盧衛(wèi)建 顧乃威 劉青 尹鳳琳 張博宇

（北京航天發(fā)射技術研究所，北京，100076）

0 引言

發(fā)射車、坦克、裝甲車等地面車輛面臨天基全天候、全天時、多頻譜、高分辨、強實時的探測與偵察，受到彈道導彈、臨近空間超音速武器、巡航導彈等的快速精確打擊威脅，其生存能力受到嚴峻挑戰(zhàn)。偽裝隱身技術作為提升地面車輛生存能力的重要手段，受到各軍事國家的高度重視。但迷彩涂層、偽裝網(wǎng)、結構吸波材料等傳統(tǒng)的被動偽裝隱身技術措施，已經無法滿足多變復雜戰(zhàn)場環(huán)境下地面車輛機動作戰(zhàn)的要求，需要從偵察探測與識別機理出發(fā)，研究地面車輛多頻譜反偵察對抗策略，以提升地面車輛射前生存能力。

1 面臨的偵察威脅環(huán)境分析

地面車輛面臨的偵察主要為天基和空基雷達、光學、高光譜和紅外偵察，星載偵察是實施戰(zhàn)略偵察的主要手段，不受領空的限制，在和平時期和戰(zhàn)爭時期都可使用，是地面車輛最重要的偵察威脅源，本節(jié)重點分析衛(wèi)星偵察對地面車輛的威脅。

1.1 雷達成像衛(wèi)星

星載合成孔徑雷達（SAR）不受云、霧、煙和光照條件影響，可全天時、全天候對地偵察，是地面車輛最重要的偵察威脅[1]。外國在軌、在研的雷達偵察衛(wèi)星系統(tǒng)主要有：美國的長曲棍球（Lacrosse）、LightSAR，德國的SAR_Lupe系列、TerraSAR-X，意大利的Cosmo-Skymed等，雷達偵察波段覆蓋L、S、C、X，雷達偵察設備寬帶掃描模式下分辨率為3m，標準和聚束條件下達到0.3m～1m，部分雷達偵察衛(wèi)星具備地面移動目標指示（GMTI)或視頻SAR功能。雷達衛(wèi)星偵察分辨率高，根據(jù)Johnson判則能夠對地面車輛有效識別和確認。圖 1為SAR對地偵察成像。

圖1 SAR對地偵察成像Fig.1 Ground Reconnaissance SAR Image

如圖2所示，2020年3月，Iceye公司發(fā)布了其視頻SAR衛(wèi)星產品的演示視頻，演示了韓國釜山港口船只的移動，英國希思羅機場行駛的飛機的運動，在猶他州厄姆峽谷礦的采礦活動以及東京新宿附近的城市生活。Iceye通過將每個區(qū)域的大約20秒圖像分成10個數(shù)據(jù)幀來創(chuàng)建演示SAR視頻圖像，在提供SAR視頻圖像的同時，ICEYE-SAR提供的圖像分辨率高達1米。

圖2 利用視頻SAR衛(wèi)星檢測運動船只目標[1]Fig.2 Video SAR satellite detection of moving ship targets

1.2 光學成像衛(wèi)星

目前在軌的光學偵察衛(wèi)星主要有：美國的鎖眼-12（KH-12）、IKONOS 2、Quickbird-2、GeoEye-1，俄羅斯的 Cosmos2441，法國的HELIOS-2A，以色列EROS-B等。偵察光譜范圍：0.4μm～1.2μm，地面最高分辨率達0.1m～0.15m[2]。光學偵察具有非常高的分辨率，依據(jù)Johnson判讀準則[3]，可以對地面車輛進行詳細描述級，但光學偵察效果受到云、霧、雨、雪、煙塵等的影響嚴重，它只能在氣象條件好的白天工作。圖 3為KH-12光學成像衛(wèi)星對地偵察成像。

圖3 KH-12衛(wèi)星對地偵察成像Fig.3 Ground Reconnaissance Image of KH-12

1.3 紅外成像衛(wèi)星

鎖眼KH-12是美國第六代光學/紅外偵察衛(wèi)星，目前在軌3顆，按類比推算其紅外探測設備的地面分辨力為2m～4m，依據(jù)Johnson判讀準則，其對地面車輛能夠探測，無法識別。

1.4 高光譜成像衛(wèi)星

隨著技術的發(fā)展，新型高性能光譜成像載荷隨之出現(xiàn)，并在軍事及民用對地遙感中得到應用。美國于2000年11月發(fā)射了地球觀測者衛(wèi)星1號（EO-1），搭載了色散型高光譜成像儀Hyperion，具有7.5km幅寬，30m空間分辨率，光譜范圍覆蓋0.4μm～2.5μm，譜段數(shù)220，采用運動補償成像方式，其連續(xù)成像距離為100km。戰(zhàn)術衛(wèi)星3在2009年5月成功發(fā)射，搭載的高光譜成像儀ARTEMIS具有世界上最高的空間分辨率和光譜分辨率指標，系統(tǒng)采用光柵分光技術，在400km軌道高度，光譜分辨率達到5nm，空間分辨率達5m，光譜范圍0.4μm～2.5μm，具有400個光譜通道，成像幅寬為2km。具備了星上數(shù)據(jù)實施處理功能，可在10分鐘之內將信息直接下傳至戰(zhàn)場指揮單元，達到戰(zhàn)術級水平的高光譜信息使用達[4]。衛(wèi)星高光譜成像空間分辨率為5m，難以識別地面車輛，其光譜分辨率達到5nm，可有效發(fā)現(xiàn)地面車輛的位置，可輔助光學、雷達等衛(wèi)星偵察識別。圖4為高光譜成像偵察情況，能夠從復雜戰(zhàn)場中快速發(fā)現(xiàn)目標的位置。

圖4 高光譜成像偵察Fig.4 Hyperspectral imaging reconnaissance

1.5 星座偵察

為了縮短時間分辨率，近年來外軍采用在同一軌道面上或多個軌道面上同時部署多顆衛(wèi)星，構成衛(wèi)星星座來實現(xiàn)對重點區(qū)域、重點目標的監(jiān)視和識別。表1為典型偵察衛(wèi)星星座參數(shù)。

表1 典型偵察衛(wèi)星星座參數(shù)Table1 Parameters of typical reconnaissance satellite constellation

1.6 國外衛(wèi)星偵察發(fā)展趨勢

國外衛(wèi)星偵察技術的主要發(fā)展趨勢：

1）組成光學/雷達衛(wèi)星混合星座縮短訪問間隔

目前，成像偵察衛(wèi)星的已從戰(zhàn)略偵察轉為戰(zhàn)術應用轉移，因此偵察系統(tǒng)對地面目標的訪問間隔成為評價系統(tǒng)效能的其中一項關鍵指標[5]。多星組網(wǎng)可有效提高偵察情報的時效性，雷達衛(wèi)星與可見光衛(wèi)星配合使用可彌補可見光成像受氣候條件限制的不足，并發(fā)揮SAR 具有一定的穿透能力，揭露偽裝的特點，使各種偵察衛(wèi)星優(yōu)勢互補。為此，美國未來的系統(tǒng)大多組成星座進行觀測，而且為了提高彌補光學衛(wèi)星固有的缺陷，都將采用光學和雷達衛(wèi)星組成的混合星座。

2）向采用高光譜成像技術的方向發(fā)展

高光譜成像技術利用幾百個窄的頻譜通道獲得高分辨率，能夠提高探測偽裝和模糊目標的能力。美國軌道科學公司與空軍合作的“作者戰(zhàn)1”（WF-1）、航宇局的“地球軌道者1”、海軍的“海軍地球測繪觀察者”以及“戰(zhàn)術星-3”都屬于這類探索性衛(wèi)星。高光譜探測成像同全色和雷達探測裝置的立體信號相結合，探測目標能力將有大幅度提高。

3）加強動目標探測和識別功能的開發(fā)

目前的衛(wèi)星偵察主要是成像偵察，往往得到圖像的時候運動中的目標已經離開了當時的位置，而且可見光偵察受到夜晚和云層遮蓋的影響無法全天候獲取目標情報，SAR成像偵察會對速度超過一定門限的運動目標“視而不見”。所以，對于地面移動目標指示（GMTI）功能的開發(fā)，將是未來航天偵察發(fā)展的一個重點和難點。美國奮進號航天飛機用2臺干涉雷達對地面進行探測，利用相關圖像的順軌干涉ATI相位實現(xiàn)了動目標檢測，并估計出地面車輛速度。加拿大的Radarsat2衛(wèi)星用ATI技術在滿足偏移相位中心天線（DPCA）嚴格約束條件下檢測地面運動目標。另外，視頻SAR的出現(xiàn)也是對動目標的探測和識別提供一種偵察模式。

2 地面車輛目標暴露特性分析

目前對地面車輛的偵察主要以圖像（光學圖像、高光譜圖像、紅外圖像、SAR等）的形式進行判讀，目標本身的暴露特征在偵察圖像上形成的識別特征是目標判讀的基本依據(jù)，具體包括形狀特征、大小特征、色調特征、陰影特征、位置特征和活動特征[6]。

2.1 形狀特征

形狀特征指目標影像的外部輪廓和細部狀況，是目標被識別的重要特征。如圖5所示，以飛毛腿發(fā)射車為例，外形特征較為明顯，獨特結構，分立駕駛室，雙側設備艙結構、8個輪胎及布置等。軍用衛(wèi)星（如鎖眼-12光學偵察分辨率0.1-0.15m，長曲棍球雷達偵察分辨率0.3m）能夠對地面車輛識別，并能描述其主要細節(jié)[7]。

圖5 飛毛腿發(fā)射車圖片[7]Fig.5 Photo of scud missile ground vehicle

2.2 大小特征

確定目標的實際尺寸是判斷目標性質的有效輔助手段，根據(jù)照片的比例尺和目標的影響尺寸，經計算可以求出目標及其結構的實際大?。ㄩL度、寬度、高度、面積和容積等）。地面車輛外形尺寸大，或導彈直徑和長度，輪胎的數(shù)量和輪距等在目前光學、雷達成像衛(wèi)星偵察下均是明顯特征。

2.3 色調特征

色調特征是指圖像上不同灰度層次或顏色，地物的形狀、大小和其它特征都是通過不同色調表現(xiàn)出來的。

光學遙感圖像分為黑白圖像和彩色圖像兩種，黑白圖像以不同深淺的灰度層次來表示地物，彩色圖像則用顏色或色彩來描述物體。地面車輛如無有效偽裝，在可見光和近紅外波段的遙感影像中黑白色調或顏色會與背景有明顯差異。

SAR圖像是地面車輛微波后向散射強度分布圖。SAR圖像的判讀的依據(jù)主要通過目標與背景不同的散射強度形成的差異，首先是能在圖像中發(fā)現(xiàn)目標，然后根據(jù)目標在圖像上的特征及其與相鄰目標的相互關系，來確定目標的性質、數(shù)量及質量。軍用車輛是一個典型的復雜形狀電大尺寸目標，包含平面、柱面、凹腔、角形結構、表面不連續(xù)以及棱邊等結構外形，形成了若干個散射源?；夭ㄝ^強的散射源主要有凹形區(qū)域散射、鏡面反射、邊緣繞射、行波回波等。這些強散射源如不能有效控制，在SAR中會產生與背景不同的散射強度分布。

圖6 M-47坦克衛(wèi)星SAR（分辨率0.3m）Fig.6 Satellite SAR of M-47 tanks

紅外熱像儀能夠將肉眼不可見目標及背景紅外輻射轉換成電信號，經處理后形成肉眼可見的紅外熱像圖，這種熱像圖實際上是被測目標及背景各部分紅外輻射的分布圖。紅外熱像圖中目標和背景特征的差異是由目標和背景各部分的溫差ΔT和發(fā)射率差Δε決定的。地面車輛在白天大量吸收太陽熱量，夜間需長時間的冷卻，與背景的溫度變化率不同；發(fā)電機組等內熱源的散熱面明顯比其它部位或背景高，可達50℃；裸露在外排煙管達200℃以上；機動時輪胎溫度可達80℃以上；這些均是地面車輛明顯的紅外暴露源，易受熱紅外成像探測和識別。

高光譜成像技術是在可見光到短波紅外（0.4～2.5μm）波段范圍內，以僅數(shù)個納米的光譜分辨率采樣，在幾十至幾百個波段同時對目標成像，每一個波段成一幅二維空間圖像，形成由許多二維空間圖像按光譜維疊加而成的三維高光譜圖像（數(shù)據(jù)）立方體。通過高光譜偵察，能夠分辨目標表面的成分與狀態(tài)，從而得到空間探測信息與地面實際目標之間存在的精確對應關系。

圖7 高光譜對低探測概率目標的探測Fig.7 Hyperspectral detection of targets with low detection probability

2.4 陰影特征

高/低于地面的目標在太陽光或微波照射下會產生陰影，陰影也有形狀、大小、色調、方向等特征，是判別目標性質的依據(jù)之一。通過陰影可以判讀出目標頂部投影形狀近似而側面形狀不同的目標，陰影的長度和方向是計算目標實際高度和判定照片實地方位的重要依據(jù)，從目標有無陰影以及陰影倒向的變化中揭露其偽裝。地面車輛為立體目標，從光學、紅外、雷達圖像上均會產生陰影。

2.5 位置特征

地面物體存在的位置，反映目標之間的相互關系，目標位置特征在判讀目標時有重要意義，例如通過位置特征可以判斷軍事基地的類型、部隊的兵種建制等。地面車輛從停車庫出庫、在公路上行駛、鐵路上運輸?shù)染堑孛孳囕v的位置特征。

2.6 活動特征

活動特征是指由于目標活動而引起的各種征候，這些征候均與目標的性質有一定聯(lián)系，目標的活動特征常常成為識別目標的重要依據(jù)之一。地面車輛研制過程中的跑車、長距離運輸，短距離機動、發(fā)射試驗、閱兵、野外待機等活動可能成為被發(fā)現(xiàn)和識別特征。

3 地面車輛反偵察對抗策略研究

軍用車輛反偵察對抗“洋蔥”模型如圖8所示。針對藍方攻擊鏈，梳理紅方反偵察對抗措施主要包括：偽裝隱身、特征變換、假目標以及衛(wèi)星過頂預警與對抗。

圖8 軍用車輛反偵察對抗“洋蔥”模型[8]Fig.8 Onion model of military vehicle’s anti reconnaissance countermeasure

3.1 偽裝隱身技術

偽裝隱身技術包括隱身賦形技術、雷達吸波材料與結構一體化技術、紅外隱身材料、雷達吸波涂層、迷彩涂層及偽裝遮障等，是目前地面車輛主要的反偵察手段。法國AMX-30DFC 坦克（圖9）車身采用雷達波吸收材料，炮塔和底盤在形狀進行隱身賦形設計，坦克整體外觀平整，外掛設備少，側面裝甲皆向內傾斜。俄羅斯的“白楊”系列地面車輛（見圖10）采用迷彩涂料和多波段偽裝網(wǎng)進行偽裝。偽裝隱身在提升地面車輛的反偵察能力發(fā)揮重要作用，但其特征單一不變，存在復雜多變背景偽裝適應性不足的缺點。

圖9 法國AMX-30DFC 坦克Fig.9 French AMX-30DFC Tank

圖10 變形迷彩及偽裝網(wǎng)偽裝Fig.10 Distortion Pattern Painting and Camouflage Net Camouflage

3.2 特征變換技術

特征變換技術是在地面車輛上集成光學、紅外、雷達多個頻譜特征變換技術，一般包括目標與背景采集系統(tǒng)、信息處理與控制系統(tǒng)、智能隱身表面或偽裝信號發(fā)射系統(tǒng)等。首先獲取地面車輛和所處背景環(huán)境光譜反射特性、熱紅外輻射溫度等參數(shù)，采集雷達信號，進行分選及識別；然后自動實時生成地面車輛多頻譜目標特征，最后調控地面車輛表面特征改變隱身表面的多頻譜特征或通過天線終端發(fā)射變換偽裝信號迷惑敵方偵察設備。實現(xiàn)地面車輛多頻譜特征變換或目標與背景多頻譜特征融合。

特征變換技術包括多模式精確可控有源偽裝、基于變形的雷達特征變換技術、雷達特征智能表面技術、光學自適應隱身技術、紅外特性動態(tài)變換技術等技術途徑。

3.2.1 多模式可控雷達有源偽裝

針對SAR圖像偵察威脅、GMTI戰(zhàn)場監(jiān)視威脅，隱藏、改變目標圖像特征，達到擾亂、迷惑、拖延敵情報獲取的目的。多模式可控雷達有源偽裝一般由告警模塊、偽裝信號處理及生成模塊和雷達特征發(fā)射模塊等組成。基本原理是通過告警模塊截獲、分析雷達發(fā)射信號，經過偽裝信號處理及生成模塊生成迷惑偽裝信號，最后由雷達特征發(fā)射模塊向敵方 SAR 發(fā)射模擬真實目標回波的偽裝信號，使得敵方雷達在同一時間收到真實目標回波和遮蔽干擾信號，這樣真假合成圖像將會出現(xiàn)在 SAR 成像結果中，進而難以獲得正確的目標特性信息，實現(xiàn)目標雷達特征主動變換偽裝。

3.2.2 基于變形的雷達特征變換技術

通過隱身賦形、表面材料變換、智能結構、記憶材料等技術，使得地面車輛表面材料特性變換、外形結構變換，智能改變地面車輛的多頻譜目標特征，支撐地面車輛多頻譜目標特性變換以及作戰(zhàn)運用，使得地面車輛目標特性多樣難測，降低地面車輛被發(fā)現(xiàn)識別概率[9]。隨著壓電陶瓷、形狀記憶合金等智能材料和控制技術的進步，變體結構的驅動方式不再局限于機械機構的形式，部分采用智能材料驅動器的變體結構在飛機上得到應用，已經完成設計并進行了風洞試驗和飛行試驗[10]。

3.2.3 雷達特征智能表面技術

雷達特征智能表面技術是通過超材料吸波器、電磁黑洞、電磁數(shù)字調控等技術，對地面車輛隱身表面進行微結構、電磁特性等設計，并根據(jù)來波威脅參數(shù)進行分區(qū)調控，吸收電磁波或改變隱身表面的電磁參數(shù)從而改變其電磁特性，使得地面車輛SAR成像特征消失、改變或融入背景中，降低其被發(fā)現(xiàn)和識別概率。

超材料吸波器的出現(xiàn)為解決低頻、高頻、寬帶、多模式的隱身提供了新的思路。與傳統(tǒng)吸波材料不同，超材料吸波器利用諧振吸收的原理，諧振位置與單元的幾何形狀、尺寸等密切相關，具有豐富的可設計性，可以根據(jù)設計需求進行調控。

電磁黑洞是通過設計一種特殊的漸變折射率媒質，使入射電磁波夠螺旋式地沿著黑洞外殼行進，直至被其有耗內核完全吸收，實現(xiàn)完美隱身。

電磁數(shù)字調控技術采用數(shù)字方式控制威脅方向的RCS，根據(jù)復雜戰(zhàn)場環(huán)境電磁特征（SAR）裝訂控制目標電磁特征，從而實現(xiàn)與背景環(huán)境的融合?！耙槐忍鼐幋a超材料”選用相位差接近180度的兩種諧振單元作為基本單元，按照一定規(guī)律排列“0”和“1”單元構成超材料，以實現(xiàn)所需的設計功能。類似地，“二比特編碼超材料”由相位差接近90度的四種基本單元構成，調控“00”、“01”、“10”和“11”的碼元分布即可調控電磁波。依此類推，可定義“多比特編碼超材料”。當編碼超材料中的電磁編碼采用數(shù)字方式控制時，可實現(xiàn)真正意義的“數(shù)字可調超表面”[11]。

3.2.4 光學自適應隱身技術

通過光學傳感器等設備采集背景與目標可見光特征，經過微處理器對可見光特征提取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，最后通過目標特征控制模塊驅動地面車輛表面材料特性變化，使其可見光亮度、圖像及光譜等特征與背景融合，提升地面車輛隱身性能及對背景環(huán)境變化的適應能力。

3.2.5 紅外特性動態(tài)變換技術

通過紅外傳感器等設備采集背景與目標紅外特征，如溫度、熱圖像、發(fā)射率等，經過微處理器對紅外特征提取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，最后通過目標特性控制模塊控制地面車輛表面，使其紅外輻射溫度、發(fā)射率、熱圖像及光譜等特征與背景融合，實現(xiàn)目標的紅外自適應隱身[12]。

3.3 假目標佯動與示假

3.3.1 多頻譜佯動車輛

多頻譜佯動車輛是利用各種器材或材料仿制成的具有與真目標相同，或者相似特性假地面車輛，用以欺騙敵方的偵察、探測和制導，達到保護重要地面車輛或迷惑敵人的目的。合理使用多頻譜佯動車輛，并輔助于其它隱真對抗手段，可有效的欺騙和誘惑敵方。

3.3.2 多頻譜靜態(tài)假車輛

采用快速展收多頻譜假目標用來模擬地面車輛不同作戰(zhàn)狀態(tài)的光學、紅外、雷達以及高光譜目標特征，以欺騙敵方的偵察、探測和制導，達到保護重要軍事目標或迷惑敵人的目的。

3.4 衛(wèi)星過頂預警與對抗

衛(wèi)星過頂預警與對抗具有空天態(tài)勢感知能力，包括衛(wèi)星及其傳感器、大氣、周圍環(huán)境等態(tài)勢；具有目標特性和背景數(shù)據(jù)庫，可用以重建偵察威脅實時成像表征；具有綜合推演和決策能力，綜合評判作戰(zhàn)目標被探測的概率，并尋找環(huán)境中的有利因素，提供有效規(guī)避手段，降低地面車輛的被發(fā)現(xiàn)、識別概率；具有基礎地理數(shù)據(jù)和風險、決策綜合顯示能力，為作戰(zhàn)人員提供可視化的態(tài)勢圖、風險圖、路線規(guī)劃圖等。

3.5 反偵察對抗策略對不同偵察方式的影響

每種對抗策略對不同偵察方式的效果是不同的，表2為反偵察策略對抗偵察效果，鑒于敵方偵察發(fā)展方向是多頻譜星座偵察，可以得出反偵察研究的重要方向：多頻譜偽裝隱身技術、多頻譜特征變換技術、多頻譜佯動與示假技術。

表2 反偵察策略對抗偵察效果Table 2 Counter-reconnaissance effect of counter-reconnaissance Strategy

4 結論

地面車輛的生存是攻防對抗條件下發(fā)揮武器作戰(zhàn)效能的重要前提條件；采用先進的偽裝隱身技術及特征變換技術，配合使用動靜態(tài)假目標佯動和示假以及衛(wèi)星過頂預警與對抗等策略，降低地面車輛全流程被發(fā)現(xiàn)和識別概率，將成為地面車輛發(fā)展的必然趨勢。本文在地面車輛雷達、光學、紅外和高光譜偵察威脅，及目標暴露特性分析基礎上；探索了地面車輛偽裝隱身、特征變換、動靜態(tài)假目標佯動和示假及衛(wèi)星過頂預警與對抗等反偵察對抗策略和效果，用以指導地面車輛偵察對抗技術研究。