一種高軌空間目標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星主要用于導彈預警、偵察、通信、中繼、導航、電子情報，共計約百余顆，對其進行研究具有極高的軍事價值。目前，大部分雷達主要采用基于單個回波或簡單視頻積累完成目標檢測和跟蹤測量的方法，由于受到雷達發射機功率和天線孔徑的限制[1]，一般只能對低軌道目標(2000 km以下)進行探測、跟蹤和識別。對高軌空間目標(20000 km以上)進行觀測，通常需要采用光學設備，而采用光學設備觀測又會受太陽光照和地面氣象條件的限制，無法達到全天時、全天候的要求。采用信號處理的方法獲得信號增益，即對長時間內的脈沖回波信號進行能量積累[2-3]，是可靠、經濟、高效的，此類雷達升級改造方法可以在不改變雷達系統原有結構的前提下進一步提高雷達對空間目標的探測范圍[4-5]。

在空間目標探測與識別中，常采用雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)特性和軌道特性進行目標識別和身份確認。RCS特性是以段落統計值作為有意義的參考特征，其單值不具備表達目標屬性能力，通常需要數十或上百點RCS統計值來評估目標特性。脈沖相參積累技術在數十倍地增加基雷達威力的同時，也極大降低了目標的跟蹤數據率。十幾秒乃至幾十秒一幀的超低數據率使得傳統RCS反映目標特性的效能大幅降低。另一方面，高軌空間目標數萬公里距離使得雷達角度維誤差放大，定位精度下降到數公里，單部雷達定軌精度嚴重降低，對空間位置接近的高軌目標難以做到有效識別。為了克服脈沖積累條件下，空間目標的RCS特性和軌道特性在目標識別和身份確認等方面存在的缺陷，本文研究了基于分段相參處理的寬帶一維像獲取方法，并設計算法利用模擬同步軌道目標數據進行實驗驗證。實驗結果表明，該方法可以獲取高軌空間目標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、個體確認和狀態判別提供有力支撐。

1 雷達增程技術原理

1.1 方法原理

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

① 根據參考軌道數據構造包絡對齊因子，對回波信號進行包絡對齊；

② 對包絡對齊后的回波信號進行脈沖壓縮處理[6-7]；

③ 根據參考軌道數據構造相位補償因子，對脈沖壓縮后的信號進行相位補償；

④ 對相位補償后的脈沖壓縮結果進行相參積累。

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 包絡對齊

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

圖2 包絡對齊示意圖

1.3 相位補償

空間目標相對雷達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，因此需要進行相位補償。假設積累幀時間內，回波包絡以第一個回波信號為基準實現了對齊，包絡對齊的單脈壓結果如下：

y(tn)=zTpsinc(πγTptn)exp(-j2πfRFtn)

(1)

根據目標的參考軌道數據的徑向距離rn，構造相位補償因子：

Sphase_com(tn)=exp(j4πfRFrn(tn)/c)

(2)

用式(1)乘以式(2)即實現了單脈壓信號的相位補償。將包絡對齊和相位補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 高軌目標寬帶一維像獲取方法

寬帶一維像中包含豐富的目標特征信息：高軌目標一維距離像特征，可為高軌目標個體確認和狀態判別提供有力支撐。而高軌道空間目標距離遠，通常雷達回波信號遠遠淹沒在噪聲之下，獲取一維像本質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分別進行相參處理，利用相參處理對回波的積累提高信噪比，而后將相參處理結果中的目標單元提取并重構，再進行非相參處理。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 速度補償

速度補償是一維像提取算法的關鍵步驟，空間目標分段相參一維像提取首先需要對目標回波進行速度補償。為保證較高的補償精度，需要較高的速度估計精度。根據多個脈沖的測量值推算出目標的徑向速度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速度Vpulse，同時將其看作距離的p+1階項，計算出目標在一維像測量時間內散射中心的距離歷程進行速度補償。

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,脈沖重復周期)在不同時刻的回波數據，每一行的元素代表一個距離單元在不同PRT的回波數據。

圖4 分段相參處理示意圖

一幀處理時間內共采集了Nt=N·K個PRT的回波，記脈沖重復周期為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回波相位，實現包絡對齊并校正平動相位。估計的距離信息與目標實際距離存在的誤差在一維像獲取時間內可以用有限階多項式逼近，對于高軌道目標，一般可用三階以下的慢時間的多項式近似，即考慮目標的徑向加加速度相參處理間隔內脈沖二維脈壓結果，如圖5所示。

圖5 相參處理間隔內脈沖二維脈壓結果示意圖

2.3 相參處理結果的重構

分段相參一維像提取的最后一個步驟是相參處理結果的重構及非相參處理。將每個相參處理間隔的零多普勒單元抽取出來，可以重構一個M·K的新矩陣，如圖6所示。

圖6 相參處理結果抽取后構成的數據矩陣

由重構矩陣的回波包絡表達式可知，在重構的回波矩陣中，散射點包絡的峰值位置是相參時間的函數，即回波包絡存在距離走動。經過相參處理后，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 實驗與結果分析

利用Matlab進行仿真，模擬地球同步軌道的一個目標，距離約36000 km，利用雷達目標模擬器進行了跟蹤測量，結果如圖7所示。

圖7 模擬高軌目標距離測量結果

采用基于回波積累的空間目標寬帶一維像特征提取方法，對模擬目標散射特性進行測算，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，橫向為同一目標在不同時刻的一維像，縱向為目標1～目標5的一維像。可以看出，不同目標的寬帶一維像具有顯著差異性。而同一目標不同弧段、不同時刻具有明顯一致性，這主要是由于同步軌道目標姿態較為穩定，變化較小，同一目標一維像具有一致性。通過實驗結果可以看出，寬帶一維像特征有效地克服了脈沖積累條件下，空間目標的RCS特性和軌道特性在目標識別和身份確認等方面存在的缺陷，可以為高軌目標尺寸估計、個體確認和狀態判別提供有力支撐。

圖8 模擬目標寬帶一維像

4 結束語

本文采用脈沖積累增程技術，在不改變雷達系統原有結構的前提下提升了雷達探測距離，實現了對高軌空間目標的探測；提出了一種基于回波積累的高軌空間目標寬帶一維像特征提取方法，利用相參處理提高目標信噪比，利用雷達模擬器進行仿真實驗，模擬了高軌目標寬帶一維距離像，為目標尺寸估計、個體確認和狀態判別提供了參考。該方法可進一步研究應用，為目標探測與識別提供依據。