全極化雷達成像:目標識別的“火眼金睛”

來源:解放軍報作者:王握文 陳蘭美責任編輯:李慶桐2022-04-15 07:45

●它堪稱雷達領域的一個世界性難題,相關研究方興未艾

●它是一種前沿技術,成為提升目標識別性能的突破方向

●它在對地觀測、減災防災、精確制導等方面應用前景廣闊

國防科技大學教授陳思偉為您講述——

全極化雷達成像:目標識別的“火眼金睛”

■解放軍報記者 王握文 通訊員 陳蘭美

雷達作為人類在20世紀的一項偉大發明,自1935年問世以來,其相關技術及裝備發展迅速,并得到廣泛應用。

雷達的原理并不復雜。它利用電磁波對目標進行探測,接收處理其回波,從而獲得目標的各種信息,以達到一定的探測目的。

雷達發展到今天,雖然性能不斷提升、型號多種多樣、應用越來越廣,但它始終圍繞著兩大主題發展:一是不斷提升雷達在復雜環境中的生存和工作能力;二是不斷拓展對目標信息的獲取能力,進而提升對目標的分辨、識別和認知能力。后者在技術上可謂奧妙無窮、永無止境,不僅要看得見、看得清,且要求目標信息要素齊全、直觀形象、一目了然。在這方面,全極化雷達成像技術成為最有潛力的研究方向之一。

所謂“全極化”,是指雷達電磁波的一種偏振方式,以及由此產生的多種極化狀態。它對提高雷達目標識別能力,具有極其重要的影響。經過科研人員的不懈努力,全極化雷達成像技術這一世界性難題已有了一定突破。

星載對地觀測極化雷達成像工作示意圖。

信息感知,從“黑白圖像”到“彩色圖像”

類似于醫院給病人做“B超”,傳統單極化雷達成像只能獲得目標的“黑白圖像”,全極化雷達成像就好比是“彩超”,獲取的圖像信息更豐富、更直觀,不僅有顏色信息,更有細膩的物理信息,信息容量成倍增加。

全極化雷達成像為何能做到這一點呢?奧妙就在于,它具備精確獲取目標電磁散射信息并進行精細化解譯與識別處理的功能。因為,當目標受到電磁波照射時,會出現“變極化效應”,即散射波的極化狀態相對于入射波會發生改變,兩者之間存在的特定映射變換關系,又與目標的姿態、尺寸、結構、材料等物理屬性密切相關。在雷達目標識別中,如果能有效感知和揭示目標“變極化效應”,就能提取目標所蘊含的豐富物理信息,進而提升雷達的抗干擾、目標檢測、分類和識別等性能。

全極化作為一種獨特的維度信息,能描述電磁波電場矢端在傳播截面上隨時間變化的軌跡特性,是獲取目標“變極化效應”的物理基礎。全極化雷達成像在信息感知方面的優勢在于,它既能通過調控收發電磁波極化狀態獲取目標與環境的全極化散射信息,又能通過雷達成像技術獲取目標與環境的高分辨率雷達圖像。

然而,要獲取高質量的目標全極化“彩色圖像”并作精細化處理,還涉及極化測量波形、運動補償、極化校準、輻射定標、散射建模、精細解譯與智能識別等雷達領域的前沿科技,這方面還有很長的路要走。

目標識別,從“看得見”到“看得清”“辨得明”

目標識別通常被譽為雷達領域“皇冠上的明珠”,是諸多科研人員孜孜以求的科學目標。雷達技術經過數十年的發展,取得了長足進步。由于目標、自然環境及電磁環境的深刻變化,高價值目標識別仍是雷達探測領域的一大技術難題。全極化雷達成像技術成為目標識別的關鍵。

人們常把雷達比作“千里眼”,但眼睛看到的信息往往具有多義性,可謂“橫看成嶺側成峰,遠近高低各不同”。同一目標,在不同視角下獲得的雷達圖像可能是顯著不同的。在一些特殊情況下,不同目標的雷達圖像又可能呈現出相似性。這就是雷達目標的散射多樣性,也是雷達目標識別面臨的一大技術瓶頸。

為此,科研人員通過深入研究雷達目標電磁散射特性,進行了一系列基礎研究與關鍵技術攻關。例如,通過挖掘和利用雷達目標散射多樣性,揭示全極化雷達成像下多姿態目標的散射機理,實現多姿態目標的極化識別。通過多學科交叉研究,促進全極化雷達成像、電磁散射認知、人工智能等技術的融合發展,推動全極化雷達成像與目標識別技術從“看得見”逐步向“看得清”“辨得明”跨越。

當然,要實現準確、自動和智能的目標識別,特別是對抗環境下的高價值人造目標識別,仍是“路漫漫其修遠兮”,仍需要科學家“吾將上下而求索”的持續創新。

創新應用,可在陸??仗鞂崿F全天時全天候探測

20世紀80年代以來,科研人員通過將雷達極化與成像雷達進行有機融合,使極化雷達成像技術取得快速發展,通過將其部署在陸地、海洋、空天,以及艦船、衛星、導彈、無人機等多種平臺,使全天時全天候探測逐步變成現實,在對地觀測、減災防災、空間監視、戰場偵察與精確打擊等諸多方面展現出廣闊的應用前景——

對地觀測。將極化成像雷達部署在空間飛行器上,給人類了解我們所在星球提供了前所未有的新視角。2000年,美國利用航天飛機搭載的成像雷達系統,實現了全球地形測繪,首次獲得全球高程信息。2010年以來,德國利用兩顆衛星搭載的極化成像雷達系統,將全球地形測繪精度提升了一個數量級。此外,歐空局計劃發射搭載全極化成像雷達的衛星,以期實現全球森林生物量的精確測定,助力全球二氧化碳減排計劃。

對地觀測領域的全極化雷達圖像。

減災防災。近年來,具有較大破壞力的地震、洪澇、海嘯等自然災害頻發。全極化成像雷達可全天候全天時對地觀測,不受地面狀況限制,具有快速、靈活、廣域等優勢,是快速全面掌握災區受災情況最為有效的技術途徑之一。2013年以來,科研人員利用全極化雷達成像與識別技術,實現了廣域建筑物倒損率準確估計的研究成果。此外,全極化成像雷達還有望在蝗蟲遷飛等生物災害識別預警、高價值基礎設施形變監測預警等領域發揮重要作用。

空間監視?!爸铺鞕唷笔鞘澜畿娛聫妵偁幍膽鹇灾聘唿c,空間攻防對抗日益成為現代戰爭勝敗的關鍵。早在20世紀50年代,美國就開始研制大型地基極化雷達,并于1958年成功識別出當時蘇聯發射的第二顆人造衛星“具有角反射器結構”。此外,在美國導彈防御系統中處于核心地位的地基和?;磳Ю走_等,均具有全極化雷達成像與識別模式,提升了導彈彈頭類目標的識別能力。

精確制導。精確制導武器是現代信息化戰爭的主角,全極化雷達成像技術在精確制導方面同樣大有用武之地。如果在精確制導武器的雷達導引頭上融合極化雷達成像與識別技術,就能極大提高對目標進行自動檢測、識別和攻擊點選擇的能力。據報道,英國研發的“硫磺石”導彈,就裝備了極化成像雷達導引頭,采用圓極化收發體制,能識別具有攻擊價值的坦克等重要目標。德國研制極化成像雷達導引頭,采用變極化發射、雙極化接收體制,具備在惡劣天氣、強雜波和電子干擾等復雜條件下對目標進行自動識別和攻擊能力。

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