空间目标距离像畸变分析及运动参数估计.pdf

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1、2Ol4年6月中国空间科学技术第3期ChineseSpaceScienceandTechnology——空间目标距离像畸变分析及运动参数估计杜小勇张乐锋胡卫东(国防科学技术大学自动目标识别重点实验室，长沙410073)摘要针对卫星目标的宽带雷达回波信号，从理论上详细分析了目标运动产生的多项式相位模型，指出三次以上的相位对一维距离像的畸变可以忽略。以频谱主瓣的展宽程度为判据，推导了二次相位需补偿时的目标速度边界条件。结果表明，在典型参数条件下卫星目标的径向速度远大于该I临界速度(约560m／s)，需在成像前予以补偿。最后，结合雷达目标散射中心的稀疏分布特性，提出

2、了基于L范数的空间目标运动参数估计算法。结果表明，该算法对速度的估计误差接近克拉美罗下界，且远小于临界速度，可用于卫星目标成像。关键词雷达成像；运动参数估计；L范数；空间监视；卫星目标D()I：10．3780／i．issn．1000—758X．2014．03．0011引言高分辨雷达作为一种重要的传感器，可对卫星等空间目标进行成像，从而估计卫星目标的尺寸、判断重要部件(如太阳能板)的工作状态等，为目标识别和属性分析提供更多的信息，是空间态势感知的重要手段。卫星的高速运动会在脉冲持续时间内产生附加的高次相位，导致距离像展宽和幅度下降。文献[1—2]通过仿真分别展示

3、了速度和加速度分别为一3000m／s、口===40m／s。和一7000m／s、a一50g两种情况下一维距离像的畸变情况，并由此确定用三次多项式相位信号来描述雷达基带回波，但并没有单独考虑速度和加速度项对距离像畸变的贡献。文献E3]则通过仿真试验说明加速度对距离像的影响可以忽略。可见，目前的结论以仿真为主，缺乏完整、定量的理论分析，有必要从理论上说明应如何定量评估目标运动及其对距离像的影响，包括三次以上的附加相位是否需要补偿、什么条件下需要补偿二次相位等。对于多项式相位补偿问题，常用的方法有两类：一是基于分量信号参数估计的补偿方法，如双线性变换法]、离散调频傅里

4、叶变换(Chirp—FFT)Es]、分数阶傅里叶变换(FrFT)E等。它们应用较为广泛，估计效果较好，但计算量较大，且需要分离各信号分量之间的相互影响。二是基于距离像整体度量的最小熵法等]，相对而言有较高的计算效率。本文结合卫星目标的动力学特性，从理论上全面分析了目标运动引起的多项式相位对距离像的畸变特性，回答了次相位是否需要补偿、二次相位在什么情况下需要补偿等理论问题，并从信号稀疏表示的角度提出了一种基于L范数的速度参数估计方法，在保持估计性能的同时进一步提高了计算效率，有利于卫星目标实时成像。国家自然科学基金(61002021)资助项目收稿Et期：2O13

5、-10-11。收修改稿日期：201403—11中国空间科学技术2014年6月2回波信号模型雷达和空间目标的几何位置如图1所示。在信号发射的起始时刻，目标固连坐标系为Oxy，Oy与雷达视线方向重合；目标上的0点到雷达的距离为，一。。本文主要讨论目标高速运动(平动)对一维距离像的影响，因此只考虑目标的径向运动，径向速度记为，径向加速度记为n，Oy为正方向。记P图1雷达一目标坐标系为目标上的第k个散射体，其坐标为(sc，)。在Fig．1Coordinatesystemoftheradarandtargett时刻，散射体P到雷达的距离r可写为一+++at／2(1)设雷

6、达发射线性调频信号，其信号形式为5()=rect[T]exp[j27【(厂。￡+1)](2)式中rect[手]一{：t]l~>T丁／2表示宽度为T的矩形；为载频；y为调频斜率，B一为信号带宽。目标回波：)一壹k一iect[▲]eXp{j2Ef)+1y(t-rk}(3)式中z-,一2(to++vt+at。／e)／c一o+2vt／c+at／c，。一ro+Ar，"Co一2to／c，一2yh／c，C为光速；为第k个散射体的强度。在考虑一维距离像时，不妨设雷达可跟踪到0点的距离为，将发射信号延迟并与回波信号混频即可得到基带回波。考虑到各散射点回波包络变化不大，v／c《1

7、且l△l《，因此基带回波可写为K～f⋯r(￡)==：r(f)s(￡一To)≈rectr]exp[一j27亡()]+(f)(4)』女1式中e(￡)为零均值方差为的高斯白噪声；女()一b。+b1·t+b·t+b。·t。+b·t，b。一(厂。一。)△r一)，(Ar)／2为初始相位项，是方位向成像时所需要的，对距离像成像没有影响；b一(．厂。弦。)(2~／c)+y(1—2~／c)△≈(一。)(2v／c)+y△是一维距离像成像所需的，其常数项部分会导致距离像在距离窗内漂移，方位向成像时可利用包络对齐方式予以补偿；b===)，(1一／f)·(2v／c)+Ef。一r(r。+

8、Ar)](a／c)≈y(2v／c)+(