机载雷达岛岸背景舰船识别能力研究

刘诗超，刘敏名

（1.海装驻南昌地区军事代表室，江西 南昌，330024；2航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

雷达目标识别是指雷达对目标进行探测，对所获取的回波信息进行分析，从而确定目标的种类、型号等属性的技术。尽管雷达目标识别应用范围很广，并且在某些层面有了成功的应用，但是雷达目标识别技术还未形成完整的理论体系，现有的雷达目标识别系统在功能上存在一定的局限性，其主要原因是目标类型和雷达体制的多样化及所处环境的极端复杂性。

雷达目标识别需要从目标的雷达回波中提取出目标的有关信息标志和稳定特征，并判明其属性[1]。对所获取的目标信息进行计算机处理，与已知目标的特性进行比较，从而达到自动识别目标的目的。

1 机载雷达对舰船目标的识别技术现状

雷达目标识别需要从目标反射回来的雷达回波中选取目标的稳定特征信息判别其属性。根据散射理论，当电磁波照射到物体，目标的大小、形状、方位以及材料导致雷达接收的回波信号不同。常规雷达目标特征信息隐含于雷达回波 （复数值）之中，通过特定的波形设计和对回波幅度与相位的处理、分析与变换，可以得到雷达散射截面及其起伏统计模型、角闪烁以及统计特征参数、目标计划散射矩阵、目标多散射中心分布等参量，它们表征了雷达目标的固有特征[2]。

随着宽带和超宽带雷达的发展，能够获取目标的一维雷达像和二维雷达像，而这些雷达像包含了更多有利于目标识别的信息。根据成像方式不同，雷达成像识别技术大致可以分为两大类：基于一维距离像的雷达目标识别和基于二维成像的雷达目标识别[3]。借助于成像雷达，如激光雷达、合成孔径(SAR)、逆合成孔径(ISAR)、无线电摄像机、近毫米波雷达等获取目标的二维微波像，为目标的检测和识别展示了广阔的前景。而获取一维距离像要容易的多，采用宽带信号作匹配接收即可。

目前，用于地（海）基平台雷达系统对舰船进行识别的技术主要是高分辨率距离像和ISAR[3]。对陆基固定雷达系统而言，平台显然无须运动补偿，这是在陆基固定雷达系统应用ISAR技术雷达的一个重要优点。在理想情况下，岸基监视用雷达应位于海平面之上，其观测方向上检测海上目标时应毫无遮挡；而在舰载平台上，雷达对海上目标应用高分辨率识别模式的距离却受地球曲率的限制，故其应尽可能地装配在舰船上较高的位置。对水面目标识别的重点应是具有潜在威胁的小型舰船，比如巡航艇和渗透用橡皮艇。如果舰载平台在水面转动或直线运动，为了生成清晰的高分辨率目标特征信号，须对平台运动做运动补偿。

对机载平台所载雷达系统，可采用SAR和ISAR模式，并将两种技术的探测结果进行综合处理[3]。具体的实际应用取决于雷达的积累时间和舰船目标的运动情况。对于复杂程度较低的应用环境，也可以采用高距离分辨率技术探测水面舰只，在这种情况下，运动补偿仍是重要的问题。

目前应用于舰船目标的雷达目标识别技术总结如表1所示。

表1应用于舰船目标的雷达识别技术

2 现有机载雷达常采取的目标识别技术

现有机载雷达采用最多的是基于高分辨率雷达成像的目标识别技术。高分辨率距离像是一种一维图像技术，其将目标剖分为径向距离单元。利用覆盖大带宽的波形信号，可获得关于对象的距离像。它是用宽带雷达信号获取的目标散射点复子回波在雷达射线上投影的向量和，它提供了目标散射点沿距离方向的分布信息，其特点是通过发出某一波长的高频信号，通过反射成像时间和位置，从而得出高分辨率距离像，具有目标重要的结构特征，对目标识别与分类十分有价值，因而成为雷达自动目标识别的新技术[4]。目前，通过多种方式可获得大带宽波形信号，而实际中采用的波形则取决于其生成技术能否整合进雷达系统。而最实用、也是非常普及采用的波形生成方式多采用步进频率波形。

步进频率合成带宽技术能在带限成像雷达系统里获取我们期望的高距离分辨率，这种方法成为获取大带宽波形信号最具吸引力的解决方法。线性调频信号，也就是我们通常所说的Chirp波形，其距离分辨率与信号带宽成反比。因此距离分辨率受限于雷达接收器和发射器的瞬时带宽。步进频率合成带宽技术的基础思想就是发射两个或多个具有一定子带宽的Chirp脉冲信号，其中心频率以一定的频率步长提高，回波信号使用数字信号处理技术联合各个Chirp的子带宽得到一个宽带宽的合成信号，从而实现高距离分辨[4]。目前，500～600MHz带宽的线性调频信号的处理技术比较成熟，在此基础上采用步进频率合成带宽技术很容易就能得到1.8GHz甚至以上的大带宽信号，这样，获得分米级的高距离分辨率也变得容易实现。

频率步进高距离分辨率技术的基本原理是以已知频率分量合成极短的脉冲。应用频率步进技术的第一步是建立窄脉冲频谱。脉宽为Δτ的脉冲可以用其带宽的倒数表示，如1/B，如图1所示为带宽为B的脉冲采样。该技术的目的是用低带宽信号的增量合成初始高分辨率脉冲。如图1所示，可以考虑用一组采样频率来覆盖初始脉冲的带宽。合成的信号是将脉宽为Δτ的脉冲合成进载波频率fc。可以从图中看到，信号的带宽B由N个频率构建，频率间的排列间隔为B/(N-1)。这些频率分量都是脉宽为τ的正弦波，它们的带宽都较低，它们在图中用虚线表示。

图1在N个频率上采样信号带宽脉冲占据B/(N-1)个间隔

采用步进频率合成带宽技术，可以在不增加系统瞬时带宽的情况下，通过数字信号处理的手段获得宽带宽信号，进而获得高距离分辨率。这种方法是目前应用较为广泛的超宽带高分辨雷达波形的实现方法。运用这种方法由子脉冲合成得到的信号与宽带宽信号的频谱和距离分辨率是一致的。

3 数学仿真分析结果

通过岛屿与船只雷达回波的尺度特征，可对岛礁和静止小型船只进行分类，分类识别概率受岛礁与船只的尺度差异性影响。当岛礁超过船只尺度较大时，能够可靠区分船只与岛礁。通过试验采集某小型船只与岛礁的距离像数据，通过数学仿真分别提取船只与岛礁的尺度特征信息，数据见图2～图4。

图2目标船只距离像

图3背景小岛礁距离像

从数据仿真结果可以看出，处理得到的背景小岛礁与目标船只的尺度信息差异明显，利用一维距离像计算尺度信息并合理设置门限，可有效对目标和背景小岛礁进行分类识别检测。

图4目标船只和背景小岛礁尺度信息差异

4 结论

由于形势和环境的变化，对机载雷达提出了岛岸背景舰船的目标检测与识别能力的新要求。要区分判别岛岸背景与舰船，必须选用稳定可靠的目标特征。根据以上分析与仿真验证，可采用距离高分辨技术对目标与背景进行高分辨距离成像，提取目标的距离维尺度特征，通过尺度信息差异从而区分判别目标船只与岛岸背景。该技术可用于区分海域中的岛礁、小型舰艇、大型舰船等尺度差异较大的目标与背景。当然，从目前来看，用单一的技术完全解决雷达目标识别问题是十分困难的。问题的解决有赖于多种技术的综合运用。针对单一方法存在的各自局限性，可以考虑将多种技术相结合，以提高正确识别率。