(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094)

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,人類(lèi)的空間活動(dòng)日益頻繁,空間人造物體的數(shù)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(kāi)展空間目標(biāo)監(jiān)視、識(shí)別等技術(shù),已經(jīng)成為十分重要的課題。

地基逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)技術(shù),由于其良好的橫向距離分辨能力,連同寬帶信號(hào)的高徑向距離分辨能力,因而可以產(chǎn)生目標(biāo)的精細(xì)二維反射率圖像。雙基地雷達(dá)以其在電子戰(zhàn)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與潛力,已成為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。相對(duì)于常規(guī)的單基地雷達(dá)ISAR成像,雙(多)基地雷達(dá)能夠獲取的目標(biāo)信息更可靠、更豐富,系統(tǒng)也更安全。因此,利用雙(多)基地雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)展ISAR成像在空間監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航制導(dǎo)、國(guó)土防空等方面將有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 雙基地雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)計(jì)

雙基地雷達(dá)采用兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的基地,其中一個(gè)放置發(fā)射機(jī),另一個(gè)放置相應(yīng)的接收機(jī)。其中目標(biāo)檢測(cè)與單基地雷達(dá)類(lèi)似,即發(fā)射機(jī)照射目標(biāo)、接收機(jī)檢測(cè)和處理目標(biāo)回波。目標(biāo)定位也與單基地雷達(dá)類(lèi)似,但需要求解發(fā)射機(jī)-目標(biāo)-接收機(jī)構(gòu)成的三角函數(shù)關(guān)系[2]。圖1給出了雙基地雷達(dá)工作原理圖,其中T x和R x分別為發(fā)射站和接收站,RT和RR為發(fā)射站和接收站到目標(biāo)的距離,L為發(fā)射站和接收站之間的距離,稱(chēng)為基線,θT和θR分別是發(fā)射站和接收站的視角,β為雙基地角。則根據(jù)雙基地雷達(dá)方程可得

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

圖1 雙基地雷達(dá)原理圖

為了便于分析推導(dǎo),引入“等效單基地作用距離”概念,將雙基地雷達(dá)等效為單基地雷達(dá)研究?！暗刃位刈饔镁嚯x”即指具有相同發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參數(shù)的單基地雷達(dá)的作用范圍,記為RM。易見(jiàn)RM與(RTRR)max間滿足關(guān)系:

為方便分析,將式(1)右邊記為常數(shù):

kB稱(chēng)為雙基地雷達(dá)的最大距離積。這樣,雙基地雷達(dá)的最大作用范圍可以表示為

由于雷達(dá)方程中損耗因子Ls未知,使用式(1)對(duì)雙基地雷達(dá)作用距離進(jìn)行估計(jì)存在較大誤差,這里利用單基地發(fā)射站參數(shù)進(jìn)行修正的方法得到。具體方法是,假定發(fā)射站在單基地方式下工作時(shí)的最大作用距離為Rm,比較單基地雷達(dá)方程和式(1),易知:Simin為發(fā)射站接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)功率;PRmin為接收站接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)功率;Cσ(β)為目標(biāo)散射截面積的衰減因子。

因此,只要知道發(fā)射站、接收站相應(yīng)雷達(dá)參數(shù),就可估計(jì)出等效單基地作用距離,從而合理設(shè)計(jì)跟蹤目標(biāo)情況。同時(shí),由式(6)可知,雙基地雷達(dá)的最大作用范圍是一個(gè)卡西尼卵形,即雙基地雷達(dá)的威力范圍隨基線長(zhǎng)度變化。因此,通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)射、接收站間基線長(zhǎng)度,可實(shí)現(xiàn)雙基地雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)的ISAR成像。

2 空間目標(biāo)雙基地雷達(dá)ISAR成像

與空中目標(biāo)逆合成孔徑成像相比較,空間目標(biāo)有一些自己的特點(diǎn),例如,目標(biāo)速度較快、成像處理的軌跡弧度較長(zhǎng)以及目標(biāo)距離較遠(yuǎn)等。這些都增加了空間目標(biāo)高分辨成像的難度。

雙基地雷達(dá)ISAR成像原理與單基地雷達(dá)ISAR成像原理基本相同,也是利用對(duì)寬帶信號(hào)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(nèi)不同位置的點(diǎn)靠其相對(duì)于雷達(dá)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率進(jìn)行分辨,從而實(shí)現(xiàn)ISAR成像[3]。

對(duì)于ISAR成像,雷達(dá)是固定不動(dòng)的,目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)可以分解為平動(dòng)和繞雷達(dá)視線轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分,后者對(duì)成像是有貢獻(xiàn)的,因此應(yīng)采用合理的成像算法消除掉目標(biāo)平動(dòng)的部分,提取目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)程一般包括速度補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(包絡(luò)對(duì)齊、相位校準(zhǔn))兩部分。

速度補(bǔ)償:對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),各散射點(diǎn)的速度可分為平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度兩部分。平動(dòng)速度帶來(lái)了目標(biāo)的越距離單元徙動(dòng)現(xiàn)象,并產(chǎn)生了脈內(nèi)多普勒調(diào)制,造成目標(biāo)的橫向散焦。速度補(bǔ)償就是要消除平動(dòng)速度的脈內(nèi)多普勒調(diào)制,僅保留對(duì)成像有貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度部分。在單基地雷達(dá)中,目標(biāo)位置可以通過(guò)窄帶雷達(dá)跟蹤得到,速度可以通過(guò)距離進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于雙基地雷達(dá)而言,v是目標(biāo)速度在發(fā)射站和接收站上的投影和,即發(fā)射徑向速度和接收站徑向速度之和,由于接收站不主動(dòng)發(fā)射脈沖測(cè)距,因此速度和距離的耦合將導(dǎo)致接收站測(cè)速困難。在目標(biāo)為軌道目標(biāo)的情況下,可以利用目標(biāo)的軌道數(shù)據(jù),或目標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量v與接收站目標(biāo)距離解決這一問(wèn)題[4]。

圖2 ISAR成像流程圖

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償:成像前需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)消除目標(biāo)與雷達(dá)之間的平移運(yùn)動(dòng)而只保留目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償分為包絡(luò)對(duì)齊和相位校正兩步,包絡(luò)對(duì)齊使相鄰重復(fù)周期的回波信號(hào)在距離向?qū)R,相位校正準(zhǔn)則把目標(biāo)距離走動(dòng)造成的多普勒頻移補(bǔ)償?shù)簟鹘y(tǒng)的相位校正沒(méi)有采用外加校正源的辦法,只利用了目標(biāo)回波本身數(shù)據(jù)進(jìn)行初相誤差校正,即回波自聚焦。這一過(guò)程要求使用要求很高的精度,因此又稱(chēng)為精補(bǔ)償,并且在很大程度上決定了成像的質(zhì)量。而目前利用目標(biāo)回波本身數(shù)據(jù)的自聚焦方法同樣依賴(lài)目標(biāo)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(jié)果。但是,在低信噪比情況下,得到的相位校正因子會(huì)有較大偏差,從而造成初相校正誤差并最終使圖像散焦[5]。考慮到空間目標(biāo)自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,本文采用了利用軌道目標(biāo)本質(zhì)上為合作目標(biāo)的特性,結(jié)合軌道先驗(yàn)信息,對(duì)回波進(jìn)行相位補(bǔ)償,從而使回波在脈間相參,擺脫相位補(bǔ)償對(duì)回波幅度信息的依賴(lài),提高成像性能。

假設(shè)發(fā)射信號(hào)可表示為

發(fā)射時(shí)刻為慢時(shí)間t m=m T(m=0,1,2,…),快時(shí)間信號(hào)包絡(luò)為矩形脈沖為中心頻率,τ為脈沖

寬度,μ為調(diào)頻斜率。

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

若某散射點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的距離為R i,雷達(dá)接收到的該目標(biāo)回波信號(hào)為

若令RΔ=R ci-Rref,則其差頻輸出為

對(duì)于運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定,運(yùn)動(dòng)軌跡有規(guī)律性的空間目標(biāo)。由于運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律性,且一定成像時(shí)間內(nèi),隨機(jī)相位誤差很小,基本在π/4誤差范圍內(nèi)。在包絡(luò)對(duì)齊之后,方位向的一次相位誤差只使得目標(biāo)位置在方位向有個(gè)平移,不會(huì)使得目標(biāo)分辨率下降。因此可以使用軌道先驗(yàn)信息,確定目標(biāo)散射中心到雷達(dá)的距離Rref,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的參考信號(hào),對(duì)回波數(shù)據(jù)作解線調(diào)處理。這樣,解線調(diào)后的差頻與RΔ成正比,完成了回波的包絡(luò)對(duì)齊。當(dāng)目標(biāo)參考距離足夠精確時(shí),從式(12)可以看到,解線調(diào)后信號(hào)的相位僅包含目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)分量,并將留在距離向FFT后的回波中,因此相參處理同時(shí)還完成了對(duì)回波的相位補(bǔ)償。

對(duì)于ISAR成像,分辨率是決定成像質(zhì)量的重要參數(shù)[6]。與單基地雷達(dá)類(lèi)似,雙基地雷達(dá)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(hào)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(shí)造成目標(biāo)速度在入射、反射兩條路徑上投影,因此雷達(dá)的距離分辨率變?yōu)?/p>

從式(13)和式(14)可以看出,與單基地雷達(dá)ISAR成像相比,雙基地雷達(dá)ISAR成像分辨率與目標(biāo)雙基地角有很大關(guān)系,而雙基地角又由基線長(zhǎng)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(shè)計(jì)雙基地雷達(dá)系統(tǒng)中,發(fā)射站與接收站的基線長(zhǎng)度選擇十分重要,需要在系統(tǒng)威力和成像分辨率間綜合考慮,找出最優(yōu)的適合于空間目標(biāo)的雙基地ISAR成像系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)構(gòu)建

利用靶場(chǎng)現(xiàn)有的單基地雷達(dá)系統(tǒng),設(shè)計(jì)構(gòu)建了可用于空間目標(biāo)ISAR成像的雙基地雷達(dá)系統(tǒng),用于驗(yàn)證雙基地雷達(dá)工程實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)及對(duì)空間目標(biāo)ISAR成像的效果分析。根據(jù)雙基地雷達(dá)理論及ISAR成像分辨率等要求,本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下幾方面進(jìn)行了考慮:

1)發(fā)射站與接收站基線的選取

測(cè)量時(shí)，以無(wú)桿腔為例，首先關(guān)閉節(jié)流閥6與球閥9，打開(kāi)充氣支路的球閥10，打開(kāi)節(jié)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(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉節(jié)流閥7與球閥10。然后在測(cè)量支路內(nèi)，緩慢調(diào)節(jié)節(jié)流閥6，待流量計(jì)8示數(shù)為0時(shí)，打開(kāi)球閥9，待流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，流量計(jì)8的讀數(shù)即為泄漏量。之后按相同方法測(cè)量有桿腔的泄漏量。

根據(jù)雙基地雷達(dá)原理發(fā)射站與接收站基線的長(zhǎng)度決定了雷達(dá)的威力、作用范圍及分辨率,基線越長(zhǎng),雷達(dá)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(fā)射站與接收站的干擾將增加。因此應(yīng)選擇合適基線長(zhǎng)度,盡量選擇中長(zhǎng)基線雙基地雷達(dá)。根據(jù)雙基地雷達(dá)理論,中長(zhǎng)基線雙基地雷達(dá)應(yīng)滿足:,從而可根據(jù)目前現(xiàn)有的單基地雷達(dá)分布構(gòu)建適合的雙基地雷達(dá)系統(tǒng)。

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(biāo)RCS主要分為準(zhǔn)單基地區(qū)(β≤5°)、雙基地區(qū)(5°＜β≤135°)、前向散射區(qū)(135°＜β≤180°)。在準(zhǔn)單基地區(qū)和前向散射區(qū)雙基地雷達(dá)的成像效果均會(huì)受到影響,因此應(yīng)選擇合適雷達(dá)布站使觀測(cè)到的目標(biāo)RCS在雙基地區(qū)。

3)目標(biāo)可見(jiàn)性分析

構(gòu)建的雙基地雷達(dá)用于探測(cè)目標(biāo)時(shí)還應(yīng)考慮:(a)對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)保證發(fā)射站、接收站同時(shí)可見(jiàn);(b)構(gòu)建的雙基地雷達(dá)威力應(yīng)能對(duì)需觀測(cè)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)探測(cè)、跟蹤。

綜合前面的分析及現(xiàn)有靶場(chǎng)條件,按照目前靶場(chǎng)單基地雷達(dá)的站點(diǎn)地理信息,通過(guò)計(jì)算選擇了一臺(tái)寬帶目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)可以作為發(fā)射站,一臺(tái)單脈沖雷達(dá)設(shè)備作為接收站,構(gòu)建雙基地雷達(dá)系統(tǒng)。并根據(jù)兩臺(tái)設(shè)備站點(diǎn)坐標(biāo)及式(6)計(jì)算得到雙基地雷達(dá)基線長(zhǎng)度、等效單基地作用距離、最大作用范圍等指標(biāo)。同時(shí),利用STK軟件仿真了構(gòu)建的雙基地雷達(dá)可觀測(cè)的部分空間目標(biāo)情況,如表1所示。

表1 部分空間目標(biāo)仿真情況分析

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在前面分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了雙基地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證,這里主要對(duì)國(guó)際空間站(ISS)其中一圈次數(shù)據(jù)任意兩個(gè)弧段進(jìn)行了成像處理,這兩個(gè)成像弧段的基本參數(shù)如表2所示。圖3、圖4分別給出了兩個(gè)弧段的成像結(jié)果。

成像結(jié)果表明,構(gòu)建的雙基地雷達(dá)ISAR成像精度與圖5所示單基地雷達(dá)成像精度基本相當(dāng)。分析原因主要是由于受到原設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的限制,在后續(xù)工程中可通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)射、接收站工作參數(shù)來(lái)提高成像精度。但通過(guò)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建及技術(shù)驗(yàn)證可為后續(xù)開(kāi)展多基地雷達(dá)ISAR成像系統(tǒng)工程化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

表2 ISS兩個(gè)成像弧段的基本參數(shù)

注:采樣間隔對(duì)應(yīng)的距離:ts×c/2=0.042 m)

圖3 成像弧段1對(duì)應(yīng)的ISAR圖像

圖4 成像弧段2對(duì)應(yīng)的ISAR圖像(水平極化)

圖5 單基地ISAR圖像

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙基地雷達(dá)ISAR成像的系統(tǒng)分析,開(kāi)展雙基地雷達(dá)ISAR成像技術(shù)具有重要的軍事意義。本文利用靶場(chǎng)現(xiàn)有資源進(jìn)行分析計(jì)算,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了可在靶場(chǎng)應(yīng)用的雙基地雷達(dá)系統(tǒng),通過(guò)跟蹤空間目標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,并利用外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了雙基地雷達(dá)的ISAR成像,因此具有較強(qiáng)的分析應(yīng)用價(jià)值。在今后的工作中通過(guò)合理設(shè)置發(fā)射站、接收站雷達(dá)工作參數(shù),使其互相匹配協(xié)調(diào)工作,必能得到很好的成像效果?？傊?通過(guò)本文的研究為工程上開(kāi)展雙基地雷達(dá)ISAR成像提供了可靠的技術(shù)依據(jù),充分證明了雙基地雷達(dá)ISAR成像的工程可行性。

[1]李學(xué)勇.雙/多基地雷達(dá)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2013,33(2):4-8.

[2]徐曉靖,劉克勝,查林.一種基于DBF的雙基地雷達(dá)系統(tǒng)的性能分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2004,2(6):327-332. XU Xiao-jing,LIU Ke-sheng,ZHA Lin.Performance Analysis and Experiment Research of a DBF-Based Bistatic Radar System[J].Radar Science and Technology,2004,2(6):327-332.(in Chinese)

[3]PALMER J,HOMER J,LONGSTAFF I D,et al. ISAR Imaging Using an Emulated Multistatic Radar System[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2005,41(4):1464-1472.

[4]董健,尚朝軒,高梅國(guó),等.空間目標(biāo)雙基地ISAR成像的速度補(bǔ)償研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2010,5(1):78-85.

[5]趙維力,張群,朱小鵬.雙基地ISAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法[J].火力與指揮控制,2012,37(6):100-102.

[6]DENG D,ZHANG Q,LUO Y,et al.Resolution and Micro-Doppler Effect in Bi-ISAR System[J].Journal of Radar,2013,2(2):152-167.