雷達目標識別概述

王明月 張德慧 魏銘

摘要：現代戰爭是以信息技術為先導的高技術戰爭，掌握制信息權、聯合作戰、精確打擊是其標志性特點。在現代戰爭條件下，高技術武器的信息化、無人化、隱身化發展趨勢對目標識別的需求愈加迫切。現代戰爭對信息化探測技術的緊迫需求，推動了世界各國對雷達、紅外、光學等多種傳感器平臺的目標識別技術的研究。雷達以其全天時、全天候、作用距離遠等獨特的技術優勢，成為主要的戰場傳感系統。

關鍵詞：雷達；目標識別

雷達的歷史可以追溯到現代電磁理論發展的早期（Swords，1986； Skolnik，2001）。1886年， Hertz證明了無線電波具有反射的特性，并且1900年 Tesla在一次訪談中描述了電磁檢測和速度測量的概念。1903年和1904年，德國工程師 Hulsmeyer利用電磁波的反射進行了艦船檢測的實驗。1922年 Marconi又對這一概念進行了廣泛宣傳，同年，美國海軍實驗室的 Taylor和 Young用實驗證實雷達可以對艦船進行檢測，1930年該實驗室的 Hyland首次用雷達檢測到了飛機，雖然這是一個偶然的發現，但它引起了科技人員更深入的研究，最終，于1934年誕生了一項現在稱為連續波雷達的美國專利。雷達技術的快速發展和擴散是在20世紀30年代的中后期。在此期間，美國、英國、法國、德國、俄國、意大利和日本都獨立開展研究，取得了重大進展。

1.雷達的基本概念

利用電磁波探測目標的電子設備。發射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達概念形成于20世紀初。雷達是英文radar的音譯，為Radio Detection And Ranging的縮寫，意為無線電檢測和測距。組成各種雷達的具體用途和結構不盡相同，但基本形式是一致的，包括五個基本組成部分：發射機、發射天線、接收機、接收天線以及顯示器。還有電源設備、數據錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。

雷達的早期發展離不開軍事用途的驅動。到今天，軍隊仍然是雷達的主要用戶和雷達技術的主要研究者。雷達的軍事用途包括陸海空的監視、導航和武器制導。軍用雷達的范圍非常廣，大到彈道導彈防御系統的雷達，小到只有拳頭大小的戰術導彈導引頭雷達。

2.雷達目標識別的研究現狀

（1）雷達目標極化識別

眾所周知，電磁波可以由幅度、相位、頻率以及極化等參量做完整的表達，分別描述它的能量特性、相位特性、振蕩特性以及矢量特性。因此，試圖完整地刻畫目標的電磁散射行為，除了幅度、相位、頻率等常規物理量外，極化也是一個重要的、不可缺少的雷達參量。經過幾十年的發展雷達極化理論體系業已初步形成，而相應的極化測量技術也已獲得了進步的完善，極化技術的開發利用已逐步進入了活躍期，吸引了國內外一大批學者致力于相關領域的研究。

在雷達目標的極化特征提取與識別研究方面，美國、俄羅斯、意大利、德國等發達國家在20世紀80年代就進入活躍期。在技術路線上可以分為兩大類：第一類是早期形成的基于目標極化散射矩陣的識別思路，即根據最優極化理論和目標唯象學理論，對極化散射矩陣進行映射變換、分解，尋求目標的穩健性極化特征，進而實現目標分類與識別；第二類是以高分辨率雷達體制為背景，將全極化測量與高分辨技術相結合，通過徑向或二維成像來離析目標的空間-極化結構，進而抽取目標的空間結構特征進行分類識別。

（2）寬帶雷達目標識別

散射中心是目標在高頻區等效的散射源。寬帶雷達照射目標時，目標的各個等效散射中心在雷達視線上被分開，體現為沿雷達視線分布的像，即高分辨距離像。距離像反映了目標的形狀和結構信息，是雷達目標識別的重要依據。基于一維距離像的識別技術研究主要集中在以下幾個方面。

a.距離像特性

（1）姿態敏感性。它是雷達高分辨距離像識別中的核心問題，曾經導致人們質疑基于高分辨距離像進行目標識別的可行性。

（2）平移敏感性。目標在距離窗中的具體位置會因距離窗的截取位置不同而發生改變，這就是高分辨距離像的平移敏感性。

b.預處理技術

對高分辨距離像進行適當預處理可以提高高分辨距離像識別的性能。通常的預處理方法包括降噪、冪變換等。在低信噪比場景下，降噪對于提高高分辨距離像的識別性能非常重要。然而，現有的高分辨距離像識別通常是針對高信噪比場景目標的，因此在多數情況下，是否進行降噪預處理對高分辨距離像識別性能的影響不大。

（3超寬帶雷達目標識別

超寬帶（UWB）雷達目標識別可分為基于模型的和無模型約束的兩類方法，其中基于模型的目標識別方法又可分為基于極點特征的目標識別和基于散射中心的目標識別方法。

a.極點特征目標識別

極點特征是迄今為止所發現的唯一與入射波形、極化、目標姿態無關的目標本征特征量，長期以來，一直都是目標識別領域研究的熱點。

b.散射中心目標識別

與極點特征不同，目標散射中心特征與目標的姿態角有關，同一目標在不同姿態角下可供觀測的散射中心特征往往變化很大。盡管如此，但其刻畫了目標的細節信息，且較之極點特征更易提取。

c.無模型約束目標識別

該方法巧妙利用目標極點特征的姿態不敏感性有效減少了基于前時E脈沖目標識別的搜索空間，大大提高了目標識別的性能及速度。

3.雷達目標識別技術發展趨勢

（1）雷達目標極化識別技術發展趨勢

a.復雜雷達目標多維高分辨極化散射機理建模

雷達目標極化散射特征機理準確建模直接影響著目標極化特征提取和目標識別技術研究的進展。

b.雷達目標幾何結構特征的極化反演

雷達目標幾何結構反演是人們在雷達信息處理中所長期追求的目標，是極具挑戰性和實用性的課題。鑒于極化在揭示目標散射機理及描述目標形狀結構等方面具有獨特優勢，已有研究也對利用極化信息進行目標幾何結構反演進行了有意義的嘗試。

c.雷達目標多維極化成像、特征提取與識別

通過充分拓展信息維度，實現雷達目標多信息維度高分辨極化成像如全極化干涉合成孔徑成像、全極化層析成像技術等，大幅度提高雷達的信息感知和智能化處理能力成為未來發展的重要趨勢之一。

（2）雷達目標寬帶識別技術發展趨勢

目前，寬帶雷達的技術已非常成熟，大型地面雷達的帶寬達到2GHz～4GHz，距離分辨力可以達到厘米量級，而小型彈載雷達的帶寬也能達到0.5GHz～1GHz，距離分辨力達到分米量級。極高的分辨力為目標識別應用提供了較為豐富的信息。基于高分辨距離像進行目標識別還有些實現上的優勢，例如相參積累時間短、運動補償要求不高、能對運動目標成像、能有效抑制雜波等。因此，在一些平臺受限、實時性要求高的場合，高分辨距離成像是實現目標識別功能的重要技術途徑。

（3）雷達目標超寬帶識別技術發展趨勢

目前，UWB雷達目標特有的散射特性已通過理論和現象學研究得到了充分的證明和驗證，UWB雷達目標識別的理論日趨成熟。然而，UWB雷達目標識別走向實際應用還有很多值得研究的內容。在討論地基對空、對海UWB雷達目標識別應用之前，首先需要解決制約UWB雷達遠距離探測的系統技術。近10年來，UWB信號的高靈敏度接收和高效輻射取得了令人鼓舞的進步，預示著遠距離的對空、對海目標的探測正逐漸成為可能。

總結：隨著寬帶/超寬帶、極化測量、組網融合等新型雷達體制的出現和發展，雷達目標識別技術將有望得到實質性的全面躍升，實用化將有望得到根本性的突破。在新型雷達體制下，由于信息來源的大幅度擴展，雷達能夠在時域、頻域、極化域、空間域獲取目標和環境更加完整的電磁散射信息，得到更大的信息處理自由度，根據目標的寬帶/超寬帶、極化、多基地散射特性，一方面可以更有效地抑制雜波和干擾的影響，另一方面可以用更靈活的信息處理手段提取到更加穩健、可靠的目標特征，從而全面地提高目標識別系統的成功率以及對真實戰場環境的適應性，大跨度地推動雷達目標識別技術的實用化進程。

參考文獻：

[1]莊釗文. 雷達目標識別. 北京高等教育出版社. 2015

[2]Richards.M.A. 雷達信號處理基礎. 北京電子工業出版社. 2008