彈道導彈目標識別方法研究

周尚輝，曾德賢，胡晶晶,3，吳署光,4，趙彤

（1.航天工程大學，北京 101416；2.中國人民解放軍95806部隊，北京 100076；3.中國人民解放軍31638部隊，云南 昆明 650100；4.中國人民解放軍32039部隊，北京 102300）

1 前言

彈道導彈因其射程遠、精度高、機動性好、殺傷威力大、突防能力強等獨特優勢，已成為世界軍事強國競相發展的重要武器裝備，隨之而來也給各國的彈道導彈防御系統帶來了前所未有的挑戰。隨著相關領域的科學技術發展，分導式多彈頭技術和誘餌技術得到廣泛運用，彈道導彈防御系統中的目標識別問題日益凸現。目標識別已逐漸成為彈道導彈防御系統的核心技術之一，備受相關研究領域專家學者關注。

在針對來襲彈道導彈目標的防御作戰中，由于誘餌具有和彈頭目標極為相似的特性，且各類目標在飛行過程中特性均產生動態變化，基于目標不同特征開展彈頭目標的真假判別成為彈道導彈目標識別的關鍵。合理運用多種彈道導彈目標特征識別方法，通過對各類目標間特征的比較排除誘餌和碎片等假目標的干擾，從目標群中篩選出真實的彈頭目標，這也是當前彈道導彈防御系統研發的一個重要領域。

2 彈道導彈目標特性分析

2.1 彈道導彈目標飛行階段

彈道導彈的整個飛行過程分為助推段、中段和再入段三個階段。在飛行助推段，導彈在燃料燃燒產生巨大推力的作用下不斷爬升高度，產生的尾焰具有可見光、短/中波紅外和紫外等顯著識別特征，此時發動機處于工作狀態，彈頭彈體尚未分離；在飛行中段，彈頭與彈體分離，誘餌、干擾機、假目標等各類突防裝置被相繼釋放，彈頭隱匿于由碎片、誘餌、干擾機、假目標等構成的威脅目標群中，沖出大氣層后在近似真空環境中慣性飛行；在飛行再入段，威脅目標群在大氣阻力的作用下減速返回大氣層，碎片和輕誘餌在該階段由于大氣阻力的摩擦而劇烈燃燒，剩余的彈頭和重誘餌會在高速再入過程中電離大氣層，在其迎面和尾部產生等離子鞘和尾流。彈道導彈目標飛行各階段如圖1所示。

圖1 彈道導彈目標飛行階段示意圖

2.2 彈道導彈目標伴飛對象

彈道導彈目標飛行時因其動力原因和突防需求，會產生各種伴飛物，主要包括彈體、碎片、誘餌等。

碎片是彈道導彈飛行過程中產生數量最多的伴飛物。導彈在飛行過程中，動力裝置、制導裝置等協同作用使其按程序飛行，其中各個部件在不同階段發揮作用后不斷被丟棄，以此提高導彈飛行能效。除此之外，導彈的彈體結構系統級間分離多采用爆炸螺栓方式連接，也使得導彈在飛行過程中產生大量碎片。

彈頭誘餌是人為設計裝載于導彈上的突防裝置，包括輕誘餌、重誘餌、金屬箔條以及電子干擾機等。輕誘餌主要包括表面金屬涂層覆蓋的氣球、輕質模擬彈頭和輕型角反射體，均為充氣型假目標，具有簡易、廉價、可攜帶數量多的特點，其中輕質模擬彈頭最為常見，由薄塑料制成，并以金屬箔條或絲網包覆，外形與彈頭幾乎相同。當導彈飛行至大氣層外時，輕誘餌被釋放并充氣成型，在彈頭周圍沿彈道慣性飛行，直至再入大氣層急劇減速后高空解體。重誘餌由密度大、熔點高、耐侵蝕、穩定性好的特殊材料制成，具備與彈頭目標相似的彈道特性與反射特性。金屬箔條作為一種電子對抗措施，在被拋灑至空中后會產生極強的雷達反射信號，對防御雷達造成干擾。電子干擾機安裝于導彈戰斗部位，隨彈頭一起突防，可通過向導彈防御系統雷達轉發虛假回波信號的方式制造電子欺騙，干擾雷達對真實彈頭目標的跟蹤，或利用噪聲干擾對導彈防御系統雷達進行干擾壓制，削弱雷達的作用距離。

2.3 針對彈道導彈目標特性的識別任務

在彈道導彈飛行的三個階段中，助推段因其可見光、紅外等散射特性明顯，且飛行速度較慢，成為導彈飛行過程中最易于被探測掌握的階段。處于該階段的導彈沒有產生大量碎片，也沒有釋放各種突防裝置，因此目標識別問題并不突出；飛行中段是導彈飛行過程中時間最長的階段。處于該階段的導彈不受大氣阻力影響，彈頭、彈體、整流罩、誘餌和碎片等均在彈頭附近沿彈道慣性飛行，形成一個擴散范圍達幾千米的威脅目標群。如何從威脅目標群中識別出隱匿于其中的彈頭，是彈道導彈目標識別的核心任務；再入段是導彈飛行過程中持續時間最短的階段。在該階段，威脅目標群中伴隨彈頭飛行的輕誘餌、金屬箔條、碎片等會在大氣阻力的作用下劇烈燃燒，急劇減速后高空解體，只留下耐高溫侵蝕的重誘餌伴隨彈頭繼續飛行，呈現出類似彈頭的運動軌跡。針對彈道導彈飛行中各階段的不同目標特征，開展彈頭識別任務，在導彈防御體系中發揮著至關重要的作用。

彈道導彈在中段飛行時間最長，大量非彈頭目標伴隨彈頭飛行形成威脅目標群，且彈頭目標雷達散射截面積小、特征變化快，難以分辨真假；彈道導彈在再入段飛行速度快、機動性強，還時常伴有分導式多彈頭、彈頭末端機動等突防措施。因此這兩個階段將是進行彈道導彈目標識別的主要階段。

彈道導彈飛行過程中，除了數量龐大、特性復雜的伴飛對象使彈頭識別更加因難外，近年來，許多國家還將隱身技術引入彈頭設計中，通過改變彈頭或防護罩形狀、覆涂雷達吸波材料等方式增強彈頭目標的隱身性能，以此減弱其雷達反射信號特征。其中最為常見的是將彈頭設計成尖頭球底的錐球體形狀，可使其在被X波段雷達前向探測時雷達散射截面積降為普通圓錐體的萬分之一，極大程度上削弱了防御雷達對其的探測識別能力。

此外，專家學者仍致力于“反模擬技術”的研究，對彈頭進行偽裝，將真彈頭包裹在氣球內部，使真彈頭更像誘餌，從而達到“假似真，真似假”的效果。這些措施無疑給彈道導彈防御系統的目標識別帶來了嚴峻挑戰，同時也促進了彈道導彈目標識別技術的發展，催生出基于RCS特征、微動特征、極化特征等特征量的一系列彈道導彈目標識別方法。

3 彈道導彈目標識別方法

3.1 基于RCS特征識別

目標的雷達散射截面積（RCS）是一種反映目標在雷達接收方向上對雷達信號散射能力的度量。基于RCS特征的識別方法主要是通過對目標回波的序列幅度變化特征分析來達到識別彈頭目標的目的。為了實現彈道導彈在打擊行動中的突防，彈頭在設計時采用姿態修正技術，在飛行過程中控制飛行角度，使其飛行軌跡與防御雷達照射方向保持一定的姿態角度范圍，從而控制彈頭在被防御雷達探測時呈現盡可能小的RCS。而彈體、誘餌和碎片等一般不具備姿態控制功能，在飛行過程中角度變化異常劇烈，呈現出與彈頭目標不同的RCS特征。彈道導彈防御系統中，窄帶雷達距離維分辨率較低，很難用時域波形對目標進行分類，但其目標回波中包含的目標強度信息具有顯著的序列幅度起伏特征，反映了目標散射強度的變化信息，可用于對彈頭目標的識別。

與此同時，具備RCS測量功能的雷達裝備還具有造價低廉、易于研發等優勢特點，因此，基于RCS特征的目標識別方法成為彈道導彈目標識別研究和應用的主要方向之一。

3.2 基于微動特征識別

微動是指目標因其特殊結構而受到多種外力作用下產生的小幅運動，其運動狀態是目標“獨一無二”的精細化特征，如同人的指紋一般，具有極強的身份標識性。彈頭目標的微動特征從細節上反映了目標的運動特性、結構特性和電磁散射特征。彈頭目標的進動這一運動特征是識別真假彈頭的重要依據，所謂進動是指自旋目標在外力作用下其自旋軸線環繞中心軸線發生緩慢轉動的現象，自旋軸線與中心軸線的夾角稱為進動角，如圖2中θ所示。彈道導彈在設計中，需要對彈頭應用自旋轉技術和姿態控制技術，使其在飛行中全部突防裝置釋放完畢后產生“自旋”現象，從而達到穩定狀態，確保彈頭能夠按預定落點精準命中目標。自旋過程中，彈頭會產生自轉和章動現象，即“鼻錐搖擺”，同時也會存在一些進動現象，但進動角一般不大，對目標回波的影響較小。然而，輕誘餌、重誘餌和電子干擾機等假目標為節約成本考慮并沒有應用相關穩定技術，不具備此類調整能力，因此會出現大幅擺動、大角度進動，甚至翻滾現象，使目標回波產生大幅度起伏，與彈頭目標回波形成鮮明對比。

圖2 彈頭目標的進動

由于彈頭所獨有的自旋轉技術和姿態控制技術，使其在穩定性上區別于其他假目標，而微動是一種可控性較低的小幅運動，特征精細且極具身份標識性，對彈頭目標微動的模擬十分困難，因此，基于微動特征的目標識別方法被認為是彈道導彈目標識別領域內最具發展潛力的技術之一。

3.3 基于極化特征識別

（1）窄帶極化。窄帶雷達體制指雷達發射信號為單頻信號或帶寬較窄的電磁波，此時回波信號的距離分辨率極低。通過窄帶極化對目標極化散射特性進行研究時，首先依據雷達準單色回波信號得出目標的極化散射矩陣，其次在此基礎上分析不同方位角下的極化不變量，最終依據一系列極化不變量和其反應的目標特性實現對目標的分類與識別。

（2）寬帶極化。對于具有高分辨率的寬帶信號，目標的散射特性可以通過雷達的時域極化散射矩陣或者經傅里葉變換后的頻域極化散射矩陣來表示。通過寬帶極化對目標極化散射特性進行研究時，首先依據寬帶雷達回波信號得到目標的全極化高分辨距離像（HRRP）信息，然后在此基礎上對極化HRRP進行目標分解，對各散射中心的散射特性展開分析。

3.4 基于質阻比特征識別

質阻比是指飛行器質量與受到阻力的比值，可以認為是其質量在阻力面上的分布，從數學量化層面反映了飛行器的飛行效率。通常情況下，可以通過減小飛行器的迎風面積來提高質阻比，如對彈頭目標進行流線型設計。

作為彈道導彈重要的突防裝置，重誘餌在設計時外形通常與彈頭一致，以表現出與彈頭目標相似的彈道特性與反射特性。而考慮到彈道導彈助推的費效比問題，在彈道導彈載重受限的條件下，需盡可能減小除有效載荷外的重量，因此重誘餌的質量一般小于真彈頭。彈道導彈目標再入大氣層后，在大氣阻力的過濾作用下，碎片、輕誘餌等目標急劇減速，只有彈頭和重誘餌沿預定軌跡繼續飛行，而此時彈頭和重誘餌因其質量的不同表現出不同的質阻比特征，并且隨再入高度的下降會產生不同的序列幅度起伏特征，可作為再入段識別彈頭和重誘餌的重要手段。

3.5 基于一維距離像識別

目標的一維距離像實質上是目標上各距離單元沿雷達照射方向的散射強度分布圖，能夠精細反映目標的幾何形狀和結構特征。彈道導彈目標幾何形狀相對簡單，強散射中心分布具有顯著的識別特點，有利于通過一維距離像進行識別。

在基于一維距離像進行彈道導彈目標識別的過程中，由于彈道導彈目標飛行速度較快，其一維距離像會出現展寬、畸變、波峰分裂等現象，需對高速運動的彈道導彈目標進行速度補償，速度補償后可準確獲得目標的一維距離像。在滿足距離像高信噪比的條件下，可以通過所獲得目標的一維距離像測算目標對應距離單元數，從而根據雷達帶寬估計出目標的大概尺寸。

基于一維距離像的彈道導彈目標識別同時也存在一定局限性。由于彈道導彈目標在飛行過程中存在旋轉、翻滾等一系列姿態變化現象，而目標的一維距離像具有較強的姿態敏感性，呈現出隨姿態變化的特征多樣性，因此對識別模板庫的數據量提出了很高的要求，而彈頭和各類突防裝置的高分辨一維距離像特征保密程度較高，對于導彈防御方而言極難獲取，給基于一維距離像的彈道導彈目標識別帶來了困難。

3.6 基于ISAR成像識別

逆合成孔徑雷達（ISAR）由合成孔徑雷達（SAR）基礎之上發展而來，其成像過程相當于SAR成像過程的逆過程，利用固定的雷達對運動目標成像，從中提取目標的二維結構特征，直觀展示目標的形狀、大小等信息。此外，還可以進一步對ISAR像進行特征提取，從而獲取更多的目標細節信息。

在彈道導彈目標識別過程中，對于威脅目標群中飛行姿態較平穩的目標，其相對雷達的轉角較小，ISAR成像期間目標的回波徑向散布情況變化不大，運動補償更易于實現。在運動補償的基礎上利用距離多普勒成像算法（RD）或距離瞬時多普勒成像算法（RID）對其進行處理，從而獲得目標的最終ISAR像，開展基于ISAR成像的彈道導彈目標識別。

4 識別方法發展趨勢

4.1 資源調度技術-綜合多特征識別

彈道導彈目標具備多種特征，可表征多類信息。彈道導彈目標識別的發展應著眼于多元信息融合的思路，準確把握目標各類特征及其內在聯系，通過對探測裝備多種資源的合理調度，運用綜合多特征識別手段融合各類目標信息，提高目標識別準確率。

綜合多特征識別手段的運用對雷達裝備的性能提出了更高的要求，既要兼顧多種目標特征的獲取，同時也要滿足各類特征測量的精度要求，在“質”與“量”上齊頭并進。在雷達裝備的研究設計中需要靈活運用資源調度、信息融合等各項技術，使雷達在探測目標時能夠合理分配資源，獲取目標的多種特征，同時對獲取的多種目標特征進行客觀評價、有效融合，避免偏差較大的目標特征對最終識別結果產生不良影響。

4.2 組網探測技術-多傳感器融合識別

在彈道導彈打擊行動中，導彈面向防御系統雷達的多類突防措施給單一傳感器的探測帶來了極大困難，在組網探測技術支撐下，多傳感器融合識別手段的引入，可在空間分集性上充分發揮組網雷達體系探測的優勢，實現目標探測的多源信息融合。多傳感器融合識別手段的運用不僅能夠獲得對目標更為完全的描述，同時有效提高了彈道導彈防御系統的體系抗毀性，當部分傳感器發生故障時，系統依然能夠通過其他傳感器的補充完成導彈防御作戰任務。

4.3 人工智能技術-智能化識別

隨著導彈突防技術和雷達探測技術的飛速發展，彈道導彈目標識別對象的類型日新月異、種類繁多，相應的反導預警雷達體制也呈多樣化發展，使得目標識別特征庫無法與武器裝備發展相適應，難以建立精確而完備的彈道導彈目標特征庫。而近年來人工智能技術的飛速發展，為解決此類問題提供了新思路。

為解決目標特征庫不夠精確的問題，需要提高彈道導彈目標識別的智能化水平，使其具有自適應調整的功能，依據探測數據不斷調整優化特征庫，使特征庫更加匹配目標類型；而為解決目標特征庫不夠完備的問題，同樣需要引入機器學習等智能化識別手段，使目標識別具有自主學習的功能，自動整合目標數據建立目標特征庫，模擬人工方式對特征庫進行維護。智能化識別手段的運用，將為彈道導彈目標識別創造無限可能。

5 結語

彈道導彈目標的識別工作就是將彈頭從誘餌、碎片、彈體等非彈頭目標中甄別出來，貫穿于來襲導彈飛行全時段、反導預警全鏈條。近年來，彈道導彈突防技術迅猛發展，將導彈防御作戰推上了風口浪尖，對我彈道導彈防御系統的能力提出了新要求。為與之相適應，我們需要積極開展彈道導彈目標識別研究工作，在導彈發射、突防釋放、誘餌伴飛甚至機動變軌等過程中遵循“去粗取精、去偽存真、遞次篩選、持續識別”的原則，拓展目標識別維度，靈活運用多種識別手段，充分挖掘彈頭與非彈頭目標的特征差異，研究出一套高時敏、高置信度的彈頭識別方法，助力導彈防御體系發展建設。