【最新成果】中段弹道目标分离过程动态散射特性分析
图1 中段弹道目标动态分离过程示意图
研究背景
如图2所示，弹道导弹为了提高与导弹防御系统的对抗能力，通常采用真假多目标突防手段，在防御系统的光学、雷达传感器中呈现多目标的态势。雷达传感器是导弹防御系统中的核心传感器，是弹道导弹面临的最大的探测和识别威胁。针对导弹防御系统雷达，弹道导弹在突破导弹防御系统过程中采用的多目标，主要包括真目标本体、无源假目标、有源假目标等多种目标。其中，目标本体采用多种电磁超材料、电磁吸波材料等多种电磁特征控制手段，实现高隐身性能；无源假目标主要包括多种模拟真目标本体电磁特征的假目标，使导弹防御系统雷达无法辨识真目标和无源假目标；有源假目标主要包括欺骗式电子干扰装置生成的多种电子假目标，干扰导弹防御系统雷达探测和识别，从而掩护真目标。
图2 突防多目标示意图
弹道导弹目标自身携带的有源、无源干扰装置外，随着目标分离过程产生的碎片、母舱等构成的多目标环境易让雷达跟丢、跟错以致最终的拦截失败。因此，如果准确判断弹道导弹分离事件的发生，就可以辅助我们更好地进行雷达资源的调配，减少目标跟丢、跟错、识别错误等问题的发生，提高弹道导弹拦截成功的概率。
团队工作
如图3所示，赵锋团队一直在弹道目标特征提取与识别领域展开了大量研究。该文利用中段弹道目标分离过程动态电磁仿真数据，对中段弹道目标分离阶段前期，多个目标之间在分离过程中的电磁耦合散射特性进行了详细分析。在此基础上，分析了优选的RCS均值、极化比、特征角和对称角4个特征量在目标分离过程中的动态变化，并定量分析了噪声背景下特征量的鲁棒性。该工作可以为判断中段弹道目标分离事件是否发生提供依据，为中段弹道目标的特征提取、目标识别研究开拓新的思路。
该工作已发表在《雷达学报》网络优先出版的“中段弹道目标分离过程动态散射特性分析”（赵锋，徐志明，吴其华，艾小锋）。
论文介绍
如图4所示，为了模拟中段弹道目标实际的分离过程，分别采用3种方式控制柱体向后移动。分离方式A：锥体与柱体分离，柱体单纯往下平移；分离方式B：锥体与柱体分离，柱体往下平移过程中，以y轴为旋转轴匀速旋转，在该分离过程中，xoz平面一直为锥体和柱体的对称平面；分离方式C：锥体与柱体分离，柱体往下平移过程中，以x轴为旋转轴匀速旋转，在该分离过程中，xoz平面仅在特殊时刻同时是锥体和柱体的对称平面。3种分离方式柱体向下移动的距离单位均为0.05 m，分离方式B和分离方式C中柱体每次旋转的角度单位均为9°，旋转中心为柱体轴线的中点。3种分离方式共执行移动201次，对应的距离变化范围为0~10 m，柱体共旋转5圈。
图4 锥柱组合体目标3种分离方式示意图
图4中3种分离方式下，锥柱组合体的动态RCS分别如图 4、图 5和图 6所示。图中三维的坐标分别是电磁波入射角度，锥柱组合体分离距离和RCS的对数值。
从图5可以看出，在分离方式A条件下，锥柱组合体的动态RCS的变化在电磁波方向维度波动较大，而随着目标的分离，RCS的起伏较小。此时，锥柱组合体的RCS改变主要取决于中段弹道目标的运动引起相对雷达的姿态角变化。根据雷达极化学可知，由于随着目标的分离，极化参考平面xoz同时是锥体和柱体的对称平面，因此交叉极化一直很弱，理论值为0。
从图6可以看出，在分离方式B条件下，由于柱体在向后的运动过程中还存在翻滚运动，锥柱组合体RCS随着目标分离起伏剧烈，而此时目标相对于雷达姿态改变引起的RCS改变则相对显得“平缓”。虽然柱体在向后的分离过程中引入了翻滚运动，但是与分离方式A相同，极化参考平面xoz同时是锥体和柱体的对称平面，因此交叉极化响应仍很弱，理论值为0。
图6 锥柱组合体分离方式B动态RCS分布
从图7可以看出，分离方式C最明显的特征是交叉极化响应增强。锥柱组合体的交叉极化和主极化响应的强度均随着锥体和柱体的分离起伏剧烈，且交叉极化响应的峰值与主极化响应的峰值交错分布。
图7 锥柱组合体分离方式C动态RCS分布
(1) RCS均值
为了衡量中段弹道目标RCS在分离过程中的动态变化，对每次分离状态下俯仰角θ=0°~30°范围内的RCS进行数学平均。
3种分离方式的RCS均值在中段弹道目标分离过程中的动态变化如图8所示。图8(a)中分离方式A的RCS均值变化较为“缓和”，从目标分离开始到锥体与柱体相距20λ，主极化RCS均值整体趋势是变大，增幅约20 dB；锥体与柱体相距20λ~100λ以后，两个目标之间的电磁耦合效应可以忽略不计，因此总的RCS趋于稳定。符合随着目标结构变复杂，RCS增大的认知。
引入柱体的翻滚运动后，分离方式B主极化RCS均呈现较大的起伏。分离方式B中存在两种“特殊”目标状态：“状态一”是当柱体旋转到母线与电磁波方向垂直，柱体的侧面发生镜面反射，RCS很大；“状态二”是当柱体的轴线和锥体的轴线共线时，此时的状态相当于分离方式A，由于锥体和柱体的边缘绕射，RCS较大。柱体旋转1圈，会存在2次“状态一”和2次“状态二”。在本文的中段弹道目标动态散射计算模型中，柱体共旋转了5圈。因此，图8(b)中出现了20个RCS峰值，其中高的峰值对应“状态一”，矮的峰值对应“状态二”。
分离方式C的RCS变化规律与分离方式B类似，也存在同样的两种“特殊”目标状态。不同的是分离方式C中极化参考平面xoz仅在特殊时刻才同时是锥体和柱体的对称平面，因此分离方式C的交叉极化响应不再是0。两种特殊的状态对应共极化RCS的峰值，交叉极化的零点。
(2) 极化比
从RCS均值的分析中可以看出，极化信息可以反映目标分离的丰富信息。其中共极化与交叉极化响应的幅度之比是目标的一个重要极化特征。本小节主要分析了极化比随目标分离的变化过程。如图8所示，后向散射满足互易性，即SVH≈SHV；中段弹道目标表面光滑不存在类似偶极子这种具有极化取向的结构，主极化通道近似相等，即SHH≈SVV。所以，极化比由SHH/SVH计算得到。
图9给出了锥柱组合体中段弹道目标3种分离方式下极化比的统计结果。从图9(a)可以看出分离方式A的极化比随着目标的分离成递增趋势，与图8(a)中RCS的均值变化规律相吻合，极化比的增大主要得益于主极化RCS的增大，而交叉极化随着目标的分离近似不变；同样的道理，图9(b)的极化比变化规律也是与图8(b)相对应的。由于分离方式3中交叉极化响应不再是0，所以极化比的下限小于前两种分离方式20 dB。在特殊状态下，共极化的峰值对应于交叉极化响应的零点，所以极化比形成“尖峰”，使得极化比的变化规律呈现独特的“梳子型”。可以利用极化比的这种变化规律判断中段弹道目标分离事件是否发生。
(3) 对称角和特征角
θ取向角，τ对称角，ν跳跃角和γ特征角是Huynen目标参数集。μ和k分别代表幅度和绝对相位，与目标的极化散射特性无关。τ对称角，ν跳跃角和γ特征角是与目标绕雷达视线旋转无关的物理量。τ反映了目标的对称性，当τ=0时，目标关于某个平面是对称的；ν反映了目标的奇偶次散射情况，ν=0对应奇次散射机理，ν=π/4对应偶次散射机理；γ衡量了目标的“变极化”能力，γ=0时，目标的散射波极化与入射波极化无关（例如偶极子结构）；γ=π/4时，目标的散射波极化与入射波极化相同。
经过筛选，对称角和特征角两个极化特征随目标分离会出现有规律的变化，将每个分离时刻所有视线的对称角和特征角进行平均得到图10和图11。如图10所示，3种分离方式下，特征角均接近π/4，反映了中段弹道目标结构简单、表面光滑，不存在类似偶极子结构等类型的部件。分离方式B和分离方式C中当电磁波视线与柱体母线垂直时会发生镜面反射，对于镜面散射机理，特征角会接近π/4，因此在图10(b)和图10(c)中特征角随目标分离均出现离散的峰值。分离方式A仅作理论对比分析，实际场景中不会存在分离方式A的情况，更多是分离方式B和分离方式C的组合，因此利用特征角的这种“梳子型”变化规律可以判断分离事件是否发生。
对称角反映了目标的对称性，对称目标对应τ=0。锥柱组合体目标是旋转对称的，因此，对称角的理论值应为0。分离过程中，分离方式A和分离方式B中雷达视线一直位于锥体和柱体的共同对称平面内，因此提取的对称角τ=0，如图11(a)和图11(b)所示。分离方式C中雷达视线仅在特殊时刻会同时位于锥体和柱体的对称平面内，提取的对称角τ开始偏离0。由于考虑空气动力学等因素，中段弹道目标通常会设计成近似旋转对称结构，因此分离前对称角通常会接近0；当分离事件发生后，母舱、诱饵等目标缺乏姿态控制结构，分离产生的多目标结构很难满足τ=0的条件，开始在0附近震荡，可以当作判断分离事件发生的特征。
作者简介
赵锋(1978-)，男，江苏南京人，教授。主要研究方向为电子信息系统仿真建模评估。
徐志明(1995-)，男，山东潍坊人，在读博士研究生。主要研究方向为双基地雷达目标特性与特征提取、目标识别。
相关阅读
编辑：高华 蒋文
本号发布信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。如涉及文字、图片、版权等问题，请在20日内与本号联系，我们将第一时间处理。《雷达学报》拥有最终解释权。