地物背景近场散射特性数据产品建设论证研究

秦德淳，靳佰良，李 勇，樊智涛

(中国人民解放军32215部队， 河北 张家口 075421)

1 引言

空地探测雷达探测、制导工作在远场区，照射距离较远，一般都是公里级，探测波束在地物背景照射区域面积巨大。随着雷达、弹体的飞行，照射区域的场景不断变化，地物背景的类型也随之改变，但在探测距离基本不变的情况下，其探测波束形成覆盖面积也基本保持不变，此时地物背景的目标特性信息以杂波的形式出现，并采用统计方法研究杂波的分布规律。

近炸引信工作在近场区，照射距离近，一般在100 km以内，探测波束在地物照射区域的面积不大，但随着交会距离的变化，引信探测器照射面积剧烈变化，每一个照射区域内的地物都可以看成一个背景目标，此时地物的目标特性信息不能以杂波的形式表述，而是把每一引信探测器照射区域内的地物作为背景目标，而在整个交会过程中，引信探测器照射区域内的地物就形成一个随交会距离的变化背景目标序列，一般采用等效散射截面来表述，单个背景目标的散射特性，不能用统计方法研究散射特性，但是对于整个背景目标序列可以采用统计方法进行研究。

本文中主要针对近炸引信探测识别目标过程中激光、电磁散射特性数据获取需求，分析了国内外试验测试、建模仿真、数据库建设等相关领域研究现状，构建了地物背景近场激光、电磁散射特性测试、建模仿真、数据库建设等数据产品建设总体技术框架，研究了地物背景激光、毫米波散射特性数据测试、后向散射系数建模、散射特性统计建模、散射特性数据库设计方法，通过测量数据和仿真数据分析处理及校核，形成典型气候条件下地物背景目标测试、仿真数据产品。

2 军事需求分析

近炸引信是现代引信的重要分支之一，随着科学技术的快速发展，近炸引信开始向着多波段、多体制方向发展。近炸引信多采用主动探测体制，基于目标散射回波信息进行探测、识别，完成决策和起爆控制。因此，目标散射特性信息是引信探测性能设计的重要依据，直接影响到近炸引信探测性能如灵敏度、探测范围及精确识别等。

目前压制弹药、反坦克弹药、远程火箭弹、空地武器弹药等多采用激光、无线电引信，在实际应用环境中，地物背景目标成为影响军事目标检测性能的主要因素。近炸引信起爆决策的回波信息可能被地物背景目标信号干扰甚至淹没，导致引信无法正常探测、识别军事目标和非军事目标。特别是现代战场中隐身技术的应用，造成真实军事目标回波信号微弱，难以探测；而水面、丛林、地面等多样性背景目标信号往往较强，在这种环境背景下，近炸引信对军事目标易形成误识别，造成早炸、误炸。

在引信设计和研制过程中，迫切需要将多样性地物背景目标全天候散射特性信息作为近炸引信探测、启动特性设计的依据。而目前尚缺乏各类地物背景的近场目标特性基础数据和模型，尚不能全面支持近炸引信设计需求，急需开展地物背景近场散射特性研究，满足多波段、多模复合近炸引信设计、研制对地物背景引信特性信息的迫切需求。

3 国内外现状分析

国外引信近场散射特性的研究主要是通过缩比试验和仿真试验来进行，获取了大量的试验数据和结果，为各类武器装备型号研制提供了技术支撑。

美国弹目交会仿真中心(MESA)弹目交会试验采用的是速度缩比原理，其测试方法是：控制计算机控制引信探测器，沿弹目相对速度矢量以缩比速度向目标移动。用精密测量仪器构成的电磁测量系统，模拟各种测量体制，精密地模拟测量参数，对各种目标姿态旋转或慢速稳定的直线运动进行动静态电磁测量，可更有效、更准确地获取近场目标特性。转台主要用于目标静态特性测量时，为系统提供被测目标的各种状态、姿态。转台控制计算机与转台端进行通信。由主控程序通过转台控制计算机向转台发命令，指示转台转动到指定角度，转台到位后向转台控制计算机发回到位信息。主控程序在收到转台到位信息后，开始在新的角度下进行测量。对于某些大型目标，例如军舰、大型飞机、或不能获得的国外目标等，不便于进行实物测试，可以采用这些目标的缩比模型进行测试。如图1所示，目标为缩比目标，在8h时间内，可以完成百组低速交会试验。该系统具有弹目交会姿态可控、时间测量准确等特点。

图1 测试目标1∶5的缩比目标模型示意图

俄罗斯关于高速目标近场动态特性验证试验的工作已经开展了30多年，现在主要依靠实验室内全数字仿真和半实物仿真，获取主要的目标近场动态特性数据。可鉴定近炸引信是否具有识别目标与背景环境、对抗各种主动/被动干扰的能力，可通过分析目标背景特性和干扰特性，建立各种目标、海面、地面综合回波信号数据库、弹目交会姿态数据库以及相应的计算机处理程序等，从而利用仿真试验技术获取引信性能参数。

综上所述，国外针对目标近场动态特性验证建立了大型的测试研究中心，获得了大量的基础数据，在高速交会测试、目标光电目标特性测试及建模方面，取得了大量的研究成果，并建立了高速交会目标特性数据库。

国内上海航天科技802所，针对处于地面上方简单目标复合电磁散射开展了X、Ku波段测量实验；中国电科第22研究所，针对还杂波开展了Ku波段机载挂飞实验。由于实验测量成本昂贵、数据获取不易，且干扰因素不易去除，因此国内研究者重点从仿真方面对地海杂波背景的复合电磁散射特性进行研究。北京环境特性研究所开展了大量粗糙地海与缩比舰船、坦克等目标的测量实验，并对复合电磁散射特性和SAR成像特性进行仿真。中国电科第22研究所结合开展长期的地海杂波测量任务，建立了地海杂波数据库，积累了大量的地海杂波数据。

与国外武器装备目标特性的研究相比较，国内也采用缩比测试试验和仿真试验等技术，但没有形成完整的测试链条，且未获取足够的基础数据，积累的目标特性数据不成体系，难以发挥支撑武器装备研发的作用。

4 建设方案

地物背景涉及的物理因素包括每一种地形地物的高度、空间分布、气象季节变化、地域等。由于地形地貌、植被覆盖的多样性和地面形态复杂多变，在地物背景散射特性研究中，重点特征是后向散射系数、幅度分布和谱特性。地物背景近场散射特性数据产品测量不同地形、不同气象条件下典型地物背景散射特性，获取特征数据，开展地物背景散射特性、幅度分布特性研究，引入适用于工程应用的后向散射系数模型、地物背景散射特性统计模型，并建立数据库，总体技术架构如图2所示。

图2 总体技术架构框图

4.1 地物背景激光、毫米波散射特性数据测试

地物背景激光、毫米波散射特性测试分为静态和动态测试等2个部分，其测试技术方案如图3所示，静态测试拟采取的实施方案如图4所示。

图3 地物背景激光、毫米波散射特性测试技术方案框图

图4 地物背景激光、毫米波散射特性静态测试方案示意图

激光、毫米波散射特性测试系统置于高台上，对单一背景进行离散测量，即通过电控云台调节探测系统的俯仰角改变擦地角，离散化测量各个单一背景散射特性得到特征数据；对多样化背景进行连续测量，即设定测试俯仰角范围，通过电控云台连续调节探测系统俯仰角连续变化，并同步探测多样化地物背景散射信号得到特征数据，通过相应的数据处理方法得到边界散射特性。

激光探测拟采用朗伯板定标，由于俯仰角的存在，在照射到地物背景时激光光斑投影部分会照射在朗伯板之外，通过精细化调节朗伯板的俯仰，保证激光光斑全部照射在朗伯板以提高定标精度。毫米波探测拟采用角反射器或标准球体定标，角反射器定标时和激光探测定标一样，也要精细化调节角反射器俯仰，保证对准电轴中心。

毫米波散射特性动态测试方案如图5所示。在高台与地物背景之间按照不同擦地角建立滑索，按照产品的定高高度，在多样化背景下进行滑弹试验，探测、采集毫米波对地物背景的多普勒信号，并进行信号处理提取散射特征。

图5 地物背景毫米波散射特性动态测试方案示意图

4.2 后向散射系数建模

针对近炸引信应用，利用实验测量结果对杂波散射系数开展理论分析，建立引信杂波散射机理模型，应用于近炸引信前期设计有助于提高抗杂波干扰性能。

后向散射系数主要和雷达发射频率、入射余角、地貌类型和极化方式有关。描述地面雷达地杂波散射模型主要有理论模型和经验模型2种。目前常用的理论模型主要有：Morchin模型、GIT模型和γ-f模型。用理论模型来估计杂波散射系数，无法反映真实地形环境对雷达性能的影响，这是由于真实地形环境复杂、波束低入射余角照射时存在“遮蔽”和“多路径”效应的影响，而且对同一地形和波束入射余角环境下，地杂波后向散射理论模型估计出的散射系数有时会相差数十个dB。造成这种差别的原因是缺少足够地面真实情况数据、精确的系统校准或精确的数据处理。因此，针对近炸引信抗杂波设计，应在大量实测数据基础之上建立工程化应用的经验模型。

地杂波后向散射系数建模研究，拟选定3个较有代表性的经验模型：等γ模型、修正等γ模型和Ulaby模型。

1) 等γ模型

等γ模型把地面杂波看作是均匀各向同性散射现象来建立模型，由于该模型与实测数据拟合较好，是比较有代表性的地杂波散射模型，该模型经常用于机载雷达下视情况，这一点和攻顶掠飞用的近炸引信比较相似，其数学模型为：

=sin

(1)

式(1)中：为地面反射率表征参数，为与地形有关的常数；为擦地角。

2) 修正等模型

为常数的近似，在入射余角接近0°或90°时是不精确的，可用Gauss衰减项表示，于是模型可修正为：

2.平均产仔数。采用人工授精为（11.94±0.62）头/胎，采用自然交配为（11.35±0.78）头/胎，差异显著（P<0.05）。

(2)

式(2)中：为等γ模型的常数；为擦地角；为垂直入射时的镜面散射强度；为镜面反射分量角宽度。式(2)中，右边第1项是漫射分量，第2项是镜面反射分量。该模型常用于机载雷达地面杂波的计算，因此也可以一直应用到近炸引信杂波的计算。

3) F.T.Ulaby 模型

F.T.Ulaby综合了大量的地面散射系数测量数据，将地形分为若干子类，包括土壤和岩石表面、树林、草地、灌木丛、短植被、路面、城市地区、干雪、湿雪等等，建立了数据库，并在此基础上提出了散射系数的经验模型，其表达式为：

=+exp()+cos(+)

(3)

式(3)中：～为统计参数；为局部入射角，以弧度为单位。

当测试地物背景可以进行上述分类时，应用这类模型比较方便。

4.3 散射特性统计建模

雷达杂波是来自雷达分辨单元内的许多散射体回波的矢量和。由于雷达分辨单元内一般包括许多随机分布的散射体，它们的介电常数和几何特性都是随机变量，同时散射体或雷达的运动也将引起回波振幅和相位的变化，这些原因导致杂波的雷达散射截面具有起伏性。将杂波散射现象理解为与地面随机形态相关的一种随机过程，人们通常用杂波幅度的概率分布模型和杂波相关模型来描述其统计特性。

杂波的概率统计分析主要特性包括幅度统计特性和谱分布特性。幅度统计特性由杂波幅度的概率密度函数(PDF)来描述，谱分布特性由杂波的功率谱密度描述。杂波的幅度统计特性反映了杂波的幅度变化特性，在引信杂波分析中，根据引信探测器波束擦地角的不同，常用的幅度统计特性模型有瑞利(Rayleigh)分布、对数正态分布(Log-Normal分布)、Weibull分布与分布。

1) 瑞利(rayleigh)分布

地杂波在引信探测器波束擦地角大于5°、分辨单元极大时，一般可认为它们合成的回波包络振幅可用Rayleigh分布来描述。如果用||表示Rayleigh分布杂波回波的包络振幅。则||的概率密度函数(PDF)为：

(4)

式(4)中，为杂波的标准差。

2) 对数正态(log-normal)分布

对数正态分布是雷达波掠射地面时(擦地角小于5°)，所观测的回波符合的分布。当引信探测器波束对地面进行低入射角探测时，地杂波的分布与Rayleigh分布明显不同，杂波包络的概率密度函数与Rayleigh分布的概率密度函数相比有一个长的拖尾，而且地面起伏越大，实际的杂波分布与Rayleigh分布偏差越大。一般当擦地角低于5°时，使用对数正态分布能较好的描述杂波幅度统计模型。设||代表对数正态分布杂波的包络振幅，则其概率密度函数(PDF)为：

(5)

3) 韦布尔()分布

瑞利分布与对数正态分布实际上是2个极端情况，前者动态范围较窄，预测出现的大回波的概率较小，而后者的动态范围过于宽广，出现大回波的概率比实际情况大。韦布尔分布则具有更广泛的适应性，其有2个参数:一个是反映均值的尺度参数，另一个是反映函数形状的形状参数。是韦布尔分布的特例，同时韦布尔分布又可近似接近对数正态分布，所以对于得到的杂波数据都能比较好得拟合，该分布在地杂波中得到了许多应用，在实验数据拟合，杂波模拟以及目标恒虚警处理()等方面都有较大进步。分布的概率密度函数为：

(6)

式(6)中：为尺度参数;与分布的均方值有关， 是形状参数，控制分布尾部的形状。

由式(6)可以看出，对数正态分布和瑞利分布是Weibull分布的形状参数分别取1和2时的特例。

4.4 散射特性数据库设计

地杂波涉及的物理因素包括每一种地形、地物的高度、空间分布、气象季节变化、地域等。由于地形地貌、植被覆盖的多样性和地面形态复杂多变，在地物背景散射特性的研究中，重点特征是后向散射系数、幅度分布和谱特性。测量不同地形、不同气象条件下典型地物背景多波段散射特性，获取特征数据，开展多波段杂波数据库开发，研究地物类型、波段、极化、入射角度、样本数、单一波段特性统计数据和模型等元素信息的录入、检索、统计的数据库技术。满足对数据信息的智能化管理和数据积累。开展数据的特征提取、统计分析，实现对数据资源信息的挖掘、聚类分析。

秉承面向对象方法的思想进行数据库设计，在进行必要的系统分析后，进行数据库软硬结构搭建及功能程序开发，实现对模型、数据等信息的录入、存储、修改、更新、维护等智能化管理。

结合数据库数据资源通过对数据收集、数据清理、数据变换、聚类分析等功能模块的开发，开展数据挖掘技术应用，实现基于目标特性机理的特征挖掘。具体对应的技术方法有：

1) 信息收集：根据确定的数据分析对象抽象出在数据分析中所需要的特征信息，然后选择合适的信息收集方法，将收集到的信息存入数据库。

2) 数据清理：在数据库中的数据有一些是不完整的(环境、测试条件等)，含噪声的(包含错误的属性值)，并且是不一致的(同样的信息不同的表示方式)，因此需要进行数据清理，将完整、正确、一致的数据信息存入数据仓库中。

3) 数据变换：通过平滑聚集，数据概化，规范化等方式将数据转换成适用于数据挖掘的形式。

4)数据挖掘：根据数据库中的数据信息，编制对应的的数据分析功能算法，应用统计方法、事例推理、决策树、规则推理、甚至神经网络、遗传算法的方法处理信息，得出有用的数据特征信息。

4.5 数据校核

在VV&A方面，根据目标与环境特性测量VV&A实施过程及相关规范，VV&A工作贯穿于测试全过程。针对测试过程，VV&A主要分为3个阶段：① 测试前，对多波段测试设备的完备情况进行检查并校核，对测试人员资质进行考核，对测试方法和原理进行论证并校核等；② 测试过程中，首先对系统定标和测试步骤是否按照规范操作进行校核，其次对数据采集和处理过程进行校核，之后通过对比法完成数据验证；③ 最后完成数据确认和入库，为近炸引信的研制提供设计和仿真所需的目标与环境特性基础数据和特征信息。

5 结论

针对地物背景引信散射特性数据产品建设需求，构建了地物背景近场激光、电磁散射特性测试、建模仿真、数据库建设等数据产品建设的总体技术框架；设计了地物背景激光、毫米波散射特性数据测试、后向散射系数建模、散射特性统计建模、散射特性数据库设计方案。

本文研究成果可为典型气候条件下地物背景引信特性测试、仿真数据产品建设提供借鉴。