刘 帆， 葛 页， 张福军， 王 坤， 赵明旭， 张景东

(中国人民解放军63615部队，新疆 库尔勒 841001)

目前在轨运行的高轨卫星主要用于导弹预警、侦察、通信、中继、导航、电子情报，共计约百余颗，对其进行研究具有极高的军事价值。目前，大部分雷达主要采用基于单个回波或简单视频积累完成目标检测和跟踪测量的方法，由于受到雷达发射机功率和天线孔径的限制[1]，一般只能对低轨道目标(2000 km以下)进行探测、跟踪和识别。对高轨空间目标(20000 km以上)进行观测，通常需要采用光学设备，而采用光学设备观测又会受太阳光照和地面气象条件的限制，无法达到全天时、全天候的要求。采用信号处理的方法获得信号增益，即对长时间内的脉冲回波信号进行能量积累[2-3]，是可靠、经济、高效的，此类雷达升级改造方法可以在不改变雷达系统原有结构的前提下进一步提高雷达对空间目标的探测范围[4-5]。

在空间目标探测与识别中，常采用雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)特性和轨道特性进行目标识别和身份确认。RCS特性是以段落统计值作为有意义的参考特征，其单值不具备表达目标属性能力，通常需要数十或上百点RCS统计值来评估目标特性。脉冲相参积累技术在数十倍地增加基雷达威力的同时，也极大降低了目标的跟踪数据率。十几秒乃至几十秒一帧的超低数据率使得传统RCS反映目标特性的效能大幅降低。另一方面，高轨空间目标数万公里距离使得雷达角度维误差放大，定位精度下降到数公里，单部雷达定轨精度严重降低，对空间位置接近的高轨目标难以做到有效识别。为了克服脉冲积累条件下，空间目标的RCS特性和轨道特性在目标识别和身份确认等方面存在的缺陷，本文研究了基于分段相参处理的宽带一维像获取方法，并设计算法利用模拟同步轨道目标数据进行实验验证。实验结果表明，该方法可以获取高轨空间目标的高分辨率宽带一维距离像，分析其宽带一维像特征，能够为其尺寸估计、个体确认和状态判别提供有力支撑。

1 雷达增程技术原理

1.1 方法原理

空间目标相对雷达的径向运动使得回波产生包络走动和相位变化，而回波包络走动和相位变化是影响回波信号相参积累的主要因素。要实现目标回波信号的能量积累，则必须进行回波包络对齐和相位补偿处理。信号积累算法的核心在于包络对齐和相位补偿处理，其主要步骤如下：

① 根据参考轨道数据构造包络对齐因子，对回波信号进行包络对齐；

② 对包络对齐后的回波信号进行脉冲压缩处理[6-7]；

③ 根据参考轨道数据构造相位补偿因子，对脉冲压缩后的信号进行相位补偿；

④ 对相位补偿后的脉冲压缩结果进行相参积累。

信号积累方法流程如图1所示。

图1 增程信号积累方法流程图

1.2 包络对齐

为了在数字域进行信号处理，需要对回波进行采样，考虑到运算量和存储量的问题，通常产生一个采集波门，对波门内的信号进行处理[8-9]，而各回波采样波门的产生实际上就是包络对齐的过程，具体示意图如图2所示。

图2 包络对齐示意图

1.3 相位补偿

空间目标相对雷达高阶运动引起的回波相位的变化会影响多普勒聚焦，降低长时间相参积累增益，因此需要进行相位补偿。假设积累帧时间内，回波包络以第一个回波信号为基准实现了对齐，包络对齐的单脉压结果如下：

y(tn)=zTpsinc(πγTptn)exp(-j2πfRFtn)

(1)

根据目标的参考轨道数据的径向距离rn，构造相位补偿因子：

Sphase_com(tn)=exp(j4πfRFrn(tn)/c)

(2)

用式(1)乘以式(2)即实现了单脉压信号的相位补偿。将包络对齐和相位补偿后的多帧单脉压信号，通过一个FFT滤波器组[10]即可完成相参积累。

2 高轨目标宽带一维像获取方法

宽带一维像中包含丰富的目标特征信息：高轨目标一维距离像特征，可为高轨目标个体确认和状态判别提供有力支撑。而高轨道空间目标距离远，通常雷达回波信号远远淹没在噪声之下，获取一维像本质上就是将淹没在噪声下的宽带信号能量聚焦起来。

基于回波积累的宽带一维像获取方法就是要在每个相参处理间隔内分别进行相参处理，利用相参处理对回波的积累提高信噪比，而后将相参处理结果中的目标单元提取并重构，再进行非相参处理。图3给出了分段相参一维像提取的算法流程。

图3 分段相参一维像提取的算法流程图

2.1 速度补偿

速度补偿是一维像提取算法的关键步骤，空间目标分段相参一维像提取首先需要对目标回波进行速度补偿。为保证较高的补偿精度，需要较高的速度估计精度。根据多个脉冲的测量值推算出目标的径向速度Vmeasure，使用最小二乘法，推算出速度相对时间的p阶项，以此对脉冲时间积分得出每个脉冲时刻的目标速度Vpulse，同时将其看作距离的p+1阶项，计算出目标在一维像测量时间内散射中心的距离历程进行速度补偿。

2.2 分段相参处理

分段相参处理算法如图4所示，图中每一列的元素代表一个PRT(Pulse Repetition Time,脉冲重复周期)在不同时刻的回波数据，每一行的元素代表一个距离单元在不同PRT的回波数据。

图4 分段相参处理示意图

一帧处理时间内共采集了Nt=N·K个PRT的回波，记脉冲重复周期为Tr，则一维像测量时间Tob=N·K·Tr，每个PRT回波包含M个距离单元。将这个N·K个PRT的回波分为K个相参处理间隔，每个相参处理间隔时间长度为Tc=N·Tr，包含Ns个PRT。相参处理利用运动约束得到的距离信息校正目标回波相位，实现包络对齐并校正平动相位。估计的距离信息与目标实际距离存在的误差在一维像获取时间内可以用有限阶多项式逼近，对于高轨道目标，一般可用三阶以下的慢时间的多项式近似，即考虑目标的径向加加速度相参处理间隔内脉冲二维脉压结果，如图5所示。

图5 相参处理间隔内脉冲二维脉压结果示意图

2.3 相参处理结果的重构

分段相参一维像提取的最后一个步骤是相参处理结果的重构及非相参处理。将每个相参处理间隔的零多普勒单元抽取出来，可以重构一个M·K的新矩阵，如图6所示。

图6 相参处理结果抽取后构成的数据矩阵

由重构矩阵的回波包络表达式可知，在重构的回波矩阵中，散射点包络的峰值位置是相参时间的函数，即回波包络存在距离走动。经过相参处理后，信噪比得到明显改善，此时再用非相参处理，得到宽带一维距离像。

3 实验与结果分析

利用Matlab进行仿真，模拟地球同步轨道的一个目标，距离约36000 km，利用雷达目标模拟器进行了跟踪测量，结果如图7所示。

图7 模拟高轨目标距离测量结果

采用基于回波积累的空间目标宽带一维像特征提取方法，对模拟目标散射特性进行测算，获取了高分辨率宽带一维距离像，如图8所示。共模拟5个不同大小和形状的地球同步轨道目标，横向为同一目标在不同时刻的一维像，纵向为目标1～目标5的一维像。可以看出，不同目标的宽带一维像具有显著差异性。而同一目标不同弧段、不同时刻具有明显一致性，这主要是由于同步轨道目标姿态较为稳定，变化较小，同一目标一维像具有一致性。通过实验结果可以看出，宽带一维像特征有效地克服了脉冲积累条件下，空间目标的RCS特性和轨道特性在目标识别和身份确认等方面存在的缺陷，可以为高轨目标尺寸估计、个体确认和状态判别提供有力支撑。

图8 模拟目标宽带一维像

4 结束语

本文采用脉冲积累增程技术，在不改变雷达系统原有结构的前提下提升了雷达探测距离，实现了对高轨空间目标的探测；提出了一种基于回波积累的高轨空间目标宽带一维像特征提取方法，利用相参处理提高目标信噪比，利用雷达模拟器进行仿真实验，模拟了高轨目标宽带一维距离像，为目标尺寸估计、个体确认和状态判别提供了参考。该方法可进一步研究应用，为目标探测与识别提供依据。