關 鍵

(海軍航空大學信息融合研究所 煙臺 264001)

1 引言

海洋空間廣闊、資源豐富，是備受關注的戰(zhàn)略方向。持續(xù)透徹的海洋監(jiān)視是海洋大國的基本支撐。海上目標種類繁多、分布范圍廣，重要航路上目標密集，商船、民船和軍用船只混雜，環(huán)境變化莫測，難以識別區(qū)分，探測難度大。海上作戰(zhàn)和非戰(zhàn)爭軍事行動、海上執(zhí)法和維權等都對海上目標探測有迫切需求。海上目標特性是實現(xiàn)有效探測的重要支撐。

海上最典型的目標就是艦船。艦船類型和層級多，單體結構復雜，相互間差異大，使得目標特性動態(tài)范圍很大，且海上目標與環(huán)境相互耦合作用強，目標特性呈現(xiàn)很強的時變性。艦船特性除了其固有的幾何特征和力學特性外，還有物理場，如聲場、光場、磁場、電場、水壓場、熱場、重力場等[1]。對于海面目標探測，雷達是主要手段。雷達目標特性主要包括雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)[2]，以及后向散射系數(shù)、近場電磁散射特性、寬帶特性、目標噪聲、極化散射矩陣等。RCS隨姿態(tài)角變化而起伏，因此回波信號幅度是起伏的。20世紀50年代，Marcum[3]和Swerling[4]建立了5種起伏統(tǒng)計模型，后來擴展為具有更高自由度的 χ2模型，還有Rice模型和Log-Normal模型[5]。

RCS是最常用的雷達目標特性。關于RCS測量與預估有大量研究成果[5,6]。試驗測量是獲取RCS特性的重要手段。但是，RCS測量存在技術難度大、成本高、邊界條件特性難以驗證等問題，尤其對于大型艦船更是難以測量。隨著計算機技術發(fā)展，電磁計算成為研究目標特性的一種很好手段，相對于試驗測量具有便于重復、能驗證極限特性的優(yōu)勢。但是，電磁計算仍然受算力和精度的限制，因此測量與計算兩者是相互補充、相互支撐的。

目標特性除了取決目標自身，還與目標所處環(huán)境和觀測所用的傳感器有關。因此，本文從目標、環(huán)境、傳感器3個方面分別討論一些與海上目標特性有關的內容。

2 海上目標與環(huán)境

海上目標來自四面八方。“海上目標”不局限于海面目標，按區(qū)域可分為水面目標、水下目標、空中目標(海面上空，甚至臨近空間)、近岸目標(陸海交界附近區(qū)域的目標)。本文主要針對海面目標和與此關聯(lián)緊密的目標進行討論。

2.1 海上目標

海面目標除了數(shù)量最多的水面艦船，還有潛艇的潛望鏡、通氣管和天線、假目標(角反射體等)、水雷、浮標、鉆井平臺、海產養(yǎng)殖場、浮冰等等。艦船包括軍船、商船、民船。軍用艦船包括航空母艦、驅逐艦、護衛(wèi)艦、潛艇、兩棲作戰(zhàn)艦艇、作戰(zhàn)支援艦艇等。圍繞水面艦艇作戰(zhàn)，還有飛機、導彈、無人平臺(無人機、無人艇、無人潛航器)，甚至鳥[7](會影響艦載機起降安全)也是關注的目標。對于不同的應用，關注的目標類型不同。

海上目標RCS動態(tài)范圍大，從零點幾平方米到百萬平方米(見圖1)。大型艦船屬于超電大尺寸。例如，排水量10000 t的大型驅逐艦的RCS可達105m2。但是隨著艦船隱身技術發(fā)展，先進艦艇采用了吸波材料、內傾外形、綜合集成桅桿和集成上層建筑等技術，RCS大大減小，其RCS可降為常規(guī)船型的1/10[8]。電磁超材料的發(fā)展將使目標特性發(fā)生顛覆性變化[9]?，F(xiàn)代軍用艦船RCS并不能完全反映目標的真實特性。

海上目標結構復雜。大型艦船屬于超結構復雜目標。艦船上搭載的無線電輻射源多，軍用艦船還有干擾設備，對實戰(zhàn)條件下的目標特性影響大。水面艦艇不僅個體復雜，而且常以編隊形式出現(xiàn)，編隊內目標間有很強關聯(lián)性(如航向、航速和相對位置)，并且在動態(tài)變化。將艦艇編隊作為一個目標，還是將一艘船作為一個目標，呈現(xiàn)不同的目標特性。在編隊目標中，編隊的形狀結構和個體數(shù)量也是目標特性，在反艦導彈目標選擇中有用。有些大型艦船還呈現(xiàn)復合目標特性，如攜帶有艦載機、小艇、導彈等，而且是動態(tài)變化的，因此這些附屬物的特性也是海上目標特性的組成部分。

隨著雷達的空間和多普勒分辨率的提高，可以獲得復雜結構的精細特性。寬帶雷達可以獲得一維距離像，如圖2所示艦船的強散射點沿距離的分布，是重要的目標特性，隨艦船姿態(tài)變化很大。SAR可以獲得距離-方位兩維高分辨率像(見圖3)，呈現(xiàn)出直觀的幾何形狀特征，而且強散射點的空間分布仍然是其重要目標特性，這種分布是兩維的，相對于一維包含了更多的目標特征。相位測距技術可使距離測量精度達到半個波長，能夠獲得目標精細的動力特性(如顫動等)[10]。

圖 1 不同雷達頻率下測得的一艘大型海軍輔助艦水平極化RCS[5](徑向標度，以1 m2的分貝數(shù)為單位)Fig. 1 RCS of a huge naval supplementary ship in horizontal polarization for different frequency[5](unit of radial scale is dB of 1 m2)

圖 2 艦船一維距離像Fig. 2 One-dimensional range profile of a ship

圖 3 艦船SAR圖像Fig. 3 SAR image of a ship

高多普勒分辨率可感知精細運動特性，如微動特性[11,12]。一般將目標或部件除平動以外的振動、轉動和加速等微小運動都歸為微動。艦船與海面相互作用使其具有多自由度的運動，而且艦船能夠產生微動的零部件多，如導航雷達天線的旋轉、艦面設備的運動等，這些都使艦船具有豐富的微動特性，這些微動在頻域上具有時變特性，是綜合了目標結構特性、散射特性、運動特性于一體的精細特性，是做目標精細識別的很好手段。

海上目標活動范圍大、航跡特征豐富，時間空間跨度大，呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)特點，一些特性隱含在大數(shù)據(jù)中，可挖掘其活動規(guī)律，遞進演化出目標意圖和威脅等級等目標特性，形成海戰(zhàn)場態(tài)勢。

2.2 海上環(huán)境

對雷達探測海上目標影響大的是海面回波，稱為海雜波。海面由大尺度重力波和小尺度張力波構成，是一種復雜動態(tài)變化的環(huán)境，與地理位置、季節(jié)、大氣狀況密切相關，可由海況、浪向、溫度、鹽度等描述(見圖4)。模型包括海譜模型、后向散射系數(shù)模型、幅度統(tǒng)計模型、多普勒譜模型等[13,14]。

海譜是海面的功率密度譜，反映了海浪能量在波長和傳播方向上的統(tǒng)計分布，是海面高度起伏相關函數(shù)的傅里葉變換，是描述海面的最基本方法之一。根據(jù)海浪的成長狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)海譜和非穩(wěn)態(tài)海譜。通常假設海浪充分成長，風恒速吹過一段時間達到穩(wěn)態(tài)形成穩(wěn)態(tài)海譜。常用的海譜模型有PM,JONSWAP, DV, Apel, NRL模型等。

后向散射系數(shù)模型是后向散射系數(shù)隨海況、波段、極化、掠射角、風向角變化的半經驗模型。主要有SIT, GIT, TSC和HYB模型，可用于雷達海雜波的粗粒度仿真，反映了雜波的反射能力。在現(xiàn)代雷達信號處理中更需要幅度統(tǒng)計分布特性。對于低分辨率雷達，海雜波可用瑞利分布描述，隨著雷達分辨率提高，或掠射角較小時，雜波幅度概率密度函數(shù)出現(xiàn)長拖尾，偏離瑞利分布，可由韋布爾分布、對數(shù)-正態(tài)分布、復合K分布等描述。

多普勒譜表征了海雜波在各頻帶上能量分布，反映了海面自身的動態(tài)調制特性。頻移和展寬是多普勒譜的兩個主要特征。頻移是海浪與雷達間的相對水平運動產生的。展寬是海面上下振動造成的。入射波與相應波數(shù)的波浪發(fā)生諧振從而產生各階多普勒峰值[15]。

國內外已開展了大量的雷達海雜波測量試驗和研究[16,17]。海雜波特性與雷達波段、帶寬、分辨率、極化、掠射角等有關。當高分辨率雷達以低掠射角照射粗糙海面，或高海況時海浪出現(xiàn)浪花，產生破碎浪，在雷達回波上呈現(xiàn)為強散射點的海尖峰，在PDF曲線上表現(xiàn)為長拖尾，會導致虛警率增加。海尖峰可以從幅度、持續(xù)時間、間隔上進行鑒別[18]。低掠射角時，海雜波在VV極化強于HH極化，這種差別隨波長增加而變得更為明顯，隨海況增加而減小[19]。

圖 4 粗糙海面電磁散射示意圖[14]Fig. 4 Sketch map of electromagnetic scattering from rough sea surface[14]

電磁波在近海面?zhèn)鬏敃r會在蒸發(fā)波導條件下形成異常傳輸現(xiàn)象，可以用于超視距探測[20]。此外，海面浮油對艦船探測也有影響，可能會削弱海雜波對目標的影響[21]。

2.3 海上目標與環(huán)境耦合

艦船與海面間相互動力學作用，使艦船具有六自由度運動(縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖、升沉、偏航，見圖5)，運動幅度和周期與噸位、航速、海情和風向等有關。由于海面隨機性和艦船結構復雜性，使艦船與海面間的電磁耦合十分復雜，影響艦船目標特性。國際上從上世紀五十年代就開始研究粗糙面的散射問題，后來又陸續(xù)開展海面艦船電磁散射計算的研究，分析了海況、掠射角、極化對RCS的影響。國內也有很多學者針對粗糙海面艦船目標耦合散射計算開展了大量研究[22–26]。文獻[14]將時變海面、六自由度運動的海面艦船、電磁散射計算結合起來，研究了海面散射耦合以及艦船水動力學運動特性對艦船目標特性的影響。時變海面引起的艦船姿態(tài)變化會使艦船RCS變化；海面的多徑散射也影響目標特性(見圖6)，在中低掠射角時，HH極化海面反射系數(shù)一般大于VV極化，因此多徑效應在HH極化下比VV極化下影響更大；隨掠射角增加，多徑造成的RCS起伏變得明顯[14]。

不僅環(huán)境會影響目標特性，目標也會對環(huán)境產生擾動。這種擾動也可以被認為是目標特性，成為探測目標的途徑，如利用尾流探測飛機[27]，類似的艦船尾跡[28,29]、內波[30,31]等可以用于探測水面艦艇和水下目標非聲探測。目標對環(huán)境擾動在探測小型快艇時可能有用。雖然小艇本身RCS較小，但是發(fā)動機掀起的浪花在雷達顯示器上很明顯。

3 雷達與海上目標探測

3.1 目標探測手段

海上目標種類繁多，環(huán)境復雜多變，傳感器也是多種多樣。單一平臺和單一波段的探測能力有限，因此海上目標探測體系向多平臺、多波段的多傳感器組網的陸海空天一體化發(fā)展。在跨域、網絡化、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)理念驅使下，協(xié)同探測的多種手段使得目標特性呈現(xiàn)多維度，并且各平臺可在協(xié)同作戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)支持下通過作戰(zhàn)云共享這種多維度目標特性。

圖 5 艦船六自由度示意圖[14]Fig. 5 Sketch map of a ship in 6 free degrees[14]

(1) 多平臺：對海上目標探測的傳感器平臺覆蓋了艦基、岸基、空基、天基、彈載、水下、無人平臺等。目標特性與傳感器平臺密切相關，一個目標在不同平臺傳感器觀測的特性是不同的，首先視角就大不相同，觀測時相也可能不同，相應的目標特性差異很大。由于海域空間廣，海上目標稀疏，空基[32]和天基[33,34]是海上目標探測的重要發(fā)展方向。

(2) 多波段：多種平臺傳感器對應多種波段。機載雷達，早期的E-2A的APS/96雷達為S波段，而E-2C和E-2D的雷達則采用UHF波段，P8-A的搜潛雷達工作于X波段。艦載雷達，宙斯盾防空系統(tǒng)的AN/SPY-1雷達為S波段，DDG-1000的雙波段雷達(Dual Band Radar, DBR)集成了S和X波段。岸基對海警戒雷達波段有X, C, S波段，以及更低的米波[35]，甚至高頻段以實現(xiàn)地波或天波超視距探測[36]。由圖7可見，同一艦船在不同波段的RCS有所變化，在天頂角較小時海面散射影響很大[5]。

(3) 多分辨：目標特性隨分辨率變化很大。不同分辨率在檢測與識別中各有用處，高分辨率對識別更有益。在高空間分辨率時，目標幾何特征較為明顯，視覺顯著性也是可以利用的目標特性[37]。在高多普勒分辨率時，回波信號中隱含了目標的運動特性[38]。

(4) 多極化：極化拓展了觀測的維度，包含目標和環(huán)境特性[39]，也影響空間和時間相關性等。極化與高分辨相結合更加細化了目標特性，是雷達目標識別和抗干擾的重要手段[40,41]。

(5) 多體制：海上目標探測場景多樣，相應的雷達體制也多種多樣。如識別潛望鏡等小目標需要高分辨率成像，抑制海雜波可用快速掃描天線，艦載雷達兼顧對空對海采用多功能相控陣。還有新的雷達體制，如量子雷達[42]、微波光子雷達[43]、太赫茲雷達[44]、基于電磁渦旋的雷達[45]。目標特性在不同體制雷達中變化很大。

圖 6 海面目標多徑反射示意圖[14]Fig. 6 Sketch map of multipath reflection of target and sea surface[14]

圖 7 典型驅逐艦沿±45°方位角平均的HH極化RCS隨天頂角的變化曲線[5]Fig. 7 RCS curves of a typical destroyer in ±45° horizontal degrees and HH polarization, horizontal ordinate is complementary angle of pitching angle[5]

3.2 典型應用背景

海上作戰(zhàn)是海上目標探測的典型應用背景。海上作戰(zhàn)體系主要包括防空作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、水雷與反水雷戰(zhàn)、兩棲作戰(zhàn)等。下面從較為關注的幾個方面討論海上目標特性需求。

(1) 海面目標探測：現(xiàn)代戰(zhàn)爭方式主要是從敵方防御火力圈外進行非接觸超視距精確打擊，需要在廣域空間內保持動態(tài)實時連續(xù)的偵察監(jiān)視預警，單靠艦艇平臺上探測設備是不夠的，空基(預警機、警戒直升機、浮空器)和天基是很好手段。機載探潛就是一個重要應用。潛艇等水下目標隱蔽性強，潛望鏡暴露時間非常短，只有十幾秒，對其探測是難題。探潛是由固定翼反潛巡邏機、反潛直升機、水面艦艇和潛艇等多種平臺和裝備構成的立體化作戰(zhàn)體系，要對幾十甚至數(shù)百平方海里范圍內進行快速搜索。反潛機雷達探測潛望鏡[46,47]、通氣管，甚至需要寬帶成像以支持識別。在海面目標探測中，導航雷達探測小目標也是一個典型問題。導航雷達是大多數(shù)水面艦艇都配備的裝備，使用率最高，雖然作用距離不遠，也常擔負一定的海面搜索任務，除了避碰外，還要求能探測附近的小目標，如小船、浮標、浮冰等。

(2) 反艦與防空反導：反艦導彈是打擊水面艦艇的主要手段，典型目標是大型水面艦艇，如航母、驅逐艦、瀕海戰(zhàn)斗艦等。目標特性對于反艦導彈在自導段尤為重要。艦船RCS和機動性對反艦導彈的捕捉概率有很大影響，而且還與探測距離、目標航速以及目標航向與導彈攻擊夾角有關[48]。此外，角閃爍對末制導雷達測角誤差有很大影響。在編隊條件下，隊形也是重要目標特性。在近海作戰(zhàn)時，海岸和近岸區(qū)域密集的艦船也會嚴重影響末制導雷達對目標的選擇。導彈需要根據(jù)目標和環(huán)境特性做航路規(guī)劃，攻擊方向和視角變化很大，需要目標與環(huán)境詳細的特性信息。此外，大入掠射角攻擊時的海雜波以及干擾都是大問題。與反艦對應的是防空反導，典型目標是飛機、導彈。導彈主要是反艦導彈和反輻射導彈，呈現(xiàn)高速、隱身、機動、掠海飛行、俯沖攻擊等特點，作戰(zhàn)空域從掠海、中低空延伸到高空，甚至臨近空間。掠海飛行的反艦導彈，由于飛行高度很低，多徑效應影響嚴重，使得低角跟蹤誤差增加。在反導中常使用無源干擾手段，如箔條、角反射體等，這些手段的有效布放需要掌握箔條和角反射體的目標特性[49,50]，這些干擾手段要與防空武器配合才能很好發(fā)揮作用[51]。

(3) 近岸目標探測：瀕海區(qū)域是近年來備受關注的區(qū)域。一種情況是對己方沿海區(qū)域警戒，另一種是對敵方近岸區(qū)域的目標探測。典型目標有水面艦艇、潛艇、水雷、小船。特點是目標密集、數(shù)量眾多，陸地和海交織，使背景更為復雜。

除上述應用背景外，還有水雷戰(zhàn)與反水雷戰(zhàn)，不僅要發(fā)現(xiàn)水雷，還要及時發(fā)現(xiàn)航渡中的布雷艦艇和飛機。兩棲作戰(zhàn)覆蓋水面、空中、水下，既有平面作戰(zhàn)，也有垂直作戰(zhàn)方式，目標類型多，有兩棲攻擊艦、登陸艇、飛機、兩棲戰(zhàn)車和陸戰(zhàn)隊員等。海上作戰(zhàn)還可能是上述多種情況的交織，目標特性需求也變得非常復雜。

4 目標特性技術

4.1 目標特性數(shù)據(jù)獲取

目標特性數(shù)據(jù)可以由測量和建模計算獲得。測量技術包括緊縮場測量、近場掃描測量、全尺寸靜態(tài)測量等。歐美發(fā)達國家的軍方、工業(yè)部門、高校建立了多個測試場，如美國陸軍ERADS緊縮場、空軍RATSCAT測試場、海軍大西洋測試場、波音公司、雷聲公司、洛.馬公司測試場[52]。測量技術難點包括目標姿態(tài)控制、測量系統(tǒng)校準和定標、背景影響消除、測量數(shù)據(jù)處理、寬波段測量、大型目標測量、非合作目標測量、動態(tài)測量[53]等。

建模計算相對于測量具有低成本易重復的優(yōu)勢，對于難以獲取的目標特性較為適合。方法分為高頻近似方法和全波數(shù)值方法。數(shù)值法計算精度較高，典型方法有限元法(Finite Element Method,FEM)、矩量法(Method of Moments, MoM)、時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)等，對于電大目標較為耗時。高頻漸近法簡單高效，但精度有限，包括幾何光學(Geometrical Optics, GO)、物理光學法(Physical Optics,PO)、一致繞射理論(Uniform Theory of Diffraction, UTD)、幾何繞射理論(Geometrical Theory of Diffraction, GTD)、物理繞射理論(Physical Theory of Diffraction, PTD)等。典型的計算軟件有XPATCH, FEKO, HFSS, CST等。海上目標電磁計算的難點包括超電大目標、復合材料、彈目交會、目標與海面復合電磁散射計算等等[54,55]。

4.2 目標特性的多維描述

將目標測量或計算得到的數(shù)據(jù)轉化為目標特性模型是目標特性應用的基礎。如何從幾何模型向電磁計算模型、參數(shù)化模型、檢測識別模型轉化，這是目標在不同表示空間之間的映射問題，是目標特性向目標探測應用轉化中值得研究的問題。這種模型如何表示，或者用參數(shù)化的公式、或者用結構化的數(shù)據(jù)、或者用網絡化的智能學習結構。目標特征不僅在強度上，空間結構是重要特征，這種特征用圖論的方法表征可能也是一個途徑。

目標特性由多方面因素決定，是多維度的，包括目標維度、環(huán)境維度、傳感器維度。在高維度空間中，目標特性更明顯。目標維度包括類型、幾何尺寸、材質、動力、運動、武器、人員等。環(huán)境維度包括地理位置、溫度、濕度、風場、浪高、浪向、鹽度等。傳感器維度包括平臺、體制、波段、極化、分辨率、視角等。在多域作戰(zhàn)條件下，隨目標探測進程，觀測手段和環(huán)境在變化，目標特性隨時間空間變化，目標在多個域中穿梭，目標特性也在多維空間中運動，目標探測與識別在相應空間中進行。

4.3 目標特性與目標探測

(1)目標特性與信號處理：目標特性是雷達目標檢測識別等精細化處理的基礎。設計檢測器主要是設計一個檢測統(tǒng)計量，使之在有無目標時有盡可能大的差別。經典的檢測主要用幅度特性、相關性等(如利用起伏特征的幀間積累抑制雜波)，還有一些非線性特性(如分形[56]等)，以及通過一些變換提取目標的某些特性(如分數(shù)階傅里葉變換(FRactional Fourier Transform, FRFT), Hilbert-Huang變換等)。近年來，研究熱度很高的人工智能算法可以提取高維非線性特征。這種特征隱含了時間空間上的高維關聯(lián)特性，不像經典的幅度特征和二階相關那樣有便于直觀理解的物理意義。

(2) 檢測識別一體化：盡管幅度和相關性的維度低，隱含的信息不全面，但是便于測量，具有直觀的物理意義，因此還有必要挖掘。構造基于幅度的目標特性子空間模型，在匹配子空間檢測中[57]，檢測器采用多通道形式處理，在檢測的同時完成了對目標的分類，如果目標特性模型足夠準確，可以實現(xiàn)檢測識別一體化[58]。

5 結束語

海上空間廣闊且環(huán)境復雜多變，海上目標種類多且探測手段多，使目標特性呈現(xiàn)多維度特性。海上目標探測在多維度目標特性的支撐下向檢測跟蹤識別一體化智能化發(fā)展。分布式、馬賽克、云作戰(zhàn)、多域作戰(zhàn)、蜂群等新的作戰(zhàn)樣式相繼出現(xiàn)，目標仍然是焦點，目標特性是核心，多維度目標特性的共享是多域聯(lián)合作戰(zhàn)的重要支撐。海戰(zhàn)場向深海、極地和太空拓展，目標向智能、協(xié)同、無人化發(fā)展。新的作戰(zhàn)空間也將產生新的目標特性需求。海上目標特性研究還有很多需要拓展的空間。