空天目标电磁散射特性建模与特征认知研究*

肖志河，任红梅，董纯柱，赵涛，陈轩

☞目标特性与探测跟踪技术☜

空天目标电磁散射特性建模与特征认知研究*

肖志河，任红梅，董纯柱，赵涛，陈轩

（散射辐射全国重点实验室，北京 100854）

空天目标的准确探测是识别面临的首要问题，目标电磁散射特性是雷达传感器目标识别的重要依据。概述了国外空天目标电磁散射特性研究发展现状，针对高动态复杂结构空天目标电磁散射精确建模、高效仿真和识别应用的普适性等难点问题，提出了空天目标电磁散射特性建模与特征认知技术研究途径。并结合仿真算例阐述了目标群动态场景构建、目标特性高效生成，以及微动、分离和目标群等典型动态场景特征认知的实现方法；针对未来空天目标发展引起的散射机理变化，提出了未来空天目标特性深化研究的发展设想。

空天目标；目标特性；电磁散射特性；动态场景；高效生成；特征认知

0　引言

目标特性体现了目标的固有属性［1］，其中雷达散射截面、一维距离像等电磁散射特性是空天目标特性重要组成部分［2］。通过对目标特性的研究，形成规律性认识，是雷达目标检测、跟踪与识别的主要依据。在雷达目标特性的研究中，数据的获取十分关键，大样本的电磁散射特性数据是目标特征分析及进一步目标识别的基础。尤其是当前空天目标实测数据获取有限，对空天目标特性研究缺乏规律性的认识，针对高动态、复杂结构以及未来新型空天目标开展电磁散射建模、高效仿真预示形成大样本目标特性数据，从而支撑开展特征认知研究，具有重要的军事意义和应用价值。

1　国外空天目标电磁散射特性研究发展现状

目标特性的研究作为空天识别系统实现有效目标探测和正确识别的基础和前提，受到了各军事强国重视，各个国家都有专业的目标特性与场景研究机构，其中以依托林肯实验室及NASA的美国最为先进［3］。美国注重空天目标与环境特性模型的研制、验证和认可，已形成若干标准国家代码，且不断开展目标特性新现象和新机理研究，重视对目标特性现象学的集成仿真与演示验证，并投入巨大，现已经建设形成了集地基、海基、空集、天基多平台，静态测量、动态测量等多途径于一体的研究与试验体系。

在目标特性建模方面，美国国防电磁公司研制的电磁特性计算模型（Xpatch）、波音航空公司的RECOTA，能够实现对空天目标电磁散射特性准确计算；建立的综合场景生成模型，可以评估各种光/电传感器和监视系统在空天目标探测、锁定、跟踪和拦截等战场环境中执行其预定任务的能力。

在目标特性测量方面，早在20世纪50年代中期美国就开始研究军用目标特性测试，目前美国在目标特性测量方面处于世界领先地位，拥有大量先进的、系统的测试设备，世界上最大的地面、航空、航天等多种平台的目标特性测试系统，如已建成的夸贾林靶场目标特性测量站，拥有像ALTAIR、RADEX、ALCOR、MMW等多部雷达及其他测量设备；建成的“眼镜蛇朱迪”、“眼镜蛇双子星”等雷达目标特性测量船，船上加装有S及X波段的大口径天线。美国已建设形成集地基、海基、空集、天基多平台，静态测量、动态测量等多途径于一体的研究与试验体系，获取了巨量目标特性基础数据。美国“地-海-空-天”一体化测量手段如图 1所示［4］。

图1 　美国“地-海-空-天”一体化测量手段

在识别特征认知方面，“认知学识别”作为下一代人工智能技术，属于强人工智能，是未来智能化发展趋势，更强调人机融合。2006年，多伦多大学的Geoffrey Hinton教授在《Science》上发表的一篇文章开辟了深度学习这一研究领域。基于深度学习的雷达目标特征提取与识别智能算法，近年来研究较为热门，发展迅猛。

2　空天目标电磁散射建模方法综述

空天目标特性主要是通过理论建模计算、实验室模拟测量、室外测试场静态测量、动态跟踪测量等一体化工作，来研究空天威胁目标的特性以及变化规律。

目前空天目标靶试验证代价高，飞行试验有限，空天目标特性动态仿真成为重要途径，空天目标动态电磁散射特性建模的主要过程如图2所示。

图2 　空天目标特性动态仿真研究思路

空天目标特性动态仿真主要包括3个主要环节：动态场景构建、目标电磁散射精确建模、目标动态场景高效生成。

2.1　空天目标动态场景构建

对于在空间运动的目标，为了更好地分析其运动状态，方便进行建模仿真计算，需要对目标进行运动建模。目标作为在空间运动的刚体，在空间中有6个自由度，为了更简便地对目标的运动状态建模，解算出目标姿态随运动的变化情况，在不同情况下需要选取合适的坐标系。坐标系的转换变得非常重要。图3为常用坐标系示意图。

图3 　常用坐标系示意图

建立雷达观测进动目标飞行场景，如图4所示，空天目标场景构建需要设置参数包括：目标发射点、落点、发动机关机时刻、速度、高度、速度倾角、目标、形状、质量、长度、底面半径以及进动周期、进动角、自旋频率等参数。

图4 　进动目标飞行场景示意图

进动目标飞行场景设置完成后，需要对多部雷达的部署位置及雷达参数进行设置。雷达本身的技术参数及性能自然会影响到真假目标识别能力，但是同样性能的雷达，在轨迹平面内或轨迹平面外不同位置的部署同样会造成不同的识别结果，这是因为雷达部署在不同的位置时，距离目标的远近、雷达观测目标的视线角以及观测时间、雷达宽窄带回波都会有一定的区别，因此，首先需要对雷达的参数及位置进行合理的部署。雷达观测进动目标的场景设置完成以后，需要将轨迹与雷达结合起来，计算进动目标的雷达视线角，对图4进动目标飞行场景进行仿真，取其中的50 s，雷达视线角结果如图5所示。

图5 　四部雷达的雷达视线角

2.2　目标电磁散射特性高精度建模方法

在目标电磁特性模型与校验方面，基于数值计算方法如特征基函数法（characteristic basis function method，CBFM）、多层快速多极子算法（multi level fast multipol method，MLFMM）和高频渐近方法如物理光学法、等效边缘电磁流、弹跳射线法［5］，开发了电磁散射特性模块软件。通过实验室测试等试验，开展了仿真结果和测试和动态测量结果的对比分析，均方根误差精度均优于3 dB。

重点针对非均匀厚度结构型防热材料引起的RCS难以快速准确仿真问题，提出了基于射线管分裂技术的高频渐近方法，实现了反射/折射高效射线追踪、结构型材料体散射准确预估、介质/金属复合边缘绕射精确计算，通用性和实用性强，显著提高了计算精度。目标结构和仿真结果如图6、7所示。

2.3　目标特性动态场景高效生成方法

面对的空天场景越来越复杂，为满足群目标识别对海量电磁特性数据的需求，需要研究动态场景数据快速生成方法。

本节提出了基于稀疏信号处理的RCS快速生成方法，对目标RCS数据进行处理提取特征散射中心，进而可以实现对数据的压缩与重构，基于三维成像开发了多源散射中心动态电磁散射特性生成工程模型，可用于空天群目标场景特性的快速计算，如图8所示。实现了全空间扫频RCS在3 dB重构精度下近300倍高效压缩，如图9所示。

图6 　目标结构

图7 　基于射线管分裂技术的高频渐近方法

图8 　多源散射中心动态电磁散射特性生成模型

图9 　压缩重构比对图

3　空天目标动态场景特征认知

3.1　微动目标场景特征认知

对微动目标各时刻的动态雷达回波仿真，获得锥类微动目标的一维距离像历程图，如图10所示，基于此可分辨出各散射中心的微动特征。提出基于多雷达HRRP对目标结构参数的提取算法，如图11所示。

图10 　锥类微动目标一维距离像历程图

图11 　目标进动角和结构参数求取流程图

表1为本文曲线拟合方法和最大最小值方法提取的进动角对比。其中，为观测时间，为进动角，为误差，可以看出，曲线拟合方法不但缩短了观测时间，提取的误差也同样减少。本方法通过两部雷达同时观测和曲线拟合方法将所需的观测时间缩短，在观测时间不足一个周期的情况下，依然能够精确地提取目标进动角。

表1 　不同方法提取的进动角对比

3.2　分离过程场景仿真特征认知

本节采用建模数据仿真目标分离场景一维距离像的变化情况。因此，为了分析的方便，假设雷达位于落点附近。主目标分离出2个子目标，由于分离的速度快，约1 s之后，主目标与2个子目标之间距离大于雷达的宽带距离分辨力，从一维距离像中已经完全可以分辨出3个目标了，所以这里详细描述在1 s内一维距离像的变化，如图12所示。

图12 　1s内一维距离像的变化

采用分散特性描述散射点的分布特征为

表2给出了不同时刻对应的分散特性，随着时间的推移，3个目标相对距离越来越大，散射点之间的间隔也越来越大，强散射中心也越来越分散，因此分散特性也越来越大。

表2 　不同时刻目标散射性变化

3.3　群目标散射特性统计分析

出现在雷达同一波数下的群目标总散射场是多个目标散射的整体叠加，不同的雷达视线姿态角其位置、强度以及幅度也会随之变化，造成雷达目标各姿态角下的RCS随机起伏。这种起伏在数学统计上是有规律的，与散射中心的数量及散射强度相关。

表3为三目标水平分布不同距离时的值与误差。

表3 　三目标、水平分布时的k值与误差

表4为三目标垂直分布不同距离时的值与误差。表5为三目标三角分布不同距离时的值与误差。

表4 　三目标、垂直分布时的k值与误差

表5 　三目标、三角分布时的k值与误差

从值的大小来看，水平和垂直2种分布方式，依视线角的变化规律是相似的。三目标下侧向角度值最小，RCS的起伏最为剧烈，此时的拟合误差较大。说明空间位置分布对值有较大的影响。但目标间距离的小范围变化对值影响不大。

4　未来空天目标特性研究发展趋势

未来空天目标更强大的突防能力、更多样化多形式的突防手段，智能化发展［6］等大幅提升识别难度，需要更加精细化的目标特性支撑。目标特性研究也由独立目标的建模计算向复杂群目标及其伴生效应建模技术方向发展，空天目标特性的认知研究也面临智能化识别以及综合态势重构等新需求；同时由于未来新型目标可能采用超材料等隐身技术，可能会对目标特性研究带来颠覆性技术途径的变化。

4.1　密集群目标动态场景重构技术

开展场景反演研究，进一步提高目标场景仿真中目标物理特性、运动特性和电磁特性数据的置信度。首先收集多传感器实测数据，进行场景的分析、挖掘与反演，进而确定场景内目标的质心轨迹、姿态、目标属性以及目标的光电特性，最终重构真实动态场景的完整表述。

4.2　复杂运动目标伴生效应研究

由于高速运动产生的伴生也逐渐成为后续空天目标特性研究的热点。一方面要研究空天目标高速运动过程中产生的各种伴生效应，可减少对探测系统的干扰影响；另一方面要通过这些效应认知、反演来袭目标的属性，可以辅助探测系统对来袭目标的探测、识别、跟踪等应用。

4.3　智能识别新技术研究

为解决传统识别方法对目标特征的认识维度片面，本质属性难以提取，对目标和环境的适应能力较差，对不同战场环境的推广能力也比较有限的问题，需要提升识别特征对目标和环境的自我学习和智能认知能力。未来研究方向，包括基于目标特性数据的智能挖掘技术、战场环境目标特性数字孪生技术以及基于深度学习的智能识别方法等。

4.4　超材料目标散射特性研究

超材料通过亚波长尺度的周期或者准周期结构对电磁波的幅度、相位、极化等特性进行调控，通过设计反射相位大尺度变化的反射型超材料阵列能够实现后向RCS增强与缩减［7］。超材料调控应用于空天目标散射特性模拟与控制新技，将带有超常电磁特性，将颠覆现有的目标特性认知，传感器将出现新探测技术，从而引起目标特性研究新的发展方向［8］。

5　结束语

随着信息化技术的不断深入，空天目标特性的研究也要向着精细化，智能化和高效重构能力等方面不断发展，进一步提升解决关键事件分析、实测数据清晰挖掘、目标特征深化认识等关键问题的能力。

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Research on Modeling Technology and Feature Cognition of Electromagnetic Scattering Characteristics of Aerospace Targets

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。研究员，硕士，研究方向为目标特性与识别研究。

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

TN959.1+7； TJ760.1

文章编号：1009-086X（2023）-03-0083-08

肖志河, 任红梅, 董纯柱, 等.空天目标电磁散射特性建模与特征认知研究[J].现代防御技术,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.

通信地址：100854 北京142信箱207分箱