弹道导弹识别技术发展综述

吕金建,丁建江,项 清,阮崇籍,叶朝谋

(1.空军雷达学院科研部,湖北武汉 430019;2.94782部队,浙江杭州 310021)

0 引言

弹道导弹以其射程远、威力大、精度高和生存能力强等优点已成为现代战争的“杀手锏”武器之一。作为事物的对立面,弹道导弹防御系统应运而生。纵观弹道导弹防御技术发展史,如何解决目标识别问题一直是其核心难题之一[1]。目前,对弹道导弹识别问题的研究在国内外已经成为热点。但由于弹道导弹识别问题本身的复杂性,加上各种突防手段的应用如隐身技术、多弹头技术、诱饵干扰技术以及复杂的电磁环境,识别变得越来越困难,至今尚无完善的理论框架与成熟的技术和方法。因此,弹道导弹识别研究具有极其重要的军事应用价值。

本文将对弹道导弹识别技术的最新研究进展进行回顾,从识别特征的角度总结评述前人研究结果,期望找出规律性的问题,指出未来的发展方向,为相关人员开展进一步的研究提供一定的参考作用。

1 起源与发展

20世纪50年代末期,前苏联成功试验了世界上第一颗洲际弹道导弹,紧接着又发射升空了第一颗人造卫星,这两件大事在全世界范围内引起了巨大反响,美国对此立刻做出了回应,开始着手研究弹道导弹防御,并将目标识别这一关键技术交给当时科研实力雄厚的林肯实验室承担。可见,目标识别作为弹道导弹防御系统中的核心和关键技术之一,从一开始就引起了高度重视,伴随着反导系统的发展距今已走过60多年的历程。

60多年来弹道导弹识别研究工作从未间断,并不断发展和完善,取得了很多研究成果,并且一些技术已走入实用阶段,据美国国防部2000年透露,地基中段弹道导弹防御系统(GMD)中仅用于中段拦截的识别措施就有24种之多[2]。总体来说,弹道导弹识别的发展历程主要可分为三个阶段:第一阶段是20世纪60年代的10年间,这一阶段宽带成像技术还没出现,主要以窄带测量技术即通过对目标RCS测量和速度测量等来实现目标识别;第二个阶段是1970年以后的20年间,这一阶段主要以宽带成像雷达为标志,利用目标的一维距离像、SAR和ISAR像等对目标进行识别;第三个阶段是从20世纪90年代以后,主要发展了宽带外推技术、子频带内插和外推连接技术以及相推测距技术三大新技术,进一步推进了目标识别的发展。目前,弹道导弹识别技术已进入一个快速发展的阶段,国内外大量的机构和个人参与研究。

参与弹道导弹识别研究的国外机构和个人主要有:美国麻省理工学院的林肯实验室、德克萨斯大学奥斯汀分校(Hao Ling教授)、国家航空航天局、导弹防御局、海军研究实验室(Victor Chen教授)、Boeing公司、马克资源公司(Rihaczek和B.D.Baker等人)、德国的高频物理研究所、日本的京都大学(Toru Sato等人)等。与国外相比,国内在弹道导弹识别方面的研究起步较晚,参与研究的单位也较少,主要是电科集团与航天科工集团的相关研究所和一些大学。在这些研究机构和个人中,林肯实验室、Victor Chen教授和Hao Ling教授的研究成果始终走在世界的前列。

2 不同飞行阶段的目标特性与识别技术特点分析

根据从发射点到攻击点运动过程中的受力情况,通常将弹道导弹的飞行过程分为三个阶段:助推段、自由飞行段(又叫中段)和再入段[3]。目前,也有学者在助推段后增加了末助推段,将弹道导弹的飞行过程分为四个阶段[4]。弹道导弹的三个飞行阶段各有特点,呈现出来的物理特性和突防条件不同,从而导致目标特性和识别技术特点也不同。

2.1 助推段

助推段,始于导弹发射,止于最后一级助推火箭关机。在该阶段,导弹喷射出强烈的尾焰,其中包含可见光、短波、中波、红外以及紫外等不同波段的辐射信号,一般不可能隐藏,很容易从同步轨道卫星或者近轨红外预警卫星上进行探测。此外,处于助推段的弹道导弹可利用的特征还包括由于庞大体积引起的大的雷达有效反射截面以及在大气层飞行时气动加热所引起的热辐射等。

助推段目标识别的最大优势就是目标单一,各种可用的识别特征明显,飞行速度和姿态变化慢,遇到的最大挑战就是要在极短的时间内完成识别,目前一般战术弹道导弹在助推段飞行时间只有几十秒,即使是洲际弹道导弹飞行时间也只有3～6 min,加上拦截平台在地理部署上的限制,在助推段实现目标识别并加以拦截,可行性并不高。

2.2 中段

弹道中段在整个弹道导弹飞行过程中历时最长,洲际弹道导弹的中段飞行时间一般为20～30 min,是反导系统的首选拦截阶段。弹道中段位于大气层外,推进系统已关机,红外辐射信号微弱,目标运动状态相对平稳,如果忽略其他各种摄动的影响(如地球形状非球形、密度分布不均匀引起的摄动以及太阳、月球的引力等),弹道导弹主要受地球引力影响,这时导弹的飞行轨道可以看成为二体轨道。

弹道导弹防御技术的发展促进了导弹攻击技术的进步,攻击方为了提高导弹的生存能力,通常会采取各种突防措施如弹头自身的隐身技术、电磁干扰技术以及诱饵释放等,采用的诱饵主要有金属球、箔条云团、雷达诱饵、红外诱饵和热充气球等。由于诱饵释放过程的发生,弹道中段的一个重要特征就是目标数量不再单一,而是形成包括真弹头、发射碎片和各种诱饵与假目标的威胁目标群,它们以大致相同的速度沿导弹的预定弹道惯性飞行,形成长达几十米的所谓威胁“管道”,构成复杂的目标环境。

为了保持弹头在大气层外飞行的稳定性和提高命中精度,弹头在中段要进行姿态控制。姿态控制的方式有多种,其中自旋和三轴稳定是最常用的方式。对于轻诱饵和其他碎片,一般不采取姿态控制,目标会呈现翻滚等随机运动。而对于弹头类目标,除了姿态控制外,还受到诱饵释放过程中产生的横向干扰,会产生进动和章动等微运动。综上可知,中段目标主要具有以下三个特性:1)目标在大气层外做惯性飞行,只受地球引力作用(其他摄动力较小,可忽略),为二体运动,红外辐射特性弱;2)目标不再单一,而是弹头和各类诱饵构成的目标群;3)目前群存在翻滚、进动和章动等微运动。

弹道中段目标识别的优点在于:相对于助推段和再入段,用于目标识别的时间长,且弹道可以被精确地预测和确定。但中段目标识别也面临着严峻的挑战:各种突防手段的实施使得中段目标不再单一,而是威胁目标群,目标环境复杂,尤其是重型诱饵,在质量、外形以及表面材料方面与真弹头相差无几,导致其电磁散射特性、辐射特性以及运动特性等皆与真弹头几乎一样,这大大增加了目标识别的难度。

2.3 再入段

再入段是弹道导弹飞行三个阶段中时间最短的一个阶段。由于大气阻力使得目标产生减速特性,轻诱饵和碎片等在该阶段很快被大气过滤掉,只剩下弹头和重诱饵,而且弹头因摩擦受热,红外辐射特性增强。同时,导弹在再入飞行过程中,其RCS的起伏较大,一般经历“减小—增大—减小—恢复”的过程,而且不同的弹头在减速特性、RCS突增及辐射特性等方面都会有较大差异,可以采用质阻比等特征来进行目标识别。

可见,再入段目标识别的优势是很明显的,但是,由于再入段防御用于跟踪和识别的时间很短(一般小于60 s),弹头飞行速度快,再加上进攻方可借助多弹头技术和弹头机动技术等反拦截突防措施,使防御方失去跟踪和识别目标的机会。

3 弹道导弹识别技术的最新进展

迄今为止在国内外的弹道导弹识别研究领域,尽管由于保密等原因,一些新技术、新方法没有公开,但文献中仍然报道了相当多的研究工作,提出了大量的识别策略和方法。依据不同的分类方式可以将这些方法分成不同的类:如按照获得识别特征的传感器带宽可以分为窄带识别方法和宽带识别方法[5];按照弹道导弹的飞行轨迹可以分为助推段识别方法、中段识别方法和再入段识别方法等[6]。论文在参考已有文献的基础上,按照识别利用的不同特征对已有的主要识别策略和方法进行分类综述。目前利用的识别特征主要有飞行轨迹、微动特征、成像特征、极化特征、质阻比特征以及红外特征等,其中基于微动特征、成像特征和极化特征的识别方法是研究热点。

3.1 微动特征

美国的Victor Chen教授[7-9]首次提出了“微动”的概念,他将目标或目标的组成部分除质心平动以外的振动、转动和加速运动等微小运动称为微动。陈行勇[10]在他的博士论文中将微动概念进行了推广,将目标或目标组成部分在径向相对雷达的小幅(相对于目标与雷达的径向距离)非匀速运动或运动分量统称为微动。按照Victor Chen教授和陈行勇博士的定义,弹头类目标的进动、章动以及诱饵的摆动等都属于微动。基于弹道导弹微动特征的目标识别技术已经成为当前研究热点。

早在20世纪60年代,美国就开始研究弹头类目标的进动特性。为验证利用进动特征识别导弹目标的可行性,美国又于1990年3月和10月专门实施了两次名为“Firefly”的飞行试验,其结果证明了基于锥体目标进动特性识别弹头和诱饵的可行性[11]。基于微动特征的弹道导弹识别的关键在于微动参数的估计。目前,微动参数估计的方法主要有两大类[5]:基于RCS的方法和基于微多普勒分析技术的方法。

一般情况下,进动、章动等周期性微动会引起目标RCS的周期性变化,据此人们提出了基于RCS的微动参数估计方法。这类方法主要有三种:第一种是基于RCS的时变特性来估计微动参数,如陈行勇等[12]分析了目标RCS和姿态角的关系,使用进动锥体目标的RCS时间序列估计了目标进动参数和惯量比,刘维建等[13]首先对目标的RCS时间序列进行去噪预处理,再将AUTOC法的周期提取函数与AMDF法的周期提取函数的倒数相乘,把相邻两个极值点的时间间隔作为进动的周期估计;第二种是通过对目标RCS进行多项式拟合来获得微动参数,如刘永祥[6]使用多项式拟合和样条拟合将RCS时间序列转换成姿态角序列,从而估计进动角;第三种是利用常用目标的RCS估算公式估算弹头类目标的RCS,从而估计微动参数,如陈行勇等[14]利用截头圆锥的RCS估算公式作为目标的模板信息,提出了一种弹头类目标的章动周期、章动角以及惯量比的估计方法。上述三种方法各有优缺点:由于弹头姿态的单调变化有时并不会导致弹头RCS的单调变化,因而会产生虚假周期,而这个周期的幅度又常常大于微动周期,因此第一种方法稳健性和准确性都较差;第二种方法要求了解目标在各种姿态下的RCS特性,数据条件比较苛刻,实用性差且计算量大;第三种方法克服了前两种方法的缺点,但需要了解弹头类目标的形状和几何特性,这在实际中也很难做到,其适用性也存在着一些困难。

基于微多普勒分析技术的方法的关键和难点是微动建模和特征提取。Victor Chen教授[9]对加速、振动、旋转、抖动等基本单微动形式进行了建模。张琳等[15]对振动、旋转、翻转和锥旋四种微动进行了建模。高红卫等[16]对诱饵的摆动进行了深入研究,建立了相应的摆动模型。孙照强等[17]在微动建模时考虑了弹头有翼和无翼的差别。其他文献中的微动建模基本都是在这些模型基础上的,如进动是自旋和锥旋的叠加,章动是进动加上波动。微动特征提取方法主要有四类:一是时频分析技术,如短时傅里叶变换[18]、Wigner-Ville分布、Gabor变换[19]、小波分析技术等;二是独立成分分析技术,典型的方法就是经验模式分解(EMD)[20]和各种改进的EMD;三是匹配傅里叶变换技术;四是参数搜索技术。此外也有学者对这类方法的工程问题进行了研究,孙照强等[21]研究了宽带 LFM 的微多普勒,高红卫等[22]以锥旋调制产生的微多普勒为例,分别研究了与微多普勒相关的低频与高频、窄带与宽带、重返时间与照射时间、速度与加速度、相参性和分辨率等六个问题。

3.2 成像特征

高分辨雷达成像可以获得目标的结构细节特征,是弹道导弹识别的一个重要技术途径。高分辨雷达成像包括利用发射宽带波形获得的高距离分辨率获得的一维距离像、利用逆合成孔径雷达(ISAR)得到的ISAR像、利用高距离分辨率和单脉冲测角功能获得的三维(距离、方位角、俯仰角)高分辨像。

3.2.1 一维距离像

目标的一维距离像是指当径向距离分辨率远小于目标尺寸时,得到的目标多散射中心在雷达径向距离轴上的投影分布图。基于距离像的识别方法主要包括两大类:1)直接利用距离像的识别方法;2)基于各种不变特征的识别方法。

直接利用距离像的识别方法最基本的做法就是距离像匹配,即用未知目标的距离像特征矢量与模板库中的各目标的模板距离像特征矢量进行相关。Li和Yang[23]首次提出了基于匹配度的距离像匹配识别方法,论证了直接将HRRP作为特征矢量的可行性。Hudson和Psalltis[24]提出了基于相关滤波法的目标识别方法,Huether等[25]也研究了采用模板匹配法对六类目标的HRRP数据进行分类。这类方法实现简单,但由于一维距离像对目标姿态角变化敏感,因此需要建立大量的模板,计算量非常大,阻碍了这类方法走向实用。

为了克服直接利用距离像识别方法的缺点,最有效的途径就是从一维距离像中提取各种不变特征,因而,人们提出了各种基于不变特征的识别方法。目前,不变的特征主要有FFT特征、高阶谱变换特征[26]、小波变换特征[27]、Mellin变换特征[28]、Karhunen Loeve变换(KLT)特征[29]等。这类方法计算量小,且对目标的姿态不敏感,但这类方法的最大问题是变换后的特征往往没有明确的物理意义。

尽管一维距离像的目标识别方法被认为是一种很有前途的方法,但也有学者认为距离像特征不适于目标识别。Augus和Rihaczek等[30]通过研究得出方位角每变化0.2°就需要用一个新的距离像来表征目标,因此,他们认为依靠距离像不能实现可靠的目标识别;刘永祥等[31]认为弹道目标一般比较小且结构简单,一维距离像携带信息少,不利于识别。

3.2.2 ISAR像

与一维距离像相比,ISAR像对于目标姿态变化是不敏感的,因此,基于ISAR像的弹道导弹识别是非常具有发展前景的目标识别方法之一。与SAR成像相比,ISAR成像的最大技术难点是运动补偿,因此,在国内外早期开展的ISAR研究主要集中在成像原理和运动补偿方面。

国外对ISAR的研究起步较早,20世纪60年代,美国密歇根大学Willow Run实验室开展了对旋转目标的成像研究,迈出ISAR成像第一步[32]。70年代,C.C.Chen等[33]利用地面雷达对飞机目标进行了成像研究,对信号预处理、距离曲率、距离校准以及运动补偿等问题作了分析和研究。出于保密的原因,国外在弹道导弹等非合作目标的ISAR成像方面的详细研究成果较少见诸报道,但我们从一些零散的公开报道中还是可以看出,国外对ISAR的研究并没有停留在成像原理和技术方面,而是扩展到弹道导弹等军事敏感目标的ISAR成像研究中,并取得了很多的成果。Su May Hsu等[34]模拟再入弹头的运动过程,从目标图像中提取出了形状、尺寸、运动等特征。Kevin等[35]和 Michael[36]从不同的侧面研究了弹头的二维成像问题。

与国外相比,国内对ISAR技术的研究起步较晚。自1988年以来,哈工大、南航、西电等国内几个主要从事雷达研究的高校和研究所开展了ISAR技术的研究工作,并研制成功了ISAR,取得了满意的实测ISAR图像[37]。王洋等[38]和冯德军[39]利用轨道运动引起的弹头相对雷达视角变化来获得横向高分辨的原理研究弹头的ISAR成像方法,认为弹头在轨道飞行时弹上各点具有相同的速度,但这与实际情况不符。为此,王涛[5]提出了一种基于章动特性的中段弹头ISAR成像方法。

近年来,各国对弹道导弹的ISAR成像研究已逐步展开。但由于弹道导弹目标尺寸小、成像时间短且伴随有各种微动,成像难度很高,基于ISAR像的目标识别性能目前还没有明确的结论,而且这方面的研究大多为仿真研究,尚未见到有对导弹类目标的实测数据成像的报道。要想使基于ISAR像的弹道导弹识别走上实用,还有许多工作要做。

3.2.3 三维像

对目标进行三维成像也是高分辨雷达目标识别的新兴研究方向。目前,雷达目标三维成像主要有三种方法[6]:1)单脉冲偏轴测角成像;2)多天线干涉成像;3)合成空间孔径成像。虽然在原理上三维成像并不复杂,但基于三维像的目标识别目前还处于探索之中,离走向实用还有很长的路要走,需要解决的关键技术有目标质心运动的补偿问题、散射中心的估计问题以及不同姿态下散射中心的关联问题。

3.3 极化特征

作为目标电磁散射特性的基本要素之一,目标极化特征的利用为解决弹道导弹识别问题提供了新的技术途径。利用极化特征进行识别的思路有三类:一是直接利用极化矩阵中的元素;二是利用极化散射矩阵的不变量,如行列式值、功率矩阵迹、去极化系数、本征方向角和最大极化方向角等;三是利用目标特征极化态,特定的雷达目标存在一组特征极化态,在特征极化态下某一极化通道的接收功率为零,或者为最大值,可以组成交叉零功率极化、交叉最大功率极化、同极化零功率点和同极化最大功率点四种极化态,这四种极化态可以作为目标识别用的特征信号[40]。

美国早在1970年前后就已经证明极化信息的充分利用能够有效提高弹头的目标识别性能[41],但由于保密原因,其公开发表的论文甚少,而是将主要精力放在提高其弹道导弹防御雷达的极化测量能力方面,如NASA在 1999年左右成功研制出宽带(300 MHz以上)X波段空中目标瞬时极化测量雷达,位于日本Nakagawa的Cobra雷达系统经过改进具备了瞬时极化测量能力[42]。文献[43—44]在具有弹头类目标散射特性先验信息的假定下,基于模板匹配思想提出了几种弹头类目标的极化识别问题。王涛[5]以弹道中段防御为背景,面向宽带全极化测量雷达,深入研究了运动目标的极化散射特性测量、有源假目标的极化鉴别和中段弹头的极化域识别等基础性问题和热点问题。

前面的方法都是单独利用极化特征来进行目标识别,极化特征目标识别发展的一个趋势是与高分辨率特征进行融合识别。Steedly等[45]提出最有希望在目标识别方面取得突破的技术途径就是将全极化技术与高分辨技术相结合。Huynen等专家[46]也强调高分辨条件下的目标极化特性的研究。文献[47—48]阐述了几种具体的高分辨技术与极化特征相结合的目标识别方法。

3.4 其他特征

除了上述三类主要特征以外,还有一些特征被用于弹道导弹识别。Foster[49]利用时间RCS序列的均值、标准差、直方图、概率密度函数等特征对几类弹头目标进行了分类;文献[50]对目标时间RCS序列进行频谱分析,利用频域特征对目标分类;郦苏丹等[51]对弹道导弹大气层外诱饵释放过程进行了详细地研究,提出了利用动量守恒区分弹头和诱饵的方法;王晓博等[52]利用目标距离、高度、速度、加速度、仰角变化率和方位变化率对海面目标、导弹等四类目标进行了分类识别;董洪乐等[53]利用轨迹特征即最小矢径对导弹和卫星进行了分类识别;文献[54—55]对再入段的质阻比特征进行了研究;文献[56]指出反导系统对于来袭弹道导弹弹道中段及再入段的识别可以用微波雷达技术、也可用光学技术;刘涛等[57]分析了基于天基红外传感器的弹道中段目标红外识别方法,论述了中段目标温度、平均温度变化率、谱分布、姿态运动和辐射方向图等特征提取方法,提出了中段目标光学多传感器融合识别策略。

4 总结与展望

4.1 展望

弹道导弹识别是反导系统中必不可少的一环,从某种意义上决定着反导系统的成败,受到国内外科研工作者广泛的关注。总结前人的工作可以看出,弹道导弹识别呈现以下几点发展趋势:

1)宽带识别方法已成主流

雷达是反导系统中的主要传感器,随着雷达技术的不断发展,宽带测量雷达相继问世,对弹道导弹目标的特征测量能力不断提高。基于宽带成像(一维像、二维像甚至三维像)的弹道导弹识别方法已成为主流。

2)微动特征识别成为热点

弹道导弹弹头形状简单,并且采取了先进的隐身措施,宽带高分辨像的作用可能得不到期望的效果。而基于进动、章动和翻滚等微运动特征的微多普勒提取技术已表现出巨大的识别潜力,正成为弹道导弹识别研究的热点。

3)多传感器组网识别理念的运用

目前已有的识别算法大多都是基于单传感器单特征的,然而一个典型的反导预警系统往往包括多个传感器,如天基红外系统、远程预警雷达、GBR雷达以及火控雷达等,运用多传感器组网识别理念,优化不同传感器之间的识别资源,进行组网协同识别是弹道导弹识别未来发展的方向,必须深入研究。

4.2 建议

随着弹道导弹突防技术的不断发展,其目标识别面临着新的问题和挑战。为了使目标识别技术在与弹道导弹突防对抗中实现螺旋式上升,作者提出以下几点建议,与相关研究人员共商。

1)基础和共性研究势在必行

与其他目标识别一样,弹道导弹识别也包括数据获取、特征提取、目标分类、识别评估等几个步骤。弹道导弹目标数据库的建立、各种特征提取方法以及目标分类方法的开发、试验评估实验室的建立等基础和共性问题必须统筹规划,加快研究,避免重复。

2)目标特性的深化理解

弹道导弹目标特性的正确理解对于其目标识别来说至关重要。一方面,随着各种突防技术的不断发展,弹道导弹目标特性在不断变化,如由单一目标向群目标发展,增加了识别难度;另一方面,在不同环境下,用不同的传感器观测,弹道导弹目标信息的表现形式即目标特性也各不相同。因此,必须用一体化的思维研究弹道导弹目标与环境、传感器以及信息表现形式之间的关系,深化理解弹道导弹的目标特性。

3)实际数据验证和识别算法评估

弹道导弹识别发展到今天,各种算法层出不穷,然而受实验数据的限制,大多数算法都是通过仿真数据验证的,识别有效性与可靠性难以保证,同时关于这些算法的评估研究也比较初步。因此,实际数据的收集、基于实际数据的算法验证以及如何对已有的算法进行评估,构造完备、合理、可操作性强的评估指标体系,值得深入研究。

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