天基噪声雷达空间高速目标探测研究

摘要

随着航天技术的发展，航天在政治、军事、经济等领域的战略地位日益提高，空间目标探测技术也越来越受到各国的重视。空间目标观测雷达可分为地基和天基两种形式。和前者相比，天基目标观测雷达不受大气衰减和电离闪烁等因素的影响，可工作于较高的信号频率，易于实现对小尺度空间目标的观测，并在较高轨道目标观测方面具有优势。噪声雷达由于发射信号无周期，具有理想的图钉型模糊函数，可避免周期性距离模糊，从原理上就非常适合在轨探测远距离高速目标。然而空间目标极高的运动速度使得常规匹配滤波算法性能严重恶化，而对于噪声雷达的运动补偿需要结合噪声雷达的特点来开展研究。本文围绕天基噪声雷达空间高速目标探测的相关问题展开研究，主要工作和创新点包括:
　　1、首先研究了空间目标与天球坐标系（地心惯性坐标系）的位置关系及坐标转换。通过分析雷达坐标系、卫星坐标系、天球坐标系三者之间的关系，推导了空间目标的位置和速度从雷达坐标系到天球坐标系的转换。然后系统地对高速目标回波信号进行了模型分类研究，以噪声调频连续波(Noise Frequency Modulated Continuous Wave，NFMCW)为例对回波模型进行了具体分析，给出了NFMCW雷达的适用条件。针对随机噪声信号的特点提出采用插值法构建高速目标回波信号。从天基雷达发射波形角度分析，仿真并比较了线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW)和NFMCW雷达探测远距离高速目标的性能，表明NFMCW雷达在天基探测高速目标方面具有一定的优势。
　　2、通过对噪声调相连续波雷达(Noise Phase Modulated Continuous Wave Radar，NPMCWR)和噪声调频连续波雷达(Noise Frequency Modulated Continuous Wave Radar，NFMCWR)脉压输出主旁瓣统计规律的研究，推导了噪声调相和噪声调频连续波雷达脉压输出的统计主瓣均方旁瓣比(Statistical Mainlobe to Mean Square Sidelobe Ratio，SMMSSR)和统计主瓣峰值旁瓣比(Statistical Mainlobe to Peak Sidelobe Ratio，SMPSR)的数学表达式，为定量分析NPMCWR和NFMCWR脉压输出主旁瓣比与脉压长度、多普勒频率、带宽等参数的关系提供了理论依据。数学表达式的计算结果与蒙特卡罗(Monte-Carlo，MC)仿真结果很好地吻合，验证了推导结论的正确性。
　　3、对天基噪声雷达空间高速目标“时域相关法”跨距离门相参积累进行了研究，提出了采用单频信号测速生成NFMCW“匹配参考信号”进行时域相关，同时结合单频信号回波与NFMCW回波的共轭处理实现跨距离门相参积累的检测方法，可以大幅度提高距离主旁瓣比。对于多个目标采用基于此方法结合FFT-IFFT法对各目标从大到小依次“Clean”以提高检测目标动态范围的方法。并通过仿真实验证明了上述方法的有效性。
　　4、对天基噪声雷达空间高速目标“频域相关法”跨距离门相参积累进行了研究。讨论了一种快速离散时间尺度变换方法在keystone变换中的应用，针对随机噪声信号非周期的特点，提出采用回波信号等间隔重叠分段法进行二维频域相关处理，结合快速算法实现的keystone变换进行距离徙动校正，能够实现高效的高速目标长时间相参积累，无需先验知识，能同时处理多目标场景。以NFMCW雷达为例，详细推导了处理过程，并通过仿真实验验证了该方法的有效性。
　　5、对天基噪声雷达空间高速目标短时间相参积累进行了研究。提出了采用波形分集和频率分集的多载波技术，并基于“时域相关法”和“频域相关法”进行NFMCW雷达回波短时间相参积累的信号统计处理方法，有效提高了系统输出的主旁瓣比，同时可避免“三跨”现象。最后通过仿真实验验证了该方法的有效性。

目录

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摘要

图表目录

缩写与中英文对照

通用符号说明

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究动态和发展概况

1．2．1 空间目标雷达观测系统的研究动态和发展概况

1．2．2 随机噪声雷达的研究动态和发展概况

1．2．3 高速目标处理算法的研究动态和发展概况

1．3 论文的主要工作及组织结构

2 天基雷达空间目标探测系统分析和回波建模

2．1 引言

2．2 空间目标与天球坐标系的位置关系及坐标转换

2．2．1 天球坐标系

2．2．2 卫星运行轨道参数及模型

2．2．3 卫星在天球坐标系中的位置

2．2．4 空间目标的坐标转换

2．3 高速目标回波信号模型

2．3．1 全时间三种回波模型

2．3．2 二维时间三种回波模型

2．4 随机噪声雷达回波模型及构建

2．4．1 NFMCW雷达回波模型及适用条件

2．4．2 NFMCW的高速目标回波构建

2．5 线性调频和噪声调频天基雷达性能比较

2．5．1 LFMCW雷达目标探测

2．5．2 NFMCW雷达目标探测

2．5．3 仿真和性能比较

2．6 本章小结

3 随机噪声雷达性能分析

3．1 引言

3．2 NPMCWR相关输出主旁瓣比

3．2．1 NPMCWR回波信号模型

3．2．2 NPMCWR脉压处理

3．2．3 统计主瓣均方旁瓣比

3．2．4 统计主瓣峰值旁瓣比

3．2．5 仿真及结果分析

3．3 NPMCW模糊函数

3．3．1 NPMCW模糊函数推导

3．3．2 NPMCW模糊函数仿真

3．4 NFMCWR相关输出主旁瓣比

3．4．1 NFMCWR回波信号模型

3．4．2 统计主瓣均方旁瓣比

3．4．3 统计主瓣峰值旁瓣比

3．4．4 仿真及结果分析

3．5 NFMCW模糊函数

3．5．1 NFMCW模糊函数推导

3．5．2 NFMCW模糊函数仿真

3．6 本章小结

4 基于时域处理的天基噪声雷达空间高速目标探测

4．1 引言

4．2 噪声调频复合单频连续波雷达空间高速目标探测

4．2．1 传统的目标检测原理

4．2．2 “匹配参考”跨距离门相参积累及共轭处理

4．2．3 多目标“CLEAN”检测法

4．3 噪声调频脉冲雷达空间高速目标探测

4．3．1 传统的目标检测原理

4．3．2 多通道“匹配参考”跨距离门相参积累

4．4 本章小结

5 基于频域处理的天基噪声雷达空间高速目标探测

5．1 引言

5．2 keystone变换快速实现算法

5．2．1 keystone变换原理

5．2．2 常用keystone变换实现方法

5．2．3 一种免插值keystone变换快速实现算法

5．2．4 运算复杂度分析

5．2．5 仿真及结果分析

5．2．6 在确定性信号雷达中的应用

5．3 基于快速keystone变换的NFMCWR高速目标探测

5．3．1 回波信号模型

5．3．2 等间隔重叠分段法及频域相关处理

5．3．3 免插值keystone变换校正距离徙动

5．3．4 运算复杂度分析

5．3．5 仿真及结果分析

5．4 本章小结

6 短时间相参积累的天基噪声雷达空间高速目标探测

6．1 引言

6．2 基于波形和频率分集的NFMCW雷达统计处理

6．2．1 基于多载波的NFMCW雷达统计处理

6．2．2 频域相关法NFMCW雷达统计处理

6．2．3 仿真及结果分析

6．3 本章小结

7 结束语

致谢

参考文献

附录