地基雷達(dá)探測中的空間碎片微弱信號(hào)檢測技術(shù)概況

魏欣 吳濤 劉茂國 劉洪林 （裝備學(xué)院）

空間碎片的日益增多，已對(duì)航天活動(dòng)構(gòu)成嚴(yán)峻威脅?？臻g碎片的精確監(jiān)測是對(duì)航天員和飛行器實(shí)施安全防護(hù)的重要前提，也對(duì)空間微小碎片探測能力提出了更高要求。文章對(duì)國外地基雷達(dá)探測空間碎片現(xiàn)狀，以及對(duì)在雷達(dá)微弱信號(hào)檢測技術(shù)方面比較常用的以信號(hào)處理為基礎(chǔ)的長時(shí)間積累檢測技術(shù)和基于時(shí)頻分析的雷達(dá)微弱信號(hào)檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 引言

隨著各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人類航天活動(dòng)的日益頻繁，人們給予空間碎片越來越多的關(guān)注?？臻g碎片是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其碎片和部件?？臻g碎片是空間環(huán)境的主要污染，根據(jù)美國航空航天局(NASA)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前空間碎片以每年大約3%的速度急劇增長。由于空間碎片具有的強(qiáng)大動(dòng)能會(huì)造成航天器損傷及發(fā)生災(zāi)難性失效，其數(shù)量的急劇增加對(duì)人類航天活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此對(duì)在軌衛(wèi)星和空間碎片等空間目標(biāo)的監(jiān)視顯得非常重要。雷達(dá)作為主動(dòng)探測設(shè)備，具有全天時(shí)、全天候、多目標(biāo)大范圍探測等優(yōu)點(diǎn)，因而在中、低軌空間目標(biāo)探測中起主導(dǎo)作用。

地基雷達(dá)探測一般采用機(jī)械掃描跟蹤雷達(dá)或相控陣?yán)走_(dá)，通常可采用3種工作方式：跟蹤方式、束場方式和混合方式，有時(shí)也將束場方式稱為凝視，混合方式稱為盯蹤。目前采用地基雷達(dá)進(jìn)行空間碎片探測具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①需要探測的空間碎片尺寸小，對(duì)航天器構(gòu)成威脅的最小空間碎片約1cm；②空間碎片的數(shù)量多，探測設(shè)備須具有多目標(biāo)探測能力；③空間碎片軌道分布的空域廣，幾乎覆蓋了地球同步軌道以內(nèi)的整個(gè)空間區(qū)域；④空間碎片數(shù)據(jù)量大，需要長期、連貫地掌握和跟蹤空間碎片的狀態(tài)，數(shù)據(jù)分析與處理任務(wù)相當(dāng)繁重；⑤需要以較短的時(shí)間間隔重復(fù)探測空間碎片；⑥需要具備發(fā)現(xiàn)新空間碎片的能力等。

2 國內(nèi)外雷達(dá)探測空間碎片現(xiàn)狀

美國地基雷達(dá)探測空間碎片概況

目前，美國用于空間目標(biāo)普測的裝備是美國空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）?？臻g監(jiān)視網(wǎng)從20世紀(jì)60年代初開始組建，是最早且最大的觀測系統(tǒng)，可以觀測到近地軌道上直徑大于10cm和地球同步軌道上直徑大于1m的空間碎片。

為了達(dá)到連續(xù)跟蹤空間碎片運(yùn)行軌跡的目的，空間監(jiān)視網(wǎng)在世界范圍內(nèi)分別組建了25個(gè)觀測站，可以連續(xù)跟蹤觀測軌道高度在600km以上的空間碎片?？臻g監(jiān)視網(wǎng)早期采用的雷達(dá)頻段為特高頻（UHF），只能觀測到直徑大于10cm的碎片。進(jìn)入21世紀(jì)，美國對(duì)空間監(jiān)視網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，新的監(jiān)視需求為探測近地軌道5cm目標(biāo)，最終目的是探測lcm目標(biāo)。美國空軍從2009年開始計(jì)劃研制新的空間碎片觀測系統(tǒng)，稱為“太空籬笆”(Space Fence)，準(zhǔn)備用來代替空間監(jiān)視網(wǎng)，計(jì)劃在2015年建成，費(fèi)用約為35億美元，采用S頻段，預(yù)計(jì)可提高觀測精度半個(gè)數(shù)量級(jí)，即可以觀測到直徑2cm以上的碎片。

俄羅斯地基雷達(dá)探測空間碎片概況

俄羅斯能用于空間碎片探測的雷達(dá)也大都屬于其空間監(jiān)視系統(tǒng)（SSS），如“第聶伯河”雷達(dá)、“達(dá)里婭”雷達(dá)、Evpatoria雷達(dá)。俄羅斯近年來還投入巨資研制了沃羅涅日－DM和“伏爾加河”兩部新型導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)，并計(jì)劃在其境內(nèi)多處部署，以取代部分陳舊的雷達(dá)，提高導(dǎo)彈防御和空間監(jiān)視的能力。

在提高探測能力方面，俄羅斯還通過提高發(fā)射頻率(如10GHz)、發(fā)射極窄的波束寬度等措施提高現(xiàn)有雷達(dá)對(duì)低軌道小目標(biāo)的探測能力。幾十年來，雖然俄羅斯探測體制基本上沒有太大的改變，但探測技術(shù)穩(wěn)步提升。俄羅斯航天部隊(duì)將致力于研制小尺寸空間監(jiān)視雷達(dá)，用來監(jiān)視俄羅斯本土上的雷達(dá)不能監(jiān)控的區(qū)域；另外，俄羅斯新一代空間監(jiān)視系統(tǒng)的軌道部署計(jì)劃也將付諸實(shí)施，其衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到48顆，有助于俄羅斯實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)太空的監(jiān)控。

德國地基雷達(dá)探測空間碎片概況

德國對(duì)空間碎片的雷達(dá)探測主要依靠德國防務(wù)研究院高頻物理所（FGAN/FHP）的TIRA雷達(dá)和馬克斯-普朗克研究所的Effelsberg雷達(dá)。Effelsberg雷達(dá)的天線口徑為100m，是目前世界上最大的全向轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。TIRA系統(tǒng)由一個(gè)L頻段窄帶單脈沖跟蹤雷達(dá)和一個(gè)Ku頻段高分辨成像雷達(dá)組成，二者共用一個(gè)34m天線。L頻段跟蹤雷達(dá)工作頻率為1.33GHz，1ms脈寬峰值功率為1MW，接收信號(hào)處理采用相關(guān)技術(shù)。TIRA-L頻段窄帶單脈沖跟蹤雷達(dá)能夠探測到1000km高度的2cm大小空間碎片，Effelsberg雷達(dá)能夠探測到1000km高度0.9cm大小空間碎片。

由此可見，德國除覆蓋范圍不如美國外，已具備和美國實(shí)力相當(dāng)?shù)目臻g目標(biāo)探測能力，其目前的主要研究方向是空間目標(biāo)高分辨成像等技術(shù)的研究。

其他地基雷達(dá)探測空間碎片概況

歐洲非相干散射（EISCAT）系統(tǒng)是世界上緯度最高的雷達(dá)系統(tǒng)，分布在北歐的斯堪的納維亞半島，主要由3套雷達(dá)系統(tǒng)組成：Troms?的一部單基地甚高頻（VHF）雷達(dá)，工作頻率224MHz；Longyearbyen的斯瓦爾巴特雷達(dá)（ESR），工作頻率500MHz；分布于Troms?、Kiruna和Sodankyl?的一套三基地特高頻雷達(dá)，工作頻率930MHz。非相干散射系統(tǒng)在1999年以前主要用于高緯度大氣層和電離層的測量，以及北極極光等物理現(xiàn)象的研究。由于距離分辨力太差（600km高度的目標(biāo)測距精度為幾千米），并且主要采用非相參處理，忽略了脈沖間信號(hào)的相參相位信息，也沒有采用有效的脈沖間積累措施，所以進(jìn)行空間碎片研究具有較大的困難。但是，經(jīng)過21世紀(jì)初期的空間碎片測量可行性研究之后發(fā)現(xiàn)，可以在不影響非相干散射系統(tǒng)本身測量任務(wù)的前提下，通過外掛空間碎片接收機(jī)（SDR），采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)的處理方式，大大提高雷達(dá)的靈敏度和精度，達(dá)到了1000km高度2cm大小的空間碎片探測能力。

日本用于空間碎片探測的雷達(dá)包括京都大學(xué)的中高層大氣雷達(dá)（MU）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的Uchinoura和Usuda雷達(dá)。中高層大氣雷達(dá)也能夠探測到500km高度直徑2cm的空間碎片，并且能夠觀察20s空間碎片的雷達(dá)橫截面積（RCS）變化；Uchinoura和Usuda雷達(dá)以收發(fā)分置工作方式能夠探測到500km高度直徑2cm的空間碎片。日本在未來空間碎片探測雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)，最優(yōu)先考慮的是它應(yīng)具有識(shí)別1～10cm物體的靈敏度，并且還應(yīng)該有能力對(duì)未知物體連續(xù)跟蹤至少10s，用于進(jìn)行逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）成像和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

3 空間碎片微弱信號(hào)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

雷達(dá)探測空間碎片等微弱空間目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)雷達(dá)橫截面積較小，回波信號(hào)較弱，信噪比、信雜比極低，噪聲的相關(guān)性也較強(qiáng)，信號(hào)檢測非常困難。因此在現(xiàn)有地基雷達(dá)設(shè)備基礎(chǔ)上提高目標(biāo)探測能力的一個(gè)重要方面，是提高對(duì)其微弱回波信號(hào)的檢測技術(shù)。

微弱信號(hào)長時(shí)間積累檢測技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離（數(shù)千甚至上萬千米）微弱空間目標(biāo)進(jìn)行探測的特殊要求，其中最為有效的手段就是利用信號(hào)處理技術(shù)，以時(shí)間換取能量的“長時(shí)間積累”。長時(shí)間積累技術(shù)能夠充分利用回波信號(hào)信息，更加有效地增加實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)能量，達(dá)到提高單個(gè)回波信噪比的要求，從而提高對(duì)目標(biāo)的檢測性能。

當(dāng)采用長時(shí)間積累時(shí)，目標(biāo)回波多普勒近似為常數(shù)的假設(shè)通常不再成立，目標(biāo)回波包絡(luò)也有可能在多個(gè)分辨單元內(nèi)發(fā)生走動(dòng)，主要包括3種情況：①所考慮的積累時(shí)間內(nèi)目標(biāo)始終位于同一個(gè)距離分辨單元內(nèi)，但多普勒頻率發(fā)生了變化；②存在距離走動(dòng)而無多普勒走動(dòng)；③距離和多普勒走動(dòng)同時(shí)存在的情況。因此，要實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間良好的信號(hào)積累以改善對(duì)信噪比的要求，需要解決低信噪比下對(duì)目標(biāo)回波的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确矫娴膯栴}。積累可以分為相參積累和非相參積累兩種。

（1）相參積累

相參積累時(shí)必須考慮多普勒時(shí)變和距離走動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償處理問題。下面重點(diǎn)介紹針對(duì)多普勒時(shí)變補(bǔ)償處理問題。多普勒時(shí)變特征與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征有關(guān)，將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分為3種情況：①目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)，多普勒恒定，可采用離散傅里葉變換（DFT）進(jìn)行相參積累，利用旋轉(zhuǎn)因子對(duì)各次信號(hào)的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而使信號(hào)相干相加，提高輸出信噪比。②目標(biāo)加速運(yùn)動(dòng)，多普勒線性變化，若仍采用離散傅里葉變換相參積累將不能使長積累時(shí)間內(nèi)的時(shí)變信號(hào)有效地匹配，積累輸出信噪比反而會(huì)下降，檢測性能也隨之降低。③目標(biāo)變速（機(jī)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)，多普勒頻率變化復(fù)雜，此時(shí)目標(biāo)的多普勒回波需要用多項(xiàng)式相位特性描述。目前有關(guān)多項(xiàng)式相位信號(hào)處理的方法有多種，主要有自適應(yīng)小波變換（AWT）、高階模糊函數(shù)（HAF）、匹配傅里葉變換（MFT）、多項(xiàng)式變換（PPT）、多項(xiàng)式Wigner-Ville變換等。多項(xiàng)式相位補(bǔ)償相參積累具有重要的理論研究意義，但其積累性能的提高是以巨大運(yùn)算量為代價(jià)的，從而大大限制了其工程實(shí)用性。因此，采用相位校正因子進(jìn)行相位補(bǔ)償才能夠解決多普勒時(shí)變的積累問題，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，采用不同的算法。

（2）非相參積累

非相參積累是將接收回波序列取模（即去掉相位信息）作跨周期相加。因?yàn)榉窍鄥⒎e累未利用相位信息，所以其檢測性能不如相參積累，但是其計(jì)算過程簡單且容易實(shí)現(xiàn)，因此仍然被廣泛采用，并且檢測前跟蹤（TBD）的提出也拓寬了非相參積累的應(yīng)用領(lǐng)域。

檢測前跟蹤的實(shí)質(zhì)是用時(shí)間換取信噪比，是指在檢測和目標(biāo)航跡確認(rèn)以前的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，然后再利用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行檢測判決，從而剔除虛假目標(biāo)，以檢測和跟蹤低信噪比條件下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。對(duì)于靜止目標(biāo)，幅度相加很容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則在掃描間目標(biāo)的位置發(fā)生了移動(dòng)。所以，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，檢測前跟蹤的關(guān)鍵在于沿目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑積累能量。目前檢測前跟蹤的主要實(shí)現(xiàn)算法有很多，包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、Hough變換法、序貫假設(shè)檢驗(yàn)法和粒子濾波器法等。其中基于Hough變換的方法對(duì)沿徑向作勻速直線運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)具有良好的檢測性能，既可以用于低可觀測信號(hào)的檢測，也能用于強(qiáng)雜波環(huán)境下的多目標(biāo)檢測與跟蹤。

從工程實(shí)現(xiàn)的角度來看，往往好多理論上可行的方法很難直接應(yīng)用于微弱目標(biāo)信號(hào)的檢測，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中的要求是算法的快速有效性，隨著積累時(shí)間增加，需要的資源量，特別是存儲(chǔ)量也大大增加，因此復(fù)雜算法難以適用，只能退而求其次選擇最為經(jīng)典的離散傅里葉變換相參積累算法，這樣性能也能得到一定的保證。最為重要的是，如果能夠預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或輔以軌道信息，并在信號(hào)處理算法的積累過程中進(jìn)行補(bǔ)償，將大幅提升對(duì)微弱目標(biāo)信號(hào)的檢測能力。

基于時(shí)頻分析的雷達(dá)微弱信號(hào)檢測技術(shù)

由于目前用于空間碎片觀測的雷達(dá)，普遍采用的大時(shí)寬帶寬積的線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，雷達(dá)接收信號(hào)亦參雜了各種隨機(jī)干擾，因此，關(guān)于低信噪比、強(qiáng)干擾等情況下的微弱線性調(diào)頻信號(hào)檢測和多分量線性調(diào)頻信號(hào)的檢測也是雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。因?yàn)樵撔盘?hào)是典型的非平穩(wěn)信號(hào)，隨著信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)建立在信號(hào)平穩(wěn)特性基礎(chǔ)之上的傳統(tǒng)信號(hào)處理方法己經(jīng)不能完全適用于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析與處理。于是非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析方法被引入到雷達(dá)信號(hào)處理中，并且大量的研究結(jié)果表明：時(shí)頻分析是一類行之有效的方法。

（1）短時(shí)傅里葉變換（STFT）

短時(shí)傅里葉變換是線性時(shí)頻表示的典型代表，它用窗函數(shù)來截取信號(hào)，并假定信號(hào)在窗內(nèi)是平穩(wěn)的，采用傅里葉變換對(duì)窗內(nèi)信號(hào)進(jìn)行分析，然后沿著信號(hào)移動(dòng)窗函數(shù)，得到信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系，即獲得了所需要的時(shí)頻分布。短時(shí)傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)：它是一種線性變換，不存在交叉項(xiàng)，而且算法簡單。其主要缺陷在于：因?yàn)樗褂靡粋€(gè)固定的短時(shí)窗函數(shù)，是一種單一分辨率的信號(hào)分析方法；若選擇窄的窗，信號(hào)的時(shí)間分辨率高，但頻率分辨率低；若選寬的窗，信號(hào)的頻率分辨率高，但時(shí)間分辨率低；若采用可變窗長或多窗的短時(shí)傅里葉變換方法則可改善譜圖的分辨率，其前提是假定信號(hào)在同一時(shí)間僅存在一種形式的信號(hào)分量。

（2）小波變換

小波變換是將信號(hào)在時(shí)間-尺度空間上描述的一種分析方式，屬于線性變換，它克服了短時(shí)傅里葉變換中固定窗寬的限制，具有對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨分析的功能，能夠根據(jù)信號(hào)的不同成分，自適應(yīng)地選擇窗函數(shù)寬度。在高頻端采用較窄的窗，具有高的時(shí)域分辨力；而對(duì)低頻信號(hào)，則使用較寬的窗，具有較高的頻域分辨力。小波變換擁有塔形快速算法和良好的時(shí)頻局域特性，其缺點(diǎn)是母小波一旦選擇不當(dāng)，應(yīng)用效果會(huì)大受影響。

（3）魏格納-威利分布（WVD）與Cohen類雙線性時(shí)頻分布

從分析方法的時(shí)頻聯(lián)合分辨率來看，雙線性時(shí)頻分布的時(shí)頻聯(lián)合分辨率比線性時(shí)頻分布的要好。魏格納-威利分布是最常用也是最具代表性的雙線性時(shí)頻分布，不僅具有信號(hào)能量分布所要求的大部分特性，還具有較好的聯(lián)合時(shí)頻分辨能力。但是，雙線性時(shí)頻分布不滿足線性疊加原理，從而導(dǎo)致其對(duì)多分量信號(hào)存在嚴(yán)重交叉項(xiàng)，這些交叉項(xiàng)影響了時(shí)頻平面上對(duì)信號(hào)的分析和處理，在低信噪比情況下影響更為嚴(yán)重。為抑制交叉項(xiàng)、改善時(shí)頻分布性能，使用核函數(shù)方法對(duì)魏格納-威利分布的交叉項(xiàng)進(jìn)行平滑，產(chǎn)生了Cohen類雙線性時(shí)頻分布，其中包括偽魏格納-威利分布（PWVD）、平滑魏格納-威利分布（SWVD）、平滑偽魏格納-威利分布（SPWVD）、喬伊-威連姆斯分布（C W D）、錐形核分布（CKD）等等。雖然上述Cohen類雙線性時(shí)頻分布采用固定核函數(shù)進(jìn)行時(shí)頻平滑抑制了部分交叉項(xiàng)，但它是以犧牲整個(gè)時(shí)頻分布的時(shí)頻分辨率為代價(jià)的。

（4）自適應(yīng)核時(shí)頻分布

基于信號(hào)在模糊域上的特點(diǎn)自適應(yīng)設(shè)計(jì)核函數(shù)，可以改善信號(hào)的時(shí)頻分析質(zhì)量，使交叉項(xiàng)得到較好的抑制。當(dāng)噪聲存在的情況下，利用時(shí)頻分布均值、方差與窗長的關(guān)系，自適應(yīng)選擇窗長以保證時(shí)頻分布有最小的方差。該自適應(yīng)核函數(shù)設(shè)計(jì)的時(shí)頻分布同樣的弊端是當(dāng)自項(xiàng)成分與交叉項(xiàng)成分重疊時(shí)，無論核函數(shù)的體積參數(shù)如何取值都不能將信號(hào)項(xiàng)和交叉項(xiàng)分開。

（5）分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FRFT）

分?jǐn)?shù)階傅里葉變換可以視為一類新型的時(shí)頻分析方法，作為傅里葉變換的一種廣義形式，可以解釋為信號(hào)在時(shí)頻平面以π/2的非整數(shù)倍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)任意角度后構(gòu)成的分?jǐn)?shù)階傅里葉域上的表示方法。由于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換可以借助快速傅里葉變換（FFT）來實(shí)現(xiàn)，因此計(jì)算簡便，其一維線性變換特性也使得在處理多分量信號(hào)時(shí)可以避免交叉項(xiàng)的困擾，且可以理解為Chirp基分解。目前其數(shù)字實(shí)現(xiàn)和快速算法的研究是一大難點(diǎn)。

現(xiàn)在應(yīng)用比較多的是時(shí)頻分布與Hough變換相結(jié)合的檢測方法，并且研究的發(fā)展趨勢是將沃爾什-哈達(dá)瑪變換（WHT）中的魏格納-威利分布替換為一種具有強(qiáng)交叉項(xiàng)抑制能力，同時(shí)又能保持良好的時(shí)頻分辨率的時(shí)頻分布，如重排類時(shí)頻分布等。

4 結(jié)束語

與日俱增的空間碎片其嚴(yán)重的危害性不言而喻，尤其是分布在中低軌道上的碎片會(huì)對(duì)各國的航天器帶來隱患。隨著信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，地基雷達(dá)對(duì)于低信噪比和強(qiáng)干擾等情況下的雷達(dá)微弱信號(hào)檢測能力日益強(qiáng)大。文中概述了微弱信號(hào)長時(shí)間積累檢測技術(shù)和基于時(shí)頻分析的檢測技術(shù)，這些方法的使用都具有一定的針對(duì)性，實(shí)際使用過程中視具體情況而定。考慮到工程實(shí)現(xiàn)的可行性和快速有效性，部分性能優(yōu)秀的檢測算法無法在工程上應(yīng)用，因此對(duì)空間微小目標(biāo)的探測之路任重而道遠(yuǎn)。