一种空间目标速度测量方法的研究与实现

杨广玉,纵瑞方,徐振华

(中国电子科技集团第38研究所 安徽 合肥 230088)

一种空间目标速度测量方法的研究与实现

杨广玉,纵瑞方,徐振华

(中国电子科技集团第38研究所 安徽 合肥 230088)

由于空间目标的运行速度快,距离远,采用传统PD模式,在相参积累的时间内,会面临距离走动的问题,利用多谱勒通道估算目标速度必然会受到影响.为了解决问题,首先采用小带宽多脉冲搜索模式初步测量出目标速度和距离信息;之后采用大带宽PD模式对目标进行再次探测并利用Keystone变换的方法对目标距离走动补偿后再进行相参积累,最终实现目标速度的精确估计.仿真表明该方法可准确测出目标速度.

空间目标;Keystone变换;距离走动;速度测量

近些年来随着武器系统的发展和人类航天活动的开展,空间目标数量日益增多,迫切需要对空间目标进行密切监视和测量,为此空间目标监视雷达系统需要对目标进行跟踪测量,获取目标的各项参数,其中目标速度是空间目标重要参数之一,由于空间目标的距离远、速度快、传统多脉冲相参积累模式会面临目标距离走动的问题,当走动超过半个距离单元,积累性能会严重下降甚至失效,此时已无法利用积累获得速度信息.为了解决这个问题,文中提出了一种基于Keystone变换的空间目标速度测量方法可解决这个问题.

1 空间目标回波模型分析

雷达发射线性调频信号为:

其中:

这里t表示发射脉冲的时间变量,Pt为发射脉冲宽度, k为调频斜率, B为信号带宽,fc位中心频率.

当雷达用于观测空间目标(假设匀速运动)时,由于目标的速度较快,因此回波信号不能只是看作发射信号的迟延,其时间尺度因子也必须考虑,此时,目标回波信号[2]的基带信号可以写为:

其中:

这里n为发射的脉冲个数,fc为载波频率,fd为多普勒频率,τn为第n个脉冲的延迟时间,R0为0时刻的距离,v为目标速度(向站为正,背站为负),Tr为脉冲重复时间.

2 Keystone变换

上述回波信号脉压后频谱为[1]:

相应的时域信号为:

从式(4)可以看出:时域信号的包络是一个sinc函数.由sinc函数性质知,信号峰值的位置位于.由于不同脉冲τn值不同,不同发射脉冲的目标回波的延迟时间也不一样,脉压后不同脉冲回波信号的峰值在不同的采样单元,发生了距离走动.且脉冲带宽越大,重复周期越长、目标速度越高则距离走动越明显[1].

对式(3)应用Keystone变换,得到新的频谱函数为[1]:

其中,τ0=2R0/c表示0时刻目标回波的延迟,对式(5)作IFFT得到变换后的时域信号为:

从式(6)可以看出:不同的发射脉冲回波信号的峰值位置始终为它只与初始时刻目标的位置有关关,而与脉冲号无关.也就是说,Keystone变换把原本位于不同距离单元的回波校正到同一距离单元,补偿了距离走动.

需要注意的是,由于n是离散变量,所以Keystone变换可借助内插的方法实现[1]:

对于多普勒不模糊的场合,即使不知道目标的速度,我们可以直接利用上面的内插公式补偿距离走动.而且,由于内插过程是线性的,Keystone变换也适用于多个目标场景.在多普勒模糊的情况下,需要知道多普勒的模糊程度.此时, Keystone变换公式可以写为[1]:

这里fr为脉冲重复频率,nk为速度模糊程度.如果不考虑速度模糊程度,就会影响多脉冲相参积累后的峰值,不利于信噪比的改善,这里我们不做详细论述.对速度模糊数的依赖是应用Keystone算法一个限制条件,为解决这个问题,实际应用中可以通过雷达搜索模式获取目标初始速度估算出模糊数,在满足一定误差基础上(即目标初始速度估计误差小于目标最大不模糊速度)可以准确算出速度模糊数.

3 速度测量流程

雷达系统在对空间目标进行精确速度测量前,首先利用小带宽脉冲信号对目标进行搜索来获取目标的初始速度和距离信息,之后转为跟踪模式,采用PD模式对目标进行探测,利用搜索模式获得的目标速度信息解算出速度模糊数,利用获取的目标距离信息截取脉压峰值附近一段数据分别进行FFT,Keystone变换和IFFT,最后利用相参积累得到目标的速度信息,处理流程如图1所示.

图1 速度测量流程图Fig. 1 Flow chart of the velocity measure

PD模式下由于脉冲重频高,且搜索模式下获得目标速度精度可达到几十米每秒的量级,目标速度估计误差小于跟踪模式下目标最大不模糊速度,可以准确得到目标速度模糊数.

由于Keystone变换需要插值计算,运算量巨大,如果对目标回波数据全程做处理会耗费大量时间,为此在搜索模式得到目标距离的基础上,开窗截取脉压主瓣附近的数据,且开窗大小依据搜索模式距离估算误差确定.

4 仿真与分析

仿真条件中,设置雷达工作的中心频率2.4 GHz,发射线性调频信号带宽5 MHz,采样率20 MHz,脉冲宽度0.25 ms,脉冲重复周期1 ms,脉冲数36,目标位置700公里,目标速度6 100 m/s,回波信噪比-20 dB,Keystone变换采用在脉压主瓣附近开窗处理的方式以减少运算量.

根据仿真参数可推出暂停脉冲数为4个,距离多普勒耦合大小为0.732公里,最大不模糊速度为31.2 m/s,速度模糊数为97,相参积累有效脉冲数为32个,积累时长为60 ms,在此期间目标运动了360 m,跨越48个采样单元,如图2所示Keystone变换处理前脉冲压缩结果.

如果对多脉冲脉压结果直接进行相参积累处理,由于目标距离走动的影响,目标的主瓣会明显展宽,积累后信号的幅度会降低,能量也会减少,不利于信噪比的提高,其距离和多普勒分辨力也降低了(如图3所示Keystone变换处理前相参积累结果);如果对多脉冲脉压结果进行Keystone变换处理,不同脉冲的脉压峰值都会校准到第1个脉冲的位置,这样就克服了距离走动对相参积累的影响(如图2和图3所示Keystone变换处理后结果).Keystone变换处理前后的积累后最大增益增大6.19 dB,最大输出通道为第20个通道,对应的速度为6 099.6 m/s,与实际值比较,误差小于1 m/s.

图2 脉冲压缩结果Fig. 2 Product of pulse compression

图3 相参积累最大输出通道结果Fig. 3 Product of the maximum output channel after coherent integration

5 结 论

Keystone变换[7]在空间目标速度测量方面有着广泛应用,文章介绍了利用Keystone变换对空间目标进行速度测量的一种方法.仿真分析结果表明,这种方法可显著提高相参积累增益,能取得很高的测速精度.在工程实施时,需要对目标进行一定时间的搜索确认,得到目标初始速度和位置,为基于Keystone变换的空间目标速度测量方法提供初始参数.

[1] 张顺生,曾涛. 基于keystone变换的微弱目标检测[J].电子学报,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] 苏军海. 宽窄带雷达目标检测与成像技术研究[D]. 西安:西安电子科技大学,2009.

[3] 吴顺君,梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[4] 李道京,刘波,尹建凤,等. 天基毫米波空间碎片观测雷达系统分析与设计[J]. 宇航学报,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] 张顺生,张伟. 低信噪比下基于Keystone变换的多目标检测[J].电子科技大学学报,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] 王启智,岳玫君,杜春鹏.基于运动补偿的长时相干积累方法研究[J]. 雷达与对抗,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,吴琳拥.基于Keystone变换的长时间相参积累研究[J].电子科技,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稿件编号:201401125

杨广玉(1972-),男,安徽蚌埠人,硕士,高级工程师.研究方向:雷达信号与信息处理.