反导雷达如何识别假目标

今年1月，美国恢复了停顿两年多的地基中段反导试验，美国在已完成的16次拦截试验中成功碰撞拦截8次，在失败的8次试验中，最常见的问题就是无法识别目标弹头，本文谈谈对真假弹头的识别。

美国最早的洲际导弹预警雷达是1957年开始建造的，它包括远程目标搜索雷达AN/FPS-50和远程精密跟踪雷达AN/FPS-49现在的导弹预警雷达是否仍分这两类？

AN/FPS-50采用电扫描的固定式圆柱形抛物面天线，长122米，高50米，工作频率UHF波段，作用距离4800千米。AN/FPS-49采用机械扫描的直径25米的圆盘形抛物面天线，工作频率UHF波段，作用距离320千米。其中，AN/FPS-50探测距离较远，扫描速度较快，扫描频率较低，主要担负发现和预警任务，而AN/FPS-49探测距离较近，扫描速度较慢，频率较高，主要担负跟踪和识别任务。这种远近、粗细搭配的模式一直沿用到现在，例如，目前担负地基中段拦截的“丹麦眼镜蛇”AN/FPS-108的工作频率为420～450MHz，探测距离5000千米，目标距离向分辨率1.5米，主要担负远程警戒，而GBR-P雷达工作频率为10GHz，即X波段，探测距离4000千米，目标距离向分辨率0.15米，主要担负远程跟踪与识别任务。为了发射和接收更大功率的电磁波，通常远程警戒雷达天线面积也会大于跟踪识别雷达，如“丹麦眼镜蛇”雷达天线直径25.6米，而GBR-P雷达天线直径只有12.5米。由于任务不同，通常两者部署位置也不同，因此各国都同时部署这两类雷达，但是理论上讲跟踪识别雷达是可以担负预警任务的，这就可以将其合二为一了，也称为预警跟踪雷达或多功能雷达。

GBR-P雷达工作频率10GHz，即X波段（7～12GHz）。10GHz电磁波的波长大致为0.03米，这基本可以给出弹头的大致图像，并进行弹头和诱饵的识别。雷达波长越小识别能力越强，得到的目标图像清晰度就越高，但频率越高，其在空间中能量损失也就越大，而且图像过于清晰意义也不大，够识别就好。就目前技术来说，X波段足以识别目标类型，且兼顾了探测距离等因素。

弹道导弹在其飞行各阶段中的弹道特征和目标特性是什么？

不同类型的弹道导弹，其飞行各阶段中飞行轨迹、速度和加速度差异较大。

助推段是弹道导弹最脆弱的阶段，其红外和雷达特性非常明显，飞行速度也较慢。这个阶段还没有产生碎片，也没有释放诱饵等突防装置，目标识别问题不突出。远程弹道导弹助推段时间约为3-6分钟，战术弹道导弹约为2分钟。在这一阶段，射程1000千米的导弹飞行高度达到180-220千米，射程3000千米的导弹飞行高度为100～120千米，而射程500千米导弹的飞行高度也达到40-60千米。各国都在想方设法缩短防御能力最弱的助推段飞行时间，例如“白杨”M采用了嵌入金属丝或金属纤维、改变氧化剂的含量和颗粒尺寸、加入燃速调节剂等措施，还采用了大燃面药型设计技术，据称使“白杨”M助推段飞行时间已低于45秒，可在大气层内实现关机，降低了助推高度。

中间飞行段是弹道中最长阶段，典型远程弹道导弹的中间段飞行时间约15-20分钟，通常这时射程10000千米的导弹的弹头飞行弹道最高点达到1300千米，射程3000千米的导弹弹头最高点达到800千米，而射程500千米的导弹弹道最高点可达到500千米。由于没有大气阻力，这一阶段弹头、诱饵、整流罩、母舱和碎片残骸等，均在弹道附近伴随弹头高速运动，在整个中间飞行阶段形成一个目标群，扩散范围达几千米。如何从干扰团中识别出真弹头并有效拦截，是反导系统的核心任务。

再入段持续时间一般为60-90秒。通常，射程10000千米的导弹再入速度为7.2马赫，射程3000千米的导弹再入速度为4.7马赫，而射程500千米的导弹再入速度也有2.1马赫。在该阶段，由于大气阻力，目标群中伴随弹头飞行的碎片、轻质诱饵、箔条等会因摩擦被烧毁或降速而被大气过滤掉。经大气过滤，只有少数专门设计的重诱饵呈现出类似弹头的运动轨迹。弹道目标及重诱饵再入大气层时，不同质阻比的目标表现出不同的减速特性。所谓质阻比就是质量与受到阻力的比值，通常用于描述飞行器的飞行效率，例如相同质量情况下，流线型设计的阻力小，其质阻比就大。假弹头外形与真弹头接近，但为了加装更多的假弹头，假弹头质量通常小于真弹头，所以可通过质阻比进行识别。在再入段，反导系统的目标识别压力大大降低，但反应时间很短，对拦截系统提出了更高要求。

在弹道导弹飞行的不同阶段，雷达的目标识别可以发挥不同的作用，为导弹防御作战提供支持。

反导雷达需要识别的对象有哪些？

首先是碎片。由于导弹飞行中需要不断抛弃不必要的部分，以增大动力的使用效率，加之其各种分离机构多采用了爆炸螺栓等方式，其在飞行中必然产生大量碎片。这些碎片与抛弃前的导弹具有相同甚至更高的速度，包括分离的助推火箭、保护罩、废弃的母舱、帮助再入飞行器脱离母舱的弹簧以及各种爆炸螺栓部件等。这些碎片大小不一，姿态各异，呈现碎片云状态，包裹了飞行弹头，因此即使导弹没有设计突防装置，防御系统也必须从这些目标中识别出真正的弹头。

其次是诱饵。弹头诱饵包括涂有金属层的气球、轻型充气或刚性复制诱饵等。导弹携带的气球诱饵也称轻型假目标，其与弹头形状几乎相同，这是一种简单、廉价的高空诱饵。这种诱饵可用薄塑料制成，包覆以金属箔、条或丝网。一枚导弹可以携带许多这样的气球，并在导弹升空至大气层外时释放，然后充气成型，并跟随弹头沿弹道飞行到再入点。这种诱饵进入大气层时，急剧减速并在高空解体，从而使弹头容易在大气层内被识别出来。早在20世纪50年代，美国就研制过用于测量大气密度的小型金属涂层气球，并于60年代在轨道上部署过多个。这些气球的直径为3.7米，与导弹突防使用的气球十分相似（美国在2002年11月进行的拦截试验中释放的气球诱饵直径2米以上），气球折叠后直径为18厘米，长度仅有28厘米，重量只有约0.5千克，使用时利用小型氨气瓶充气。当然这些气球在制造时，要保证外形、大小、电磁反射强度和温度略有差异，因为所有特征都一模一样的诱饵很容易就可以从稍有差异的真弹头中被辨别出来。如弹头重1000千克，其中10%（100千克）用于安装诱饵，那么可以安装上述气球诱饵（0.5千克）100个以上，而如果考虑到加热装置和充气装置，以及连接弹头与气球的绳索等部件，那么，1颗弹头配备25-50个气球诱饵是可能的。可见这种诱饵数量十分庞大，真弹头淹没在这些特征各异的诱饵中很难辨别。上世纪60年代，美国空军进行了低雷达反射截面的再入飞行器的试飞，并且采用了末段再入诱饵技术。美国研制的“民兵”洲际弹道导弹和“海神”潜射弹道导弹的分导式多弹头母舱，也可能携带了诱饵。1961年11月，美国为“北极星”A-2潜射弹道导弹研制PX-1突防系统，该系统包括6个再入飞行器诱饵、3个箔条箱和2个电子对抗组件（干扰机）。在美国已进行的拦截试验中，1999年10月，2000年7月，2002年3月以及2002年12月的拦截试验中分别投放了气球诱饵，有的试验甚至投放了3个以上诱饵，地面雷达均对气球诱饵进行了识别，但是2002年以后美国不再公布布放诱饵的情况。

另一种轻质电子诱饵就是金属箔条，这实际是一种电子对抗措施。弹头可在飞行中段抛撇金属箔条，将各种目标隐藏在箔条云的后面。这些箔条是在弹头与弹体分离之后能够伴随弹头一起飞行，且质量较轻的一些运动物体。比如，金属丝、金属箔等。这种干扰方式实际在二战中就大量使用，盟军在诺曼底登陆前，曾大量使用这些器材干扰德军探测系统，掩护实际的登陆行动。这些箔条可以达到成千上万，众多的这种轻诱饵在弹头飞行的某一空域被释放出来之后，就可以形成一个数百千米长、几十千米宽和几十千米高的“干扰云团”：箔条的数量愈多，所形成的干扰云团就愈宽广，掩护弹头的效果就愈好。这些箔条可由真弹头携带，在太空中抛撒，使反导雷达屏幕一片噪点。上世纪60年代，美国在“潘兴”中程弹道导弹上试验了箔条对抗措施，以后在“宇宙神”和“大力神”洲际弹道导弹上都设计采用了此类干扰方式。1962年4月，美国又为“北极星”A-3导弹研制了PX-2突防系统，包括6个诱饵和6个箔条箱。这一系统也曾考虑携带干扰机，但最终取消了。PX-1和PX-2突防系统主要对付外大气层拦截，而由于大气层的过滤作用，对大气层内实施的拦截无能为力。于是，美国在1965年启动了“羚羊”计划，以保证美国的“北极星”A-3能突破苏联当时正在建造的反导系统。美国研制了一个突防舱，用来替换“北极星”A-3导弹3枚子弹头中的一枚。突防舱用小型固体火箭发动机来释放突防装置，分7个区段释放。

此外，干扰机也会制造假目标。外军一般在战略导弹弹头上安装电子干扰器，通过噪声干扰对防御雷达进行压制，缩短雷达的探测距离，并可进行欺骗干扰，通过对雷达信号调制后转发，使雷达接收到虚假回波信号，不能跟踪真实的目标，从而使雷达不能区分真假目标。美国在1971年部署的“海神”潜射弹道导弹最多可以携带14枚分导式多弹头。其突防方案是用一个突防舱替代一个子弹头，突防舱携带7个诱饵或12个杂波干扰装置。但由于后来苏联反导系统规模被限制，美国这些对抗措施没有实际部署。以后美国又为“三叉戟”导弹研制了新型诱饵，并在70年代中期进行了飞行测试。目前，美国在役的“三叉戟”、“民兵”和Mx都配备有诱饵装置。

除了上述复杂的探测对象使识别更加困难外，近年来许多国家还在弹头设计中加入了隐身技术，或利用特征变换来改变再入飞行器的信号特征。从导弹突防技术发展来看，为缩短雷达探测距离，降低其识别能力，目前主要通过改变弹头（或防护罩）形状、控制飞行角度，使用雷达波吸收材料几种办法。如将弹头改装成尖头球底锥球体，可使其在x波段雷达上的迎头雷达截面积降为圆锥体的万分之一左右。雷达反射的主要来源就是弹头的尖端及锥体的底沿。如果让弹头的前端尖锐一些（半径小于雷达波长），并且让锥体的底部成为圆形以使不规则消除，反射就会大大减少。此外，只有当雷达视角从迎头变到接近垂直于锥体表面的角度时，其雷达截面才会明显增加。比如，只有当雷达视线与锥体头部夹角大于60度时，半角为15度的锥体的雷达截面才会明显增加。因此，尽管需要确保锥体尖端正对雷达，但通过改进弹头外形也可大大减小弹头的雷达截面。在高频情况下，相对较小的物体可能有相对较大的雷达截面。例如，如果由X波段雷达观测，一个边长15厘米的角反射器雷达截面可以高达21平方米。

可见，由于弹头被迎面探测时雷达截面最小，当探测角度保持在一定范围内时雷达截面也会大幅降低，因此，一些国家正努力通过控制弹头飞行角度的办法减少反射。此外，科学家在研究如何使诱饵更像真弹头的同时，还研究了如何使真弹头更象诱饵，这就是所谓的“反模拟技术”，其是将真弹头包裹在气球内，从而变换弹头特征，达到“假亦真来，真亦假”的效果。这些措施都增加了导弹防御雷达探测识别目标弹头的难度。

诱饵、箔条、干扰机等突防措施有无必要装在同一枚战略导弹上？

一般来说，装备诱饵、箔条、干扰机等对抗措施越多，导弹突防就越安全，但是弹头的载荷是有限的，如不加限制就可能需要减少弹头或降低弹头的质量，影响实际弹头的打击效率，因此通常会依据潜在国正在部署的导弹防御系统的能力来装配。例如，法国导弹为对抗苏联雷达，就比较注重电子对抗设备的装备，而美国比较重视气球等诱饵的装备。

如何从大量的诱饵、弹体碎片等目标群中识别出真弹头？

大致有三个途径：一是特征识别，如利用回波信号的幅度、相位、极化等特征来估计目标的飞行姿态、结构特征、材料特征：二是通过高分辨率雷达成像确定目标的尺寸、形状；三是再八识别，通过获取目标的质阻比确定质量特性。由于弹头目标在飞行运动中姿态不断变化，导致其雷达反射信号也不断变化，这是雷达识别的重要依据。

先谈谈弹道特征提取及识别。在导弹主动段和中段早期，雷达识别任务是从飞机、卫星等空中、空间目标中识别出弹道导弹，迅速告警。弹道导弹在大气层内飞行时，可利用弹道导弹与飞机目标之间的运动特性，如速度、高度、纵向加速度及弹道倾角等差异来识别。在大气层外飞行时“主要实现导弹与卫星的区分”，它们基本上都是沿椭圆轨迹飞行，导弹由于要返回地面，其轨道半径通常小于地球半径，而卫星轨道半径要大干地球半径，这是两者区分的重要依据。

再谈谈雷达反射面积特征提取与识别。导弹弹头的雷达反射面积变化也可以反映出其运动特征。空间目标沿轨道运动时其姿态相对于雷达波来自方向不断发生变化，其反射面积的变化反映了目标形体结构特性。例如，为了突防，弹头在飞行过程中均采用姿态修正技术，使得弹头在此姿态角度范围中雷达反射面积尽可能小且变化幅度稳定，而助推火箭和诱饵一般不具备姿态控制功能，具有翻滚等不规则运动，雷达反射面积的变化很大。提取合理特征，就可以对目标进行区分。可提取的目标雷达反射面积信息主要有面积的大小、起伏程度及随时间的变化规律等。

还有个方法是弹头目标微动特征识别。弹头目标微动特征反映了目标的电磁散射特性、几何结构特性和运动特性。所谓进动是自旋目标的自旋轴线环绕自身的中心轴缓慢转动。中心轴线与自旋时产生的自旋轴线的夹角称为进动角。这种运动特性可以为真假目标识别提供依据。例如，来袭弹道导弹为确保其弹头与助推器分离后弹头能稳定、安全、有效地命中目标，必须在释放完突防设备后，在弹头上施以自旋转技术及姿态控制技术，使其进入自身旋转稳定状态，虽然也有进动现象，但进动角一般不大，因而其目标回波受进动的影响小。但轻、重诱饵或电子干扰机的载体等假目标不存在这种自我调整能力，因此存在翻滚、进动角大或摆动等特征，使雷达回波大幅起伏，这是识别真假目标很好的依据。

此外还有成像特征提取及识别。雷达成像的基本原理是提高雷达分辨率，使其分辨距离远小于目标外观尺寸，这就可以分辨出目标的外观形状。一般情况下，成像雷达可以通过发射宽带信号获取较高的分辨率，利用大孔径或合成孔径技术获得方位及俯仰高分辨率。成像特征提取主要使用了所谓的一维距离像和逆合成孔径成像技术，这两种技术都是建立在多普勒效应基础上的。我们知道目标的运动会使雷达反射波频率发生变化，而如果雷达频率较高，其距离分辨率就会远小于目标尺寸，而当目标相对于雷达方向径向运动时，目标就会占据多个距离单元，形成一幅在雷达视线距离上投影的具有高低起伏特点的目标幅度图像，这就是目标一维距离像。逆合成孔径成像则可以实现非常高的二维分辨率。所谓二维分辨率就是目标二维成像的分辨程度，其实际就是对目标外观图像的识别图像，例如美国导弹防御系统中的地基多功能雷达的二维分辨率一般在0.1～1米之间，能够观察目标结构上微小的细节，是比较可靠的目标识别方法。逆合成孔径成像使用了距离一多普勒原理，其由于雷达和目标的相对运动关系与合成孔径雷达相反而得名。反导雷达中的逆合成孔径成像有别于一般的目标成像，导弹、诱饵及碎片等组成的目标群具有运动速度高、自身运动形式复杂（常伴有自旋、进动及机动等）、多目标等特点，给二维成像处理造成困难，在成像过程中需综合考虑这些特点才能得到较满意的图像，从而进行识别。

在导弹飞行各阶段，对其主要识别方法是什么？

助推段红外特征明显，天基红外预警卫星很容易发现。而雷达探测在这一阶段可以识别的是助推火箭和弹体，由于弹体飞行过程中的自旋稳定特性，而助推火箭分离后完全失控，会产生翻滚等姿态变化，使得两者雷达反射面积有较大差别，从这点可以区分。

飞行中段对于洲际弹道导弹可达20分钟。在中段初期，由于惯性作用，导弹继续向弹道最高点飞行，在此阶段释放再入飞行器并应用各种突防手段。当导弹到达最高点时，所有有效载荷释放完毕，质量保持稳定。该阶段导弹头体分离并释放一定数量的诱饵。同时，为防止弹体为敌方雷达起到目标指引作用，实战中一般将其侧向推开或炸成碎片。因此，中段的弹道目标主要是真弹头、诱饵和碎片。

弹头在该阶段受分离作用力和自身质量分布结构的影响，会引起不同程度的姿态运动。如果弹头尾部装有稳定裙和姿态控制系统，则以平动为主，不会发生翻滚运动。在此基础上，弹头相对质心存在一定的微运动，其中最主要的是旋转和章动，即鼻锥摇摆。同样，碎片、碎块、诱饵受分离作用力影响，也存在各式各样的微运动，比如气球诱饵可能发生翻滚运动。释放诱饵和弹体分离会引起雷达反射面积的起伏变化。中段过程是导弹目标特征提取和识别的主要阶段，可用识别手段最多。美国在1990年进行了两次火箭探测试验。第一次使用C波段和X波段雷达在700千米以外成功地观测到了可膨胀锥体气球的展开和膨胀过程。第二次成功采集到了目标展开过程和几类再八诱饵特征的数据，验证了利用微动特性进行弹道导弹中段真假弹头识别的可行性。

再入段只有几分钟。由于大气过滤作用，只有导弹弹头和重诱饵进入再入段，重诱饵和弹头表现出不同的质阻比。质阻比主要取决于其质量与迎风面积的比值，一定程度上可认为是弹头质量在阻力面上的分布。在外观面积相近的情况下，质量越大的目标再入速度就越高，因此通过雷达对其外观面积得出判断后，将其与雷达测得的目标再入飞行速度相比计算，就可以得出弹头的质阻比。为了突防，重诱饵的外形可以和弹头一致，但受到有效载荷限制，其质量和真弹头存在较大差异，使得再入过程中，两者的质阻比差别明显，弹头的质阻比在8000左右，而重诱饵的质阻比在4000左右，并且随再入高度的变化而变化，可作为再入识别的手段。质阻比的研究起源较早，但一直很少用于实际的弹道导弹识别。近年来，随着脉冲多普勒雷达的发展，径向测速精度的提高，质阻比的估计精度有了大幅提高。

自旋运动是再入段弹头的主要运动特性，特别是对于具有姿态控制和速度控制的弹头，自旋特征体现得更为明显。美国地基多功能雷达（CBR）的目标识别器中，再入目标自旋频率已作为一个有效的雷达特征。从提高弹头命中精度的角度出发，加大弹头自旋频率可以提高再入精度，但超过一定值后效果就不明显了，不但不能进一步提高弹道精度，而且会使弹头横向过载偏大，甚至出现滚动异常现象，因此一般弹头自旋频率选择在每秒两圈左右。对于重诱饵，如无稳定性要求，在真空中飞行将会有翻滚运动，很容易被识别出来。因此，同样要求重诱饵采取稳定姿态的措施，但重诱饵质量相对弹头较小，所以采用姿态稳定的重诱饵自旋频率一般较高，可达到5圈/秒-10圈/秒，甚至15圈/秒。通过提取雷达回波中的微动信息，可以区分出弹头和重诱饵。当然，也可采用微动火箭等使重诱饵的旋转速度接近真弹头，但火箭等姿态控制系统装置必然使重诱饵变得复杂且质量增大，降低了重诱饵的携带数量，同时火箭等姿控设备工作，也使其红外和质心振动等特征有别于真弹头。