魏欣 吳濤 劉茂國 劉洪林 (裝備學(xué)院)
空間碎片的日益增多,已對航天活動構(gòu)成嚴峻威脅??臻g碎片的精確監(jiān)測是對航天員和飛行器實施安全防護的重要前提,也對空間微小碎片探測能力提出了更高要求。文章對國外地基雷達探測空間碎片現(xiàn)狀,以及對在雷達微弱信號檢測技術(shù)方面比較常用的以信號處理為基礎(chǔ)的長時間積累檢測技術(shù)和基于時頻分析的雷達微弱信號檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了綜述。
隨著各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人類航天活動的日益頻繁,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,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大動能會造成航天器損傷及發(fā)生災(zāi)難性失效,其數(shù)量的急劇增加對人類航天活動構(gòu)成了嚴重威脅,因此對在軌衛(wèi)星和空間碎片等空間目標的監(jiān)視顯得非常重要。雷達作為主動探測設(shè)備,具有全天時、全天候、多目標大范圍探測等優(yōu)點,因而在中、低軌空間目標探測中起主導(dǎo)作用。
地基雷達探測一般采用機械掃描跟蹤雷達或相控陣雷達,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。目前采用地基雷達進行空間碎片探測具有以下幾個方面的特點:①需要探測的空間碎片尺寸小,對航天器構(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)相當繁重;⑤需要以較短的時間間隔重復(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。
目前,美國用于空間目標普測的裝備是美國空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)。空間監(jiān)視網(wǎng)從20世紀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。
為了達到連續(xù)跟蹤空間碎片運行軌跡的目的,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)早期采用的雷達頻段為特高頻(UHF),只能觀測到直徑大于10cm的碎片。進入21世紀,美國對空間監(jiān)視網(wǎng)進行現(xiàn)代化改造,新的監(jiān)視需求為探測近地軌道5cm目標,最終目的是探測lcm目標。美國空軍從2009年開始計劃研制新的空間碎片觀測系統(tǒng),稱為“太空籬笆”(Space Fence),準備用來代替空間監(jiān)視網(wǎng),計劃在2015年建成,費用約為35億美元,采用S頻段,預(yù)計可提高觀測精度半個數(shù)量級,即可以觀測到直徑2cm以上的碎片。
俄羅斯能用于空間碎片探測的雷達也大都屬于其空間監(jiān)視系統(tǒng)(SSS),如“第聶伯河”雷達、“達里婭”雷達、Evpatoria雷達。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,并計劃在其境內(nèi)多處部署,以取代部分陳舊的雷達,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)有雷達對低軌道小目標的探測能力。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。俄羅斯航天部隊將致力于研制小尺寸空間監(jiān)視雷達,用來監(jiān)視俄羅斯本土上的雷達不能監(jiān)控的區(qū)域;另外,俄羅斯新一代空間監(jiān)視系統(tǒng)的軌道部署計劃也將付諸實施,其衛(wèi)星數(shù)量將達到48顆,有助于俄羅斯實現(xiàn)對整個太空的監(jiān)控。
德國對空間碎片的雷達探測主要依靠德國防務(wù)研究院高頻物理所(FGAN/FHP)的TIRA雷達和馬克斯-普朗克研究所的Effelsberg雷達。Effelsberg雷達的天線口徑為100m,是目前世界上最大的全向轉(zhuǎn)動拋物面射電望遠鏡。TIRA系統(tǒng)由一個L頻段窄帶單脈沖跟蹤雷達和一個Ku頻段高分辨成像雷達組成,二者共用一個34m天線。L頻段跟蹤雷達工作頻率為1.33GHz,1ms脈寬峰值功率為1MW,接收信號處理采用相關(guān)技術(shù)。TIRA-L頻段窄帶單脈沖跟蹤雷達能夠探測到1000km高度的2cm大小空間碎片,Effelsberg雷達能夠探測到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,已具備和美國實力相當?shù)目臻g目標探測能力,其目前的主要研究方向是空間目標高分辨成像等技術(shù)的研究。
歐洲非相干散射(EISCAT)系統(tǒng)是世界上緯度最高的雷達系統(tǒng),分布在北歐的斯堪的納維亞半島,主要由3套雷達系統(tǒng)組成:Troms?的一部單基地甚高頻(VHF)雷達,工作頻率224MHz;Longyearbyen的斯瓦爾巴特雷達(ESR),工作頻率500MHz;分布于Troms?、Kiruna和Sodankyl?的一套三基地特高頻雷達,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,所以進行空間碎片研究具有較大的困難。但是,經(jīng)過21世紀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(SDR),采用準實時的處理方式,大大提高雷達的靈敏度和精度,達到了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包括京都大學(xué)的中高層大氣雷達(MU)、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的Uchinoura和Usuda雷達。中高層大氣雷達也能夠探測到500km高度直徑2cm的空間碎片,并且能夠觀察20s空間碎片的雷達橫截面積(RCS)變化;Uchinoura和Usuda雷達以收發(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設(shè)計時,最優(yōu)先考慮的是它應(yīng)具有識別1~10cm物體的靈敏度,并且還應(yīng)該有能力對未知物體連續(xù)跟蹤至少10s,用于進行逆合成孔徑雷達(ISAR)成像和統(tǒng)計學(xué)分析。
雷達探測空間碎片等微弱空間目標時,由于目標雷達橫截面積較小,回波信號較弱,信噪比、信雜比極低,噪聲的相關(guān)性也較強,信號檢測非常困難。因此在現(xiàn)有地基雷達設(shè)備基礎(chǔ)上提高目標探測能力的一個重要方面,是提高對其微弱回波信號的檢測技術(shù)。
為了實現(xiàn)對遠距離(數(shù)千甚至上萬千米)微弱空間目標進行探測的特殊要求,其中最為有效的手段就是利用信號處理技術(shù),以時間換取能量的“長時間積累”。長時間積累技術(shù)能夠充分利用回波信號信息,更加有效地增加實際應(yīng)用的信號能量,達到提高單個回波信噪比的要求,從而提高對目標的檢測性能。
當采用長時間積累時,目標回波多普勒近似為常數(shù)的假設(shè)通常不再成立,目標回波包絡(luò)也有可能在多個分辨單元內(nèi)發(fā)生走動,主要包括3種情況:①所考慮的積累時間內(nèi)目標始終位于同一個距離分辨單元內(nèi),但多普勒頻率發(fā)生了變化;②存在距離走動而無多普勒走動;③距離和多普勒走動同時存在的情況。因此,要實現(xiàn)較長時間良好的信號積累以改善對信噪比的要求,需要解決低信噪比下對目標回波的運動補償?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
相參積累時必須考慮多普勒時變和距離走動時的補償處理問題。下面重點介紹針對多普勒時變補償處理問題。多普勒時變特征與目標運動特征有關(guān),將目標運動分為3種情況:①目標勻速運動,多普勒恒定,可采用離散傅里葉變換(DFT)進行相參積累,利用旋轉(zhuǎn)因子對各次信號的相位進行補償,從而使信號相干相加,提高輸出信噪比。②目標加速運動,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間內(nèi)的時變信號有效地匹配,積累輸出信噪比反而會下降,檢測性能也隨之降低。③目標變速(機動)運動,多普勒頻率變化復(fù)雜,此時目標的多普勒回波需要用多項式相位特性描述。目前有關(guān)多項式相位信號處理的方法有多種,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)、多項式變換(PPT)、多項式Wigner-Ville變換等。多項式相位補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算量為代價的,從而大大限制了其工程實用性。因此,采用相位校正因子進行相位補償才能夠解決多普勒時變的積累問題,針對不同運動目標,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。因為非相參積累未利用相位信息,所以其檢測性能不如相參積累,但是其計算過程簡單且容易實現(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。
檢測前跟蹤的實質(zhì)是用時間換取信噪比,是指在檢測和目標航跡確認以前的一段時間內(nèi)對數(shù)據(jù)存儲和處理,然后再利用目標的運動特征進行檢測判決,從而剔除虛假目標,以檢測和跟蹤低信噪比條件下的運動目標。對于靜止目標,幅度相加很容易實現(xiàn),而對于運動目標,則在掃描間目標的位置發(fā)生了移動。所以,對于運動目標,檢測前跟蹤的關(guān)鍵在于沿目標運動路徑積累能量。目前檢測前跟蹤的主要實現(xiàn)算法有很多,包括動態(tài)規(guī)劃法、Hough變換法、序貫假設(shè)檢驗法和粒子濾波器法等。其中基于Hough變換的方法對沿徑向作勻速直線運動的目標具有良好的檢測性能,既可以用于低可觀測信號的檢測,也能用于強雜波環(huán)境下的多目標檢測與跟蹤。
從工程實現(xiàn)的角度來看,往往好多理論上可行的方法很難直接應(yīng)用于微弱目標信號的檢測,因為在實際應(yīng)用中的要求是算法的快速有效性,隨著積累時間增加,需要的資源量,特別是存儲量也大大增加,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)測目標的運動或輔以軌道信息,并在信號處理算法的積累過程中進行補償,將大幅提升對微弱目標信號的檢測能力。
由于目前用于空間碎片觀測的雷達,普遍采用的大時寬帶寬積的線性調(diào)頻(LFM)信號,雷達接收信號亦參雜了各種隨機干擾,因此,關(guān)于低信噪比、強干擾等情況下的微弱線性調(diào)頻信號檢測和多分量線性調(diào)頻信號的檢測也是雷達信號處理領(lǐng)域的一個研究熱點。因為該信號是典型的非平穩(wěn)信號,隨著信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)建立在信號平穩(wěn)特性基礎(chǔ)之上的傳統(tǒng)信號處理方法己經(jīng)不能完全適用于對非平穩(wěn)信號的分析與處理。于是非平穩(wěn)信號的時頻分析方法被引入到雷達信號處理中,并且大量的研究結(jié)果表明:時頻分析是一類行之有效的方法。
(1)短時傅里葉變換(STFT)
短時傅里葉變換是線性時頻表示的典型代表,它用窗函數(shù)來截取信號,并假定信號在窗內(nèi)是平穩(wěn)的,采用傅里葉變換對窗內(nèi)信號進行分析,然后沿著信號移動窗函數(shù),得到信號頻率隨時間的變化關(guān)系,即獲得了所需要的時頻分布。短時傅里葉變換的優(yōu)點:它是一種線性變換,不存在交叉項,而且算法簡單。其主要缺陷在于:因為它使用一個固定的短時窗函數(shù),是一種單一分辨率的信號分析方法;若選擇窄的窗,信號的時間分辨率高,但頻率分辨率低;若選寬的窗,信號的頻率分辨率高,但時間分辨率低;若采用可變窗長或多窗的短時傅里葉變換方法則可改善譜圖的分辨率,其前提是假定信號在同一時間僅存在一種形式的信號分量。
(2)小波變換
小波變換是將信號在時間-尺度空間上描述的一種分析方式,屬于線性變換,它克服了短時傅里葉變換中固定窗寬的限制,具有對信號進行多分辨分析的功能,能夠根據(jù)信號的不同成分,自適應(yīng)地選擇窗函數(shù)寬度。在高頻端采用較窄的窗,具有高的時域分辨力;而對低頻信號,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頻局域特性,其缺點是母小波一旦選擇不當,應(yīng)用效果會大受影響。
(3)魏格納-威利分布(WVD)與Cohen類雙線性時頻分布
從分析方法的時頻聯(lián)合分辨率來看,雙線性時頻分布的時頻聯(lián)合分辨率比線性時頻分布的要好。魏格納-威利分布是最常用也是最具代表性的雙線性時頻分布,不僅具有信號能量分布所要求的大部分特性,還具有較好的聯(lián)合時頻分辨能力。但是,雙線性時頻分布不滿足線性疊加原理,從而導(dǎo)致其對多分量信號存在嚴重交叉項,這些交叉項影響了時頻平面上對信號的分析和處理,在低信噪比情況下影響更為嚴重。為抑制交叉項、改善時頻分布性能,使用核函數(shù)方法對魏格納-威利分布的交叉項進行平滑,產(chǎn)生了Cohen類雙線性時頻分布,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類雙線性時頻分布采用固定核函數(shù)進行時頻平滑抑制了部分交叉項,但它是以犧牲整個時頻分布的時頻分辨率為代價的。
(4)自適應(yīng)核時頻分布
基于信號在模糊域上的特點自適應(yīng)設(shè)計核函數(shù),可以改善信號的時頻分析質(zhì)量,使交叉項得到較好的抑制。當噪聲存在的情況下,利用時頻分布均值、方差與窗長的關(guān)系,自適應(yīng)選擇窗長以保證時頻分布有最小的方差。該自適應(yīng)核函數(shù)設(shè)計的時頻分布同樣的弊端是當自項成分與交叉項成分重疊時,無論核函數(shù)的體積參數(shù)如何取值都不能將信號項和交叉項分開。
(5)分數(shù)階傅里葉變換(FRFT)
分數(shù)階傅里葉變換可以視為一類新型的時頻分析方法,作為傅里葉變換的一種廣義形式,可以解釋為信號在時頻平面以π/2的非整數(shù)倍逆時針旋轉(zhuǎn)任意角度后構(gòu)成的分數(shù)階傅里葉域上的表示方法。由于分數(shù)階傅里葉變換可以借助快速傅里葉變換(FFT)來實現(xiàn),因此計算簡便,其一維線性變換特性也使得在處理多分量信號時可以避免交叉項的困擾,且可以理解為Chirp基分解。目前其數(shù)字實現(xiàn)和快速算法的研究是一大難點。
現(xiàn)在應(yīng)用比較多的是時頻分布與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-哈達瑪變換(WHT)中的魏格納-威利分布替換為一種具有強交叉項抑制能力,同時又能保持良好的時頻分辨率的時頻分布,如重排類時頻分布等。
與日俱增的空間碎片其嚴重的危害性不言而喻,尤其是分布在中低軌道上的碎片會對各國的航天器帶來隱患。隨著信號處理技術(shù)的進步,地基雷達對于低信噪比和強干擾等情況下的雷達微弱信號檢測能力日益強大。文中概述了微弱信號長時間積累檢測技術(shù)和基于時頻分析的檢測技術(shù),這些方法的使用都具有一定的針對性,實際使用過程中視具體情況而定??紤]到工程實現(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,因此對空間微小目標的探測之路任重而道遠。