一種空間目標速度測量方法的研究與實現

楊廣玉,縱瑞方,徐振華

(中國電子科技集團第38研究所 安徽 合肥 230088)

一種空間目標速度測量方法的研究與實現

楊廣玉,縱瑞方,徐振華

(中國電子科技集團第38研究所 安徽 合肥 230088)

由于空間目標的運行速度快,距離遠,采用傳統PD模式,在相參積累的時間內,會面臨距離走動的問題,利用多譜勒通道估算目標速度必然會受到影響.為了解決問題,首先采用小帶寬多脈沖搜索模式初步測量出目標速度和距離信息;之后采用大帶寬PD模式對目標進行再次探測并利用Keystone變換的方法對目標距離走動補償后再進行相參積累,最終實現目標速度的精確估計.仿真表明該方法可準確測出目標速度.

空間目標;Keystone變換;距離走動;速度測量

近些年來隨著武器系統的發展和人類航天活動的開展,空間目標數量日益增多,迫切需要對空間目標進行密切監視和測量,為此空間目標監視雷達系統需要對目標進行跟蹤測量,獲取目標的各項參數,其中目標速度是空間目標重要參數之一,由于空間目標的距離遠、速度快、傳統多脈沖相參積累模式會面臨目標距離走動的問題,當走動超過半個距離單元,積累性能會嚴重下降甚至失效,此時已無法利用積累獲得速度信息.為了解決這個問題,文中提出了一種基于Keystone變換的空間目標速度測量方法可解決這個問題.

1 空間目標回波模型分析

雷達發射線性調頻信號為:

其中:

這里t表示發射脈沖的時間變量,Pt為發射脈沖寬度, k為調頻斜率, B為信號帶寬,fc位中心頻率.

當雷達用于觀測空間目標(假設勻速運動)時,由于目標的速度較快,因此回波信號不能只是看作發射信號的遲延,其時間尺度因子也必須考慮,此時,目標回波信號[2]的基帶信號可以寫為:

其中:

這里n為發射的脈沖個數,fc為載波頻率,fd為多普勒頻率,τn為第n個脈沖的延遲時間,R0為0時刻的距離,v為目標速度(向站為正,背站為負),Tr為脈沖重復時間.

2 Keystone變換

上述回波信號脈壓后頻譜為[1]:

相應的時域信號為:

從式(4)可以看出:時域信號的包絡是一個sinc函數.由sinc函數性質知,信號峰值的位置位于.由于不同脈沖τn值不同,不同發射脈沖的目標回波的延遲時間也不一樣,脈壓后不同脈沖回波信號的峰值在不同的采樣單元,發生了距離走動.且脈沖帶寬越大,重復周期越長、目標速度越高則距離走動越明顯[1].

對式(3)應用Keystone變換,得到新的頻譜函數為[1]:

其中,τ0=2R0/c表示0時刻目標回波的延遲,對式(5)作IFFT得到變換后的時域信號為:

從式(6)可以看出:不同的發射脈沖回波信號的峰值位置始終為它只與初始時刻目標的位置有關關,而與脈沖號無關.也就是說,Keystone變換把原本位于不同距離單元的回波校正到同一距離單元,補償了距離走動.

需要注意的是,由于n是離散變量,所以Keystone變換可借助內插的方法實現[1]:

對于多普勒不模糊的場合,即使不知道目標的速度,我們可以直接利用上面的內插公式補償距離走動.而且,由于內插過程是線性的,Keystone變換也適用于多個目標場景.在多普勒模糊的情況下,需要知道多普勒的模糊程度.此時, Keystone變換公式可以寫為[1]:

這里fr為脈沖重復頻率,nk為速度模糊程度.如果不考慮速度模糊程度,就會影響多脈沖相參積累后的峰值,不利于信噪比的改善,這里我們不做詳細論述.對速度模糊數的依賴是應用Keystone算法一個限制條件,為解決這個問題,實際應用中可以通過雷達搜索模式獲取目標初始速度估算出模糊數,在滿足一定誤差基礎上(即目標初始速度估計誤差小于目標最大不模糊速度)可以準確算出速度模糊數.

3 速度測量流程

雷達系統在對空間目標進行精確速度測量前,首先利用小帶寬脈沖信號對目標進行搜索來獲取目標的初始速度和距離信息,之后轉為跟蹤模式,采用PD模式對目標進行探測,利用搜索模式獲得的目標速度信息解算出速度模糊數,利用獲取的目標距離信息截取脈壓峰值附近一段數據分別進行FFT,Keystone變換和IFFT,最后利用相參積累得到目標的速度信息,處理流程如圖1所示.

圖1 速度測量流程圖Fig. 1 Flow chart of the velocity measure

PD模式下由于脈沖重頻高,且搜索模式下獲得目標速度精度可達到幾十米每秒的量級,目標速度估計誤差小于跟蹤模式下目標最大不模糊速度,可以準確得到目標速度模糊數.

由于Keystone變換需要插值計算,運算量巨大,如果對目標回波數據全程做處理會耗費大量時間,為此在搜索模式得到目標距離的基礎上,開窗截取脈壓主瓣附近的數據,且開窗大小依據搜索模式距離估算誤差確定.

4 仿真與分析

仿真條件中,設置雷達工作的中心頻率2.4 GHz,發射線性調頻信號帶寬5 MHz,采樣率20 MHz,脈沖寬度0.25 ms,脈沖重復周期1 ms,脈沖數36,目標位置700公里,目標速度6 100 m/s,回波信噪比-20 dB,Keystone變換采用在脈壓主瓣附近開窗處理的方式以減少運算量.

根據仿真參數可推出暫停脈沖數為4個,距離多普勒耦合大小為0.732公里,最大不模糊速度為31.2 m/s,速度模糊數為97,相參積累有效脈沖數為32個,積累時長為60 ms,在此期間目標運動了360 m,跨越48個采樣單元,如圖2所示Keystone變換處理前脈沖壓縮結果.

如果對多脈沖脈壓結果直接進行相參積累處理,由于目標距離走動的影響,目標的主瓣會明顯展寬,積累后信號的幅度會降低,能量也會減少,不利于信噪比的提高,其距離和多普勒分辨力也降低了(如圖3所示Keystone變換處理前相參積累結果);如果對多脈沖脈壓結果進行Keystone變換處理,不同脈沖的脈壓峰值都會校準到第1個脈沖的位置,這樣就克服了距離走動對相參積累的影響(如圖2和圖3所示Keystone變換處理后結果).Keystone變換處理前后的積累后最大增益增大6.19 dB,最大輸出通道為第20個通道,對應的速度為6 099.6 m/s,與實際值比較,誤差小于1 m/s.

圖2 脈沖壓縮結果Fig. 2 Product of pulse compression

圖3 相參積累最大輸出通道結果Fig. 3 Product of the maximum output channel after coherent integration

5 結 論

Keystone變換[7]在空間目標速度測量方面有著廣泛應用,文章介紹了利用Keystone變換對空間目標進行速度測量的一種方法.仿真分析結果表明,這種方法可顯著提高相參積累增益,能取得很高的測速精度.在工程實施時,需要對目標進行一定時間的搜索確認,得到目標初始速度和位置,為基于Keystone變換的空間目標速度測量方法提供初始參數.

[1] 張順生,曾濤. 基于keystone變換的微弱目標檢測[J].電子學報,2005(9):1675-1678. ZHANG Shun-sheng,ZENG Tao,Weak Target Detection Based on Keystone Transform[J].ACTA Electronica Sinica,2005(9): 1675-1678.

[2] 蘇軍海. 寬窄帶雷達目標檢測與成像技術研究[D]. 西安:西安電子科技大學,2009.

[3] 吳順君,梅曉春.雷達信號處理和數據處理技術[M].北京:電子工業出版社,2008.

[4] 李道京,劉波,尹建鳳,等. 天基毫米波空間碎片觀測雷達系統分析與設計[J]. 宇航學報,2010(12):2746-2753. LI Dao-jing, LIU Bo,YIN Jian-feng,et al.Ming.Analysis and Design of SpaceborneMMW Radar for Space Debris Observation System[J].Journal of Astronautics,2010(12):2746-2753.

[5] 張順生,張偉. 低信噪比下基于Keystone變換的多目標檢測[J].電子科技大學學報,2008(6):23-26. ZHANG Shun-sheng,ZHANG Wei.Multiple targets'detection at the low SNR level based on keystone transform[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2008(6):23-26.

[6] 王啟智,岳玫君,杜春鵬.基于運動補償的長時相干積累方法研究[J]. 雷達與對抗,2012(3):20-23. WANG Qi-zhi,YUE Mei-jun,DU Chun-peng.A study on long-time coherent integration method based on motion compensation[J]. RADAR & ECM,2012(3):20-23.

[7] 李春林,吳琳擁.基于Keystone變換的長時間相參積累研究[J].電子科技,2013(6):148-152. LI Chun-lin,WU Lin-yong.Reserach of coherent accumulation for a long time based on the Keystone transform[J].Electronic Science and Technology, 2013(6):148-152.

Study and implementation of a velocity-measure method for space target

YANG Guang-yu, ZONG Rui-fang, XU Zhen-hua
(CETC No. 38 Reserarch Institute, Hefei 230088, China)

Because of the high-velocity and long-distance of the space-target, Classical PD-mode will be confronted with the problem of the range migration, Velocity estimation will be effected by virtue of doppler frequency of target. In order to solve the question: Firstly, the velocity and range of the target will be acquired by the scan mode of narrowband and multi-pulse; Then, the target will be detected by the PD mode of wideband again, and the coherent integration is carried out after rangemigration compensation based on keystone transform, finally the accurate velocity estimation of space targets is realized. The simulation results show that the method can acquire accurate target velocity.

space target; Keystone transform; range migration; velocity measurement

TN958

A

1674-6236(2014)07-0095-03

2014-01-16稿件編號:201401125

楊廣玉(1972-),男,安徽蚌埠人,碩士,高級工程師.研究方向:雷達信號與信息處理.