CN102680975A - 一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法 - Google Patents

Abstract

一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，针对天基步进频分时和差测角体制雷达对空间高速非合作目标高分辨成像问题，通过合理的雷达参数设计和信号流程设计，将目标跟踪算法嵌入到成像算法中，利用一套发射信号时序即可实现分时和/差窄波束雷达二维跟踪成像功能，解决空间目标在成像过程中超出雷达波束范围条件下的成像问题。

Description

一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法

技术领域

本发明涉及一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，属于天基雷达跟踪成像领域，用于对空间非合作目标进行高分辨跟踪成像，输出目标的二维图像信息。

背景技术

空间非合作目标远距离探测要求天线具有高的增益，因此天线波束宽度一般较窄；同时，由于空间飞行器相对运动速度巨大，因此，在成像时间内，空间非合作目标将超出波束范围，无法得到理想的ISAR成像效果。例如，天基雷达波束宽度1.3°，如图1所示，假设系统所需的ISAR成像分辨率为0.15m，则成像相干积累转角为4.2°。由于成像相干积累转角大于波束宽度，因此必须在成像的同时实时跟踪测量目标，修正目标角度偏量，使目标始终处于波束照射区内。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，采用边跟踪边成像的方法对目标进行测量和高分辨成像，将雷达跟踪信号嵌入到成像信号中，完成步进频脉冲综合、ISAR成像和单脉冲测角功能。通过合理的发射波形时序设计，在完成目标成像所需的时间内，保证目标始终处于雷达波束宽度之内，解决ISAR成像时间内目标超出波束宽度范围的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，步骤如下：

(1)设置雷达参数，包括：波束切换时间T₁、处理周期时间间隔和距离分段起始点；

(2)当雷达捕获到目标之后，在一个测量周期内，雷达按照步骤(1)中设置的参数发射步进频综合脉冲信号并接收目标回波信号，进行步进频综合脉冲处理，合成宽带高分辨信号；

(3)雷达发射单脉冲测角信号，之后雷达利用和波束接收目标的回波信号，下一个脉冲重复周期，雷达采用方位差波束对目标的回波信号进行接收，再下一个脉冲重复周期，雷达采用俯仰差波束对目标的回波信号进行接收，以上三个脉冲重复周期即完成了一次测角信号的接收；；

(4)重复步骤(3)，重复次数与相干积累脉冲个数Nacc相等，即完成了一组测角信号的接收，之后根据单脉冲测角原理对目标的角度信息进行解算，得到目标方位角和俯仰角；

(5)根据步骤(4)得到目标方位角和俯仰角调整天线的波束中心指向，之后返回步骤(2)，直到天线被调整的满足预设的等效积累转角，进入步骤(6)；

(6)根据ISAR算法对步骤(2)中合成的宽带高分辨信号进行处理，从而得到目标的二维图像输出。

所述波束切换时间T₁应满足：

T₁≤2R_min/c-τ；

其中，τ为雷达的脉冲时宽，R_min为雷达的最近作用距离，c为光速；

所述处理周期时间间隔为步进频脉冲综合脉冲时间T₃和单脉冲测角时间T₂之和，且满足：

T₃+T₂≤CPI_max

其中，脉冲重复间隔的上限CPI_max＝λ/(2ω_minL)，L为目标方位维尺寸，ω_min为等效旋转角速度且ω_min＝v/r，其中v为雷达与目标之间的相对速度，r为目标与雷达之间的距离。

所述距离分段起始点的具体设置方法如下：

第一个距离分段起始点即为雷达的最近作用距离R_min，第二个距离分段起始点为第一个距离分段的最大作用距离，第三个距离分段起始点为第二个距离分段的最大作用距离，以此类推，直到计算出的R_MAX(i+1)≥R_MAX为止；

每段的最大作用距离 $R_{\mathrm{MA}{X}_i}={\left[\frac{P_t{\mathrm{\σG}}^2{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{\mathrm{KTB}}_n{F}_n\left(10^{\left({\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{opt}}\right)}\right)}\right]}^{1/4},$ 其中，R_MAX为雷达的最远作用距离，

为雷达发射功率，

为目标雷达散射截面积，G为天线增益，

为雷达波长，K为玻尔兹曼常数，T为标准室温，

为噪声系数，

为雷达系统检测信噪比，

为噪声带宽且

N_acc为相干积累脉冲个数，prf为脉冲重复频率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

目前用于雷达二维成像的算法都是基于目标在成像过程中均处于波束照射区域内的假设的，事实上地面或机载雷达该假设几乎都是成立的。空间非合作目标远距离探测，要求天线具有较高的增益，天线波束宽度较窄；同时，由于空间非合作目标成像需要较高的分辨率，因此需要较大的相干积累角度。当积累相干角度大于波束宽度时，目前的算法将不再适用，因此，空间非合作机动目标成像过程中不可避免的需要引入连续角度跟踪算法。本发明的成像方法，通过合理的雷达参数设计和信号流程设计，将目标跟踪算法嵌入到成像算法中，利用一套发射信号时序即可实现分时和/差窄波束雷达二维跟踪成像功能，输出目标的距离、速度、二维角度和二维图像信息。

附图说明

图1为空间目标ISAR成像几何关系示意图；

图2为本发明方法中成像模式下雷达发射波形时序图；

图3为ISAR成像步骤流程图；

图4为本发明流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，如图4所示，步骤如下：

(1)设置雷达参数，包括：波束切换时间T₁、处理周期时间间隔和距离分段起始点；

对于可重构天线，单脉冲测角功能所需的和差波束是通过控制开关二极管形成的，例如接收方位差信号时，首先发射和波束，然后快速控制开关二极管矩阵，使天线口面方向图变为方位差方向图，由和波束方向图切换至差波束方向图所需时间定义为波束切换时间T₁。

波束切换时间由脉冲时宽τ和最近作用距离R_min共同决定，波束切换时间T₁应满足：

T₁≤2R_min/c-τ；                            (1)

其中，τ为雷达的脉冲时宽，R_min为雷达的最近作用距离，c为光速；即须保证接收差波束方向图需在最近距离回波达到前完全生成。

将图2中每个处理周期定义为一个CPI(脉冲重复间隔)，为实现ISAR方位向无模糊采样，脉冲重复间隔CPI应满足：

$\mathrm{CPI}\≤\mathrm{\λ}/\left(2\mathrm{\ωL}\right)---\left(2\right)$

目标的等效旋转角速度

可表示为

$\mathrm{\ω}=\arcsin (v/r)\≈v/r---\left(3\right)$

处理周期时间间隔为步进频脉冲综合脉冲时间T₃和单脉冲测角时间T₂之和，且满足：

T₃+T₂≤CPI_max                            (4)

其中，脉冲重复间隔的上限CPI_max＝λ/(2ω_minL)，L为目标方位维尺寸，ω_min为等效旋转角速度且ω_min＝v/r，其中v为雷达与目标之间的相对速度，r为目标与雷达之间的距离。

公式(4)为本发明设计雷达时序的准则，但从公式(3)也可以看出，脉冲重复间隔会随着作用距离的减小而减小，如果采用统一的时间划分，当距离减小到一定程度后，准则(4)将无法满足。

步进频综合时间由单个脉冲重复频率prf和步进频脉冲个数Nstp决定，而单脉冲测角积累时间与信噪比有关，作用距离减小后，单个回波信噪比增强，相应的相干积累时间会缩短。因此，考虑进行距离段划分，减小单脉冲测角积累时间，保证准则(4)的成立。

距离分段起始点的具体设置方法如下：

第一个距离分段起始点即为雷达的最近作用距离R_min，第二个距离分段起始点为第一个距离分段的最大作用距离，第三个距离分段起始点为第二个距离分段的最大作用距离，以此类推，直到计算出的R_MAX(i+1)≥R_MAX为止；

每段的最大作用距离 $R_{\mathrm{MA}{X}_i}={\left[\frac{P_t{\mathrm{\σG}}^2{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{\mathrm{KTB}}_n{F}_n\left(10^{\left({\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{opt}}\right)}\right)}\right]}^{1/4},---\left(5\right)$ 其中，R_MAX为雷达的最远作用距离，为雷达发射功率，

为目标雷达散射截面积，G为天线增益，为雷达波长，K为玻尔兹曼常数，T为标准室温，

为噪声系数，为雷达系统检测信噪比，

为噪声带宽且

N_acc为相干积累脉冲个数，prf为脉冲重复频率。

上述参数中，最近作用距离R_min，最远作用距离R_MAX均为雷达输入指标要求。脉冲宽度τ，脉冲重复间隔CPI，目标方位维尺寸L，脉冲重复频率prf，步进频脉冲个数N，雷达发射功率

目标雷达散射截面积

天线增益G，雷达波长

玻尔兹曼常数K，标准室温T，噪声带宽

噪声系数

雷达系统检测信噪比

为雷达系统参数。

(2)雷达在运动过程中发射捕获信号并接收目标反射的回波信号，如图1所示，利用恒虚警检测技术判断目标有无，并通过时延初步判断目标的距离。雷达捕获到目标后，进入成像模式，按照图2所示的雷达波形时序发射并接收目标信号，在一个测量周期内，雷达按照步骤(1)中设置的参数发射步进频综合脉冲信号并接收目标回波信号，进行步进频综合脉冲处理，合成宽带高分辨信号；

(3)雷达发射单脉冲测角信号，之后雷达利用和波束接收目标的回波信号，下一个脉冲重复周期，雷达采用方位差波束对目标的回波信号进行接收，再下一个脉冲重复周期，雷达采用俯仰差波束对目标的回波信号进行接收，以上三个脉冲重复周期即完成了一次测角信号的接收；

(4)重复步骤(3)，重复次数与相干积累脉冲个数N_acc相等，即完成了一组测角信号的接收，之后根据单脉冲测角原理对目标的角度信息进行解算，得到目标方位角和俯仰角，用于调整天线指向使目标始终处于波束照射范围内；

(5)根据步骤(4)得到目标方位角和俯仰角调整天线的波束中心指向，之后返回步骤(2)，直到天线被调整的满足预设的等效积累转角，进入步骤(6)；

(6)根据ISAR算法对步骤(2)中合成的宽带高分辨信号进行处理，具体步骤如图3所示，雷达将步骤(2)中得到的高分辨信号经过距离压缩、距离对准、相位补偿、方位压缩等步骤后即可完成图像信息解算，从而得到目标的二维图像输出。

具体实例说明：

如图1所示，设定雷达输入指标参数如下：雷达最远作用距离为65km，成像分辨率要求达到0.15m×0.15m，雷达发射频率为33.55GHz(射频波长8.9mm)，最近作用距离1.5km，雷达发射信号时宽为8us，目标方位维尺寸10m，目标运动速度100m/s，脉冲子带宽度200MHz，合成带宽1.2GHz，步进频脉冲个数M＝6，玻尔兹曼常数K＝1.38×10^-23J/K，标准室温T＝290K，噪声系数F_n＝5dB，目标散射截面积σ＝10dBsm，雷达平均发射功率P_t＝1W，天线增益G＝40dB。

(1)首先根据公式(1)～(5)设置雷达参数：

根据公式(1)设定波束切换时间T₁：

T₁≤2R_min/c-τ＝2×1500/(3×10⁸)-8×10^-6＝2us

即波束切换时间需小于2us。

根据公式(2)～(5)设定处理周期时间间隔和距离分段。

首先根据最近作用距离1.5km和公式(2)计算在该距离段下目标的等效旋转角速度ω＝arcsin(v/r)≈v/r＝0.067rad/s，根据公式(3)可以计算出脉冲重复间隔CPI应满足：CPI≤λ/(2ωL)＝6.6ms。步进频脉冲综合脉冲时间T₁＝M×prf₁＝3ms，根据公式(4)则单脉冲测角时间(T₂)应满足T₂≤CPI_max-T₁＝3.6ms，因此，噪声带宽B_n＝1/T₂＝277.7Hz，则根据公式(5)可以计算出第一距离段的作用距离上限为：

$R_{\mathrm{MA}X1}={\left[\frac{P_t{\mathrm{\σG}}^2{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{\mathrm{KTB}}_n{F}_n\left(10^{\left({\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{opt}}\right)}\right)}\right]}^{1/4}=25.8\mathrm{km}$

则根据上述分析，距离段1的距离范围为[1.5km～25.8km]。而后以距离段1的最远作用距离25.8km为第二段的距离起始，计算距离段2下目标的等效旋转角速度为ω＝arcsin(v/r)≈v/r＝0.0039rad/s，根据公式(3)可以计算出脉冲重复间隔CPI应满足：CPI≤λ/(2ωL)＝115ms。步进频脉冲综合脉冲时间T₁＝M×prf₂＝4.8ms，根据公式(4)则单脉冲测角时间(T₂)应满足T₂≤CPI_max-T₁＝110ms，因此，噪声带宽B_n＝1/T₂＝9Hz，则根据公式(5)可以计算出第二距离段的作用距离上限为：

$R_{\mathrm{MAX}2}={\left[\frac{P_t{\mathrm{\σG}}^2{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{\mathrm{KTB}}_n{F}_n\left(10^{\left({\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{opt}}\right)}\right)}\right]}^{1/4}=60.95\mathrm{km}$

则根据上述分析，距离段2的距离范围为[25.8km～60.95km]。而后以距离段2的最远作用距离60.95km为第三段的距离起始，计算距离段3下目标的等效旋转角速度为ω＝arcsin(v/r)≈v/r＝0.0016rad/s，根据公式(3)可以计算出脉冲重复间隔CPI应满足：CPI≤λ/(2ωL)＝278ms。步进频脉冲综合脉冲时间T₁＝M×prf₃＝4.8ms，根据公式(4)则单脉冲测角时间(T₂)应满足T₂≤CPI_max-T₁＝273.2ms，因此，噪声带宽B_n＝1/T₂＝3.6Hz，则根据公式(5)可以计算出第三距离段的作用距离上限为：

$R_{\mathrm{MAX}2}={\left[\frac{P_t{\mathrm{\σG}}^2{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{\mathrm{KTB}}_n{F}_n\left(10^{\left({\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{opt}}\right)}\right)}\right]}^{1/4}=76.7\mathrm{km}\≥R_{\mathrm{MAX}}=75\mathrm{km}$

则根据上述分析，距离段3的距离范围为[60.95km～75km]。至此，距离段划分结束。

(2)发射雷达射频信号，通过恒虚警检测判断有无发现目标；如果有则进入步骤(3)，如果没有继续重复步骤(2)；

(3)在一个测量周期内，首先发射并接收步进频综合脉冲信号，发射信号带宽为200MHz，发射6个脉冲信号，进行步进频综合脉冲处理，合成带宽为1.2GHz的高分辨信号；

(4)发射单脉冲测角信号，最初利用和波束接收，下一个脉冲重复周期采用方位差波束进行接收，再下一个周期选择俯仰差波束接收，以上三个脉冲重复周期完成一次测角信号的侦收；

(5)按照积累脉冲个数的要求完成一组(T₂时间内)测角信号的侦收，即可利用单脉冲测角原理对目标的角度信息进行解算；

(6)以上三个步骤即完成了一个周期信号的处理，根据上一周期角度解算结果调整下一周期天线波束中心指向；

(7)重复上述操作直到满足成像所需等效积累转角，利用ISAR算法对各处理周期得到的步进频综合后的高分辨信号进行处理，从而得到目标的二维图像输出。(ISAR成像算法流程如图3所示)

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，其特征在于步骤如下：

(1)设置雷达参数，包括：波束切换时间T₁、处理周期时间间隔和距离分段起始点；

(2)当雷达捕获到目标之后，在一个测量周期内，雷达按照步骤(1)中设置的参数发射步进频综合脉冲信号并接收目标回波信号，进行步进频综合脉冲处理，合成宽带高分辨信号；

(3)雷达发射单脉冲测角信号，之后雷达利用和波束接收目标的回波信号，下一个脉冲重复周期，雷达采用方位差波束对目标的回波信号进行接收，再下一个脉冲重复周期，雷达采用俯仰差波束对目标的回波信号进行接收，以上三个脉冲重复周期即完成了一次测角信号的接收；

(4)重复步骤(3)，重复次数与相干积累脉冲个数N_acc相等，即完成了一组测角信号的接收，之后根据单脉冲测角原理对目标的角度信息进行解算，得到目标方位角和俯仰角；

(5)根据步骤(4)得到目标方位角和俯仰角调整天线的波束中心指向，之后返回步骤(2)，直到天线被调整的满足预设的等效积累转角，进入步骤(6)；

(6)根据ISAR算法对步骤(2)中合成的宽带高分辨信号进行处理，从而得到目标的二维图像输出。

2.根据权利要求1所述的一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，其特征在于：所述波束切换时间T₁应满足：

T₁≤2R_min/c-τ；

其中，τ为雷达的脉冲时宽，R_min为雷达的最近作用距离，c为光速。

3.根据权利要求1所述的一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，其特征在于：所述处理周期时间间隔为步进频脉冲综合脉冲时间T3 和单脉冲测角时间T₂之和，且满足：

T₃+T₂≤CPI_max

其中，脉冲重复间隔的上限CPI_max＝λ/(2ω_minL)，L为目标方位维尺寸，ω_min为等效旋转角速度且ω_min＝v/r，其中v为雷达与目标之间的相对速度，r为目标与雷达之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种天基步进频分时测角雷达空间非合作目标成像方法，其特征在于：所述距离分段起始点的具体设置方法如下：

第一个距离分段起始点即为雷达的最近作用距离R_min，第二个距离分段起始点为第一个距离分段的最大作用距离，第三个距离分段起始点为第二个距离分段的最大作用距离，以此类推，直到计算出的R_MAX(i+1)≥R_MAX为止；

每段的最大作用距离

其中，R_MAX为雷达的最远作用距离， 

为雷达发射功率， 

为目标雷达散射截面积，G为天线增益， 

为雷达波长，K为玻尔兹曼常数，T为标准室温， 

为噪声系数， 

为雷达系统检测信噪比， 

为噪声带宽且 

N_acc为相干积累脉冲个数，prf为脉冲重复频率。 

Images