一種高軌空間目標(biāo)寬帶一維像特征提取方法

劉 帆， 葛 頁， 張福軍， 王 坤， 趙明旭， 張景東

(中國人民解放軍63615部隊，新疆 庫爾勒 841001)

目前在軌運行的高軌衛(wèi)星主要用于導(dǎo)彈預(yù)警、偵察、通信、中繼、導(dǎo)航、電子情報，共計約百余顆，對其進(jìn)行研究具有極高的軍事價值。目前，大部分雷達(dá)主要采用基于單個回波或簡單視頻積累完成目標(biāo)檢測和跟蹤測量的方法，由于受到雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率和天線孔徑的限制[1]，一般只能對低軌道目標(biāo)(2000 km以下)進(jìn)行探測、跟蹤和識別。對高軌空間目標(biāo)(20000 km以上)進(jìn)行觀測，通常需要采用光學(xué)設(shè)備，而采用光學(xué)設(shè)備觀測又會受太陽光照和地面氣象條件的限制，無法達(dá)到全天時、全天候的要求。采用信號處理的方法獲得信號增益，即對長時間內(nèi)的脈沖回波信號進(jìn)行能量積累[2-3]，是可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的，此類雷達(dá)升級改造方法可以在不改變雷達(dá)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)一步提高雷達(dá)對空間目標(biāo)的探測范圍[4-5]。

在空間目標(biāo)探測與識別中，常采用雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)特性和軌道特性進(jìn)行目標(biāo)識別和身份確認(rèn)。RCS特性是以段落統(tǒng)計值作為有意義的參考特征，其單值不具備表達(dá)目標(biāo)屬性能力，通常需要數(shù)十或上百點RCS統(tǒng)計值來評估目標(biāo)特性。脈沖相參積累技術(shù)在數(shù)十倍地增加基雷達(dá)威力的同時，也極大降低了目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率。十幾秒乃至幾十秒一幀的超低數(shù)據(jù)率使得傳統(tǒng)RCS反映目標(biāo)特性的效能大幅降低。另一方面，高軌空間目標(biāo)數(shù)萬公里距離使得雷達(dá)角度維誤差放大，定位精度下降到數(shù)公里，單部雷達(dá)定軌精度嚴(yán)重降低，對空間位置接近的高軌目標(biāo)難以做到有效識別。為了克服脈沖積累條件下，空間目標(biāo)的RCS特性和軌道特性在目標(biāo)識別和身份確認(rèn)等方面存在的缺陷，本文研究了基于分段相參處理的寬帶一維像獲取方法，并設(shè)計算法利用模擬同步軌道目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該方法可以獲取高軌空間目標(biāo)的高分辨率寬帶一維距離像，分析其寬帶一維像特征，能夠為其尺寸估計、個體確認(rèn)和狀態(tài)判別提供有力支撐。

1 雷達(dá)增程技術(shù)原理

1.1 方法原理

空間目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向運動使得回波產(chǎn)生包絡(luò)走動和相位變化，而回波包絡(luò)走動和相位變化是影響回波信號相參積累的主要因素。要實現(xiàn)目標(biāo)回波信號的能量積累，則必須進(jìn)行回波包絡(luò)對齊和相位補(bǔ)償處理。信號積累算法的核心在于包絡(luò)對齊和相位補(bǔ)償處理，其主要步驟如下：

① 根據(jù)參考軌道數(shù)據(jù)構(gòu)造包絡(luò)對齊因子，對回波信號進(jìn)行包絡(luò)對齊；

② 對包絡(luò)對齊后的回波信號進(jìn)行脈沖壓縮處理[6-7]；

③ 根據(jù)參考軌道數(shù)據(jù)構(gòu)造相位補(bǔ)償因子，對脈沖壓縮后的信號進(jìn)行相位補(bǔ)償；

④ 對相位補(bǔ)償后的脈沖壓縮結(jié)果進(jìn)行相參積累。

信號積累方法流程如圖1所示。

圖1 增程信號積累方法流程圖

1.2 包絡(luò)對齊

為了在數(shù)字域進(jìn)行信號處理，需要對回波進(jìn)行采樣，考慮到運算量和存儲量的問題，通常產(chǎn)生一個采集波門，對波門內(nèi)的信號進(jìn)行處理[8-9]，而各回波采樣波門的產(chǎn)生實際上就是包絡(luò)對齊的過程，具體示意圖如圖2所示。

圖2 包絡(luò)對齊示意圖

1.3 相位補(bǔ)償

空間目標(biāo)相對雷達(dá)高階運動引起的回波相位的變化會影響多普勒聚焦，降低長時間相參積累增益，因此需要進(jìn)行相位補(bǔ)償。假設(shè)積累幀時間內(nèi)，回波包絡(luò)以第一個回波信號為基準(zhǔn)實現(xiàn)了對齊，包絡(luò)對齊的單脈壓結(jié)果如下：

y(tn)=zTpsinc(πγTptn)exp(-j2πfRFtn)

(1)

根據(jù)目標(biāo)的參考軌道數(shù)據(jù)的徑向距離rn，構(gòu)造相位補(bǔ)償因子：

Sphase_com(tn)=exp(j4πfRFrn(tn)/c)

(2)

用式(1)乘以式(2)即實現(xiàn)了單脈壓信號的相位補(bǔ)償。將包絡(luò)對齊和相位補(bǔ)償后的多幀單脈壓信號，通過一個FFT濾波器組[10]即可完成相參積累。

2 高軌目標(biāo)寬帶一維像獲取方法

寬帶一維像中包含豐富的目標(biāo)特征信息：高軌目標(biāo)一維距離像特征，可為高軌目標(biāo)個體確認(rèn)和狀態(tài)判別提供有力支撐。而高軌道空間目標(biāo)距離遠(yuǎn)，通常雷達(dá)回波信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)淹沒在噪聲之下，獲取一維像本質(zhì)上就是將淹沒在噪聲下的寬帶信號能量聚焦起來。

基于回波積累的寬帶一維像獲取方法就是要在每個相參處理間隔內(nèi)分別進(jìn)行相參處理，利用相參處理對回波的積累提高信噪比，而后將相參處理結(jié)果中的目標(biāo)單元提取并重構(gòu)，再進(jìn)行非相參處理。圖3給出了分段相參一維像提取的算法流程。

圖3 分段相參一維像提取的算法流程圖

2.1 速度補(bǔ)償

速度補(bǔ)償是一維像提取算法的關(guān)鍵步驟，空間目標(biāo)分段相參一維像提取首先需要對目標(biāo)回波進(jìn)行速度補(bǔ)償。為保證較高的補(bǔ)償精度，需要較高的速度估計精度。根據(jù)多個脈沖的測量值推算出目標(biāo)的徑向速度Vmeasure，使用最小二乘法，推算出速度相對時間的p階項，以此對脈沖時間積分得出每個脈沖時刻的目標(biāo)速度Vpulse，同時將其看作距離的p+1階項，計算出目標(biāo)在一維像測量時間內(nèi)散射中心的距離歷程進(jìn)行速度補(bǔ)償。

2.2 分段相參處理

分段相參處理算法如圖4所示，圖中每一列的元素代表一個PRT(Pulse Repetition Time,脈沖重復(fù)周期)在不同時刻的回波數(shù)據(jù)，每一行的元素代表一個距離單元在不同PRT的回波數(shù)據(jù)。

圖4 分段相參處理示意圖

一幀處理時間內(nèi)共采集了Nt=N·K個PRT的回波，記脈沖重復(fù)周期為Tr，則一維像測量時間Tob=N·K·Tr，每個PRT回波包含M個距離單元。將這個N·K個PRT的回波分為K個相參處理間隔，每個相參處理間隔時間長度為Tc=N·Tr，包含Ns個PRT。相參處理利用運動約束得到的距離信息校正目標(biāo)回波相位，實現(xiàn)包絡(luò)對齊并校正平動相位。估計的距離信息與目標(biāo)實際距離存在的誤差在一維像獲取時間內(nèi)可以用有限階多項式逼近，對于高軌道目標(biāo)，一般可用三階以下的慢時間的多項式近似，即考慮目標(biāo)的徑向加加速度相參處理間隔內(nèi)脈沖二維脈壓結(jié)果，如圖5所示。

圖5 相參處理間隔內(nèi)脈沖二維脈壓結(jié)果示意圖

2.3 相參處理結(jié)果的重構(gòu)

分段相參一維像提取的最后一個步驟是相參處理結(jié)果的重構(gòu)及非相參處理。將每個相參處理間隔的零多普勒單元抽取出來，可以重構(gòu)一個M·K的新矩陣，如圖6所示。

圖6 相參處理結(jié)果抽取后構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣

由重構(gòu)矩陣的回波包絡(luò)表達(dá)式可知，在重構(gòu)的回波矩陣中，散射點包絡(luò)的峰值位置是相參時間的函數(shù)，即回波包絡(luò)存在距離走動。經(jīng)過相參處理后，信噪比得到明顯改善，此時再用非相參處理，得到寬帶一維距離像。

3 實驗與結(jié)果分析

利用Matlab進(jìn)行仿真，模擬地球同步軌道的一個目標(biāo)，距離約36000 km，利用雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行了跟蹤測量，結(jié)果如圖7所示。

圖7 模擬高軌目標(biāo)距離測量結(jié)果

采用基于回波積累的空間目標(biāo)寬帶一維像特征提取方法，對模擬目標(biāo)散射特性進(jìn)行測算，獲取了高分辨率寬帶一維距離像，如圖8所示。共模擬5個不同大小和形狀的地球同步軌道目標(biāo)，橫向為同一目標(biāo)在不同時刻的一維像，縱向為目標(biāo)1～目標(biāo)5的一維像?？梢钥闯?，不同目標(biāo)的寬帶一維像具有顯著差異性。而同一目標(biāo)不同弧段、不同時刻具有明顯一致性，這主要是由于同步軌道目標(biāo)姿態(tài)較為穩(wěn)定，變化較小，同一目標(biāo)一維像具有一致性。通過實驗結(jié)果可以看出，寬帶一維像特征有效地克服了脈沖積累條件下，空間目標(biāo)的RCS特性和軌道特性在目標(biāo)識別和身份確認(rèn)等方面存在的缺陷，可以為高軌目標(biāo)尺寸估計、個體確認(rèn)和狀態(tài)判別提供有力支撐。

圖8 模擬目標(biāo)寬帶一維像

4 結(jié)束語

本文采用脈沖積累增程技術(shù)，在不改變雷達(dá)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)的前提下提升了雷達(dá)探測距離，實現(xiàn)了對高軌空間目標(biāo)的探測；提出了一種基于回波積累的高軌空間目標(biāo)寬帶一維像特征提取方法，利用相參處理提高目標(biāo)信噪比，利用雷達(dá)模擬器進(jìn)行仿真實驗，模擬了高軌目標(biāo)寬帶一維距離像，為目標(biāo)尺寸估計、個體確認(rèn)和狀態(tài)判別提供了參考。該方法可進(jìn)一步研究應(yīng)用，為目標(biāo)探測與識別提供依據(jù)。