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)折疊、傾斜,影響微動(dòng)信號(hào)分離與提取。為了有效地提取出目標(biāo)的微動(dòng)信息,需要對(duì)平動(dòng)分量進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)為了研究目標(biāo)的特性,還需對(duì)群目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分離,單獨(dú)提取出子目標(biāo)的微動(dòng)信號(hào)。
目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)彈道目標(biāo)平動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行了一系列研究,所提算法主要有分解法、投影變換法。
圖2 彈道中段目標(biāo)群
1)分解法,主要指小波分解、經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸獾?。李彥兵?duì)輪式和履帶式車輛目標(biāo)進(jìn)行了微多普勒分析,利用小波分解分離出了車輛目標(biāo)的平動(dòng)分量和微動(dòng)分量。許旭光利用了高階模糊函數(shù)的平動(dòng)補(bǔ)償算法,搜索回波模糊函數(shù)的峰值,實(shí)現(xiàn)了平動(dòng)補(bǔ)償。
2)投影變換,主要指Hough 變換,Radon 變換等。楊有春利用多級(jí)延遲共軛相乘的方法在時(shí)域中對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理,用Hough 變換將能量不同的各個(gè)分量進(jìn)行了提取,實(shí)現(xiàn)了平動(dòng)分量和微動(dòng)分量的提取。胡曉偉運(yùn)用Radon 變換和熵值確定法,得到了平動(dòng)分量的參數(shù)估計(jì)值。
多分量微動(dòng)信號(hào)分離方法主要有Viterbi 算法、EMD 分解法。
1)Viterbi 算法:韓立粦采用分段Viterbi 算法對(duì)補(bǔ)償后的時(shí)頻曲線進(jìn)行了分離。李靖卿將Viterbi算法與自適應(yīng)視野聚類匹配相結(jié)合,得到了目標(biāo)微多普勒曲線最優(yōu)匹配路徑,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)分離。
2)EMD 分解:EMD 分解法具有表征不同頻率分量的能力。趙盟盟利用滑動(dòng)窗軌跡與EMD 相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)的分辨。李陽(yáng)利用EMD算法對(duì)飛機(jī)的微多普勒特性進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的分辨。
目標(biāo)的微動(dòng)會(huì)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)制,在載頻中心附近產(chǎn)生邊帶多普勒頻移,被稱為微多普勒。這種調(diào)制含有目標(biāo)微動(dòng)信息、結(jié)構(gòu)尺寸信息和雷達(dá)信息,因此,可以通過(guò)對(duì)其微多普勒進(jìn)行處理來(lái)獲得目標(biāo)的相關(guān)信息,進(jìn)而達(dá)到目標(biāo)識(shí)別。
2006 年,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的V.C.Chen 教授在前人的基礎(chǔ)上通過(guò)理論分析,對(duì)微動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了統(tǒng)一描述,奠定了利用微動(dòng)信息進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的理論基礎(chǔ)。目前,關(guān)于利用微動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的研究,國(guó)外有許多研究機(jī)構(gòu),如美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Towson 大學(xué)、加拿大Montenegro 大學(xué)、英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院、法國(guó)航空實(shí)驗(yàn)室等。
國(guó)內(nèi)的主要研究機(jī)構(gòu)有:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)、航空二院等。2016 年,李靖卿構(gòu)建出了目標(biāo)最強(qiáng)散射中心對(duì)應(yīng)的微動(dòng)信息矩陣,提出了一種基于寬/窄帶混合體制雷達(dá)的彈道目標(biāo)特征提取算法,滿足反導(dǎo)作戰(zhàn)的現(xiàn)實(shí)需求,同時(shí)解決了在強(qiáng)噪聲環(huán)境下彈道目標(biāo)特征的提取問(wèn)題。2017 年,南京航空航天大學(xué)的孫善麗研究了一維距離像序列的周期性以及彈頭徑向長(zhǎng)度,對(duì)彈道導(dǎo)彈的微動(dòng)特征參數(shù)進(jìn)行了提取。后續(xù)研究學(xué)者在彈道目標(biāo)的種類、雷達(dá)信號(hào)的體制和雷達(dá)構(gòu)成上均進(jìn)行了微動(dòng)特性分析與識(shí)別,并取得了豐碩的成果。
窄帶雷達(dá)和寬帶雷達(dá)獲取的微多普勒信息形式是不同的。窄帶雷達(dá)獲得的是目標(biāo)微多普勒頻率信息,通過(guò)在時(shí)域、頻域和時(shí)頻域中對(duì)其進(jìn)行處理可得到相應(yīng)的微動(dòng)信息;寬帶雷達(dá)獲得的是目標(biāo)距離像信息或者距離-多普勒信息,刻畫(huà)的是目標(biāo)精細(xì)的微運(yùn)動(dòng)特征。通過(guò)對(duì)距離值信息提取,不僅可以得到微動(dòng)特征,甚至可以得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征。
V.C.Chen 指出,目標(biāo)的微多普勒特征不受限于雷達(dá)的距離分辨能力。因此,窄帶雷達(dá)也具有獲取目標(biāo)微動(dòng)信息的能力,一般為強(qiáng)散射中心的微多普勒特征。梁復(fù)臺(tái)提出了深度遷移學(xué)習(xí)模型Inception-v3,應(yīng)用到群目標(biāo)回波上,從而實(shí)現(xiàn)窄帶雷達(dá)對(duì)群目標(biāo)的識(shí)別。魏文博提出一種支持向量機(jī)分類的算法,從回波數(shù)據(jù)中提取出群目標(biāo)特征,實(shí)現(xiàn)了群目標(biāo)的初步分類識(shí)別。
寬帶雷達(dá)距離分辨率一般小于目標(biāo)尺寸,具有目標(biāo)成像的能力,典型的寬帶雷達(dá)成像包括一維距離像,二維ISAR 像,三維高分辨像。其中,一維距離像較二維ISAR 像和三維高分辨像更容易獲取,且與目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)和微動(dòng)參數(shù)有直接的關(guān)系。張鈞淞利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與寬帶雷達(dá)的一維距離像結(jié)合起來(lái),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。雷剛提出了一種結(jié)合S 變換和改進(jìn)人工蜂群算法的目標(biāo)探測(cè)識(shí)別技術(shù),可以快速地識(shí)別目標(biāo)。
隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日趨復(fù)雜,單部雷達(dá)暴露出了對(duì)目標(biāo)姿態(tài)敏感、由于遮擋效應(yīng)不能獲取目標(biāo)完整微動(dòng)信息、部分參數(shù)無(wú)法解耦等缺點(diǎn)。組網(wǎng)雷達(dá)不僅能夠避免單一視角帶來(lái)的上述缺點(diǎn),而且可以得到不同視角下的目標(biāo)微動(dòng)信息,在抗干擾、區(qū)域搜索等方面具有較大的優(yōu)勢(shì),還可以為彈道目標(biāo)識(shí)別提供一個(gè)較好的解決途徑。因此,利用組網(wǎng)雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,更有利于微動(dòng)特征的提取和防御系統(tǒng)性能的提升。
雷達(dá)觀測(cè)得到的信號(hào)與距離分辨率沒(méi)有必然的關(guān)系,分辨率有限的窄帶雷達(dá)也具有獲取目標(biāo)微動(dòng)特征的能力,而寬帶雷達(dá)在獲取目標(biāo)距離像的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行成像。關(guān)于利用雷達(dá)網(wǎng)進(jìn)行彈道目標(biāo)識(shí)別的研究,美國(guó)一直處于領(lǐng)先的水平,已經(jīng)建立了由PAVE.PAWS 雷達(dá)、BMEWAS 雷達(dá)、GBR-N雷達(dá)和?;鵛 波段(SBX)雷達(dá)構(gòu)成的中段預(yù)警雷達(dá)網(wǎng),如下頁(yè)圖3 所示。目前,除美國(guó)外,俄羅斯和一些歐洲強(qiáng)國(guó)也開(kāi)展了關(guān)于雷達(dá)網(wǎng)的研究,國(guó)內(nèi)雖然起步晚,但也取得了部分研究成果。
圖3 中段預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)
肖金國(guó)采用參數(shù)化時(shí)頻分析的方法研究了錐體目標(biāo)的微多普勒曲線提取問(wèn)題。朱健東從回波時(shí)頻圖的角度出發(fā),利用圖像處理的相關(guān)算法求解微動(dòng)參數(shù)。由于窄帶雷達(dá)分辨率不高,當(dāng)誘餌的尺寸結(jié)構(gòu)與真彈頭接近時(shí),窄帶雷達(dá)獲取的誘餌微多普勒與真彈頭微多普勒接近,難以區(qū)分,且易受信噪比的影響。因此,需要引入寬帶雷達(dá)對(duì)彈道目標(biāo)特征提取分析。
寬帶高分辨雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精分辨?,F(xiàn)有的研究大多基于一維高分辨距離像和二維ISAR像,目標(biāo)三維微動(dòng)成像由于空間運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,目前相關(guān)的研究較少。
3.2.1 基于一維距離像的微動(dòng)信息提取
寬帶組網(wǎng)雷達(dá)微動(dòng)信息提取的方法,主要分為兩類:一類是利用多視角一維距離像聯(lián)立方程組進(jìn)行微動(dòng)參數(shù)求解,此時(shí)將多視角一維距離像信息作為參數(shù)求解的已知條件,可以提高參數(shù)提取精度;一類是利用多視角一維距離像與彈道目標(biāo)散射中心空間位置之間的關(guān)系,將散射中心空間位置重構(gòu)出來(lái)。周毅采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提取一維距離像的特征,并使用經(jīng)典子空間方法,對(duì)一維距離像的子空間特征進(jìn)行了提取。趙振沖提出了基于差分算法的目標(biāo)投影長(zhǎng)度提取方法,利用峰值效應(yīng)準(zhǔn)確地對(duì)散射中心進(jìn)行了提取。
彈道目標(biāo)一維距離像與雷達(dá)觀測(cè)視角有關(guān)。當(dāng)雷達(dá)觀測(cè)視角變化0.2°時(shí),一維距離像就不再相同,需要用新的距離像來(lái)描述目標(biāo)。彈道目標(biāo)在中段高速飛行,雷達(dá)觀測(cè)視角變化快,需要對(duì)目標(biāo)一維距離像進(jìn)行及時(shí)更新,這就意味著需要很大的計(jì)算量。同時(shí)雷達(dá)網(wǎng)之間還需要對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行同步,因此,利用寬帶雷達(dá)網(wǎng)觀測(cè)的一維距離像進(jìn)行參數(shù)提取,對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力要求很高。
3.2.2 基于二維ISAR 像的微動(dòng)信息提取
與基于微多普勒譜和基于一維距離像的微動(dòng)信息識(shí)別方法相比,二維ISAR 像對(duì)姿態(tài)角的敏感程度不強(qiáng),可以獲得目標(biāo)更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)和方位向信息,一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)ISAR 像能直觀地反映目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?;诙SISAR 像提取目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征,首先需要獲得微動(dòng)目標(biāo)聚焦的ISAR 像。董會(huì)旭提出一種相同距離單元橫向聚焦的成像方法,最后實(shí)現(xiàn)了橫向聚焦。劉記紅采用基于壓縮感知的進(jìn)動(dòng)目標(biāo)成像方法,進(jìn)行二維聯(lián)合處理和分頻處理,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的高分辨成像。
關(guān)于三維成像,目前國(guó)內(nèi)外的研究還比較少。胡曉偉在寬帶雷達(dá)體制下,分析了成像所需的4 個(gè)微動(dòng)參數(shù)并給出了相應(yīng)的參數(shù)估計(jì)方法,通過(guò)構(gòu)建相位補(bǔ)償因子,使得時(shí)間-距離像上的所有數(shù)據(jù)同相疊加,實(shí)現(xiàn)有翼目標(biāo)三維成像。
以上分析驗(yàn)證了寬帶組網(wǎng)雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)觀測(cè)識(shí)別的可行性。
反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)是集預(yù)警、分辨識(shí)別、反導(dǎo)打擊于一體的雷達(dá)網(wǎng)。雷達(dá)網(wǎng)中不僅包括數(shù)量較多的窄帶雷達(dá),還包括數(shù)量較少的寬帶雷達(dá)。下頁(yè)圖4 為利用寬窄帶雷達(dá)組建的反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)示意圖。
圖4 反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)示意圖
文獻(xiàn)[6]指出對(duì)于同一散射中心,其時(shí)頻曲線是距離像序列的導(dǎo)函數(shù),這就給綜合利用反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)中寬窄帶雷達(dá)信息提供了理論依據(jù)。關(guān)于混合體制雷達(dá)網(wǎng)的組建,國(guó)外很早就進(jìn)行了研究,且部分成果已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際裝備中。美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室就利用窄帶雷達(dá)獲取的RCS 特征,去評(píng)估寬帶雷達(dá)對(duì)目標(biāo)形成的ISAR 像,實(shí)現(xiàn)了寬窄雷達(dá)的融合識(shí)別。俄羅斯裝備的C-400 武器系統(tǒng)中就將多種不同型號(hào)的雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)聯(lián)合,同時(shí)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)寬窄帶混合體制雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)的研究還較少,其中,利用微動(dòng)信息進(jìn)行彈道目標(biāo)識(shí)別的研究還處在理論階段??哲姽こ檀髮W(xué)的李靖卿利用寬窄雷達(dá)對(duì)彈頭目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè),通過(guò)對(duì)散射中心進(jìn)行關(guān)聯(lián)與分類,實(shí)現(xiàn)了不同雷達(dá)體制下同一散射中心微動(dòng)信息的融合處理,得到了精確的目標(biāo)參數(shù)。
通過(guò)上述分析可以看出,窄帶雷達(dá)和寬帶雷達(dá)具有不同的優(yōu)勢(shì),組建混合體制雷達(dá)網(wǎng)能夠更有效地發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),獲取目標(biāo)更多的微動(dòng)信息,提升反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)的性能。
1)彈道群目標(biāo)平動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題?,F(xiàn)有的平動(dòng)補(bǔ)償大多基于單一目標(biāo)且假定其在短時(shí)間內(nèi)做二階勻加速運(yùn)動(dòng),考慮的較為理想。如何在群目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)平動(dòng)的精確補(bǔ)償,是下階段亟需解決的問(wèn)題。
2)復(fù)雜目標(biāo)和多目標(biāo)微動(dòng)信號(hào)分離問(wèn)題。目前彈道群目標(biāo)研究多為兩個(gè)目標(biāo),實(shí)際群目標(biāo)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于兩個(gè)子目標(biāo),而且彈頭存在有翼和錐柱體等復(fù)雜結(jié)構(gòu),其雷達(dá)回波中的微多普勒分量更為復(fù)雜。如何在多子目標(biāo)和復(fù)雜目標(biāo)中進(jìn)行微動(dòng)信號(hào)分離是下階段深入解決的問(wèn)題。
3)不同性能雷達(dá)組網(wǎng)與優(yōu)化問(wèn)題。組網(wǎng)雷達(dá)在微動(dòng)特征提取上較單部雷達(dá)具有明顯優(yōu)勢(shì),目前組網(wǎng)雷達(dá)研究多基于單一體制和寬窄帶體制,然而實(shí)際雷達(dá)網(wǎng)中各雷達(dá)在帶寬、載頻、重頻、脈沖形式等方面存在著差異。如何對(duì)性能不一的雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)聯(lián)合,是下階段重點(diǎn)研究的問(wèn)題。
結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和新技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì):
1)微動(dòng)特征作為識(shí)別特征融入彈道目標(biāo)識(shí)別特征層。目前僅僅依靠目標(biāo)單一特征很難達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別,在未來(lái)彈道導(dǎo)彈防御體系中必然是聯(lián)合體系下的多特征融合,是集目標(biāo)RCS 特征、微動(dòng)特征、紅外特征、運(yùn)動(dòng)特征、質(zhì)阻比等為一體的目標(biāo)識(shí)別體系。
2)人工智能技術(shù)運(yùn)用到彈道導(dǎo)彈識(shí)別中。主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面:一是數(shù)據(jù)融合。利用人工智能技術(shù)對(duì)雷達(dá)不同時(shí)刻獲取的同一特征數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。考慮到雷達(dá)之間同步和信號(hào)差異等原因,對(duì)某一雷達(dá)不同時(shí)刻獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)層融合;對(duì)不同雷達(dá)提取得到的特征進(jìn)行特征層融合,并與前一階段得到的特征信息比對(duì)驗(yàn)證。二是目標(biāo)擇優(yōu)。利用人工智能技術(shù)對(duì)不同目標(biāo)不同特征進(jìn)行加權(quán)處理,剔除不可信特征,得到不同目標(biāo)的可信度值,可信度大的可確定為彈頭。三是對(duì)比學(xué)習(xí)。對(duì)不同彈道導(dǎo)彈整個(gè)飛行階段不同特征數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),建立數(shù)據(jù)庫(kù)。利用人工智能技術(shù)對(duì)比學(xué)習(xí),可做到盡早識(shí)別目標(biāo)。
本文對(duì)彈道目標(biāo)微動(dòng)信號(hào)分離與特征提取技術(shù)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了信號(hào)補(bǔ)償與分離、微動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取,總結(jié)了現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究成果和存在的不足并分析了下階段的發(fā)展趨勢(shì),為后續(xù)彈道目標(biāo)特征提取研究提供了新的方向。