戰場目標特性數據應用分析

江志浩，王雅芬，鄭義成，張愷翊

（中國人民解放軍91977部隊，北京 102249）

0 引言

目標特性是目標自身具有、彼此相對獨立的內在屬性特征和外部運行規律[1]。目標特性數據是國家和軍隊最重要、最基礎的資源之一，是國防大數據建設的資源組成部分。長期以來，目標特性數據始終是武器裝備開展技術研究、設計研制、試驗驗證的基礎依據[2-4]。

一體化聯合作戰需要一體化聯合信息保障，一體化聯合作戰條件下的目標情報保障對目標特性數據的數據種類、保障對象、應用方式和范圍提出了更高的要求，需結合作戰、訓練任務在實際或模擬場環境下研究目標特性數據需求。

1 目標特性數據類型

目標在作戰指揮中的定義是：交戰雙方為實現某種作戰意圖，彼此進行跟蹤、打擊、壓制、攻占或摧毀的對象[1]。作戰中的目標既包括敵我雙方參與作戰的飛機、坦克、車輛、艦艇、衛星等平臺，也包括來襲導彈、魚（水）雷、作戰機器人、UUV/UAV、潛（浮）標等武器和傳感器目標，還包括各類作戰工事、指揮所、部隊甚至人員等目標。

目前，目標特性及目標特性數據的研究一般從7個方面開展，即基本特性、運動特性、輻射散射特性、物理場特性、尾跡特性、對抗特性、易損特性，如圖1所示。

圖1 目標特性數據研究的基本類型Fig. 1 Basic types of target characteristic data research

其中，基本特性包括目標基本描述、幾何、結構、材料、裝備等特性信息；運動特性包括目標機動性能、軌道、微動等特性信息；輻射散射特性包括目標光學輻射（含可見光、紅外、紫外線等）、光學輻射、電磁輻射（包括通信輻射源、雷達輻射源、電磁指紋特征等）[3，5]、電磁散射、聲學輻射、聲學散射、核輻射等特性信息；物理場特性包括電場、磁場、壓力場等特性信息；尾跡特性包括車輛、導彈、艦船等目標留下的尾跡、尾流的幾何結構、光學和殘留物等特性信息；對抗特性包括作戰目標有源干擾或無源干擾措施的特性信息；易損特性包括涉及目標易損性的功能、結構、損管措施、毀傷判斷等特性信息。

目標情報是作戰指揮決策的重要依據，其主要內容包括目標的位置、性質、作用、規模、材質、特征、構造、要害、防護、環境等，目標特性數據是形成目標情報的主要依據和重要組成部分。作戰指揮決策的核心問題是解決目標“在哪里”、“是什么”、“在干什么”、“如何應對”、“應對效果如何”等問題，即預警偵察、目標識別、跟蹤監視、指揮決策、效果評估等。因此，目標特性數據研究和應用分析也必將著眼以上幾個方面開展。

2 國內外目標特性研究與應用現狀

歐美強國在目標特性領域的研究起步較早、發展相對成熟，在目標特性理論研究、特征采集、數據應用、信息管理等方面的建設相對完善。在理論研究方面，已在目標散射、輻射特征形成機理研究取得突破，形成了相對完善的目標特性與數據理論，建立了部分目標特性模型和基于模型的數據生成模型，從而打破了傳統基于“先驗知識”的研究模式；在目標特征采集方面，已實現時、空、頻、環境及各種變換域的聯合特征數據提取和分析，極大提高了目標特性數據的準確性、置信度和可用性；在數據應用方面，目標特性研究和管理不但始終貫穿于裝備研制、試驗和使用的全壽命周期，且在戰場偵察、目標打擊、指揮決策、戰場評估等方面積累了豐富的經驗；在體系建設方面，美國已將目標特性數據作為國家戰略信息資源，成立了中央測量與特征情報機構（Central MASINT Organization，CMO），直接隸屬于國防情報局，建立了國家目標與威脅特性數據庫系統（National Target/Threat Signatures Data System，NTSDS），實現了目標特性數據在國家層面的統管和共享應用。

如美國為了發展彈道導彈防御系統（Ballistics Missile Defense System，BMDS）、戰區導彈防御系統（Theater Missile Defense，TMD）、國家導彈防御系統（National Missile Defense，NMD），早在20世紀60年代開始就對全球導彈目標進行了長期測量與深入研究，并通過“觀察島”、“沃·淪岑”導彈觀測船等移動平臺長期采集外軍導彈、火箭等目標特性數據，建立并完善了數據庫；美國“無暇”號水聲監測船、P-3C反潛巡邏機長期搜集全球尤其是亞太地區各類水面、水下目標的特征數據；美軍的聯合建模與仿真系統（Joint Modeling and Simulation System，JMASS）將武器裝備的射頻、光電、紅外與環境特性相結合，能有效模擬電磁、紅外、可見光、聲波等輻射與傳輸，可為作戰指揮、輔助決策提供客觀依據；加拿大專門為目標特性研究與綜合測試建造的“尋求”號試驗船，搭載了目標特性綜合分析與數據庫系統，可實現目標實時監測與試驗驗證，能夠為艦艇目標特性研究和作戰應用探索有效的技術途徑。北約一直致力于目標特性理論、數據建設和應用研究，并在非合作目標識別領域取得較大突破，尤其是毫米波雷達識別能力已經初具實戰能力。此外，歐美軍事強國不僅在目標特性相關基礎建設、數據資源、體系優化等方面發展成熟，還建立了盟國間的資源共享、利益互惠機制，如大西洋地區海上網絡（Marine Atlantic Regions Network，MARNET）項目能夠為所有歐盟成員國提供外軍艦船技術性能、試驗數據等服務。

我國在目標特性領域起步較晚，但發展迅速，在目標測量、數據生產、理論研究、試驗方法、模型研究等方面取得了一定的成果。目前，已經相繼建立多個高水平目標特性測量試驗場（室），配套先進的測量設備，并結合我國多行重點武器型號研制及相關專業技術發展的需要，開展了多種敵我空中、水面、水下、地面和固定設施的目標特性研究，已完成一批敵我目標特性數據產品，積累了一定的技術和經驗。但總體而言，我國在目標特性數據實戰化應用方面與歐美發達國家還存在一定差距。

3 目標特性數據應用分析

3.1 在目標識別中的應用

超視距作戰是信息化條件下現代戰爭的主要特征之一，因此對目標的遠程預警是作戰中最重要的環節之一。目標發現、目標識別、目標跟蹤是實施目標遠程預警的 3個步驟，其中目標識別[6-7]既是確定目標身份、屬性、類型的關鍵步驟，也是開展目標跟蹤監視和實施戰役戰術行動的基礎。

對目標的遠程預警手段主要有雷達探測、輻射源偵測、航天偵察、水聲對抗偵察等，各種手段均需通過目標識別確定目標身份信息，但幾乎所有的目標識別方法（算法）均離不開目標特征數據的支撐；可以說，目標識別是目標遠程預警、目標跟蹤監視、戰場情報分析的主要依據，而目標特征數據是目標識別的主要依據。

雷達目標識別[8-10]是利用在雷達探測回波中提取目標時域、頻域、極化域等方面的雷達目標特征，對目標類型、屬性、威脅等級進行判斷的過程。雷達目標特性反應了雷達波照射下的被觀測目標的電磁散射特性[8]。傳統的雷達目標特征主要包括高度、速度、加速度、P顯輪廓、多普勒特性、低分辨率起伏特性等，可根據目標運動、尺寸等特性的明顯差異進行目標類型的識別，也可根據目標RSC時間序列獲取其幾何特征和形狀特性從而開展目標識別[9-10]。近年來，新體制、超寬帶、高分辨率雷達技術逐漸成熟，使實現目標型號甚至目標個體識別成為可能。如，一維距離像[11]因與目標外形具有強相關性，利用目標一維距離像特征可以獲取目標尺寸、形狀等目標信息，超分辨率雷達的二維 ISAR成像[12]可同時反應目標在距離分辨率和角度分辨率上的反射特性，利用人工智能技術在視覺識別上的成功經驗，基于目標一維距離像、二維ISAR成像特性，可將雷達目標識別等效為一個圖像識別問題。

輻射源識別是利用目標通信、雷達等設備發射的各類電磁輻射源特征開展目標識別，主要包括雷達輻射源識別和通信輻射源識別。其中，雷達輻射源識別[1，13-14]因技術發展相對成熟、實戰化能力強在得到廣泛應用。傳統的雷達輻射源識別主要根據雷達信號脈沖描述字（Pulse Description Word，PWD）[15]形成的特征向量；20世紀末開始，隨著脈沖壓縮雷達的廣泛使用，PWD已經逐漸難以準確描述雷達輻射源的信號特征，因此脈內調制（如相位編碼、頻率編碼、線性調頻等）、脈間調制（如組變、參差、滑變、捷變頻等）等細微特征逐漸成為雷達輻射源識別的主要依據；同時，為支撐對特定目標個體識別（Specific Emitter Identification，SEI），開展了大量雷達輻射源無意調制特征研究，常用的無意調制特征有：脈沖上升/下降沿系數、脈內波紋系數、頻率穩定度等。

航天偵察[16]具有作用有效距離遠、范圍廣、載荷手段多等優點，因此天基戰場目標信息支援是提升戰場偵察預警能力的重要手段。常用的航天偵察手段主要有電子偵察、光學遙感、SAR[17-19]等。其中，電子偵察衛星中的目標識別與輻射源識別類似；光學、遙感衛星可利用目標遙感影像、高光譜圖像、可見光偵照等數據支撐實現戰場目標檢測與識別；此外，SAR手段除了利用SAR圖像進行目標識別外，還能利用目標介電常數、極化等特性輔助實現目標材質、反射體面特征的判讀，從而提高目標識別的準確度。

水聲對抗偵察是對敵方目標的各類聲信號進行偵察，主要是艦船或魚雷動力裝置引起的噪聲信號、主動聲學裝備發射的探測信號等，為水聲對抗和水下作戰提供敵方目標聲學信息。常用的水聲目標特性包括噪聲線譜、強度、時頻、聲紋等聲輻射特征，回聲亮點、回波強度等聲散射特征，以及水中電場、水中磁場、水壓力場等非聲特性。其中，艦艇目標的輻射噪聲特性是水下作戰領域進行目標識別、對抗偵察的重要依據，這些特性既包括機械噪聲特性，又包括螺旋槳噪聲特性和水動力噪聲特性；且這些噪聲特性受水下戰場環境的復雜性影響呈時變、非高斯、非線性、非平穩、多剖面分布。

此外，各類偽裝、隱身技術的發展和實戰化應用給戰場目標識別帶來了巨大挑戰，目標特性數據在目標識別中的廣泛應用有助于提高復雜戰場環境下對隱身和偽裝目標的發現識別能力。例如，目標多光譜輻射、散射特性能一定程度反應目標材料、成分等信息，有助于對偽裝物或掩體的研判。

3.2 在目標指示中的應用

目標指示就是將擬攻擊目標的特征信息傳輸給武器系統，從而保障火力打擊的準確性和有效性[20-22]。現代戰爭中，隨著武器系統攻擊距離的不斷延伸和精確制導技術、多模復合制導技術的發展，對目標指示的精度、類型和方式提出了更高的要求。目前，常用的目標指示技術主要有：雷達引導、電視制導、紅外制導、反輻射制導、主/被動聲納引導、毫米波制導、激光制導、微波制導等[20]。一般通過2種方式實現[21-22]：1）武器系統自身傳感器指示，如彈載雷達、目標指示雷達、火控雷達等；2）外部傳感器信息引導，如衛星引導、預警機引導、直升機引導、協同探測引導等。無論何種技術或方式，武器系統在進行目標檢測、命中點選擇、尋的跟蹤時，均需要目標特性數據的支撐，且隨著多模復合制導技術的發展應用，有時候往往需要多種類型的數據支撐。

3.3 在指揮決策中的應用

目標威脅評估[23-24]、意圖預測[25]是在作戰指揮決策的基礎分析工作，是指揮員準確掌握戰場綜合態勢、形成指揮決策方案的依據和前提[26]。戰場情報、戰場環境、目標特性是支撐威脅評估和意圖預測的主要信息（數據）來源。以對空威脅判斷為例，除相關情報信息、戰場環境數據支撐外，還需要作戰性能、電子干擾能力、攻擊樣式、攻擊火力、最佳截擊位置等目標特性數據；以目標意圖預測為例，對目標特性數據的要素應包括機動性能、載彈能力、作戰方式、輻射源工作模式及對應參數特征等。

作戰指揮決策中，彈目匹配和火力分配[27]是作戰方案生成的2個重要環節，旨在選擇恰當類型、數量的武器攻擊/攔截適合的敵方目標，達到最佳的作戰效能（打擊效果、費效比等多方面）。而制定彈目匹配方案和火力分配方案時，除當前戰場綜合態勢、武器系統戰斗部毀傷性能外，主要依據為擬攻擊目標的目標特性，如局部結構、強度模型、抗沖擊波爆破性能、抗破片殺傷性能、抗侵徹爆破性能等易損特性。

在水下作戰中，聲誘餌主要用于模擬我方潛艇的噪聲特性，為擺脫敵方反潛兵力或規避來襲魚雷贏得機會。其中，自航式聲誘餌還能模擬潛艇機動特性甚至磁場特性、尾流特性，從而更好地完成水下兵力對抗任務。但只有在恰當的時機投放聲誘餌，才能極大發揮聲誘餌的作戰效能。因此，除我方目標機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲等特性外，水下作戰輔助決策和聲誘餌作戰使用還需外軍水下目標聲輻射噪聲、對抗特性、運動特性以及海洋環境特性的支撐。

3.4 在毀傷效果評估中的應用

毀傷效果評估（Battle Damage Assessment，BDA）是作戰的重要環節，既是檢驗打擊方案實施情況和打擊效果的有效性，也是調整打擊方案和實施后續壓制的依據[28-29]。

偵察衛星、航空偵察飛機、UUV、UAV、武器視頻、電子戰等偵察力量搜集的戰場情報是毀傷效果評估的主要依據。在進行毀傷效果評估時，對“硬毀傷”的效果評估一般通過打擊前后的目標圖像對比，分析其幾何特征、結構特征、文理特征的變化情況，判斷其毀傷程度；對“軟毀傷”的效果評估一般通過對打擊前后目標的通信、雷達、導航設備發射電磁信號情況的對比，判斷對敵方指揮、控制、通信、情報和網絡系統的毀傷程度；此外，還需利用計算機仿真技術，通過目標易損性/戰斗部威力分析（Vulnerability and Lethality，V/L）模型，結合戰場監視情報，評估特定武器打擊特定目標的目標毀傷效果。

4 目標特性數據及應用技術展望

4.1 目標特性大數據應用于目標數據融合

目標特性數據作為國防大數據的重要組成部分，具有典型的“4V”大數據特征，如數據量大（Volume）、來源和種類多（Variety）、時效性強（Velocity）、高價值（Value）等[30]。未來，大數據技術在信息化作戰指揮中發揮重要作用，有助于進一步聚合信息資源優勢，提升體系對抗能力。

目前，戰場目標特性大數據分析技術還相對薄弱，距離“數據力轉化戰斗力”還存在一定差距，難以滿足目標數據融合需求，需在以下幾個方面有所突破：

1）基于多源目標特性的數據深度融合：目前，基于目標特性數據的多傳感器手段協同、融合識別能力初步形成，但數據融合深度、廣度還不夠，現有系統處理架構、數據建設方式與戰場大數據應用不相適應，難以實現戰場情報、戰場環境、目標特性等戰場大數據的快速采集、檢索。依托人工智能、大數據等技術，突破大差異目標時空關聯、非結構化數據融合、異構知識融合等關鍵技術，是實現目標數據深度融合的有效途徑。

2）作戰目標特征的規律挖掘：現有目標特性數據生產和管理方式往往與目標特定功能或測量手段相關，這些數據形成一個個獨立的知識點，描述了特定目標在特定條件下的特征。如果利用大數據技術從這些數據中找出關聯、發現規律，一方面可極大提高數據的準確性和可靠性；另外一方面，形成的目標特性數據關聯關系、規律等衍生信息將為作戰目標數據保障提供更加精準、全面的目標信息。

3）作戰目標知識圖譜構建：知識圖譜[31]本質上是結構化的語義網絡，適用描述目標及其相互關系；戰場目標知識圖譜將改變目標特性數據的索引方式，形成全新的目標信息描述知識網絡，有助于作戰目標數據（集）的快速形成，向指揮機構和指揮員提供經過分類整理的結構化目標信息。

4.2 多手段目標特性數據生產與數據增強

在目標特性數據生產過程中，目標實測是取得高價值、高置信度的目標特性數據的最重要來源。但具體測量工作一般受測量時機、距離、環境等條件不可控因素影響，往往不可能實現各種環境下全要素、全方位、多手段的目標實測，且實測數據的質量和可用性往往難以保障。因此，基于目標實測數據的模型仿真和數據增強、增廣是取得高置信度目標特性數據的途徑之一，通常有基于半實物模型的數據實測和基于全數字化模型的數據仿真兩種技術路線。

基于半實物模型的數據實測主要是根據公開資料和實測數據建立目標模型，通常采用縮比結構模型或物理場縮比模型[4]，并利用實際測量手段獲取縮比目標數據，最后利用縮比關系將測量數據等效為目標實測數據。該方法具有測量成本低、環境因素可重構、數據置信度較高等優點。

基于全數字化模型的數據模擬仿真，主要是利用計算機技術，通過基于實測數據研究的虛擬建模、模擬仿真，實現目標特性數據模擬、修正等，如以CAD（Computer Aided Design）技術為代表的目標三維實景建模[4]等。該方法生成的數據置信度完全依賴于目標模型、環境模型的逼真度，在目標特性和數據研究領域應用較廣泛，但距離滿足實戰化應用還有一定差距。

人工神經網絡是實現數據增強、增廣的研究熱點之一。最新的生成式對抗網絡（Generative Adversarial Networks，GANs）[32]是一種受到零和博弈論思想啟發的生成式網絡模型，可以實現生成數據樣本的使命。GANs網絡結構如圖2所示。該結構包含1個樣本生成器X、1個生成網絡G、1個判別網絡D。其中，X輸入1個噪聲，根據真實數據的數學模型由G生成1個逼真的樣本；D為1個二分類器，用來判斷輸入樣本的真假。訓練過程就是G和D之間的博弈過程，期望最終使D難以區分真實數據和生成數據，完成生成網絡訓練，此時生成網絡G產生數據可認為滿足真實的分布和特征。

圖2 生成對抗網絡GANs示意圖Fig. 2 Schematic diagram of GANs structure

利用GANs模型進行數據生成時，既不需要提前獲取真實數據的分布、也無需進行任何先驗數學假設，且生成數據置信度高，已被廣泛應用于許多領域，尤其是在圖像處理、計算機視覺、序列數據等方面的應用已相對成熟。因此，GANs模型在目標特性數據領域的應用必將有利提高可見光圖像、紅外影像、遙感景像、SAR圖像、雷達影像、一維距離像、二維ISAR成像等圖像或視覺數據的數據模擬生成，也可用于目標噪聲、水聲等音頻序列數據的數據模擬生成。

以上 2種方式將有效擴展目標特性數據生成方式，結合目標實測，可完善目標特性數據建設渠道，實現“虛中有實、以虛補實、以實補虛”的目標特性生產模式，提高目標特性的數據量和置信度。

4.3 目標特性機理及與戰場環境的關系研究

戰場環境是戰場及其對作戰活動有影響的各類情況和條件的統稱，是作戰目標、傳感器的依存背景，是一個多維的作戰空間，包括地理環境、氣象環境、電磁環境、核生化環境等。為確保目標特性數據的可用性，在目標特性數據的生產時盡可能較少或弱化戰場環境的影響，或目標特性數據使用時盡可能抵消戰場環境影響因素。因此，目標特性與戰場環境關系的研究主要有以下3個方向：1）目標特性形成機理研究；2）目標特性抗環境敏感性研究；3）戰場環境與目標特性關系研究。

例如，直升機螺旋槳轉動、機體振動、導彈彈體振動等目標微動特性會對雷達回波信號產生調制，出現微多普勒效應，從而引起雷達目標特性的細微變化，且該特征往往具有一定唯一性。通過目標“微動-微多普勒”特性研究，搞清不同類型直升機、不同類型漿葉在不同飛行狀態下雷達回波微多普勒效應尤其雷達目標特性的變化機理，不但可以實現目標類型、型號甚至個體識別，還可獲取目標質量分布、發動機狀態、直升機類型、飛行狀態等戰場目標情報信息，為戰場信息保障提供更加精準、全面的目標信息。目標特性的光譜特性不僅與目標幾何、材料、有效面積、目標姿態等結構特性有關，還與當時所處光學環境、溫度環境、電磁環境等相關。但由于這些特性在采集和使用時往往難以消除環境影響，僅適用于與采集時刻相似的戰場環境，將難以適應未來復雜戰場環境下的目標特性保障需求。

5 結束語

長期以來，目標特性數據主要用于武器裝備技術研究、設計研制、試驗驗證、效能評估等各階段，但隨著新技術條件下一體化聯合作戰對戰場信息保障的迫切需求，開展目標特性數據服務作戰應用研究是提升戰場情報來源、提高戰場目標情報保障的重要手段之一。文章從作戰信息保障需求出發，結合國內外目標特性數據研究和技術應用現狀，分析了目標特性數據在偵察預警、火力打擊、指揮決策、效果評估等方面能力和應用前景，結合現有技術水平展望了目標特性數據應用和數據生成技術。研究成果可為建立和完善目標特性測量、數據生產、試驗驗證、數據評價、數據應用、服務保障等工作提供支撐，有助于進一步提供戰場目標服務保障能力。