2.4　电磁散射特性

战略及中远程弹道导弹突防时一般包括弹头和弹体两部分，中近程弹道导弹弹头、弹体不分离，导弹目标电磁散射特征和飞机目标不同，弹道导弹外形简单，有效散射点少，分析弹头、弹体及衍生物目标电磁散射特征，是识别真假弹头的前提。

2.4.1　目标RCS特性

雷达散射截面积 ^[18] （RCS，Radar Cross Section）是度量目标对入射的雷达波在给定方向散射能力的一个物理量，在雷达目标识别研究中具有重要地位，它对目标姿态敏感，随着目标姿态角变化呈现出起伏变化的特点。通常情况下，目标在运动过程中相对于雷达的姿态是不断变化的，目标回波随时间变化呈现强弱起伏，该起伏特性随目标的形状、尺寸而异，若为群目标，则将随目标的性质、数量和分布而不同。从目标回波中可以获得RCS随目标姿态角起伏变化的数据，其变化规律反映了目标形体结构的物理特性。因此，根据RCS序列的起伏长度、随时间变化规律等信息识别不同尺寸弹头目标、诱饵目标是雷达目标识别的重要方法之一。

IEEE电工与电子学词典对RCS的定义为：RCS是雷达目标散射能力的一种表述，其值等于4π乘以在给定方向上单位立体角内目标散射功率与在给定方向上以平面波形式照射目标的单位面积入射波功率的比值，通常用符号 σ 来表示，RCS的单位是m ² ，定义式为：

（2.22）

式中， σ 是雷达散射截面积； R 是目标与雷达之间的距离； _s 是雷达所在位置处的目标散射波电场强度； _i 是照射到目标上的入射波电场强度。

RCS 与目标外形、材料、姿态角度、入射波频率、极化等密切相关，但 RCS 并不是目标真实的横截面积，只是目标相对于入射雷达波的一种等效横截面积。

为了提取出可供目标识别的特征量，必须有一个利用目标运动来进行空间非相干积累的过程。通过这一空间积累，可以得到目标 RCS 的时间序列，从中提取出 RCS 的位置特征（均值、方差）、散布特征、统计分布特征、 Mellin 变换特征等特征参数可以反映目标的 RCS 特性。由于弹头、弹体的外形差异， RCS 也存在差异，因此利用 RCS 识别弹头、弹体已成为雷达目标识别领域中的一个重要组成部分。

弹道导弹弹头外形主要有锥-柱-裙、拱形、半球头锥、尖锥等形状。随着技术的发展，技术先进的国家所生产的弹头普遍采用无翼尖锥体外形，如美国的“民兵- III ”弹头，如图2.19所示，弹头外形为细长尖锥体，底部直径约为0.54 m ，长度约为1.8 m ，半锥角约为8.5°。图2.20给出了“民兵- III ”末修级弹体外形图，其直径约为1.32 m ，长度约为1 m 。

通过电磁仿真，可以获取弹头、弹体模型不同频段方位面水平极化和垂直极化的静态 RCS ，图2.21为“民兵- III ”导弹弹头、弹体在 X 频段 RCS 的仿真结果。在弹头进动、弹体翻滚情况下雷达观测的 RCS 时间序列，仿真结果如图2.22所示。

表2.1是弹头、弹体 RCS 时间序列的统计结果。由表2.1可见，弹头与弹体 RCS 时间序列的统计结果存在差异，是一种可能的识别特征。

2.4.2　目标散射点模型

1. 宽带一维距离像与一维散射中心

窄带雷达的距离分辨率很低，分辨单元通常远大于目标尺寸，被观测目标（如飞机、导弹等）可视为“点目标” ^[19] 。

相比而言，宽带雷达的距离分辨率大大提高，当照射电磁波的带宽使得其距离分辨单元远小于目标的径向尺寸时，目标连续占据多个距离单元，形成一幅在雷达视线距离上投影的目标幅度图像，称为目标一维距离像，它揭示了目标沿视线方向散射中心的分布，反映了目标精细的结构特征 ^[20] 。

目标一维距离像与目标实际外形之间有着紧密的对应关系，是雷达目标识别的重要特征，可作为识别真假弹头的依据，在弹道导弹目标识别中具有十分重要的意义。

以“民兵- III ”弹头、弹体为例，图2.23给出了 X 波段2 GHz 带宽下的宽带一维距离像仿真结果。由图可见，弹头与弹体宽带一维距离像在长度、散射中心位置与强度上存在差异，因此，利用宽带一维距离像及一维散射中心进行弹道导弹目标识别是一种重要手段 ^[20] 。 目标的一维距离像具有姿态敏感性，直接利用目标一维距离像作为特征具有较大的随机性，但只要对目标一维距离像进行适当处理，比如，在时域、频域或时频域提取目标强散射中心位置和幅度特征，仍可以得到反映目标内在特性的特征。一维散射中心比用一维距离像做特征时的维数大大降低，对方位角的敏感性也有所减弱。因此，高分辨一维距离像的一维散射中心提取与识别问题是值得关注的研究方向。

2. 宽带二维 ISAR 像与二维散射中心

利用目标旋转产生的多普勒效应可以进行目标二维 ISAR 成像， ISAR 像提供了目标二维散射中心分布图，与目标的几何结构、物质类型有关，提供了目标更多的细节信息 ^[19] 。然而， ISAR 成像一方面需要较长的相干积累时间，需要对目标运动做精确补偿；另一方面， ISAR 图像不同于光学图像，其图像表现为稀疏的散射中心分布，这增加了识别的难度；此外，弹头目标 ISAR 图像强散射点较少，仅有两三个散射点（弹头与弹尾），难以形成弹头轮廓，直观判断困难。并且，导弹目标通常存在自旋运动且机动性较强，大大增强了 ISAR 成像运动补偿的难度。图2.24分别给出了导弹目标无自旋和有自旋情况下的 ISAR 成像仿真结果 ^[20] 。为了获得清晰的 ISAR 像，必须采用更为复杂的瞬时运动补偿方法，或者用时频分析法取代传统的傅里叶分析法进行成像。因此， ISAR 像在弹道导弹目标识别方面应用效果不佳。

2.4.3　目标极化特性

极化特性 ^[21,22] 是目标散射电磁波除幅度、相位、频率、波形以外的另一个重要特性，对目标的材料、形状具有一定的表征能力。图2.25仿真给出了美国“民兵- III ”弹头目标的水平极化、垂直极化、交叉极化的 RCS 结果，图中的极化标注按照“散射极化-入射极化”进行定义。由图2.25可见，弹头的交叉极化比主极化要弱很多，提取极化特征是进行识别的一种重要手段。

极化散射矩阵是目标极化散射特性的一种全面、紧凑的表示形式，它包含了目标各极化条件下的相对幅相关系，将入射电场极化与散射电场极化联系起来，是极化特征研究的重要基础。式（2.23）是表示极化散射矩阵与入射电场极化、散射电场极化之间关系的公式。

（2.23）

基于极化散射矩阵可以获得一组相对稳定的极化不变量，如目标的Graves矩阵的迹、去极化系数、散射矩阵的行列式值等。这些不变量具有目标在雷达视线法平面上旋转不变的特性，进一步提高提取特征的聚集性，已成为当前极化特性研究的重要途径之一。

在实际应用中，极化特性的利用面临如下两个问题：

（1） 准确获取极化散射矩阵；

（2） 非合作目标极化特征的利用。

极化特性是对目标姿态敏感的，而非合作目标姿态未知，如何充分利用极化信息仍有待进一步研究。 51enSw1lbAA0Is7uR3NSjOlMSsd8JbpnGzhgcVVZeBABltxsXo2fxL2xHbOTa/3f