地物背景近場散射特性數據產品建設論證研究

秦德淳，靳佰良，李 勇，樊智濤

(中國人民解放軍32215部隊， 河北 張家口 075421)

1 引言

空地探測雷達探測、制導工作在遠場區，照射距離較遠，一般都是公里級，探測波束在地物背景照射區域面積巨大。隨著雷達、彈體的飛行，照射區域的場景不斷變化，地物背景的類型也隨之改變，但在探測距離基本不變的情況下，其探測波束形成覆蓋面積也基本保持不變，此時地物背景的目標特性信息以雜波的形式出現，并采用統計方法研究雜波的分布規律。

近炸引信工作在近場區，照射距離近，一般在100 km以內，探測波束在地物照射區域的面積不大，但隨著交會距離的變化，引信探測器照射面積劇烈變化，每一個照射區域內的地物都可以看成一個背景目標，此時地物的目標特性信息不能以雜波的形式表述，而是把每一引信探測器照射區域內的地物作為背景目標，而在整個交會過程中，引信探測器照射區域內的地物就形成一個隨交會距離的變化背景目標序列，一般采用等效散射截面來表述，單個背景目標的散射特性，不能用統計方法研究散射特性，但是對于整個背景目標序列可以采用統計方法進行研究。

本文中主要針對近炸引信探測識別目標過程中激光、電磁散射特性數據獲取需求，分析了國內外試驗測試、建模仿真、數據庫建設等相關領域研究現狀，構建了地物背景近場激光、電磁散射特性測試、建模仿真、數據庫建設等數據產品建設總體技術框架，研究了地物背景激光、毫米波散射特性數據測試、后向散射系數建模、散射特性統計建模、散射特性數據庫設計方法，通過測量數據和仿真數據分析處理及校核，形成典型氣候條件下地物背景目標測試、仿真數據產品。

2 軍事需求分析

近炸引信是現代引信的重要分支之一，隨著科學技術的快速發展，近炸引信開始向著多波段、多體制方向發展。近炸引信多采用主動探測體制，基于目標散射回波信息進行探測、識別，完成決策和起爆控制。因此，目標散射特性信息是引信探測性能設計的重要依據，直接影響到近炸引信探測性能如靈敏度、探測范圍及精確識別等。

目前壓制彈藥、反坦克彈藥、遠程火箭彈、空地武器彈藥等多采用激光、無線電引信，在實際應用環境中，地物背景目標成為影響軍事目標檢測性能的主要因素。近炸引信起爆決策的回波信息可能被地物背景目標信號干擾甚至淹沒，導致引信無法正常探測、識別軍事目標和非軍事目標。特別是現代戰場中隱身技術的應用，造成真實軍事目標回波信號微弱，難以探測；而水面、叢林、地面等多樣性背景目標信號往往較強，在這種環境背景下，近炸引信對軍事目標易形成誤識別，造成早炸、誤炸。

在引信設計和研制過程中，迫切需要將多樣性地物背景目標全天候散射特性信息作為近炸引信探測、啟動特性設計的依據。而目前尚缺乏各類地物背景的近場目標特性基礎數據和模型，尚不能全面支持近炸引信設計需求，急需開展地物背景近場散射特性研究，滿足多波段、多模復合近炸引信設計、研制對地物背景引信特性信息的迫切需求。

3 國內外現狀分析

國外引信近場散射特性的研究主要是通過縮比試驗和仿真試驗來進行，獲取了大量的試驗數據和結果，為各類武器裝備型號研制提供了技術支撐。

美國彈目交會仿真中心(MESA)彈目交會試驗采用的是速度縮比原理，其測試方法是：控制計算機控制引信探測器，沿彈目相對速度矢量以縮比速度向目標移動。用精密測量儀器構成的電磁測量系統，模擬各種測量體制，精密地模擬測量參數，對各種目標姿態旋轉或慢速穩定的直線運動進行動靜態電磁測量，可更有效、更準確地獲取近場目標特性。轉臺主要用于目標靜態特性測量時，為系統提供被測目標的各種狀態、姿態。轉臺控制計算機與轉臺端進行通信。由主控程序通過轉臺控制計算機向轉臺發命令，指示轉臺轉動到指定角度，轉臺到位后向轉臺控制計算機發回到位信息。主控程序在收到轉臺到位信息后，開始在新的角度下進行測量。對于某些大型目標，例如軍艦、大型飛機、或不能獲得的國外目標等，不便于進行實物測試，可以采用這些目標的縮比模型進行測試。如圖1所示，目標為縮比目標，在8h時間內，可以完成百組低速交會試驗。該系統具有彈目交會姿態可控、時間測量準確等特點。

圖1 測試目標1∶5的縮比目標模型示意圖

俄羅斯關于高速目標近場動態特性驗證試驗的工作已經開展了30多年，現在主要依靠實驗室內全數字仿真和半實物仿真，獲取主要的目標近場動態特性數據?？设b定近炸引信是否具有識別目標與背景環境、對抗各種主動/被動干擾的能力，可通過分析目標背景特性和干擾特性，建立各種目標、海面、地面綜合回波信號數據庫、彈目交會姿態數據庫以及相應的計算機處理程序等，從而利用仿真試驗技術獲取引信性能參數。

綜上所述，國外針對目標近場動態特性驗證建立了大型的測試研究中心，獲得了大量的基礎數據，在高速交會測試、目標光電目標特性測試及建模方面，取得了大量的研究成果，并建立了高速交會目標特性數據庫。

國內上海航天科技802所，針對處于地面上方簡單目標復合電磁散射開展了X、Ku波段測量實驗；中國電科第22研究所，針對還雜波開展了Ku波段機載掛飛實驗。由于實驗測量成本昂貴、數據獲取不易，且干擾因素不易去除，因此國內研究者重點從仿真方面對地海雜波背景的復合電磁散射特性進行研究。北京環境特性研究所開展了大量粗糙地海與縮比艦船、坦克等目標的測量實驗，并對復合電磁散射特性和SAR成像特性進行仿真。中國電科第22研究所結合開展長期的地海雜波測量任務，建立了地海雜波數據庫，積累了大量的地海雜波數據。

與國外武器裝備目標特性的研究相比較，國內也采用縮比測試試驗和仿真試驗等技術，但沒有形成完整的測試鏈條，且未獲取足夠的基礎數據，積累的目標特性數據不成體系，難以發揮支撐武器裝備研發的作用。

4 建設方案

地物背景涉及的物理因素包括每一種地形地物的高度、空間分布、氣象季節變化、地域等。由于地形地貌、植被覆蓋的多樣性和地面形態復雜多變，在地物背景散射特性研究中，重點特征是后向散射系數、幅度分布和譜特性。地物背景近場散射特性數據產品測量不同地形、不同氣象條件下典型地物背景散射特性，獲取特征數據，開展地物背景散射特性、幅度分布特性研究，引入適用于工程應用的后向散射系數模型、地物背景散射特性統計模型，并建立數據庫，總體技術架構如圖2所示。

圖2 總體技術架構框圖

4.1 地物背景激光、毫米波散射特性數據測試

地物背景激光、毫米波散射特性測試分為靜態和動態測試等2個部分，其測試技術方案如圖3所示，靜態測試擬采取的實施方案如圖4所示。

圖3 地物背景激光、毫米波散射特性測試技術方案框圖

圖4 地物背景激光、毫米波散射特性靜態測試方案示意圖

激光、毫米波散射特性測試系統置于高臺上，對單一背景進行離散測量，即通過電控云臺調節探測系統的俯仰角改變擦地角，離散化測量各個單一背景散射特性得到特征數據；對多樣化背景進行連續測量，即設定測試俯仰角范圍，通過電控云臺連續調節探測系統俯仰角連續變化，并同步探測多樣化地物背景散射信號得到特征數據，通過相應的數據處理方法得到邊界散射特性。

激光探測擬采用朗伯板定標，由于俯仰角的存在，在照射到地物背景時激光光斑投影部分會照射在朗伯板之外，通過精細化調節朗伯板的俯仰，保證激光光斑全部照射在朗伯板以提高定標精度。毫米波探測擬采用角反射器或標準球體定標，角反射器定標時和激光探測定標一樣，也要精細化調節角反射器俯仰，保證對準電軸中心。

毫米波散射特性動態測試方案如圖5所示。在高臺與地物背景之間按照不同擦地角建立滑索，按照產品的定高高度，在多樣化背景下進行滑彈試驗，探測、采集毫米波對地物背景的多普勒信號，并進行信號處理提取散射特征。

圖5 地物背景毫米波散射特性動態測試方案示意圖

4.2 后向散射系數建模

針對近炸引信應用，利用實驗測量結果對雜波散射系數開展理論分析，建立引信雜波散射機理模型，應用于近炸引信前期設計有助于提高抗雜波干擾性能。

后向散射系數主要和雷達發射頻率、入射余角、地貌類型和極化方式有關。描述地面雷達地雜波散射模型主要有理論模型和經驗模型2種。目前常用的理論模型主要有：Morchin模型、GIT模型和γ-f模型。用理論模型來估計雜波散射系數，無法反映真實地形環境對雷達性能的影響，這是由于真實地形環境復雜、波束低入射余角照射時存在“遮蔽”和“多路徑”效應的影響，而且對同一地形和波束入射余角環境下，地雜波后向散射理論模型估計出的散射系數有時會相差數十個dB。造成這種差別的原因是缺少足夠地面真實情況數據、精確的系統校準或精確的數據處理。因此，針對近炸引信抗雜波設計，應在大量實測數據基礎之上建立工程化應用的經驗模型。

地雜波后向散射系數建模研究，擬選定3個較有代表性的經驗模型：等γ模型、修正等γ模型和Ulaby模型。

1) 等γ模型

等γ模型把地面雜波看作是均勻各向同性散射現象來建立模型，由于該模型與實測數據擬合較好，是比較有代表性的地雜波散射模型，該模型經常用于機載雷達下視情況，這一點和攻頂掠飛用的近炸引信比較相似，其數學模型為：

=sin

(1)

式(1)中：為地面反射率表征參數，為與地形有關的常數；為擦地角。

2) 修正等模型

為常數的近似，在入射余角接近0°或90°時是不精確的，可用Gauss衰減項表示，于是模型可修正為：

2.平均產仔數。采用人工授精為（11.94±0.62）頭/胎，采用自然交配為（11.35±0.78）頭/胎，差異顯著（P<0.05）。

(2)

式(2)中：為等γ模型的常數；為擦地角；為垂直入射時的鏡面散射強度；為鏡面反射分量角寬度。式(2)中，右邊第1項是漫射分量，第2項是鏡面反射分量。該模型常用于機載雷達地面雜波的計算，因此也可以一直應用到近炸引信雜波的計算。

3) F.T.Ulaby 模型

F.T.Ulaby綜合了大量的地面散射系數測量數據，將地形分為若干子類，包括土壤和巖石表面、樹林、草地、灌木叢、短植被、路面、城市地區、干雪、濕雪等等，建立了數據庫，并在此基礎上提出了散射系數的經驗模型，其表達式為：

=+exp()+cos(+)

(3)

式(3)中：～為統計參數；為局部入射角，以弧度為單位。

當測試地物背景可以進行上述分類時，應用這類模型比較方便。

4.3 散射特性統計建模

雷達雜波是來自雷達分辨單元內的許多散射體回波的矢量和。由于雷達分辨單元內一般包括許多隨機分布的散射體，它們的介電常數和幾何特性都是隨機變量，同時散射體或雷達的運動也將引起回波振幅和相位的變化，這些原因導致雜波的雷達散射截面具有起伏性。將雜波散射現象理解為與地面隨機形態相關的一種隨機過程，人們通常用雜波幅度的概率分布模型和雜波相關模型來描述其統計特性。

雜波的概率統計分析主要特性包括幅度統計特性和譜分布特性。幅度統計特性由雜波幅度的概率密度函數(PDF)來描述，譜分布特性由雜波的功率譜密度描述。雜波的幅度統計特性反映了雜波的幅度變化特性，在引信雜波分析中，根據引信探測器波束擦地角的不同，常用的幅度統計特性模型有瑞利(Rayleigh)分布、對數正態分布(Log-Normal分布)、Weibull分布與分布。

1) 瑞利(rayleigh)分布

地雜波在引信探測器波束擦地角大于5°、分辨單元極大時，一般可認為它們合成的回波包絡振幅可用Rayleigh分布來描述。如果用||表示Rayleigh分布雜波回波的包絡振幅。則||的概率密度函數(PDF)為：

(4)

式(4)中，為雜波的標準差。

2) 對數正態(log-normal)分布

對數正態分布是雷達波掠射地面時(擦地角小于5°)，所觀測的回波符合的分布。當引信探測器波束對地面進行低入射角探測時，地雜波的分布與Rayleigh分布明顯不同，雜波包絡的概率密度函數與Rayleigh分布的概率密度函數相比有一個長的拖尾，而且地面起伏越大，實際的雜波分布與Rayleigh分布偏差越大。一般當擦地角低于5°時，使用對數正態分布能較好的描述雜波幅度統計模型。設||代表對數正態分布雜波的包絡振幅，則其概率密度函數(PDF)為：

(5)

3) 韋布爾()分布

瑞利分布與對數正態分布實際上是2個極端情況，前者動態范圍較窄，預測出現的大回波的概率較小，而后者的動態范圍過于寬廣，出現大回波的概率比實際情況大。韋布爾分布則具有更廣泛的適應性，其有2個參數:一個是反映均值的尺度參數，另一個是反映函數形狀的形狀參數。是韋布爾分布的特例，同時韋布爾分布又可近似接近對數正態分布，所以對于得到的雜波數據都能比較好得擬合，該分布在地雜波中得到了許多應用，在實驗數據擬合，雜波模擬以及目標恒虛警處理()等方面都有較大進步。分布的概率密度函數為：

(6)

式(6)中：為尺度參數;與分布的均方值有關， 是形狀參數，控制分布尾部的形狀。

由式(6)可以看出，對數正態分布和瑞利分布是Weibull分布的形狀參數分別取1和2時的特例。

4.4 散射特性數據庫設計

地雜波涉及的物理因素包括每一種地形、地物的高度、空間分布、氣象季節變化、地域等。由于地形地貌、植被覆蓋的多樣性和地面形態復雜多變，在地物背景散射特性的研究中，重點特征是后向散射系數、幅度分布和譜特性。測量不同地形、不同氣象條件下典型地物背景多波段散射特性，獲取特征數據，開展多波段雜波數據庫開發，研究地物類型、波段、極化、入射角度、樣本數、單一波段特性統計數據和模型等元素信息的錄入、檢索、統計的數據庫技術。滿足對數據信息的智能化管理和數據積累。開展數據的特征提取、統計分析，實現對數據資源信息的挖掘、聚類分析。

秉承面向對象方法的思想進行數據庫設計，在進行必要的系統分析后，進行數據庫軟硬結構搭建及功能程序開發，實現對模型、數據等信息的錄入、存儲、修改、更新、維護等智能化管理。

結合數據庫數據資源通過對數據收集、數據清理、數據變換、聚類分析等功能模塊的開發，開展數據挖掘技術應用，實現基于目標特性機理的特征挖掘。具體對應的技術方法有：

1) 信息收集：根據確定的數據分析對象抽象出在數據分析中所需要的特征信息，然后選擇合適的信息收集方法，將收集到的信息存入數據庫。

2) 數據清理：在數據庫中的數據有一些是不完整的(環境、測試條件等)，含噪聲的(包含錯誤的屬性值)，并且是不一致的(同樣的信息不同的表示方式)，因此需要進行數據清理，將完整、正確、一致的數據信息存入數據倉庫中。

3) 數據變換：通過平滑聚集，數據概化，規范化等方式將數據轉換成適用于數據挖掘的形式。

4)數據挖掘：根據數據庫中的數據信息，編制對應的的數據分析功能算法，應用統計方法、事例推理、決策樹、規則推理、甚至神經網絡、遺傳算法的方法處理信息，得出有用的數據特征信息。

4.5 數據校核

在VV&A方面，根據目標與環境特性測量VV&A實施過程及相關規范，VV&A工作貫穿于測試全過程。針對測試過程，VV&A主要分為3個階段：① 測試前，對多波段測試設備的完備情況進行檢查并校核，對測試人員資質進行考核，對測試方法和原理進行論證并校核等；② 測試過程中，首先對系統定標和測試步驟是否按照規范操作進行校核，其次對數據采集和處理過程進行校核，之后通過對比法完成數據驗證；③ 最后完成數據確認和入庫，為近炸引信的研制提供設計和仿真所需的目標與環境特性基礎數據和特征信息。

5 結論

針對地物背景引信散射特性數據產品建設需求，構建了地物背景近場激光、電磁散射特性測試、建模仿真、數據庫建設等數據產品建設的總體技術框架；設計了地物背景激光、毫米波散射特性數據測試、后向散射系數建模、散射特性統計建模、散射特性數據庫設計方案。

本文研究成果可為典型氣候條件下地物背景引信特性測試、仿真數據產品建設提供借鑒。