空間目標雙基地雷達ISAR成像技術研究?

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

0 引言

隨著航天技術的不斷發展,人類的空間活動日益頻繁,空間人造物體的數量和密度不斷增加。為了保證載人航天、探月工程等飛行器安全,開展空間目標監視、識別等技術,已經成為十分重要的課題。

地基逆合成孔徑雷達(ISAR)技術,由于其良好的橫向距離分辨能力,連同寬帶信號的高徑向距離分辨能力,因而可以產生目標的精細二維反射率圖像。雙基地雷達以其在電子戰中的獨特優勢與潛力,已成為現代雷達技術研究的熱點問題。相對于常規的單基地雷達ISAR成像,雙(多)基地雷達能夠獲取的目標信息更可靠、更豐富,系統也更安全。因此,利用雙(多)基地雷達的優勢開展ISAR成像在空間監測、導航制導、國土防空等方面將有著廣闊的應用前景[1]。

1 雙基地雷達工作參數設計

雙基地雷達采用兩個相距較遠的基地,其中一個放置發射機,另一個放置相應的接收機。其中目標檢測與單基地雷達類似,即發射機照射目標、接收機檢測和處理目標回波。目標定位也與單基地雷達類似,但需要求解發射機-目標-接收機構成的三角函數關系[2]。圖1給出了雙基地雷達工作原理圖,其中T x和R x分別為發射站和接收站,RT和RR為發射站和接收站到目標的距離,L為發射站和接收站之間的距離,稱為基線,θT和θR分別是發射站和接收站的視角,β為雙基地角。則根據雙基地雷達方程可得

式中:σB(β)為與雙基地角相關的目標雷達截面積函數;Ls=LTLR為由發射站和接收站共同決定的損耗因子。

圖1 雙基地雷達原理圖

為了便于分析推導,引入“等效單基地作用距離”概念,將雙基地雷達等效為單基地雷達研究。“等效單基地作用距離”即指具有相同發射機和接收機參數的單基地雷達的作用范圍,記為RM。易見RM與(RTRR)max間滿足關系:

為方便分析,將式(1)右邊記為常數:

kB稱為雙基地雷達的最大距離積。這樣,雙基地雷達的最大作用范圍可以表示為

由于雷達方程中損耗因子Ls未知,使用式(1)對雙基地雷達作用距離進行估計存在較大誤差,這里利用單基地發射站參數進行修正的方法得到。具體方法是,假定發射站在單基地方式下工作時的最大作用距離為Rm,比較單基地雷達方程和式(1),易知:Simin為發射站接收機的最小可檢測信號功率;PRmin為接收站接收機的最小可檢測信號功率;Cσ(β)為目標散射截面積的衰減因子。

因此,只要知道發射站、接收站相應雷達參數,就可估計出等效單基地作用距離,從而合理設計跟蹤目標情況。同時,由式(6)可知,雙基地雷達的最大作用范圍是一個卡西尼卵形,即雙基地雷達的威力范圍隨基線長度變化。因此,通過合理設計發射、接收站間基線長度,可實現雙基地雷達對空間目標的ISAR成像。

2 空間目標雙基地雷達ISAR成像

與空中目標逆合成孔徑成像相比較,空間目標有一些自己的特點,例如,目標速度較快、成像處理的軌跡弧度較長以及目標距離較遠等。這些都增加了空間目標高分辨成像的難度。

雙基地雷達ISAR成像原理與單基地雷達ISAR成像原理基本相同,也是利用對寬帶信號的距離壓縮形成距離向的高分辨,得到一維距離像。在方位向上,同一距離單元內不同位置的點靠其相對于雷達旋轉運動產生的多普勒頻率進行分辨,從而實現ISAR成像[3]。

對于ISAR成像,雷達是固定不動的,目標相對雷達運動。目標的運動可以分解為平動和繞雷達視線轉動兩部分,后者對成像是有貢獻的,因此應采用合理的成像算法消除掉目標平動的部分,提取目標轉動的部分用于ISAR成像。圖2為ISAR成像算法流程圖。

從圖中可以看到,ISAR成像過程一般包括速度補償和運動補償(包絡對齊、相位校準)兩部分。

速度補償:對于高速運動的目標,各散射點的速度可分為平動速度和轉動速度兩部分。平動速度帶來了目標的越距離單元徙動現象,并產生了脈內多普勒調制,造成目標的橫向散焦。速度補償就是要消除平動速度的脈內多普勒調制,僅保留對成像有貢獻的轉動速度部分。在單基地雷達中,目標位置可以通過窄帶雷達跟蹤得到,速度可以通過距離進行估計。對于雙基地雷達而言,v是目標速度在發射站和接收站上的投影和,即發射徑向速度和接收站徑向速度之和,由于接收站不主動發射脈沖測距,因此速度和距離的耦合將導致接收站測速困難。在目標為軌道目標的情況下,可以利用目標的軌道數據,或目標坐標轉換測量v與接收站目標距離解決這一問題[4]。

圖2 ISAR成像流程圖

運動補償:成像前需要進行運動補償來消除目標與雷達之間的平移運動而只保留目標相對雷達的轉動運動,運動補償分為包絡對齊和相位校正兩步,包絡對齊使相鄰重復周期的回波信號在距離向對齊,相位校正準則把目標距離走動造成的多普勒頻移補償掉。傳統的相位校正沒有采用外加校正源的辦法,只利用了目標回波本身數據進行初相誤差校正,即回波自聚焦。這一過程要求使用要求很高的精度,因此又稱為精補償,并且在很大程度上決定了成像的質量。而目前利用目標回波本身數據的自聚焦方法同樣依賴目標的幅度信息,在回波信噪比較高的情況下,能夠得到較精確的相位校正因子,給出較好的成像結果。但是,在低信噪比情況下,得到的相位校正因子會有較大偏差,從而造成初相校正誤差并最終使圖像散焦[5]?？紤]到空間目標自身的運動規律,本文采用了利用軌道目標本質上為合作目標的特性,結合軌道先驗信息,對回波進行相位補償,從而使回波在脈間相參,擺脫相位補償對回波幅度信息的依賴,提高成像性能。

假設發射信號可表示為

發射時刻為慢時間t m=m T(m=0,1,2,…),快時間信號包絡為矩形脈沖為中心頻率,τ為脈沖

寬度,μ為調頻斜率。

式中,Tref為參考信號的脈寬,它比τ要大一些。參考信號的載頻信號exp(j2πf0t)與發射信號的載頻信號相同,保證良好的相干性。

若某散射點目標到雷達的距離為R i,雷達接收到的該目標回波信號為

若令RΔ=R ci-Rref,則其差頻輸出為

對于運動較穩定,運動軌跡有規律性的空間目標。由于運動軌跡的規律性,且一定成像時間內,隨機相位誤差很小,基本在π/4誤差范圍內。在包絡對齊之后,方位向的一次相位誤差只使得目標位置在方位向有個平移,不會使得目標分辨率下降。因此可以使用軌道先驗信息,確定目標散射中心到雷達的距離Rref,產生對應的參考信號,對回波數據作解線調處理。這樣,解線調后的差頻與RΔ成正比,完成了回波的包絡對齊。當目標參考距離足夠精確時,從式(12)可以看到,解線調后信號的相位僅包含目標的轉動分量,并將留在距離向FFT后的回波中,因此相參處理同時還完成了對回波的相位補償。

對于ISAR成像,分辨率是決定成像質量的重要參數[6]。與單基地雷達類似,雙基地雷達的距離分辨率同樣受帶寬制約,其在電磁波傳播路徑上的距離分辨率仍為,其中B為信號帶寬,c為光速。但由于雙基地角的存在,使距離像與傳播路徑存在夾角,同時造成目標速度在入射、反射兩條路徑上投影,因此雷達的距離分辨率變為

從式(13)和式(14)可以看出,與單基地雷達ISAR成像相比,雙基地雷達ISAR成像分辨率與目標雙基地角有很大關系,而雙基地角又由基線長短決定,因而基線越短,雙基地角越小,成像分辨率越高。因此,在設計雙基地雷達系統中,發射站與接收站的基線長度選擇十分重要,需要在系統威力和成像分辨率間綜合考慮,找出最優的適合于空間目標的雙基地ISAR成像系統。

3 系統構建

利用靶場現有的單基地雷達系統,設計構建了可用于空間目標ISAR成像的雙基地雷達系統,用于驗證雙基地雷達工程實現中的關鍵技術及對空間目標ISAR成像的效果分析。根據雙基地雷達理論及ISAR成像分辨率等要求,本文在系統設計時主要從以下幾方面進行了考慮:

1)發射站與接收站基線的選取

測量時，以無桿腔為例，首先關閉節流閥6與球閥9，打開充氣支路的球閥10，打開節流閥7，使氣缸快速充氣直至活塞桿完全伸出，等到壓力表5示數穩定后，關閉節流閥7與球閥10。然后在測量支路內，緩慢調節節流閥6，待流量計8示數為0時，打開球閥9，待流量計示數穩定時，流量計8的讀數即為泄漏量。之后按相同方法測量有桿腔的泄漏量。

根據雙基地雷達原理發射站與接收站基線的長度決定了雷達的威力、作用范圍及分辨率,基線越長,雷達作用范圍降低,雙基地角增大,成像分辨率下降;而基線太短發射站與接收站的干擾將增加。因此應選擇合適基線長度,盡量選擇中長基線雙基地雷達。根據雙基地雷達理論,中長基線雙基地雷達應滿足:,從而可根據目前現有的單基地雷達分布構建適合的雙基地雷達系統。

2)雙基地角的選擇

由于雙基地角的存在,雙基地情況下目標RCS主要分為準單基地區(β≤5°)、雙基地區(5°＜β≤135°)、前向散射區(135°＜β≤180°)。在準單基地區和前向散射區雙基地雷達的成像效果均會受到影響,因此應選擇合適雷達布站使觀測到的目標RCS在雙基地區。

3)目標可見性分析

構建的雙基地雷達用于探測目標時還應考慮:(a)對目標的觀測時間應保證發射站、接收站同時可見;(b)構建的雙基地雷達威力應能對需觀測的目標實現探測、跟蹤。

綜合前面的分析及現有靶場條件,按照目前靶場單基地雷達的站點地理信息,通過計算選擇了一臺寬帶目標特性測量雷達可以作為發射站,一臺單脈沖雷達設備作為接收站,構建雙基地雷達系統。并根據兩臺設備站點坐標及式(6)計算得到雙基地雷達基線長度、等效單基地作用距離、最大作用范圍等指標。同時,利用STK軟件仿真了構建的雙基地雷達可觀測的部分空間目標情況,如表1所示。

表1 部分空間目標仿真情況分析

雙基地基線長L=650.48 km;等效單基地作用距離RM=869 km;雙基地雷達最大作用范圍AB=6.4×105km2。

4 試驗驗證

在前面分析的基礎上,構建了雙基地雷達系統進行試驗技術驗證,這里主要對國際空間站(ISS)其中一圈次數據任意兩個弧段進行了成像處理,這兩個成像弧段的基本參數如表2所示。圖3、圖4分別給出了兩個弧段的成像結果。

成像結果表明,構建的雙基地雷達ISAR成像精度與圖5所示單基地雷達成像精度基本相當。分析原因主要是由于受到原設備技術狀態的限制,在后續工程中可通過合理設計發射、接收站工作參數來提高成像精度。但通過該系統的設計構建及技術驗證可為后續開展多基地雷達ISAR成像系統工程化提供技術基礎。

表2 ISS兩個成像弧段的基本參數

注:采樣間隔對應的距離:ts×c/2=0.042 m)

圖3 成像弧段1對應的ISAR圖像

圖4 成像弧段2對應的ISAR圖像(水平極化)

圖5 單基地ISAR圖像

5 結束語

通過對雙基地雷達ISAR成像的系統分析,開展雙基地雷達ISAR成像技術具有重要的軍事意義。本文利用靶場現有資源進行分析計算,設計并構建了可在靶場應用的雙基地雷達系統,通過跟蹤空間目標進行了試驗驗證,并利用外場實測數據實現了雙基地雷達的ISAR成像,因此具有較強的分析應用價值。在今后的工作中通過合理設置發射站、接收站雷達工作參數,使其互相匹配協調工作,必能得到很好的成像效果?？傊?通過本文的研究為工程上開展雙基地雷達ISAR成像提供了可靠的技術依據,充分證明了雙基地雷達ISAR成像的工程可行性。

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[5]趙維力,張群,朱小鵬.雙基地ISAR運動補償算法[J].火力與指揮控制,2012,37(6):100-102.

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