CN110346786B - 用于空间碎片判别和去除的雷达回波信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间碎片判别和去除的雷达回波信号处理方法。主要解决在处理包含空间碎片信息的非相干散射数据时，由于碎片能量过大造成电离层被“隐藏”的问题。其实现方案是：1)获取原始回波数据；2)根据原始回波数据计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值；3)根据自相关函数值，利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测；4)若碎片存在，使用匹配滤波算法进行碎片参数估计；5)利用估计的参数，将碎片从非相干散射结果中去除；6)通过傅里叶变换得到电离层散射谱。本发明方法可行性高，能够有效解决非相干散射雷达信号处理中电离层被“隐藏”的问题，可用于空间碎片的判别和去除。

Description

用于空间碎片判别和去除的雷达回波信号处理方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，特别涉及非相干散射雷达对电离层、空间碎片的探测和回波信号的处理方法，可用于空间碎片的判别和去除。

背景技术

非相干散射雷达是目前地面观测电离层最强大的手段，不仅可以获取电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体径向漂移速度等多个参数，同时在空间目标探测，如：空间碎片、小行星、流行物质等方面也具有重要意义。中国电波传播研究所于2012年在云南曲靖初步建成了我国首套非相干散射雷达，目前已取得了初步的观测结果。

电离层作为近地空间环境中重要的组成部分，直接对天气监测、广播、雷达定位、无线电导航等活动有着巨大影响，因此对电离层的探测显得至关重要。电离层是一种典型的软目标，其回波信号是发射信号受到电子离子无规则热运动的起伏调制后的后向散射信号，非常微弱。而碎片信号是典型的硬目标，当其被雷达波束所照射，回波功率极强。碎片和电离层同时存在时，对非相干散射数据进行处理，只能观测到碎片而无法观测到电离层，这与电离层探测的初衷相违背。

空间碎片是人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染。自1957年第一颗人造卫星发射至今，人类已向太空发射了近6000个航天器。截至2014年底，被例行跟踪且进行编目的地球轨道目标已达16906个，其中只有约5％是工作卫星，其余全是空间碎片。这些被跟踪监测的目标绝大部分大于10cm，而尺寸lcm以上的空间碎片据估计超过50万个，并且碎片的数量还在快速增加。除此之外，空间碎片的平均运动速度是7.8km/s²，高速运动的空间碎片严重威胁着在轨运行航天器的安全，因此，有必要对碎片进行探测，使航天器选择安全的发射窗或指导在轨航天器提前规避。

国内，刘拥军等人在其发表的文章“匹配滤波方法在非相干散射雷达探测空间碎片中的应用”首次尝试使用从常规电离层实验模式下获得的原始数据中提取空间碎片信息，并成功验证了常规电离层试验模式进行空间碎片研究的可行性，除此之外，还提出了基于匹配滤波的碎片信号处理方法，实现了对碎片距离、径向速度、径向加速度、多普勒频移等参数的估计。然而，该试验仅仅证明了可以使用非相干散射雷达在电离层模式下探测碎片，但却没有进一步解决由于碎片能量过大造成的电离层被“隐藏”的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中非相干散射雷达对电离层和空间碎片处理方法的不足，提出一种用于空间碎片判别和去除的雷达回波信号处理方法，以解决目前非相干散射雷达信号处理中电离层被“隐藏”的问题。

实现本发明目的的具体思路是：首先，使用排序统计滤波器进行碎片检测；若检测到碎片存在，则使用匹配滤波器估计碎片的距离、速度等参数；然后，利用估计的参数，将碎片从非相干散射结果中去除。通过对实测电离层数据和仿真碎片数据的分析处理，证明了方法的可行性，对电离层探测具有重要意义。

本发明实现上述目的具体步骤如下：

(1)获取原始回波数据：

雷达接收电离层散射的回波信号，对回波信号进行下变频，得到中频信号，再对该中频信号进行A/D采样，得到待处理的原始回波数据；

(2)根据原始回波数据计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值：

(2.1)设雷达探测距离为[H₁,H₂]Km、雷达距离分辨率为Δh，获取雷达探测距离内第r个可分辨距离处的原始回波数据D；

(2.2)利用高斯滤波器对原始回波数据D进行滤波，得到滤波数据D1，再将滤波数据D1平移τ个码元后得到第二滤波数据D2，

(2.3)计算第r个可分辨距离处、时延τ处的自相关函数R(τ,r)：

R(τ,r)＝D1×D2，

其中τ＝0,1,2,...,M-1，M为发射信号码元个数；

(2.4)根据下式获取第r个可分辨距离处的自相关函数R_r：

(2.5)取r＝1,2,3，...N，重复步骤(2.1)至(2.4)得到雷达探测距离[H₁,H₂]Km内所有可分辨距离处的N个自相关函数值[R₁,R₂,...,R_N]；

(3)根据N个自相关函数值，利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测，判别是否存在碎片：

若不存在碎片，则跳转到步骤(6)，反之执行步骤(4)；

(4)使用匹配滤波算法进行碎片参数估计，得到碎片距离参数h₀；

(5)根据步骤(4)估计得到的碎片距离参数，对空间碎片进行去除：

(5.1)在碎片距离为h₀时，由下式计算得到该高度在探测距离[H₁,H₂]Km内的距离数i：

i＝(h₀-H₁)/Δh+2；

(5.2)将距离数i上下浮动两个距离数，然后比较对应距离的自相关函数R_i-2,R_i-1,R_i,R_i+1,R_i+2,其中最大的自相关值所对应的距离数即为实际碎片距离所对应的距离数；

(5.3)当存在R_i-2＜R_i+1,R_i-1＜R_i+1,R_i＜R_i+1,R_i+2＜R_i+1时，令R_i+1＝(R_i+R_i+2)/2，即使用碎片相邻距离处的自相关函数均值替代碎片所在距离的自相关函数值，完成碎片去除；(6)对雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值进行傅里叶变换，得到电离层散射谱。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明使用排序统计滤波算法对电离层自相关函数进行处理，从而可以获得各个高度自相关值之比，有利于进一步对空间碎片进行判别；

第二，由于本发明采用匹配滤波算法估计空间碎片的高度，从而可以大致确定空间碎片的位置，提高对碎片跟踪监测的准确度；

第三，由于本发明使用空间碎片相邻高度处的功率谱代替碎片所在高度的功率谱的，实现了碎片去除，从而使得被“隐藏”的电离层得以显示。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是带碎片的多高度功率谱仿真图；

图3是带碎片的自相关函数仿真图；

图4是采用本发明方法去除碎片的多高度功率谱仿真图；

图5是采用本发明方法去除碎片的自相关函数仿真图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，并选用两个实施例分别对本发明做进一步描述。

本发明所述雷达为非相干散射雷达，设其探测距离为[H₁,H₂]Km、雷达距离分辨率为Δh、自相关个数为N。其中，H₁≥80Km、H₂≤860Km，即该雷达可探测的最大距离为[80,860]Km；自相关个数N的取值，由雷达探测电离层时所选取的探测距离范围具体确定。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

实施例一：

步骤1：获取原始回波数据：

雷达接收电离层散射的回波信号，具体通过雷达中的接收机获取，并对获取的回波信号进行下变频，得到中频信号，再对该中频信号进行A/D采样，得到待处理的原始回波数据。设置雷达基本参数如下：发射频率500MHz，采集频率6.25MHz，16位二相交替编码，脉冲宽度480us，时延间隔30us，时延个数16，探测距离为250Km至750Km，距离分辨率为4.5Km，自相关个数N＝113，脉冲积累数为10。

步骤2：根据原始回波数据计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值：

(2.1)在雷达探测距离[H₁,H₂]＝[250,750]Km、雷达距离分辨率Δh＝4.5Km时，获取雷达探测距离内第r个可分辨距离处的原始回波数据D；

(2.2)利用高斯滤波器对原始回波数据D进行滤波，得到滤波数据D1，再将滤波数据D1平移τ个码元后得到第二滤波数据D2，

(2.3)计算第r个可分辨距离处、时延τ处的自相关函数R(τ,r)：

R(τ,r)＝D1×D2，

其中τ＝0,1,2,...,M-1，M为发射信号码元个数，本实施例中M＝16；

(2.4)根据下式计算得到第r个可分辨距离处的自相关函数R_r：

(2.5)取r＝1,2,3，…113，重复步骤(2.1)至(2.4)得到雷达探测距离[250,750]Km内所有可分辨距离处的113个自相关函数值[R₁,R₂,...,R₁₁₃]；

步骤3：根据前面步骤计算得到的113个自相关函数值，利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测，判别是否存在碎片：

排序统计滤波器具体通过一组线性函数f(R_r)实现排序统计：

f(R_r)＝a_rR_(r)，      <2>

其中a_r为线性系数，R_(r)为R_r经过正序排列后的自相关函数；

已知雷达探测距离[250,750]Km内所有可分辨距离处的113个自相关函数值为[R₁,R₂,...,R₁₁₃]，以从小到大的顺序对113个计算值进行排序，排序后的结果使用R_(r)描述为R₍₁₎≤R₍₂₎≤...≤R₍₁₁₃₎，进一步通过公式<2>进行计算获取排序统计结果f(R₁,R₂,...,R₁₁₃)：

f(R₁,R₂,...,R₁₁₃)＝a₁R₍₁₎+a₂R₍₂₎+...+a₁₁₃R₍₁₁₃₎，      <3>

各系数根据碎片移除效果进行确定，最终得到a₁₁₃＝1，a₁₁₂＝-1.5，其余取值为0，则式<3>可表示为：

f(R₁,R₂,...,R₁₁₃)＝R₍₁₁₃₎-1.5R₍₁₁₂₎      <4>

该实验中自相关函数最大值为1.5841*10¹¹，次大值为2.8235*10⁸，两者比值大于1.5。由于排序统计结果大于零时，表示检测到碎片；反之，则为未检测到碎片；因此宣布检测到碎片存在，即认为本实施例的非相干散射数据中包含有碎片信息。

步骤4：使用匹配滤波算法进行碎片参数估计，得到碎片距离参数h₀：

使用匹配滤波算法估计的碎片参数包括：碎片距离、径向速度、径向加速度、多普勒频移等，其中碎片距离参数h₀的获取步骤具体如下：

(4.1)根据原始回波数据，计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的113个匹配函数：

其中，h_j为目标距离；v为目标径向速度；z_n为原始回波信号；s_n为发射脉冲信号；λ为波长；s₀为发射脉冲幅度；j为距离门序号，且其取值范围为[1,113]；Q为脉冲积累数；t_s为采样间隔；

(4.2)比较113个匹配函数值的大小，最大匹配函数值所对应的距离和径向速度即为空间碎片距离和径向速度的估计值(h₀,v₀)：

其中，h₀表示估计的空间碎片距离，v₀表示估计的碎片径向速度。

根据刘拥军等人发表的文章“匹配滤波方法在非相干散射雷达探测空间碎片中的应用”，匹配滤波函数M_F是关于碎片距离h和碎片径向速度v的函数，M_F最大值的位置就确定了目标的距离h₀和径向速度v₀的精确值，即：

argM_F(h,v)_max＝(h₀,v₀)     <5>

其中，arg表示自变量，max表示最大值，argM_F(h,v)_max＝(h₀,v₀)表示当M_F取最大值时，变量h的值为h₀，变量v的值为v₀；实验中估计的h₀＝720.92Km，v₀＝1.318m/s。

步骤5：根据步骤4估计得到的碎片距离参数，对空间碎片进行去除：

(5.1)在估计得到的碎片距离h₀＝720.92Km时，根据下式计算该高度在探测距离[250,750]Km内的距离数i：

i＝(h₀-250)/Δh+2，

对i取整数得到：i＝106；

(5.2)因为估计的碎片距离存在一定误差，因此计算得到的距离数i＝106可能并不是实际碎片所对应的距离数，因此，需要将i上下浮动两个距离数，然后比较对应距离的自相关函数R₁₀₄,R₁₀₅,R₁₀₆,R₁₀₇,R₁₀₈,的大小，其中最大的自相关函数所对应的距离数即为实际碎片高度所对应的距离数。

(5.3)当存在R₁₀₄＜R₁₀₇,R₁₀₅＜R₁₀₇,R₁₀₆＜R₁₀₇,R₁₀₈＜R₁₀₇的情况时，令R₁₀₇＝(R₁₀₆+R₁₀₈)/2，即使用碎片相邻距离处的自相关函数均值替代碎片所在距离的自相关函数值，然后进入步骤6，此时即可观察到被“隐藏”的电离层散射谱，完成了碎片去除工作。

步骤6：对雷达探测距离内所有可分辨距离处的113个自相关函数值进行傅里叶变换，得到电离层散射谱。此时，碎片所在距离的自相关函数值已被其相邻距离处的自相关函数均值所替代，从而经过傅里叶变换得到的即为最终所需的电离层散射谱。

实施例二：

步骤A：获取原始回波数据：

雷达接收电离层散射的回波信号，具体通过雷达中的接收机获取，并对获取的回波信号进行下变频，得到中频信号，再对该中频信号进行A/D采样，得到待处理的原始回波数据。设置雷达基本参数如下：发射频率500MHz，采集频率6.25MHz，16位二相交替编码，脉冲宽度480us，时延间隔30us，时延个数16，探测距离为200Km至650Km，距离分辨率为4.5Km，自相关个数N＝102。

步骤B：根据原始回波数据计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值：

(2.1)在雷达探测距离[H₁,H₂]＝[200,650]Km、雷达距离分辨率Δh＝4.5Km时，获取雷达探测距离内第r个可分辨距离处的原始回波数据D；

(2.2)利用高斯滤波器对原始回波数据D进行滤波，得到滤波数据D1，再将滤波数据D1平移τ个码元后得到第二滤波数据D2，

(2.3)计算第r个可分辨距离处、时延τ处的自相关函数R(τ,r)：

R(τ,r)＝D1×D2，

其中τ＝0,1,2,...,M-1，M为发射信号码元个数，本实施例中M＝16；

(2.4)根据下式计算得到第r个可分辨距离处的自相关函数R_r：

(2.5)取r＝1,2,3，...102，重复步骤(2.1)至(2.4)得到雷达探测距离[200,650]Km内所有可分辨距离处的102个自相关函数值[R₁,R₂,...,R₁₀₂]；

步骤C：根据前面步骤计算得到的102个自相关函数值，利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测，判别是否存在碎片：

排序统计滤波器具体通过一组线性函数f(R_r)实现排序统计：

f(R_r)＝a_rR_(r)，        <2>

其中a_r为线性系数，R_(r)为R_r经过正序排列后的自相关函数；

已知雷达探测距离[200,650]Km内所有可分辨距离处的102个自相关函数值为[R₁,R₂,...,R₁₀₂]，以从小到大的顺序对102个计算值进行排序，排序后的结果使用R_(r)描述为R₍₁₎≤R₍₂₎≤...≤R₍₁₀₂₎，进一步通过公式<2>进行计算获取排序统计结果f(R₁,R₂,...,R₁₀₂)：

f(R₁,R₂,...,R₁₀₂)＝a₁R₍₁₎+a₂R₍₂₎+...+a₁₀₂R₍₁₀₂₎    <3>

各系数根据碎片移除效果进行确定，最终得到a₁₀₂＝1，a₁₀₁＝-1.5，其余取值为0，则式<3>可表示为：

f(R₁,R₂,...,R₁₀₂)＝R₍₁₀₂₎-1.5R₍₁₀₁₎     <4>

该实验中自相关函数最大值为1.4757*10⁸，次大值为1.3826*10⁸，两者比值小于1.5。由于排序统计结果小于零时，表示未检测到碎片；因此宣布碎片不存在，即认为本实施例的非相干散射数据中不包含有碎片信息。

步骤D：对雷达探测距离内所有可分辨距离处的102个自相关函数值进行傅里叶变换，得到电离层散射谱。

结合以下的仿真对本发明的应用效果作进一步的说明：

一、仿真条件：在Windows 7环境下，使用软件MATLAB进行仿真实验。

二、仿真内容与结果：

仿真1，针对电离层中所有高度的回波数据，使用非相干散射雷达信号处理方法计算全高度的功率谱图，并使用MATLAB软件对其进行仿真，仿真结果如图2。

由图2可见，虽然使用非相干散射雷达信号处理方法对电离层回波和碎片回波进行了统一处理，但由于碎片是典型的硬目标，当其被雷达波束照射时，回波功率极强。因此，碎片和电离层同时存在时，对非相干散射数据进行处理，只能观测到碎片而无法观测到电离层。

仿真2，针对电离层中所有高度的回波数据，使用非相干散射雷达信号处理方法计算所有时延处的自相关值，并使用MATLAB软件对其进行仿真，仿真结果如图3。

由图3可见，在距离250Km至700Km间自相关值趋近于零，在700Km至800Km间自相关函数在存在最大值，且自相关函数最大值大于次大值的1.5倍，因此判定存在碎片，并认为最大值所在高度为碎片高度。

仿真3，针对电离层中所有高度的回波数据，使用排序统计滤波算法和匹配滤波算法判别碎片并去除碎片，然后计算全高度的功率谱图，并使用MATLAB软件对其进行仿真，仿真结果如图4。

由图4可见，使用排序统计滤波算法和匹配滤波算法判别碎片并去除碎片后，计算得到的全高度功率谱图充分显示了电离层功率谱的完整信息，证明了本专利所提方法的正确性。

仿真4，针对电离层中所有高度的回波数据，使用排序统计滤波算法和匹配滤波算法判别碎片并移除碎片，然后计算所有时延处的自相关值，并使用MATLAB软件对其进行仿真，仿真结果如图5。

由图5可见，使用排序统计滤波算法和匹配滤波算法判别碎片并去除碎片后，计算得到的所有高度的自相关值基本处于同一幅值水平，与图3相比，自相关函数最大值和次大值间相差不大。图5显示了电离层自相关函数的完整信息，充分证明了本专利所提方法的正确性。

综合以上所有仿真结果，采用本发明，能有效且便捷的判别和去除碎片，有效解决了由于碎片能量过大造成的电离层被“隐藏”的问题，充分体现了本发明的可行性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于空间碎片判别和去除的雷达回波信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取原始回波数据：

雷达接收电离层散射的回波信号，对回波信号进行下变频，得到中频信号，再对该中频信号进行A/D采样，得到待处理的原始回波数据；

(2)根据原始回波数据计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值：

(2.1)设雷达探测距离为[H₁,H₂]Km、雷达距离分辨率为Δh，获取雷达探测距离内第r个可分辨距离处的原始回波数据D；

(2.2)利用高斯滤波器对原始回波数据D进行滤波，得到滤波数据D1，再将滤波数据D1平移τ个码元后得到第二滤波数据D2，

(2.3)计算第r个可分辨距离处、时延τ处的自相关函数R(τ,r)：

R(τ,r)＝D1×D2，

其中τ＝0,1,2,...,M-1，M为发射信号码元个数；

(2.4)根据下式获取第r个可分辨距离处的自相关函数R_r：

(2.5)取r＝1,2,3，…N，重复步骤(2.1)至(2.4)得到雷达探测距离[H₁,H₂]Km内所有可分辨距离处的N个自相关函数值[R₁,R₂,...,R_N]；

(3)根据N个自相关函数值，利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测，判别是否存在碎片：

若不存在碎片，则跳转到步骤(6)，反之执行步骤(4)；

(4)使用匹配滤波算法进行碎片参数估计，得到碎片距离参数h₀；

(5)根据步骤(4)估计得到的碎片距离参数，对空间碎片进行去除：

(5.1)在碎片距离为h₀时，由下式计算得到该距离在探测距离[H₁,H₂]Km内的距离数i：

i＝(h₀-H₁)/Δh+2；

(5.2)将距离数i上下浮动两个距离数，然后比较对应距离的自相关函数R_i-2,R_i-1,R_i,R_i+1,R_i+2,其中最大的自相关值所对应的距离数即为实际碎片距离所对应的距离数；

(5.3)当存在R_i-2＜R_i+1,R_i-1＜R_i+1,R_i＜R_i+1,R_i+2＜R_i+1时，令R_i+1＝(R_i+R_i+2)/2，即使用碎片相邻距离处的自相关函数均值替代碎片所在距离的自相关函数值，完成碎片去除；

(6)对雷达探测距离内所有可分辨距离处的自相关函数值进行傅里叶变换，得到电离层散射谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中的雷达为非相干散射雷达，其可探测的最大距离为[80,860]Km，设置雷达基本参数如下：

发射频率500MHz，采集频率6.25MHz，16位二相交替编码，脉冲宽度480us，时延间隔30us，时延个数16，距离分辨率为4.5Km。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中利用排序统计滤波器对空间碎片进行检测，具体通过一组线性函数f(R_r)实现：

f(R_r)＝a_rR_(r)，    <2>

其中a_r为线性系数，R_(r)为R_r经过正序排列后的自相关函数；

取r＝1,2,3，...N，由公式<1>计算得到探测距离[H₁,H₂]Km内的N个自相关函数值[R₁,R₂,...,R_N]，进一步通过公式<2>进行计算获取排序统计结果f(R₁,R₂,...,R_N)：

f(R₁,R₂,...,R_N)＝a₁R₍₁₎+a₂R₍₂₎+…+a_NR_(N)，

当排序统计结果f(R₁,R₂,...,R_N)大于零时，表示检测到碎片；反之，则为未检测到碎片。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中使用匹配滤波算法进行碎片参数估计，估计的参数包括有：碎片距离、径向速度、径向加速度及多普勒频移。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)所述的碎片距离参数h₀，具体通过如下步骤得到：

(4.1)根据原始回波数据，计算雷达探测距离内所有可分辨距离处的N个匹配函数：

其中，h_j为目标距离；v为目标径向速度；z_n为原始回波信号；s_n为发射脉冲信号；λ为波长；s₀为发射脉冲幅度；j为距离门序号，且其取值范围为[1,N]；Q为脉冲积累数；

t_s为采样间隔；

(4.2)比较N个匹配函数值的大小，最大匹配函数值所对应的距离和径向速度即为空间碎片距离和径向速度的估计值(h₀,v₀)：

其中，h₀表示估计的空间碎片距离，v₀表示估计的碎片径向速度。

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