弹道目标雷达微动特征提取与识别研究综述_李开明.pdf

第 卷第期空军工程大学学报 年月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）作者简介：李开明（），男，山西应县人，副教授，博士（后），硕士生导师，研究方向为雷达成像与目标识别。：引用格式：李开明，代肖楠，罗迎，等弹道目标雷达微动特征提取与识别研究综述空军工程大学学报，（）：，（）：弹道目标雷达微动特征提取与识别研究综述李开明，代肖楠，罗迎，张群，（空军工程大学信息与导航学院，西安，；信息感知技术协同创新中心，西安，；部队，北京，）摘要弹道目标雷达微动特征提取与识别是雷达目标识别领域的重要研究方向之一。在简要阐述弹道目标识别重要研究价值的基础上，结合国内外研究现状，从点散射模型、滑动散射模型、属性散射中心模型等出发，总结了现有的弹道目标微动回波建模方法，进一步分别从单基、双基、多基等不同雷达观测视角出发，梳理了弹道目标微动特征提取与成像方法，对基于人工特征和传统分类器、及基于深度学习的弹道目标分类识别方法进行了总结，最后对弹道目标雷达微动特征提取与识别方向的技术难点和未来发展趋势进行了分析与展望。关键词弹道目标；微动；特征提取；目标识别 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，），；随着世界高新军事技术的飞速发展，弹道导弹成为左右战场态势、决定战争走向的“杀手锏”武器，弹道导弹识别与防御也成为关系国土防空安全的关键战略性问题。弹道导弹突防时通常会释放大量假目标、诱饵和干扰装置，同时伴随有箔条、碎片等，形成复杂的弹道群目标。真假弹头目标识别是国际公认的技术难题之一，现有的弹道导弹目标识别技术主要包括轨道特征识别技术、姿态特征识别技术、结构特征识别技术、质阻比识 别 技术、基于 雷 达 散射截 面积（，）的识别技术、极化特征识别技术、信息融合识别技术等。随着电磁控制技术的发展和诱饵制作水平的提高，使得基于表面材料特征和结构形状特征的弹头和诱饵的可分性降低，利用 特征、极化特征等，难以从诱饵等干扰目标中识别出真弹头；而由于有效载荷的限制，诱饵和弹头等目标的质量分布特征不同，这样会导致不同目标的运动特征存在明显差异。运动特征是弹道目标识别的重要依据，已得到国内外雷达技术研究人员的普遍认同。年，美国海军实验室的 将目标或目标的组成部分除质心平动以外的振动、转动、加速等微小运动统称为微动（或 ）。微动会对目标回波产生附加的频率调制，使其多普勒谱展宽，这种现象称为微多普勒效应（，）。微动特征被认为是目标独特的特征，可以用来确定目标的属性，实现对目标的分类与识别。典型的弹道导弹目标以光滑的圆锥体或锥柱体为主，进入中段后，弹头为保持姿态稳定，通常会发生自旋，头体分离后，由于受到扰动，弹头在自旋的同时会产生小角度的锥旋，称为进动。而假目标、充气诱饵将发生章动、摆动等，燃料箱、碎片、重金属球诱饵等受重力作用将发生翻滚。图为美国“民兵”弹道导弹弹头及部分诱饵照片。图美国“民兵”弹道导弹弹头及部分诱饵弹道目标的自旋、进动、章动、摆动、翻滚等都是典型的微动。近年来，对雷达目标微动状态的精细描述与刻画成为雷达信号处理的研究热点之一，利用高分辨雷达和现代信号处理技术对弹道目标的微动及成像特征进行分析提取，可作为弹道目标识别的重要依据，为弹道导弹目标的分类识别提供了新的技术途径。早 在 年，美 国 就 开 展 了 次 被 称 为“”的试验，利用“”激光雷达成功观测到可控锥体气球的展开、膨胀及其模拟的几种不同的进动过程，验证了使用微动特性进行弹头目标识别的可行性。此外，美国装备的舰载波段相控阵雷达 和地基 波段雷达均已使用了微动相关算法和技术 。自从“微多普勒效应”被提出以来，弹道目标的微动特性研究受到国内外科研机构、工程技术人员和专家学者的广泛关注，并取得了丰富的研究成果。本文从技术的角度，针对弹道目标微动回波建模、微动特征提取与成像以及分类识别方法个方面进行总结梳理，最后对弹道目标微动特征提取与识别的技术难点和发展趋势进行了分析展望。弹道目标微动回波建模弹道目标是比较特殊的一类空间目标，通常是旋转对称体，即绕对称轴的旋转不改变目标外形。弹道导弹外形的基本种类型 分别为平底锥、圆底锥、平底锥柱头体和圆底锥柱头体。空军工程大学学报 年在高频雷达照射下，弹道导弹这类目标总的电磁散射可以认为是由某些局部位置上的电磁散射所合成的，即等效多散射中心。现有的弹道目标微动回波模型大多基于点散射模型展开，最早对振动、旋转、翻滚和锥旋种典型微动及其微多普勒效应进行了建模分析。等人利用角反射器外场测试实验，得到了与理论推导相同的结论，进一步验证了基于点散射模型进行微动回波建模的正确性和可行性。文献 分别从弹头和诱饵运动特性出发，在国内较早建立了诱饵摆动的微动回波模型，并与弹头进动产生的微多普勒特征进行了对比分析，文献 也开展了弹头、诱饵和燃料箱等弹道目标的建模研究。上述模型均是在理想散射点假设条件下建立的，考虑到目标散射点的电磁散射各向异性及遮挡效应的存在，实际情况下散射中心的运动规律与弹道目标本身的运动规律并不完全相同。国防科技大学的马梁博士对弹体不同位置散射中心的微运动特性进行了建模，推导了边缘（棱线）型滑动型散射中心微多普勒的数学表达式，得出了滑动散射点微多普勒的非正弦变化规律，并通过暗室动态测量实验得到了与理论分析一致的结果。国防科技大学的金光虎博士提出了中段目标的移动散射点模型概念，对无翼弹头、伴飞锥形诱饵和有翼弹头及翼的遮挡效应进行了分析仿真。文献 在此基础上推导了移动散射点的回波模型和微多普勒模型，并进行了仿真验证。文献 在分析实际散射中心的非理想散射现象和遮挡效应的基础上，建立了基于非理想散射中心的中段进动目标回波模型。近年来，基于属性散射中心的弹道目标回波建模与分析受到关注。属性散射中心模型是根据实际中电磁波的几何绕射和物理光学理论而提出的一种散射中心模型，通过将散射中心区分为局部散射中心和分布散射中心，能够表征散射中心的形状、长度及姿态等信息，对散射中心的描述更加精细。文献 对传统属性散射中心模型中的方位依赖关系进行了修正，改进后的模型能够更准确地描述弹头目标的散射特性。此外，考虑到弹道导弹群目标中各子目标的微动特性差异，文献 建立了群目标的微动回波模型，并研究了基于微动特征的弹道导弹群目标分辨方法。单基雷达通常只能获得目标微动在雷达视线（，）方向上的投影分量，组网雷达或 分 布 式 多 输 入 多 输 出（，）雷达可以形成多个观测视角，能够克服单基雷达的姿态敏感性和遮挡效应带来的缺点，可以获得弹道目标更精确的三维微动特征。本课题组建立了多视角下弹道目标的三维微动回波模型 ，并提出了“三维微多普勒（）”效应的概念及理论模型，为弹道目标的三维微动特征提取与成像奠定了理论基础。弹道目标微动特征提取与成像基于单基雷达的微动特征提取与成像传统单基窄带雷达的弹头目标回波分析大多基于 序列展开，考虑到弹头目标的周期性微动将对回波产生规律性的调制，因此目标的 序列也会呈现出周期变化的特性。在窄带雷达条件下，通过对目标的 序列进行周期估计，也可以实现弹道目标微动周期的提取 。估计 序列周期的主要方法包括：一是基于回波频谱估计 序列的周期，该方法需要较长的观测数据才能达到较高的精度，且由于 一般为非平稳信号，估计误差较大；二是基于自相关算法、幅度差算法 以及二者的结合 等方法，本质上都是通过 序列的相关性来估计周期，需要至少个周期以上的观测时间才能达到要求，但容易出现倍频和分频误差。其次，通过时频变换得到目标时频像进而采用图像处理的方法进行微动参数估计，也是单基窄带雷达弹道目标微动特征提取常用的方法。文献 通过对目标回波进行延迟共轭相乘处理，估计出目标的平移加速度，并提出 分解补偿提取 特征的方法，实现了高精度的 特征提取。文献 在建立锥形弹体目标章动模型的基础上，采用平滑伪 分布（，）对微多普勒信号进行分析，提取出锥体目标的章动周期。文献 采用 分析微多普勒的时频特性，并利用 变换同时提取了多个正弦调频信号的微多普勒特征参数。文献 利用时变自回归（，）模型估计出弹头目标散射中心的瞬时频率，在此基础上进行散射点关联和判别，并根据锥顶和锥底散射中心瞬时频率的变化差异，结合弹道估计得到目标几何尺寸及微动参数。另外，文献 针对复杂观测环境下窄带雷达微动目标回波不完整、相位污染导致的时频表征散焦问题，基于微动信号在时频域的稀疏性，提出稀疏自适应交替迭代的微动信号分离与重构方法，该方法也能用于弹道目标的微动特征提取。第期李开明，等：弹道目标雷达微动特征提取与识别研究综述单基宽带雷达可以获取目标的高分辨一维距离像（，），而 序列不仅与目标结构参数之间有直接的对应关系，而且其序列中包含着丰富的目标运动信息。弹道目标微动对 的调制影响主要表现在目标散射中心的分布和强度在 序列上的周期性变化。因此，通过分析目标 序列中的调制特征，可实现对弹道目标运动参数和结构参数的估计。文献 利用相邻 之间的差分值形成一维差分序列，进而提取出弹道目标的进动频率。文献 通过正弦曲线拟合的方法从 序列中提取出目标散射中心的微动和结构参数。文献 通过分析一维距离像上散射中心的位置变化特点，基于散射点回波的时频分布提取出锥柱弹头的进动频率。但基于 序列的弹道目标微动特征提取也存在一定的局限性，由于 的姿态敏感性，加之遮挡效应的影响，导致估计的目标微动参数往往不够稳健。弹道目标的微动同样能引起目标相对于雷达的转角 变 化，有 利 于 逆 合 成 孔 径 雷 达（，）成像。虽然目标微动产生的微多普勒被认为是一种干扰信号，容易导致 图像散焦，但实际上弹头目标微动产生的微多普勒和各散射点在弹头上的分布有关，可以通过微多普勒的差异反演各散射点的方位向分布，从而实现微动目标成像 。文献 利用旋转对称弹头微动引起的目标相对雷达视线角的快速变化，提出基于匹配追踪（，）稀疏分解的微动目标 成像算法，克服了多分量信号交叉项的干扰，同时保持了较高的成像精度和稳定性。文 献 建 立 了 弹 道 目 标 运 动 模型和 成像模型，在此基础上分析了微动对 成像的影 响，提 出 基 于 广 义 变 换（）和 技术的时频参数估计方法，实现了对中段目标近似匀加速转动时的 成像。此外，基于单基雷达还能够实现目标的三维成像，主要是通过获取雷达目标回波的微多普勒参数来反演各微动散射点的三维结构和运动特征，西安电子科技大学白雪茹教授团队在该研究方向做出了大量有价值的研究工作 ，获得了旋转对称目标、进动锥体目标等弹道目标的高分辨三维像。基于双基雷达的微动特征提取与成像双基雷达可以克服单基雷达对雷达视线的依赖性，能够获得较为丰富的微多普勒特征，且抗干扰能力更优。但双基雷达体制下目标散射特性的参数维度更高，高阶散射现象更加明显，处理难度也更大。国防科技大学艾小锋教授团队在双基雷达微动特征提 取与 成 像 方 面 做了大量 有 价 值 的 研 究 工作 。其中，文献 建立了圆锥弹头进动的双基微动回波模型，并确定了个典型散射中心，分别是锥顶及双基地角平分线在锥底平面上的投影与底面边缘的个交点，实现了圆锥弹头进动和结构参数的估计。文献 针对时频分布 变换的缺点，提 出基 于 粒子 滤 波 的 检 测 前 跟 踪（，）算法，从弹头时频图中提取了所有散射中心的微多普勒曲线，实现了双基雷达下进动钝头双锥弹头的微多普勒特征提取；文献 进一步建立了可以描述类散射中心微多普勒特征的统一参数化模型，提出可以区分局部型和滑动型散射中心的滑动系数，用于散射中心的类型判别，进而完成微动特征提取，图为锥体目标在不同双基地角下的时频图。图双基地角变化时的时频图 进一步，文献 研究了双基雷达旋转对称弹头目标的散射特性，获得目标一维距离像并准确提取出目标长度信息。文献 提出了基于遗传算法通用参数化时频变换（，）的微多普勒曲线提取和参数估计方法。文献 分析了双基和单基条件下弹道目标的 差异，利用双基 序列提取出目标长度。仿真结果表明，相比利用单基 提取的目标长度，利用双基 提取的目标长度更加准确。马来西亚玛拉工艺大学的 等人利用自旋和进动理论定义的运动模型对双基雷达回波信号