海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望.pdf

海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望李郝亮陈思伟*(国防科技大学电子科学学院长沙410073)摘要：雷达导引头是精确制导武器末制导的核心设备，具有作用距离远、不受天气影响等重要优点，在保证导弹打击精度方面发挥着重要作用。海面角反射体具有与舰船目标散射逼真度高、作战效费比高等优良特性，已成为雷达导引头的主要诱骗干扰手段之一，严重影响雷达目标探测性能。因此，如何准确高效地实现海面角反射体雷达鉴别是雷达导引头精确打击的难点和重点之一。角反射体电磁散射特性研究是提升角反射体雷达鉴别能力的基础。该文首先介绍了海面角反射体装备及战术运用；针对海面角反射体的电磁散射特性研究进展进行了总结；重点归纳梳理了海面角反射体雷达鉴别技术的两类主流方法，总结其特点及存在的问题；最后对海面角反射体雷达鉴别研究的未来发展趋势进行了展望。关键词：电磁散射；干扰鉴别；海面角反射体；舰船目标；特征提取；深度学习中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：2095-283X(2023)04-0738-24DOI:10.12000/JR23100引用格式：李郝亮,陈思伟.海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望J.雷达学报,2023,12(4):738761.doi:10.12000/JR23100.Reference format:LIHaoliangandCHENSiwei.Electromagneticscatteringcharacteristicsandradaridentificationofseacornerreflectors:AdvancesandprospectsJ.Journal of Radars,2023,12(4):738761.doi:10.12000/JR23100.Electromagnetic Scattering Characteristics and Radar Identification ofSea Corner Reflectors:Advances and ProspectsLIHaoliangCHENSiwei*(College of Electronic Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)Abstract:Theradarseekeristhecoreequipmentfortheterminalguidanceofprecision-guidedweapons.Ithassignificantbenefits,suchaslongrangeandweatherresistance,andplaysanimportantroleinensuringtheaccuracyofmissilestrikes.Seacornerreflectorshaveexcellentcharacteristics,suchashighscatteringsimilarityofshiptargetsandcombateffectivenessratio,andtheyhaveemergedasoneoftheprimarysourcesofinterferenceforradarseekerswithmajorconsequencesforradardetectionperformance.Therefore,adifficultandcriticalissueinensuringtheaccuracyofradarseekersisaccuratelyandefficientlyidentifyingseacornerreflectors.Researchontheelectromagneticscatteringcharacteristicsofcornerreflectorsisthefoundationforimprovingradaridentificationcapability.Thispaperfirstintroducesseacornerreflectorequipmentanditstacticalapplication.Theresearchprogressinelucidatingtheelectromagneticscatteringcharacteristicsofseacornerreflectorsisthensummarized.Inaddition,theresearchachievementsinradartechnologyforidentifyingseacornerreflectorsaresummarized,andthecharacteristicsofexistingproblemspertainingtovariousmethodsarepresented.Simultaneously,theirfuturedevelopmenttrendsofthetechnologyarediscussed.Key words:Electromagneticscattering;Jammingidentification;Seaconorreflector;Shiptarget;Featureextraction;Deeplearning收稿日期：2023-05-31；改回日期：2023-07-05；网络出版：2023-07-27*通信作者：陈思伟*CorrespondingAuthor:CHENSiwei,基金项目：国家自然科学基金(62122091,61771480)，国家部委基金FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62122091,61771480),TheNationalMinistriesFoundation责任主编：杨健CorrespondingEditor:YANGJian第12卷第4期雷达学报Vol.12No.42023年8月JournalofRadarsAug.2023 1 引言精确制导武器的作战效能是决定战争胜败的关键，世界各军事强国都在大力加强精确制导技术的研究和应用。导引头是精确制导武器的“眼睛”，引导导弹实现对目标的精准打击。雷达作为一种主动传感器，可支持导引头在复杂战场环境下实现全天时、全天候、远距离、高精度制导和打击的作战需求15。因此，雷达导引头成为精确制导武器末制导的核心设备，在保证现代导弹打击精度方面发挥着重要作用。在对海攻击时，雷达导引头面临着复杂电磁干扰的严重威胁。除了拦截弹硬毁伤方案外，舰载/舷外有源诱饵68、箔条9和角反射体1012是3种最主要的诱骗干扰手段。其中，海面角反射体具有易携带、便于存储使用等优点，布放后能快速形成雷达假目标，且具有全角域稳定的电磁能量反射性能，覆盖频段广，干扰持续时间长3，在散射特性、频谱特性、极化特性及抗相参性等方面均具有自身优势，可对雷达制导的武器系统产生明显的干扰、欺骗和诱偏作用。因此，海面角反射体得到了国际主要军事强国的高度重视和实际部署1114。例如，英国研制的海面角反射体干扰系统(又被称为“橡皮鸭”)，已出口至美国、法国、荷兰、西班牙等国家，并装备于“伯克”级等主战舰艇。海面角反射体的应用对反舰导弹突防构成了极大威胁。作为攻击方的反舰导弹，抗干扰技术是其核心能力之一，是决定战场成败的关键4。然而，由于角反射体信号与目标信号在时域、频域、空域的显性特征差异严重压缩，角反射体雷达鉴别成为反舰对抗中的重难点问题。因此，研究海面角反射体雷达鉴别技术意义重大。角反射体电磁散射特性研究是提升角反射体雷达鉴别能力的基础。通过揭示舰船和角反射体的电磁散射特性差异是实现角反射体雷达鉴别的重要途径，当前已经形成了一系列代表性方法。本文从海面角反射体装备与战术运用、电磁散射特性以及雷达鉴别3个方面，对海面角反射体雷达鉴别技术的研究进行全面综述，并总结出未来的技术发展趋势。2 海面角反射体装备与战术运用 2.1 海面角反射体装备发展在海战场中，角反射体装备大量涌现。海面角反射体的首次实战应用是在1982年的英阿马岛海战中12。由于表现出良好的干扰性能，世界各国相继开始研制和部署海面角反射体，其中海面充气式角反射体成为主流装备。海面充气式角反射体通常由轻质复合材料制成，表面涂覆金属，折叠收缩存放，使用时依靠自身重力或者高压气体进行布放，离舷后自动充气展开成型，漂浮于海面形成干扰诱饵。比较有代表性的是英国的DLF系列。20世纪80年代初，英国埃文宇航公司研发出舷外充气式角反射体干扰系统DLF-115。DLF-1系统采用在甲板上先充气后投放的方式，由于无法快速部署且性能不佳，该公司又先后研制出DLF-2和DLF-3等系统。DLF-2研制于20世纪80年代中期，该角反射体在结构上采用八象限三角形对称结构。DLF-2的雷达散射截面(RadarCrossSection,RCS)相当于一艘护卫舰，可以在X波段形成20003000m2的RCS，在4级海况条件下作用时间可达3小时12。由于具有较强的作战性能，该系统已出口到美国、法国、意大利等海军。美国海军引进后命名为AN/SLQ-49(如图1所示)，并应用于1991年海湾战争。DLF-3于1996年开始投入使用，采用二十面体三角形结构，由60个大小相等的等腰直角三角形构成(如图2所示)。DLF-3的雷达回波反射能力更强，且RCS在全角域范围内更稳定，同时干扰频率范围可覆盖240GHz4,6。该系统采用高压气体弹射诱饵载荷的方式，并使用拉火索来激活内部充气系统为角反射体充气，可在数秒内快速成型部署。DLF-3目前仍在服役，并已装备于英海军护卫舰和驱逐舰等多型主战舰艇。2013年，DLF-3出口至美国，经改进后命名为MK-59充气式角反射体系统13，并装备于“伯克”级等导弹驱逐舰上。DLF-3角反射体装备弥补了先前角反射体方向性、能量以及工作带宽的不足，能够更加逼真地模拟真实舰船目标的散射特征，欺骗作用更加明显。2.2 海面角反射体战术运用研究根据干扰原理与时机不同，海面角反射体可对末制导雷达形成冲淡式干扰和质心式干扰两种主要干扰样式16：(1)冲淡式干扰应用于末制导雷达开机前。在末制导雷达的搜索范围内施放多个角反射体假目标，从而使雷达在搜索阶段捕捉舰船目标的概率降低。(2)质心式干扰应用于末制导雷达跟踪图1AN/SLQ-49充气式角反射体系统6Fig.1AN/SLQ-49inflatablecornerreflectorsystem6第4期李郝亮等：海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望739阶段。施放的角反射体与舰船同处在末制导雷达的波束内和距离波门内。此时末制导雷达因无法分辨两个目标，从而跟踪舰船和角反射体的能量质心。随着舰船的快速机动，末制导雷达的跟踪点逐渐落在角反射体上，最终丢失舰船目标。图3为冲淡式干扰和质心式干扰示意图。海面角反射体的战术运用主要包括角反射体投放时机、投放距离、布放间隔、布放数量以及舰船机动方向、机动速度等因素，通常采用数据建模开展研究17。当舰上电子战系统探测到雷达导引头威胁时，舰船需要在数秒内快速做出对抗策略。只有迅速获取敌方信息，准确把握角反射体投放时机，才能增加干扰的成功率1823。为增强角反射体阵列干扰效能，研究人员首先参照箔条开展了针对浮空式角反射体阵列布放寻优的研究2427。文献28利用探索性分析方法建立了浮空式角反射体质心干扰的探索空间体系。针对海面角反射体，文献29综合利用RCS，高分辨率距离像(HighResolutionRangeProfile,HRRP)和极化特征，开展了角反射体阵列寻优研究。该研究结果表明，11个角反射体两两间隔5m布放，能够发挥更好的干扰效果。为了更进一步优化角反射体干扰策略，文献17仿真模拟了舰船在面临导弹追踪时，角反射体投放和舰船规避的动态过程，为角反射体质心干扰的实际应用提供了理论依据。除此之外，角反射体还通常与箔条等其他无源干扰和有源干扰配合使用。作为重要无源干扰手段之一，箔条在海上电子战中一直有着广泛的应用。利用角反射体和箔条组合干扰方式实现干扰互补，通过采取一种动静结合、隐诱相称的质心式干扰策略，可以解决角反射体干扰效果受限于自身展开时间的问题30。当前，世界上先进反舰导弹多采用复合制导方式以提高制导精度。针对主被动复合制导雷达，研究人员提出一种结合有源干扰的复合干扰策略31,32。具体地，利用舰载有源干扰对末制导雷达实施距离波门拖引，同时在偏离舰船方向上投掷复合诱饵。该复合诱饵由充气式角反射体和有源干扰机组成，可使得主被动雷达均失去跟踪目标，从而保障我方舰船的安全。因此，随着海面角反射体装备的不断改进以及战术运用，角反射体对抗难度越来越大。此时角反射体雷达鉴别技术尤为关键，这对提高雷达导引头系统在复杂电磁环境中的打击能力和实用效能，具有重要的理论价值和现实意义。(a)英国DLF-3角反射体系统(a)British DLF-3 corner reflector system(b)美国MK-59角反射体系统(b)American MK-59 corner reflector system图2海面充气式角反射体系统12Fig.2Seainflatablecornerreflectorsystem12导弹舰船角反射体导弹角反射体舰船能量质心(b)质心式干扰(b)Centroid jamming(a)冲淡式干扰(a)Diluted jamming图3冲淡式干扰和质心式干扰示意图Fig.3Diagramofdilutedjammingandcentroidjamming740雷达学报第12卷 3 海面角反射体电磁散射特性研究电磁散射特性研究有助于准确解译目标的电磁散射机理，为雷达目标检测与识别提供必要的理论支撑3336。为实现对角反射体电磁散射特性的准确分析，首先需要获取高置信度的目标数据。相较于目标实验测量37,38和微波暗室缩比测量17,3941，建模仿真具有低成本、易重复的优势，成为研究角反射体电磁散射特性的重要手段之一。建模仿真可分为理论建模仿真和电磁软件仿真两种主要方式。(1)理论建模仿真基于理论建模仿真的电磁散射计算方法主要包括低频数值算法和高频近似算法。低频数值算法可以根据麦克斯韦方程组获得计算结果，通常具有较高的精度，如矩量法(MethodofMoment,MoM)42、有限元法(FiniteElementMethod,FEM)43和时域有限差分法(FiniteDifferenceTime-Domain,FDTD)44等。但是上述低频数值算法计算过程复杂且难以求解大尺寸目标和高频散射。高频近似算法是基于电磁学中的简化模型或者假设对求解参数进行近似，从而提高计算效率并降低内存需求。研究人员分别将几何光学法(Geomet-ricalOptics,GO)45、物理光学法(PhysicalOptics,PO)4648、迭代物理光学法(IterativePhysicalOptics,IPO)49、几何绕射理论(GeometricalThe-oryofDiffraction,GTD)50、物理绕射理论(Phys-icalTheoryofDiffraction,PTD)51和弹跳射线法(ShootingandBouncingRays,SBR)5254等高频近似算法用于角反射体的电磁散射计算。此外，研究人员尝试将不同算法特别是性能互补的算法进行融合，相继提出了基于GO-区域投影(AreaProjec-tion,AP)混合法5558、PO-AP混合法59,60、SBR-MoM混合法61、IPO-PTD混合法62和基于PO-SBR63混合法的角反射体电磁散射计算方法，有效提升了角反射体的电磁计算精度和计算效率。在实际应用场景中，角反射体干扰漂浮于海面上，复杂海面与角反射体存在多次散射的耦合效应，这使得海面和角反射体的复合电磁散射建模成为需要解决的重要难题34,36,64。4路径模型是模拟海面与目标之间多径效应的经典模型65。文献66利用PO算法和4路径模型计算了海面与目标的复合总散射场，图4为海面角反射体多路径散射示意图。路径1为目标单独的散射(根据目标结构考虑多次散射)；路径2为“雷达-海面-目标-雷达”的多次散射；路径3为“雷达-目标-海面-雷达”的多次散射；路径4为“雷达-海面-目标-海面-雷达”的多次散射。同时结合目标在海面的6自由度运动模型和对应参数下的海杂波，实现了海面目标动态回波仿真。在此基础上，研究人员综合分析了角反射体和舰船目标的时域、频域和时频域特性。文献67提出了一种基于PO-SBR的复合电磁散射建模方法，有效提高了海面和角反射体复合电磁散射的计算效率。基于该方法，研究人员分析了雷达参数和海面环境对海面角反射体复合电磁散射特性的影响。但是频域算法计算效率较低，而时域计算方法在宽频段和瞬态计算中具有天然优势。文献68采用时域弹跳射线法(Time-DomainSBR,TDSBR)仿真了“海面-舰船-角反射体”复合模型的时域电磁散射特性。图5为入射角为45，方位角为0，脉冲中心频率为10GHz，带宽4GHz的TDSBR时域回波仿真结果。场景中角反射体阵列沿航行方向排列于舰船后方。从图5(a)可以看出，3个角反射体产生了3个离散的尖峰；舰船目标由于结构复杂，存在多个散射中心，因此其回波呈现为多峰。图5(b)为宽频带RCS结果。可以看出，RCS随频率变化呈现较大起伏，且RCS主要来源于舰船和角反射体的贡献。(2)电磁软件仿真XPATCH,FEKO,CST等电磁计算仿真软件是获取雷达目标全极化数据的有效手段6975。基于电磁计算数据，研究人员开展了大量针对角反射体的电磁散射特性分析。文献69,76仿真分析了制作偏差对三角形角反射体RCS的影响，为角反射体的生产加工和实际应用提供了指导。文献77对二十面体角反射体的RCS进行统计分析，并验证了Burr模型对二十面体角反射体RCS具有较好的拟合效果。图6和图7为八面体角反射体和二十面体角反射体全空域RCS电磁仿真结果。仿真频率为10GHz，俯仰角为090，方位角4545。可以看到，雷达路径1路径4路径3路径2海面偏航纵摇纵荡垂荡横摇横荡角反射体图4海面角反射体多路径散射示意图Fig.4Schematicofmultipathscatteringfromseacornerreflector第4期李郝亮等：海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望741两种角反射体的共极化通道的RCS明显高于交叉极化通道。二十面体角反射体的共极化通道的RCS在整个空域内变化更为稳定，覆盖范围更广。文献7881进一步研究了角反射体双站RCS特性，揭示了双基地雷达与角反射体之间的几何关系对角反射体RCS的影响规律。文献82结合海面生成模型构建了角反射体/舰船与不同海况海面的复合三维模型并进行电磁计算，复合模型示意图如图8所示。图9和图10为仿真频率10GHz时海面与角反射体复合模型的极化散射分布。从图中可以看出，海况对海面与角反射体的复合散射影响比较明显。随着海况等级的增大，共极化通道的RCS起伏加快，交叉极化通道的RCS增大。基于电磁计算数据，还可以对“海面-舰船-角反射体”复合场景进行HRRP和二维成像仿真。图11给出了“海面-舰船-角反射体”复合模型的HRRP仿真结果。其中，雷达入射俯仰角分别为30,40和50，雷达方位角为20，中心频率10GHz，带宽100MHz。沿船头方向为方位角0，垂直甲板向下为俯仰角0。场景中设置了3个二十面体角反射体和一艘舰船，角反射体阵列沿舰船航行方向排列且与舰船相距一定间隔。海面大小300m200m。从图中可以看到，舰船目标HRRP与角反射体阵列都为离散的尖峰组成，两者较为相似且难以区分。随着俯仰角的变化，舰船目标HRRP各散射中心变化明显，而角反射体变化较小。图12给出了“海面-舰船-角反射体”复合缩比模型的二维成像仿真结果。其中雷达俯仰角为30，中心频率为10GHz，海+舰船+角反舰船+角反050100150t(ns)E(V/m)2002504zyox20-2-4403020100-10RCS(dBsm)8910f(GHz)1112海+舰船+角反舰船+角反海(a)时域回波(a)Time domain echo(b)宽频带RCS(b)Wide band RCS图5TDSBR时域回波仿真结果68Fig.5TimedomainechosimulationresultsbyTDSBR6840RCS(dBsm)RCS(dBsm)RCS(dBsm)RCS(dBsm)0-40400-40400-40400-40-459045俯仰角()俯仰角()俯仰角()俯仰角()方位角()方位角()方位角()方位角()4509045090450904500-45450-45450-45450(a)HH极化(a)HH polarization(b)HV极化(b)HV polarization(c)VH极化(c)VH polarization(d)VV极化(d)VV polarization图6八面体角反射体RCS仿真结果Fig.6RCSsimulationresultsfromoctahedralcornerreflector742雷达学报第12卷距离和方位分辨率为0.15m。场景中设置了6对二十面体角反射体和一艘舰船，海面大小15m10m。图12(a)和图12(b)分别为雷达入射方位角0和45的二维成像结果。可以看到入射方位角为0时，舰船和角反射体散射较强；而当入射方位角为45时，海面散射强度增大，海面与目标耦合作用增强。此外，针对当前角反射体数据样本不足的问题，文献14结合实测极化雷达数据和典型角反射体电磁计算数据，通过信号级成像叠加仿真生成了不同场景的极化雷达角反射体干扰仿真数据，其构建流程如图13所示。电磁仿真计算为角反射体电磁散射特性分析与鉴别研究提供了丰富的数据样本。40RCS(dBsm)0-4040RCS(dBsm)0-4040RCS(dBsm)0-4040RCS(dBsm)0-409045俯仰角()09045俯仰角()09045俯仰角()09045俯仰角()0-45方位角()450-45方位角()450-45方位角()450-45方位角()450(a)HH极化(a)HH polarization(b)HV极化(b)HV polarization(c)VH极化(c)VH polarization(d)VV极化(d)VV polarization图7二十面体角反射体RCS仿真结果Fig.7RCSsimulationresultsfromicosahedralcornerreflector(a)八面体角反射体(a)Octahedral corner reflector(b)二十面体角反射体(b)Icosahedral corner reflector(c)舰船(c)Ship图8海面与目标的复合模型82Fig.8Compositemodelsfromseasurfaceandtarget82030609012015018021024027030033002040HHHVVHVV030609012015018021024027030033002040VV0306090120150180210240270300330204003060901201501802102402703003304040202040402020002040(a)0级海况(a)Sea state 0(b)1级海况(b)Sea state 1(c)2级海况(c)Sea state 2(d)3级海况(d)Sea state 3图9海面与八面体角反射体复合模型的极化散射分布82Fig.9Polarimetricscatteringdistributionofcompositemodelfromseasurfaceandoctahedralcornerreflector82第4期李郝亮等：海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望743 4 海面角反射体雷达鉴别方法海面角反射体雷达鉴别的常用方法是利用舰船目标和角反射体干扰的散射特性差异，人工提取出具有鉴别能力的特征，并利用分类器来确定干扰和目标类型。该类方法包括了基于HRRP特征的鉴别方法、基于运动特征的鉴别方法和基于极化特征的鉴别方法。随着深度学习理论和方法的不断发展与应用，基于数据驱动的深度学习方法能够自动提取特征，且可以获得更好的鉴别效果。目前，海面角反射体雷达鉴别方法大致分为基于特征提取的鉴别方法和基于深度学习的鉴别方法两类。4.1 基于特征提取的角反射体鉴别方法(1)HRRP特征雷达通过发射大带宽信号，可以获得目标距离上的高分辨率。HRRP可以反映目标的几何形状、03060901201501802102402703003300306090120150180210240270300330-40-20020400306090120150180210240270300330-40-20020400306090120150180210240270300330-40-2002040-40-2002040HHHVVHVV(a)0级海况(a)Sea state 0(b)1级海况(b)Sea state 1(c)2级海况(c)Sea state 2(d)3级海况(d)Sea state 3图10海面与二十面体角反射体复合模型的极化散射分布82Fig.10Polarimetricscatteringdistributionofcompositemodelfromseasurfaceandicosahedralcornerreflector82距离向幅值(104)10020030040001234HHHVVHVV3010020030040000.51.01.52.02.5HHHVVHVV距离向幅值(105)4050100200300400051015HHHVVHVV距离向幅值(104)(a)俯仰角30(a)30 elevation angle(b)俯仰角40(b)40 elevation angle(c)俯仰角50(c)50 elevation angle图11“海面-舰船-角反射体”复合模型的HRRP仿真结果Fig.11HRRPsimulationresultsoftheseasurface-ship-cornerreflectorcompositemodel0-5-10-15-20-25-300-5-10-15-20-25-30(a)方位角0(a)0 azimuth angle(b)方位角45(b)45 azimuth angle图12“海面-舰船-角反射体”复合模型的二维成像仿真结果Fig.122Dimagingsimulationresultsoftheseasurface-ship-cornerreflectorcompositemodel744雷达学报第12卷尺寸大小、材料等信息83。由于舰船目标结构复杂，在电磁波照射下等效于多散射中心组成的连续扩展分布，其回波呈现为多峰。角反射体干扰等效于离散的点目标。通过提取HRRP的结构特征可以实现舰船目标和角反射体的有效辨识。受该思路启发，文献84基于强散射点包络特征提出了连续统计跟踪算法。通过连续统计相对最强散射点窗内高于阈值的单元数并与设定的单元数阈值进行比较，从而有效对抗角反射体质心干扰。文献38对舰船和单个角反射体HRRP实测数据进行分析，并结合支持向量机(SupportVectorMachine,SVM)分类器开展了鉴别实验。针对角反射体阵列干扰，文献66提取了散射中心数目、径向尺寸和散射对称性值等3个HRRP特征对角反射体阵列和舰船目标的可分性进行对比分析。图14给出了上述3个特征在对海实测数据中的统计结果。数据中包含了角反射体阵列和一艘舰船，角反射体阵列由两个充气式二十面体角反射体组成。可以看到，舰船的散射中心数目、径向尺寸和散射对称性值都大于角反射体阵列，且都具有较好的可分性。文献85提取了7个与目标物理结构密切相关的平移不变特征构建特征向量，用于舰船目标和角反射体阵列的鉴别。随着压缩感知技术的发展，文献86利用稀疏字典学习对目标HRRP进行重构，提出一种基于重构误差比值的角反射体鉴别方法。为便于研究人员参考，表1归纳了用于角反射体鉴别的HRRP特征。然而，由于HRRP敏感于雷达观测角度，且随着角反射体数量的增加，舰船与角反射体阵列在HRRP中的差异减小，进而导致上述基于HRRP特征的鉴别方法在实际角反射体阵列对抗应用中并不稳健。(2)运动特征当投放角反射体后，舰船会进行合理的战术机动。角反射体和舰船目标运动速度的差异会导致多普勒谱的变化。基于上述原理，文献66对舰船目标和角反射体干扰的频域功率谱特性进行了仿真分析，指出角反射体干扰的多普勒展宽小于舰船目标，并提取了功率谱变化区间特征用于角反射体鉴别。文献87利用多普勒频移计算雷达与目标的相对径向速度，并提出了一种基于速度线性方程组总剩余范数的真假目标识别算法。文献84综合利用舰船和角反射体干扰的多普勒频移和多普勒展宽的特性差异进行角反射体干扰鉴别，并在车载实测数据上进行了验证，结果如图15所示。然而上述方法只适用于舰船目标和角反射体存在速度差异的情况下。成像处理逆成像极化雷达图像图像原始回波角反干扰回波回波叠加极化雷达角反干扰图像典型角反干扰电磁计算数据集系统参数成像场景参数干扰参数图13极化雷达角反射体干扰仿真数据构建流程Fig.13Flowchartofpolarimetricradarcornerreflectorjammingsimulationdataconstruction舰船散射中心数目径向尺寸散射对称性值角反射体阵列角反射体阵列角反射体阵列舰船舰船1510508060402006050403020100(a)散射中心数目(a)Number of scattering centers(b)径向尺寸(b)Radial dimension(c)散射对称性值(c)Scattering symmetry图14HRRP特征可分性Fig.14SeparabilityofHRRPfeatures第4期李郝亮等：海面角反射体电磁散射特性与雷达鉴别研究进展与展望745拖曳式角反射体的运动方向和速度与舰船目标近似相同，这种情况下上述方法将会失效16。此外，目标会随海浪起伏伴有进动和摆动等形式的运动，加之舰船自身产生微动的零部件多，使舰船具有丰富的微动特性。微动会对电磁波频率进行调制，从而引发不同目标回波具有不同的微多普勒88,89。通过短时傅里叶变换(Short-TimeFourierTransform,STFT)、平滑伪魏格纳-维尔分布(SmoothedPseudoWigner-VilleDistribution,SP-WVD)等时频分析方法可以提取目标微动信息。文献66对海面舰船和角反射体的时频特性开展了研究，图16为3级海况下仿真的舰船和角反射体时频分布图。仿真的雷达中心频率为17GHz，带宽为100MHz，脉冲重复周期为150s。可以看出，角反射体的微多普勒频率随时间变化幅度较大，且近似于正弦曲线；而舰船的微多普勒频率随时间变化幅度很小。两者微多普勒的差异源于舰船和角反射体本身尺寸和重量的不同。相比于舰船，角反射体随海浪起伏较大且起伏速度快。文献90基于X波段雷达导引头实测数据开展分析并得到了相同的特性结果。由于目标的微动特征能反映目标结构、尺寸等内在属性，且测量不受雷达信号带宽限制88，因此微动特征可以作为角反射体干扰鉴别的又一重要特征参数。文献66提取出用于度量瞬时微多普勒频率震荡幅度的瞬时微多普勒频率全变差：VF=10lg(n|fN(n)fN(n 1)|)(1)NfN(n)Nn其中，为蒙特卡罗实验次数，为第次实验第 时刻的微多普勒频率。文献91结合海况等级和角反射体载体的水动表 1 用于角反射体雷达鉴别的HRRP特征归纳表Tab.1 Summary of HRRP features for corner reflector radar identification特征特征公式变量含义径向尺寸RL=d (n2 n1)dn1n2为距离分辨率，和分别为目标第1个和最后一个距离单元序号散射重心SM=n2n=n1n x(n)/n2n=n1x(n)n1/(n2n1)x(n)为目标距离单元幅值散射中心数目NP=n2n1u(n)u(n)为散射中心标记最强散射中心间距离DPK=d|m1 m2|m1m2和为最强的两个散射中心对应的序号最强散射中心距目标最前端的距离DEP=d (m1 n1)/散射中心幅值分布熵EA=NPi=1pmi lnpmipmimi为序号的强散射中心幅值散射中心位置分布熵EP=NPi=1mi lnmimi=(mi n1)/(n2 n1)散射对称性值SYM=n0n=n1|x(n)|2/n2n=n0|x(n)|2n0=(n1+n2)/25015025010020020401030距离单元距离单元3003505060脉冲数多普勒50150250100200300350204010305060(a)脉冲距离像(a)Pulse range profile(b)距离多普勒图像(b)Range-Doppler image图15基于多普勒特性鉴别角反射体干扰84Fig.15CornerreflectorjammingidentificationbasedonDopplercharacteristics84746雷达学报第12卷力系数，构建了不同海况下海面舰船目标和角反射体的运动仿真模型。通过对目标回波的微多普勒谱进行分析，提取出微多普勒主频率周期特征92：MF=Dd=1d MD(d)Dd=1MD(d)(2)MD(d)D其中，为微多普勒谱，为傅里叶变换的采样点数。MF表征了目标微多普勒的主频率分量，反映了目标的固有谐振频率大小。舰船目标由于尺寸和重量较大，摆动幅度小于角反射体，故二者的微多普勒主频率周期特征存在差异。通过设定鉴别阈值可有效区分舰船和角反射体干扰，鉴别结果如图17所示。可以看出，在信噪比大于0dB的条件下，角反射体干扰的正确鉴别率大于95%。除上述特征外，文献37还从目标回波的微多普勒谱中提取出时频谱熵和微多普勒半周期频差最大值用于描述目标的时频特性：EF=Ttm=1fsf=0(tm,f)lg(tm,f)(3)DF=maxtm?f(tm+Tm/2)f(tm)fd/2?(4)(tm,f)f(tm)fd其中，为微多普勒谱密度，为瞬时频率值，为周期频差平均值。基于MF,EF和DF3种微多普勒特征，研究人员提出了一种结合三参数的角反射体干扰鉴别方法37。然而，基于微多普勒特征的角反射体干扰鉴别方法受海面强杂波与目标运动影响较大，对目标微多普勒的观测本身需要的条件也非常苛刻，可能导致实际鉴别效果有限。(3)极化特征极化是电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位外又一可资利用的重要信息。雷达目标具有变极化效应，即目标回波的极化状态相对于入射波会发生改变，其与目标的姿态、尺寸、结构、材料等物理属性密切相关。在水平垂直极化基(H,V)下，极化雷达获取的目标全极化信息可以由极化散射矩阵表征：S=SHHSHVSVHSVV(5)SHV其中，表示垂直极化发射、水平极化接收的复散射系数，矩阵中其他3个元素可类似定义。极化信息的处理和利用对提升雷达导引头的探测能力具有极大潜力。极化目标分解是目标极化散射建模与解译的主流理论工具9395。相干极化目标分解通常被用于人造目标解译，代表性方法有Pauli分解96、Krogager分解97和Cameron分解98。由于几何结构上具有显著不同的差异，舰船和角反射体具有不同的极化散射机理。角反射体主要以奇次散射为主，而舰船目标主要以偶次散射为主，且包含表面散射、体散5002500250500500250025050000.51.01.52.000.51.01.52.0时间(s)微多普