非相干散射雷達(dá)的高信噪比空間物體距離測量方法

丁宗華 唐志美 代連東 吳健 許正文

(中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

非相干散射雷達(dá)的高信噪比空間物體距離測量方法

丁宗華 唐志美 代連東 吳健 許正文

(中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

非相干散射雷達(dá)是目前地基電離層探測的強(qiáng)大手段,同時在空間物體探測方面也具有重要應(yīng)用前景．當(dāng)空間物體回波信噪比很高時,可以利用單個脈沖進(jìn)行目標(biāo)檢測,而無需相干積累．非相干散射雷達(dá)常采用相位編碼脈沖,在單個相位編碼脈沖內(nèi)存在多次相位翻轉(zhuǎn),此相位翻轉(zhuǎn)在接收機(jī)濾波后顯示一定坡度,通過搜索此坡度曲線上具有最大斜率的坡度點可高精度確定發(fā)射-接收回波脈沖內(nèi)各對應(yīng)相位翻轉(zhuǎn)的時間差以及對應(yīng)的距離,對這些距離值進(jìn)行加權(quán)最小二乘擬合,即可給出該回波脈沖對應(yīng)的空間物體距離及誤差估計值．利用歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(European Incoherent Scatter Scientific Association,EISCAT)實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),距離誤差可達(dá)數(shù)十米量級,遠(yuǎn)優(yōu)于以往的基于發(fā)射-接收回波脈沖前沿時間差方法．

非相干散射雷達(dá);空間物體;高信噪比;距離;相位翻轉(zhuǎn)

引 言

隨著人類航天活動的日益頻繁,空間碎片等空間物體數(shù)目日益增多,對人類空間活動和國家安全等帶來了嚴(yán)重影響,同時為空間和天文科學(xué)研究提出了更多機(jī)遇和挑戰(zhàn),也對空間物體探測提出了更高要求．在諸多探測方法中,地基雷達(dá)具有探測精度高、探測覆蓋區(qū)域廣、不受氣象條件限制等優(yōu)點,一直是空間物體探測的主要探測手段．但是我國目前專用的地基空間物體探測手段十分有限,需要不斷加強(qiáng)．

電離層非相干散射雷達(dá)具有發(fā)射功率強(qiáng)(大于1 MW)、天線增益高(高于40 dB)、系統(tǒng)噪聲溫度低(約100 K)等特點,是目前地基電離層觀測的強(qiáng)大手段,同時在空間碎片等空間物體硬目標(biāo)探測方面具有重要應(yīng)用價值．2012年初,中國電波傳播研究所在云南曲靖建成了我國首套非相干散射雷達(dá)[1],為有關(guān)實驗研究提供了條件．

由于研究條件所限,國內(nèi)外的非相干散射雷達(dá)空間物體探測實驗工作較少,日本、歐洲和俄羅斯等學(xué)者均開展過有關(guān)研究[2-5]．歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(European Incoherent Scatter Scientific Association,EISCAT)從1990年后期開始全面系統(tǒng)地開展了非相干散射雷達(dá)的空間碎片探測實驗研究,研制了專門的空間碎片信號處理與數(shù)據(jù)終端機(jī),實現(xiàn)了對低地球軌道小尺寸空間碎片的波束駐留探測能力,近年來以Markkanen為代表不斷改進(jìn)探測實驗、數(shù)據(jù)分析和處理方法,推動了非相干散射雷達(dá)和空間物體探測技術(shù)的發(fā)展[6-7]．國內(nèi)相關(guān)工作甚少,中國電波傳播研究所參照EISCAT的工作,詳細(xì)介紹了非相干散射雷達(dá)空間物體探測中的匹配濾波方法,并利用EISCAT非相干散射雷達(dá)原始采樣數(shù)據(jù),提取了空間碎片距離、速度、目標(biāo)散射截面等參數(shù),初步分析了北極地區(qū)空間碎片參數(shù)的統(tǒng)計分布特征[8-11]．

非相干散射雷達(dá)的空間物體回波被接收后,通過匹配濾波方法[9-10]測量接收回波脈沖相對發(fā)射脈沖的時延來計算空間物體距離,其精度與信號采樣時間間隔、信噪比等有關(guān),比如對1 us采樣間隔,其對應(yīng)的距離測量精度約150 m,這對空間物體的精確定軌來說是不夠的．實際上發(fā)射和接收脈沖的前后沿常被噪聲和干擾信號所污染,發(fā)射機(jī)自身相位漂移等都對脈沖相位和幅度產(chǎn)生影響,這些給基于發(fā)射-接收脈沖前沿/后沿時延差的距離測量帶來了更多誤差．

對于較大尺寸的空間物體目標(biāo),其回波信噪比較高,此時不需相干積累即可從單個回波脈沖實現(xiàn)空間物體的檢測和參數(shù)提?。硗夥窍喔缮⑸淅走_(dá)常采用相位編碼脈沖(如交替碼、巴克碼),在單個相位編碼脈沖內(nèi)存在多次相位翻轉(zhuǎn)(從-180°變?yōu)?80°稱為正相位翻轉(zhuǎn),反之為負(fù)相位翻轉(zhuǎn)),每次發(fā)射-接收相位翻轉(zhuǎn)的時間差可給出一個距離測量,因此從單個相位編碼脈沖即可得到多個距離測量及其誤差估計．鑒于此,Markkanen[7]提出了基于發(fā)射-接收回波脈沖各相位翻轉(zhuǎn)時間差的高精度距離測量方法．本文利用自主的實驗數(shù)據(jù)(2015年10月利用EISCAT 非相干散射雷達(dá)開展了自主的空間碎片實驗),國內(nèi)首次對該方法進(jìn)行了詳細(xì)分析和驗證,同時探討了該方法的不足．

1 信號處理與分析方法

1.1 脈沖校準(zhǔn)

為了精確獲得非相干散射雷達(dá)發(fā)射脈沖與接收回波脈沖內(nèi)各相位翻轉(zhuǎn)之間的時間差,首先需要對發(fā)射和接收脈沖進(jìn)行校準(zhǔn)．

發(fā)射脈沖幅度通常會出現(xiàn)輕微變化(EISCAT實驗發(fā)現(xiàn),發(fā)射脈沖幅度是線性下降的,通常約百分之幾),同時相位漂移對發(fā)射脈沖相位具有一定影響,這等效為一個額外的多普勒頻移．為了校準(zhǔn)這些影響,對發(fā)射脈沖進(jìn)行如下模擬:

z(t)=A·(1-βt)·E(t)·exp(2πivdt)+ε(t) .

(1)

式中:A是復(fù)幅度;β是實常數(shù);vd為等效多普勒頻移;E(t)為理想交替碼的調(diào)制包絡(luò)(取值為1或-1);ε(t)為噪聲．由非線性最小二乘擬合法可確定以上模型系數(shù)(在擬合時靠近相位翻轉(zhuǎn)處的數(shù)據(jù)點被忽略),當(dāng)模型參數(shù)確定后,即可得到理想的交替碼發(fā)射脈沖．

對于接收回波脈沖的校準(zhǔn),首先利用通常的匹配濾波方法[7-8]確定空間物體的距離和速度初值,此處的距離初值用于從原始數(shù)據(jù)中提取空間物體回波脈沖數(shù)據(jù),速度初值用于回波脈沖的多普勒頻移校準(zhǔn)．回波脈沖具有相似的調(diào)制包絡(luò)以及幅度相位變化特征,但是它具有目標(biāo)運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移．可采用類似辦法對接收回波脈沖進(jìn)行校準(zhǔn)．由于回波信噪比很高,因此可以精確地校準(zhǔn)其幅度和相位變化．

1.2 脈沖相位翻轉(zhuǎn)

發(fā)射或接收回波脈沖的相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)表明相鄰采樣數(shù)據(jù)的相位發(fā)生了顯著變化,為此需定義一個相位變化的門限值(如1弧度),超過此門限表明可能發(fā)生了相位翻轉(zhuǎn),由此初步確定發(fā)射或接收回波脈沖中的相位翻轉(zhuǎn)位置．圖1為EISCAT非相干散射雷達(dá)發(fā)射脈沖和接收脈沖采樣實部,脈沖寬度為1 920us,采樣時延間隔為1us,因此數(shù)據(jù)采樣點數(shù)為1 920．由于采用了交替碼相位調(diào)制,在一個脈沖內(nèi)出現(xiàn)了多次相位翻轉(zhuǎn),圖1中共出現(xiàn)27次相位翻轉(zhuǎn)．

(a) 發(fā)射脈沖實部采樣

(b) 接收脈沖實部采樣圖1 非相干散射雷達(dá)發(fā)射和接收脈沖采樣

1.3 脈沖相位翻轉(zhuǎn)時間的確定

雷達(dá)接收機(jī)實際上是一個濾波器,其濾波特性可由脈沖響應(yīng)函數(shù)來表示,接收機(jī)輸出信號就是脈沖響應(yīng)和回波信號的卷積．對相位翻轉(zhuǎn)來說,濾波過程就相當(dāng)于脈沖響應(yīng)和階梯函數(shù)的卷積(即濾波器的階梯響應(yīng)),從而使得濾波后的相位偏移呈一定斜坡度變化,而不是尖銳變化．?dāng)?shù)據(jù)采樣間隔應(yīng)略小于脈沖響應(yīng)的長度,這樣保證至少一個數(shù)據(jù)點位于斜坡曲線內(nèi),稱為斜坡點,此斜坡點對應(yīng)的時間即為相位翻轉(zhuǎn)時間．對理想的接收機(jī)脈沖響應(yīng),正負(fù)相位翻轉(zhuǎn)中的斜度點將關(guān)于零對稱．圖2為非相干散射雷達(dá)接收機(jī)脈沖響應(yīng)和正負(fù)相位翻轉(zhuǎn)的階梯響應(yīng),可見在脈沖響應(yīng)最大值附近的相位翻轉(zhuǎn)階梯響應(yīng)具有最大斜率．從非相干散射雷達(dá)實測數(shù)據(jù)確定相位翻轉(zhuǎn)時間的具體步驟是:1)首先確定發(fā)射或接收回波脈沖中相位變化(兩個相鄰采樣數(shù)據(jù)相位之差的絕對值)超過一定門限的數(shù)據(jù)點,搜索這些數(shù)據(jù)點附近幅度變化最大的數(shù)據(jù)點,視為初值斜坡點．2)在階梯響應(yīng)函數(shù)曲線上搜索與此初值斜坡點幅度對應(yīng)的時間,視為修正量．3)初值斜坡點與修正量一起確定了最終的斜坡點時間,也就是最終的相位翻轉(zhuǎn)時間．

(a) 接收機(jī)脈沖響應(yīng)

(b) 相位翻轉(zhuǎn)對應(yīng)的階梯脈沖響應(yīng)圖2 非相干散射雷達(dá)接收機(jī)脈沖響應(yīng)和 相位翻轉(zhuǎn)階梯響應(yīng)

下面分析相位翻轉(zhuǎn)時間的誤差,它包括系統(tǒng)誤差(階梯響應(yīng)函數(shù)模型誤差)和隨機(jī)噪聲誤差．假設(shè)接收機(jī)濾波器的階梯響應(yīng)為p(t),相位翻轉(zhuǎn)時間τs對應(yīng)的信號值為s,設(shè)時延τ和信號值s為隨機(jī)變量,ε為零均值高斯噪聲,RSN為信噪比,σε為噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差,則

s=p(τ)+ε.

(2)

(3)

當(dāng)s已知時,τ滿足條件概率密度分布,可表示為

(4)

當(dāng)信噪比很高時(通常對于大尺寸空間物體)σε很小,D(τ|s)具有窄的尖峰．這里στ為相位翻轉(zhuǎn)時間的標(biāo)準(zhǔn)偏差,可表示為

(5)

式(5)表明已知信噪比時,若斜坡點時間對應(yīng)于脈沖響應(yīng)最大值,則可高精度地確定相位翻轉(zhuǎn)時間．這也對應(yīng)于階梯響應(yīng)的最大斜率處,此時階梯響應(yīng)變化引起的相位翻轉(zhuǎn)時間變化量最小．

1.4 距離測量

(6)

假定在單個脈沖反射期間(脈沖寬度為1 920us)的空間物體視線速度不變,則單個脈沖反射期的空間物體距離隨時間滿足線性變化,對單個脈沖內(nèi)多次相位翻轉(zhuǎn)對應(yīng)的多個距離測量值進(jìn)行加權(quán)最小二乘擬合,通過擬合可得到一個距離及誤差估計值,此距離估計值相對于以往的接收-發(fā)射脈沖時延法來說精度具有很大提高．

2 實測數(shù)據(jù)分析與討論

2015年10月我們利用EISCAT500MHz非相干散射雷達(dá)(海拔445m,地理經(jīng)度16°01'E,地理緯度78°09'N)開展了首次北極空間物體凝視觀測實驗,實驗中采用64位交替碼,碼元寬度30us,脈沖寬度1 920us,脈沖重復(fù)周期為20ms,數(shù)據(jù)采樣率為1MHz,雷達(dá)波束方位角和仰角分別固定為90°和75°,天線增益約42.5dB,半功率波束寬度為1.1°,系統(tǒng)噪聲溫度約70K,每個脈沖周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)均被連續(xù)采樣,這樣單個重復(fù)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)為20 000個復(fù)采樣點,接收機(jī)濾波器脈沖響應(yīng)為高斯型,其脈沖長度為2.2us．

圖3為某個脈沖內(nèi)的原始采樣數(shù)據(jù),從中可見在第4 300個采樣位置處(通過匹配濾波檢測,計算其距離約644.40km)出現(xiàn)強(qiáng)散射回波,其信噪比約130,可認(rèn)為此處存在高信噪比的空間物體目標(biāo)．

圖3 單個脈沖周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)

圖4為單個發(fā)射和接收脈沖內(nèi)的27個斜坡點的位置修正量,其中圓圈代表正相位翻轉(zhuǎn),星號為負(fù)相位翻轉(zhuǎn)．

(a) 發(fā)射脈沖斜坡點

(b) 接收脈沖斜坡點圖4 發(fā)射和接收脈沖的斜坡點位置

從圖4中27個相位翻轉(zhuǎn)可計算27個距離測量值,對這些測量值采用加權(quán)最小二乘擬合,見圖5,可得到此脈沖內(nèi)的空間物體距離擬合值及其誤差估計．橫坐標(biāo)零時刻表示具有最小擬合誤差的某相位翻轉(zhuǎn)對應(yīng)的空間物體反射時間(它對應(yīng)最終距離),縱軸表示測量值相對最終距離的偏差,不帶誤差棒表示該測量值對應(yīng)的斜坡點離階梯響應(yīng)最大斜率處較遠(yuǎn)(即誤差較大),擬合時舍棄不帶誤差棒的數(shù)據(jù),由此可得該脈沖對應(yīng)的空間物體最終距離(644 337.4m)和誤差估計(18.50m)．

圖5 由單個脈沖內(nèi)各相位翻轉(zhuǎn)計算的距離及其誤差

圖6為采用以往的匹配濾波方法[9-10]分析上文相同數(shù)據(jù)得到每個脈沖內(nèi)的信噪比和空間物體距離,脈沖寬度1 920us,脈沖重復(fù)周期為20ms．空間物體穿越雷達(dá)波束期間的回波信噪比和距離一般滿足平穩(wěn)、連續(xù)變化特征,我們?nèi)】臻g物體穿越整個波束期間的最大信噪比時刻(圖6(a)中圓圈表示)對應(yīng)的距離643.35km作為空間物體距離估計值．由于單個脈沖重復(fù)周期內(nèi)僅得到一個距離測量值,因此無法給出其誤差估計．此處計算信噪比時,我們利用每個脈沖重復(fù)周期內(nèi)遠(yuǎn)離空間物體回波的采樣數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)長度為1 920點)計算背景噪聲．由于原始數(shù)據(jù)中存在干擾信號等原因,影響了對空間物體的檢測、信噪比和距離計算,甚至出現(xiàn)目標(biāo)的錯誤檢測(虛警)和參數(shù)的錯誤計算．

(a) 不同脈沖重復(fù)周期對應(yīng)的信噪比

(b) 不同脈沖重復(fù)周期對應(yīng)的空間物體距離圖6 采用以往匹配濾波方法提取的空間物體參數(shù)

從圖4～6可知,以往匹配濾波方法利用發(fā)射-接收脈沖的時間差作為空間物體距離測量值,不能對其誤差進(jìn)行定量估計,其測量誤差由脈沖波形、信噪比和采樣間隔等決定,一般為數(shù)百米以上．而本文方法首先利用單個脈沖內(nèi)各發(fā)射-接收相位翻轉(zhuǎn)時間差計算其對應(yīng)的空間物體距離及其誤差,對高的信噪比其均方根誤差為十米量級,因此本文方法不僅測量精度高,而且可給出定量的誤差估計．

以上結(jié)果表明本方法得到的距離精度可達(dá)數(shù)十米量級,遠(yuǎn)優(yōu)于以往的基于發(fā)射-接收脈沖前沿時間差的距離測量方法．但是若將本方法用于空間物體精密定軌和碰撞預(yù)警等,尚需進(jìn)一步考慮和修正以下誤差．首先，由于非相干散射雷達(dá)主要用于電離層觀測,對雷達(dá)站地理坐標(biāo)、天線三軸中心等精度要求不高,這直接影響了對空間物體距離、位置等測量精度．其次,空間物體散射信號在電離層和接收機(jī)系統(tǒng)里的傳播時延等可能導(dǎo)致數(shù)十米以上誤差，特別是在電離層劇烈擾動和較低仰角探測時,雷達(dá)至空間物體的信號傳播路徑不再是直線,由電離層折射產(chǎn)生的距離誤差更大,可到數(shù)百米．再次,有一些因素會影響到距離擬合誤差，比如,假定信號模型中幅度為常數(shù)或規(guī)則變化,這僅適用于無尺寸點目標(biāo)．較大尺寸的不規(guī)則目標(biāo)具有多個強(qiáng)的散射中心,干涉效應(yīng)會對回波脈沖幅度和相位產(chǎn)生調(diào)制．此外,本文方法的實際距離測量精度還需結(jié)合空間物體精確軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗證．

3 結(jié) 論

非相干散射雷達(dá)是目前地基電離層監(jiān)測的強(qiáng)大手段,在空間碎片等探測方面也具有重要應(yīng)用潛力．以往的非相干散射雷達(dá)空間碎片探測研究中,主要利用發(fā)射和接收脈沖前后沿時間差來測量距離,其測量精度受脈沖前/后沿波形、采樣間隔等影響,測量精度一般為數(shù)百米量級．

本文參照EISCAT的最新工作,結(jié)合自主實測數(shù)據(jù)詳細(xì)介紹了基于相位編碼脈沖內(nèi)多次相位翻轉(zhuǎn)的高信噪比空間物體距離測量方法．該方法基于兩點考慮:1)相位編碼脈沖內(nèi)存在多次相位翻轉(zhuǎn),因此基于發(fā)射-接收脈沖之間的多次相位翻轉(zhuǎn)時間差測量可實現(xiàn)多次距離測量．2)假定單個相位編碼脈沖(本文脈沖寬度為1 920us)內(nèi)空間物體速度為常數(shù),其距離隨時間線性變化．因此對單個脈沖內(nèi)的多次距離測量進(jìn)行最小二乘擬合,可得到單個脈沖內(nèi)的最佳距離估計值和誤差估計值．

本方法可一定程度克服以往方法中由于噪聲和干擾所致脈沖波形畸變引起的較大誤差,距離誤差可達(dá)數(shù)十米量級,這對利用我國曲靖非相干散射雷達(dá)開展空間物體的高精度探測,提升我國的空間物體監(jiān)測預(yù)警能力具有重要現(xiàn)實指導(dǎo)意義．下一步,需結(jié)合空間物體精確軌道數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析非相干散射雷達(dá)的空間物體測量誤差以及修正方法,以期逐步提高非相干散射雷達(dá)的空間物體參數(shù)實際測量精度．

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The range measurement of space object with high signal to noise ratio based on the incoherent scatter radar

DING Zonghua TANG Zhimei DAI Liandong WU Jian XU Zhengwen

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The incoherent scatter radar(ISR) is a main tool for monitoring the ionosphere on the ground, and can also be used to detect the space objects. When the signal to noise ratio is a bit high, only one pulse is needed to detect the space object and the coherent integration is unnecessary. There usually exist many phase flips in the radar phase-modulated pulses. When the echo pulse with phase flips is filtered by the receiver, the resulting phase flips are not sharp but consist of many slopes. By investigating the echo amplitude variation within this slope, the time difference between the transmission and reception sub-pulse and then the range measurements are known. Then all these range measurements during one pulse are applied to a weighted least-square fitting, which gives the range and its error estimation. By analyzing the EISCAT raw data, it is found that the range error is about several tens of meters,which is far better than that from the frequently-used method based on time difference between the transmission and reception pulse.

incoherent scatter radar; space object; high signal to noise ratio; range; phase flip

10.13443/j.cjors.2016092702

2016-09-27

十二五民用航天預(yù)研基金

TN958

A

1005-0388(2016)06-1081-06

丁宗華 (1978-),男,湖北人,博士,高級工程師,研究方向為電離層非相干散射探測與電波傳播．

唐志美 (1993-),女,貴州人， 碩士研究生,研究方向為空間碎片信號處理與數(shù)據(jù)分析．

代連東 (1988-),男,河北人，碩士,工程師,研究方向為非相干散射探測與實驗．

丁宗華, 唐志美, 代連東,等. 非相干散射雷達(dá)的高信噪比空間物體距離測量方法 [J].電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(6):1081-1086.

DING Z H, TANG Z M, DAI L D,et al. The range measurement of space object with high signal to noise ratio based on the Incoherent Scatter Radar [J].Chinese journal of radio science,2016,31(6):1081-1086.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016092702

聯(lián)系人： 丁宗華 E-mail：zhdingmou@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016092702