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全极化雷达成像:目标识别的“火眼金睛”

发表时间:2022-09-30 06:31:21 来源:华体会体育app 作者:华体会体育

  雷达作为人类在20世纪的一项伟大发明,自1935年问世以来,其相关技术及装备发展迅速,并得到广泛应用。

  雷达的原理并不复杂。它利用电磁波对目标进行探测,接收处理其回波,从而获得目标的各种信息,以达到一定的探测目的。

  雷达发展到今天,虽然性能不断提升、型号多种多样、应用越来越广,但它始终围绕着两大主题发展:一是不断提升雷达在复杂环境中的生存和工作能力;二是不断拓展对目标信息的获取能力,进而提升对目标的分辨、识别和认知能力。后者在技术上可谓奥妙无穷、永无止境,不仅要看得见、看得清,且要求目标信息要素齐全、直观形象、一目了然。在这方面,全极化雷达成像技术成为最有潜力的研究方向之一。

  所谓“全极化”,是指雷达电磁波的一种偏振方式,以及由此产生的多种极化状态。它对提高雷达目标识别能力,具有极其重要的影响。经过科研人员的不懈努力,全极化雷达成像技术这一世界性难题已有了一定突破。

  类似于医院给病人做“B超”,传统单极化雷达成像只能获得目标的“黑白图像”,全极化雷达成像就好比是“彩超”,获取的图像信息更丰富、更直观,不仅有颜色信息,更有细腻的物理信息,信息容量成倍增加。

  全极化雷达成像为何能做到这一点呢?奥妙就在于,它具备精确获取目标电磁散射信息并进行精细化解译与识别处理的功能。因为,当目标受到电磁波照射时,会出现“变极化效应”,即散射波的极化状态相对于入射波会发生改变,两者之间存在的特定映射变换关系,又与目标的姿态、尺寸、结构、材料等物理属性密切相关。在雷达目标识别中,如果能有效感知和揭示目标“变极化效应”,就能提取目标所蕴含的丰富物理信息,进而提升雷达的抗干扰、目标检测、分类和识别等性能。

  全极化作为一种独特的维度信息,能描述电磁波电场矢端在传播截面上随时间变化的轨迹特性,是获取目标“变极化效应”的物理基础。全极化雷达成像在信息感知方面的优势在于,它既能通过调控收发电磁波极化状态获取目标与环境的全极化散射信息,又能通过雷达成像技术获取目标与环境的高分辨率雷达图像。

  然而,要获取高质量的目标全极化“彩色图像”并作精细化处理,还涉及极化测量波形、运动补偿、极化校准、辐射定标、散射建模、精细解译与智能识别等雷达领域的前沿科技,这方面还有很长的路要走。

  目标识别通常被誉为雷达领域“皇冠上的明珠”,是诸多科研人员孜孜以求的科学目标。雷达技术经过数十年的发展,取得了长足进步。由于目标、自然环境及电磁环境的深刻变化,高价值目标识别仍是雷达探测领域的一大技术难题。全极化雷达成像技术成为目标识别的关键。

  人们常把雷达比作“千里眼”,但眼睛看到的信息往往具有多义性,可谓“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”。同一目标,在不同视角下获得的雷达图像可能是显著不同的。在一些特殊情况下,不同目标的雷达图像又可能呈现出相似性。这就是雷达目标的散射多样性,也是雷达目标识别面临的一大技术瓶颈。

  为此,科研人员通过深入研究雷达目标电磁散射特性,进行了一系列基础研究与关键技术攻关。例如,通过挖掘和利用雷达目标散射多样性,揭示全极化雷达成像下多姿态目标的散射机理,实现多姿态目标的极化识别。通过多学科交叉研究,促进全极化雷达成像、电磁散射认知、人工智能等技术的融合发展,推动全极化雷达成像与目标识别技术从“看得见”逐步向“看得清”“辨得明”跨越。

  当然,要实现准确、自动和智能的目标识别,特别是对抗环境下的高价值人造目标识别,仍是“路漫漫其修远兮”,仍需要科学家“吾将上下而求索”的持续创新。

  20世纪80年代以来,科研人员通过将雷达极化与成像雷达进行有机融合,使极化雷达成像技术取得快速发展,通过将其部署在陆地、海洋、空天,以及舰船、卫星、导弹、无人机等多种平台,使全天时全天候探测逐步变成现实,在对地观测、减灾防灾、空间监视、战场侦察与精确打击等诸多方面展现出广阔的应用前景——

  对地观测。将极化成像雷达部署在空间飞行器上,给人类了解我们所在星球提供了前所未有的新视角。2000年,美国利用航天飞机搭载的成像雷达系统,实现了全球地形测绘,首次获得全球高程信息。2010年以来,德国利用两颗卫星搭载的极化成像雷达系统,将全球地形测绘精度提升了一个数量级。此外,欧空局计划发射搭载全极化成像雷达的卫星,以期实现全球森林生物量的精确测定,助力全球二氧化碳减排计划。

  减灾防灾。近年来,具有较大破坏力的地震、洪涝、海啸等自然灾害频发。全极化成像雷达可全天候全天时对地观测,不受地面状况限制,具有快速、灵活、广域等优势,是快速全面掌握灾区受灾情况最为有效的技术途径之一。2013年以来,科研人员利用全极化雷达成像与识别技术,实现了广域建筑物倒损率准确估计的研究成果。此外,全极化成像雷达还有望在蝗虫迁飞等生物灾害识别预警、高价值基础设施形变监测预警等领域发挥重要作用。

  空间监视。“制天权”是世界军事强国竞争的战略制高点,空间攻防对抗日益成为现代战争胜败的关键。早在20世纪50年代,美国就开始研制大型地基极化雷达,并于1958年成功识别出当时苏联发射的第二颗人造卫星“具有角反射器结构”。此外,在美国导弹防御系统中处于核心地位的地基和海基反导雷达等,均具有全极化雷达成像与识别模式,提升了导弹弹头类目标的识别能力。

  精确制导。精确制导武器是现代信息化战争的主角,全极化雷达成像技术在精确制导方面同样大有用武之地。如果在精确制导武器的雷达导引头上融合极化雷达成像与识别技术,就能极大提高对目标进行自动检测、识别和攻击点选择的能力。据报道,英国研发的“硫磺石”导弹,就装备了极化成像雷达导引头,采用圆极化收发体制,能识别具有攻击价值的坦克等重要目标。德国研制极化成像雷达导引头,采用变极化发射、双极化接收体制,具备在恶劣天气、强杂波和电子干扰等复杂条件下对目标进行自动识别和攻击能力。