地面车辆侦察威胁环境与对抗策略研究

卢卫建 顾乃威 刘青 尹凤琳 张博宇

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

发射车、坦克、装甲车等地面车辆面临天基全天候、全天时、多频谱、高分辨、强实时的探测与侦察，受到弹道导弹、临近空间超音速武器、巡航导弹等的快速精确打击威胁，其生存能力受到严峻挑战。伪装隐身技术作为提升地面车辆生存能力的重要手段，受到各军事国家的高度重视。但迷彩涂层、伪装网、结构吸波材料等传统的被动伪装隐身技术措施，已经无法满足多变复杂战场环境下地面车辆机动作战的要求，需要从侦察探测与识别机理出发，研究地面车辆多频谱反侦察对抗策略，以提升地面车辆射前生存能力。

1 面临的侦察威胁环境分析

地面车辆面临的侦察主要为天基和空基雷达、光学、高光谱和红外侦察，星载侦察是实施战略侦察的主要手段，不受领空的限制，在和平时期和战争时期都可使用，是地面车辆最重要的侦察威胁源，本节重点分析卫星侦察对地面车辆的威胁。

1.1 雷达成像卫星

星载合成孔径雷达（SAR）不受云、雾、烟和光照条件影响，可全天时、全天候对地侦察，是地面车辆最重要的侦察威胁[1]。外国在轨、在研的雷达侦察卫星系统主要有：美国的长曲棍球（Lacrosse）、LightSAR，德国的SAR_Lupe系列、TerraSAR-X，意大利的Cosmo-Skymed等，雷达侦察波段覆盖L、S、C、X，雷达侦察设备宽带扫描模式下分辨率为3m，标准和聚束条件下达到0.3m～1m，部分雷达侦察卫星具备地面移动目标指示（GMTI)或视频SAR功能。雷达卫星侦察分辨率高，根据Johnson判则能够对地面车辆有效识别和确认。图 1为SAR对地侦察成像。

图1 SAR对地侦察成像Fig.1 Ground Reconnaissance SAR Image

如图2所示，2020年3月，Iceye公司发布了其视频SAR卫星产品的演示视频，演示了韩国釜山港口船只的移动，英国希思罗机场行驶的飞机的运动，在犹他州厄姆峡谷矿的采矿活动以及东京新宿附近的城市生活。Iceye通过将每个区域的大约20秒图像分成10个数据帧来创建演示SAR视频图像，在提供SAR视频图像的同时，ICEYE-SAR提供的图像分辨率高达1米。

图2 利用视频SAR卫星检测运动船只目标[1]Fig.2 Video SAR satellite detection of moving ship targets

1.2 光学成像卫星

目前在轨的光学侦察卫星主要有：美国的锁眼-12（KH-12）、IKONOS 2、Quickbird-2、GeoEye-1，俄罗斯的 Cosmos2441，法国的HELIOS-2A，以色列EROS-B等。侦察光谱范围：0.4μm～1.2μm，地面最高分辨率达0.1m～0.15m[2]。光学侦察具有非常高的分辨率，依据Johnson判读准则[3]，可以对地面车辆进行详细描述级，但光学侦察效果受到云、雾、雨、雪、烟尘等的影响严重，它只能在气象条件好的白天工作。图 3为KH-12光学成像卫星对地侦察成像。

图3 KH-12卫星对地侦察成像Fig.3 Ground Reconnaissance Image of KH-12

1.3 红外成像卫星

锁眼KH-12是美国第六代光学/红外侦察卫星，目前在轨3颗，按类比推算其红外探测设备的地面分辨力为2m～4m，依据Johnson判读准则，其对地面车辆能够探测，无法识别。

1.4 高光谱成像卫星

随着技术的发展，新型高性能光谱成像载荷随之出现，并在军事及民用对地遥感中得到应用。美国于2000年11月发射了地球观测者卫星1号（EO-1），搭载了色散型高光谱成像仪Hyperion，具有7.5km幅宽，30m空间分辨率，光谱范围覆盖0.4µm～2.5µm，谱段数220，采用运动补偿成像方式，其连续成像距离为100km。战术卫星3在2009年5月成功发射，搭载的高光谱成像仪ARTEMIS具有世界上最高的空间分辨率和光谱分辨率指标，系统采用光栅分光技术，在400km轨道高度，光谱分辨率达到5nm，空间分辨率达5m，光谱范围0.4µm～2.5µm，具有400个光谱通道，成像幅宽为2km。具备了星上数据实施处理功能，可在10分钟之内将信息直接下传至战场指挥单元，达到战术级水平的高光谱信息使用达[4]。卫星高光谱成像空间分辨率为5m，难以识别地面车辆，其光谱分辨率达到5nm，可有效发现地面车辆的位置，可辅助光学、雷达等卫星侦察识别。图4为高光谱成像侦察情况，能够从复杂战场中快速发现目标的位置。

图4 高光谱成像侦察Fig.4 Hyperspectral imaging reconnaissance

1.5 星座侦察

为了缩短时间分辨率，近年来外军采用在同一轨道面上或多个轨道面上同时部署多颗卫星，构成卫星星座来实现对重点区域、重点目标的监视和识别。表1为典型侦察卫星星座参数。

表1 典型侦察卫星星座参数Table1 Parameters of typical reconnaissance satellite constellation

1.6 国外卫星侦察发展趋势

国外卫星侦察技术的主要发展趋势：

1）组成光学/雷达卫星混合星座缩短访问间隔

目前，成像侦察卫星的已从战略侦察转为战术应用转移，因此侦察系统对地面目标的访问间隔成为评价系统效能的其中一项关键指标[5]。多星组网可有效提高侦察情报的时效性，雷达卫星与可见光卫星配合使用可弥补可见光成像受气候条件限制的不足，并发挥SAR 具有一定的穿透能力，揭露伪装的特点，使各种侦察卫星优势互补。为此，美国未来的系统大多组成星座进行观测，而且为了提高弥补光学卫星固有的缺陷，都将采用光学和雷达卫星组成的混合星座。

2）向采用高光谱成像技术的方向发展

高光谱成像技术利用几百个窄的频谱通道获得高分辨率，能够提高探测伪装和模糊目标的能力。美国轨道科学公司与空军合作的“作者战1”（WF-1）、航宇局的“地球轨道者1”、海军的“海军地球测绘观察者”以及“战术星-3”都属于这类探索性卫星。高光谱探测成像同全色和雷达探测装置的立体信号相结合，探测目标能力将有大幅度提高。

3）加强动目标探测和识别功能的开发

目前的卫星侦察主要是成像侦察，往往得到图像的时候运动中的目标已经离开了当时的位置，而且可见光侦察受到夜晚和云层遮盖的影响无法全天候获取目标情报，SAR成像侦察会对速度超过一定门限的运动目标“视而不见”。所以，对于地面移动目标指示（GMTI）功能的开发，将是未来航天侦察发展的一个重点和难点。美国奋进号航天飞机用2台干涉雷达对地面进行探测，利用相关图像的顺轨干涉ATI相位实现了动目标检测，并估计出地面车辆速度。加拿大的Radarsat2卫星用ATI技术在满足偏移相位中心天线（DPCA）严格约束条件下检测地面运动目标。另外，视频SAR的出现也是对动目标的探测和识别提供一种侦察模式。

2 地面车辆目标暴露特性分析

目前对地面车辆的侦察主要以图像（光学图像、高光谱图像、红外图像、SAR等）的形式进行判读，目标本身的暴露特征在侦察图像上形成的识别特征是目标判读的基本依据，具体包括形状特征、大小特征、色调特征、阴影特征、位置特征和活动特征[6]。

2.1 形状特征

形状特征指目标影像的外部轮廓和细部状况，是目标被识别的重要特征。如图5所示，以飞毛腿发射车为例，外形特征较为明显，独特结构，分立驾驶室，双侧设备舱结构、8个轮胎及布置等。军用卫星（如锁眼-12光学侦察分辨率0.1-0.15m，长曲棍球雷达侦察分辨率0.3m）能够对地面车辆识别，并能描述其主要细节[7]。

图5 飞毛腿发射车图片[7]Fig.5 Photo of scud missile ground vehicle

2.2 大小特征

确定目标的实际尺寸是判断目标性质的有效辅助手段，根据照片的比例尺和目标的影响尺寸，经计算可以求出目标及其结构的实际大小（长度、宽度、高度、面积和容积等）。地面车辆外形尺寸大，或导弹直径和长度，轮胎的数量和轮距等在目前光学、雷达成像卫星侦察下均是明显特征。

2.3 色调特征

色调特征是指图像上不同灰度层次或颜色，地物的形状、大小和其它特征都是通过不同色调表现出来的。

光学遥感图像分为黑白图像和彩色图像两种，黑白图像以不同深浅的灰度层次来表示地物，彩色图像则用颜色或色彩来描述物体。地面车辆如无有效伪装，在可见光和近红外波段的遥感影像中黑白色调或颜色会与背景有明显差异。

SAR图像是地面车辆微波后向散射强度分布图。SAR图像的判读的依据主要通过目标与背景不同的散射强度形成的差异，首先是能在图像中发现目标，然后根据目标在图像上的特征及其与相邻目标的相互关系，来确定目标的性质、数量及质量。军用车辆是一个典型的复杂形状电大尺寸目标，包含平面、柱面、凹腔、角形结构、表面不连续以及棱边等结构外形，形成了若干个散射源。回波较强的散射源主要有凹形区域散射、镜面反射、边缘绕射、行波回波等。这些强散射源如不能有效控制，在SAR中会产生与背景不同的散射强度分布。

图6 M-47坦克卫星SAR（分辨率0.3m）Fig.6 Satellite SAR of M-47 tanks

红外热像仪能够将肉眼不可见目标及背景红外辐射转换成电信号，经处理后形成肉眼可见的红外热像图，这种热像图实际上是被测目标及背景各部分红外辐射的分布图。红外热像图中目标和背景特征的差异是由目标和背景各部分的温差ΔT和发射率差Δε决定的。地面车辆在白天大量吸收太阳热量，夜间需长时间的冷却，与背景的温度变化率不同；发电机组等内热源的散热面明显比其它部位或背景高，可达50℃；裸露在外排烟管达200℃以上；机动时轮胎温度可达80℃以上；这些均是地面车辆明显的红外暴露源，易受热红外成像探测和识别。

高光谱成像技术是在可见光到短波红外（0.4～2.5μm）波段范围内，以仅数个纳米的光谱分辨率采样，在几十至几百个波段同时对目标成像，每一个波段成一幅二维空间图像，形成由许多二维空间图像按光谱维叠加而成的三维高光谱图像（数据）立方体。通过高光谱侦察，能够分辨目标表面的成分与状态，从而得到空间探测信息与地面实际目标之间存在的精确对应关系。

图7 高光谱对低探测概率目标的探测Fig.7 Hyperspectral detection of targets with low detection probability

2.4 阴影特征

高/低于地面的目标在太阳光或微波照射下会产生阴影，阴影也有形状、大小、色调、方向等特征，是判别目标性质的依据之一。通过阴影可以判读出目标顶部投影形状近似而侧面形状不同的目标，阴影的长度和方向是计算目标实际高度和判定照片实地方位的重要依据，从目标有无阴影以及阴影倒向的变化中揭露其伪装。地面车辆为立体目标，从光学、红外、雷达图像上均会产生阴影。

2.5 位置特征

地面物体存在的位置，反映目标之间的相互关系，目标位置特征在判读目标时有重要意义，例如通过位置特征可以判断军事基地的类型、部队的兵种建制等。地面车辆从停车库出库、在公路上行驶、铁路上运输等均是地面车辆的位置特征。

2.6 活动特征

活动特征是指由于目标活动而引起的各种征候，这些征候均与目标的性质有一定联系，目标的活动特征常常成为识别目标的重要依据之一。地面车辆研制过程中的跑车、长距离运输，短距离机动、发射试验、阅兵、野外待机等活动可能成为被发现和识别特征。

3 地面车辆反侦察对抗策略研究

军用车辆反侦察对抗“洋葱”模型如图8所示。针对蓝方攻击链，梳理红方反侦察对抗措施主要包括：伪装隐身、特征变换、假目标以及卫星过顶预警与对抗。

图8 军用车辆反侦察对抗“洋葱”模型[8]Fig.8 Onion model of military vehicle’s anti reconnaissance countermeasure

3.1 伪装隐身技术

伪装隐身技术包括隐身赋形技术、雷达吸波材料与结构一体化技术、红外隐身材料、雷达吸波涂层、迷彩涂层及伪装遮障等，是目前地面车辆主要的反侦察手段。法国AMX-30DFC 坦克（图9）车身采用雷达波吸收材料，炮塔和底盘在形状进行隐身赋形设计，坦克整体外观平整，外挂设备少，侧面装甲皆向内倾斜。俄罗斯的“白杨”系列地面车辆（见图10）采用迷彩涂料和多波段伪装网进行伪装。伪装隐身在提升地面车辆的反侦察能力发挥重要作用，但其特征单一不变，存在复杂多变背景伪装适应性不足的缺点。

图9 法国AMX-30DFC 坦克Fig.9 French AMX-30DFC Tank

图10 变形迷彩及伪装网伪装Fig.10 Distortion Pattern Painting and Camouflage Net Camouflage

3.2 特征变换技术

特征变换技术是在地面车辆上集成光学、红外、雷达多个频谱特征变换技术，一般包括目标与背景采集系统、信息处理与控制系统、智能隐身表面或伪装信号发射系统等。首先获取地面车辆和所处背景环境光谱反射特性、热红外辐射温度等参数，采集雷达信号，进行分选及识别；然后自动实时生成地面车辆多频谱目标特征，最后调控地面车辆表面特征改变隐身表面的多频谱特征或通过天线终端发射变换伪装信号迷惑敌方侦察设备。实现地面车辆多频谱特征变换或目标与背景多频谱特征融合。

特征变换技术包括多模式精确可控有源伪装、基于变形的雷达特征变换技术、雷达特征智能表面技术、光学自适应隐身技术、红外特性动态变换技术等技术途径。

3.2.1 多模式可控雷达有源伪装

针对SAR图像侦察威胁、GMTI战场监视威胁，隐藏、改变目标图像特征，达到扰乱、迷惑、拖延敌情报获取的目的。多模式可控雷达有源伪装一般由告警模块、伪装信号处理及生成模块和雷达特征发射模块等组成。基本原理是通过告警模块截获、分析雷达发射信号，经过伪装信号处理及生成模块生成迷惑伪装信号，最后由雷达特征发射模块向敌方 SAR 发射模拟真实目标回波的伪装信号，使得敌方雷达在同一时间收到真实目标回波和遮蔽干扰信号，这样真假合成图像将会出现在 SAR 成像结果中，进而难以获得正确的目标特性信息，实现目标雷达特征主动变换伪装。

3.2.2 基于变形的雷达特征变换技术

通过隐身赋形、表面材料变换、智能结构、记忆材料等技术，使得地面车辆表面材料特性变换、外形结构变换，智能改变地面车辆的多频谱目标特征，支撑地面车辆多频谱目标特性变换以及作战运用，使得地面车辆目标特性多样难测，降低地面车辆被发现识别概率[9]。随着压电陶瓷、形状记忆合金等智能材料和控制技术的进步，变体结构的驱动方式不再局限于机械机构的形式，部分采用智能材料驱动器的变体结构在飞机上得到应用，已经完成设计并进行了风洞试验和飞行试验[10]。

3.2.3 雷达特征智能表面技术

雷达特征智能表面技术是通过超材料吸波器、电磁黑洞、电磁数字调控等技术，对地面车辆隐身表面进行微结构、电磁特性等设计，并根据来波威胁参数进行分区调控，吸收电磁波或改变隐身表面的电磁参数从而改变其电磁特性，使得地面车辆SAR成像特征消失、改变或融入背景中，降低其被发现和识别概率。

超材料吸波器的出现为解决低频、高频、宽带、多模式的隐身提供了新的思路。与传统吸波材料不同，超材料吸波器利用谐振吸收的原理，谐振位置与单元的几何形状、尺寸等密切相关，具有丰富的可设计性，可以根据设计需求进行调控。

电磁黑洞是通过设计一种特殊的渐变折射率媒质，使入射电磁波够螺旋式地沿着黑洞外壳行进，直至被其有耗内核完全吸收，实现完美隐身。

电磁数字调控技术采用数字方式控制威胁方向的RCS，根据复杂战场环境电磁特征（SAR）装订控制目标电磁特征，从而实现与背景环境的融合。“一比特编码超材料”选用相位差接近180度的两种谐振单元作为基本单元，按照一定规律排列“0”和“1”单元构成超材料，以实现所需的设计功能。类似地，“二比特编码超材料”由相位差接近90度的四种基本单元构成，调控“00”、“01”、“10”和“11”的码元分布即可调控电磁波。依此类推，可定义“多比特编码超材料”。当编码超材料中的电磁编码采用数字方式控制时，可实现真正意义的“数字可调超表面”[11]。

3.2.4 光学自适应隐身技术

通过光学传感器等设备采集背景与目标可见光特征，经过微处理器对可见光特征提取、数据分析、数据处理，最后通过目标特征控制模块驱动地面车辆表面材料特性变化，使其可见光亮度、图像及光谱等特征与背景融合，提升地面车辆隐身性能及对背景环境变化的适应能力。

3.2.5 红外特性动态变换技术

通过红外传感器等设备采集背景与目标红外特征，如温度、热图像、发射率等，经过微处理器对红外特征提取、数据分析、数据处理，最后通过目标特性控制模块控制地面车辆表面，使其红外辐射温度、发射率、热图像及光谱等特征与背景融合，实现目标的红外自适应隐身[12]。

3.3 假目标佯动与示假

3.3.1 多频谱佯动车辆

多频谱佯动车辆是利用各种器材或材料仿制成的具有与真目标相同，或者相似特性假地面车辆，用以欺骗敌方的侦察、探测和制导，达到保护重要地面车辆或迷惑敌人的目的。合理使用多频谱佯动车辆，并辅助于其它隐真对抗手段，可有效的欺骗和诱惑敌方。

3.3.2 多频谱静态假车辆

采用快速展收多频谱假目标用来模拟地面车辆不同作战状态的光学、红外、雷达以及高光谱目标特征，以欺骗敌方的侦察、探测和制导，达到保护重要军事目标或迷惑敌人的目的。

3.4 卫星过顶预警与对抗

卫星过顶预警与对抗具有空天态势感知能力，包括卫星及其传感器、大气、周围环境等态势；具有目标特性和背景数据库，可用以重建侦察威胁实时成像表征；具有综合推演和决策能力，综合评判作战目标被探测的概率，并寻找环境中的有利因素，提供有效规避手段，降低地面车辆的被发现、识别概率；具有基础地理数据和风险、决策综合显示能力，为作战人员提供可视化的态势图、风险图、路线规划图等。

3.5 反侦察对抗策略对不同侦察方式的影响

每种对抗策略对不同侦察方式的效果是不同的，表2为反侦察策略对抗侦察效果，鉴于敌方侦察发展方向是多频谱星座侦察，可以得出反侦察研究的重要方向：多频谱伪装隐身技术、多频谱特征变换技术、多频谱佯动与示假技术。

表2 反侦察策略对抗侦察效果Table 2 Counter-reconnaissance effect of counter-reconnaissance Strategy

4 结论

地面车辆的生存是攻防对抗条件下发挥武器作战效能的重要前提条件；采用先进的伪装隐身技术及特征变换技术，配合使用动静态假目标佯动和示假以及卫星过顶预警与对抗等策略，降低地面车辆全流程被发现和识别概率，将成为地面车辆发展的必然趋势。本文在地面车辆雷达、光学、红外和高光谱侦察威胁，及目标暴露特性分析基础上；探索了地面车辆伪装隐身、特征变换、动静态假目标佯动和示假及卫星过顶预警与对抗等反侦察对抗策略和效果，用以指导地面车辆侦察对抗技术研究。