双基地稀疏MIMO雷达在轨探测超高速运动空间碎片的方法研究

The detection of middle and small scale space debris using space-based radar has been recently become a hot research area. The key technology of space-based radar is how to implement the millimeter wave radar with high power, high resolution and high sensitivity that is equipped on the platform with limited power and weigth. In order to solve the contradiction between the detection performace of phased-array radar that is exploited to detect space debris in-orbit and the restriction of the carrying platform, the research idea for ultra-high speed moving space debris in-orbit detection using bistatic MIMO radar with sparse arrays is proposed in this project. In order to reduce the peak sidelobe level of bistatic MIMO radar with sparse arrays, the objective function for minimazing peak sidelobe is converted into the standand form of a second-order program, and then the transmit array and receive array are optimized by the convex optimization method. It is difficult for the coherent integration method based on the range migration correction to detect ultra-high speed moving space debris in-orbit within a long coherent observation period. In this project, by designing the virtual array forming method with large Doppler tolerance and exploiting a joint direction of departures (DODs) and direction of arrivals (DOAs) estimation method that combining the reduced range resolution and compressing sensing algorithm, the cross localization with high precision for the space debris with low signal- to-noise ratio can be achieved within a short coherent observation period. It can be said that the project is a frontier research topic with scientific research value and important technology application prospect.

利用天基雷达对中小尺度空间碎片探测是目前的研究热点。如何在质量功耗和体积有限的搭载平台上实现大功率、高分辨、高灵敏度的毫米波雷达，就成为天基雷达探测的关键技术。为解决相控阵雷达在轨探测空间碎片时探测性能与搭载平台限制之间的矛盾，本课题提出双基地稀疏MIMO雷达在轨探测超高速运动空间碎片的研究设想。为了降低双基地稀疏MIMO雷达的峰值旁瓣电平，本研究拟通过把在一定约束条件下最小化峰值旁瓣目标函数转化为二阶规划标准形式，并利用凸优化方法对发射阵列和接收阵列进行优化。针对基于校正回波包络走动的长时间相参积累方法在轨探测超高速运动空间碎片时其效能有限的问题，本研究拟通过设计大多普勒容限的虚拟阵列形成方法，并采用降低距离分辨力与压缩感知算法相结合的双基地联合测向方法，在短回波积累时间内对低信噪比情况下的空间碎片进行高精度交叉定位。可以说，本项目是一项既有科学研究价值，又有一定技术应用前景的基础课题。

为了使大功率、高分辨率、高灵敏度的毫米波阵列雷达能够搭载在质量功耗有限的天基平台上，本项目将星载双基地稀疏MIMO雷达应用于空间碎片探测问题中。考虑到天基搭载平台的体积和载重能力，本项目将稀疏重构算法应用于双基地MIMO雷达的稀疏阵列综合问题中，探讨了双基地MIMO雷达阵列综合问题的简化方法，并提出了快速和高效的平面天线阵列综合的方法，适用于对阵列优化的实时性和通用性要求较高的场合；设计了大多普勒容限的MIMO雷达IV（工具变量）滤波器，能够有效补偿目标的大多普勒效应，而且相对于现有的MIMO雷达接收机设计方法，该方法能提供更多的虚拟阵元来形成主瓣更窄和旁瓣更低的波束，这有利于提高MIMO雷达的探测性能；针对MIMO雷达在轨探测超高速运动空间碎片时回波积累时间较短的问题，研究了在短时回波下的MIMO雷达的快速目标重构方法，提出了一种基于稳健SL0算法的MIMO雷达目标参数估计方法，以保证MIMO雷达能实时探测超高速运动的空间碎片；针对在双站或多站测量中，由于定位的不确定性、天线方向偏差、空间坐标转换模型偏差以及时钟同步不精确导致目标测量和跟踪误差较大问题，提出了一种改进广义最小二乘算法的双/多站配准算法，使得上述一系列因素导致的量测误差最小化，有效改善目标测量和跟踪定位性能；在空间碎片航迹起始时，由于空间碎片的机动性以及数据的批处理会导致目标运动轨迹上偏离点的漏检，针对此问题，本项目采用蚁群相似度加权霍夫变换算法能有效检测到目标航迹上的偏离点迹，提高目标检测概率。在空间碎片跟踪过程中，为了能够稳定而精确地跟踪目标运动状态，本项目在粒子滤波的基础上提出自适应强跟踪粒子滤波算法，当目标状态发生突变时，能够有效跟踪空间碎片的突变状态，提高了探测系统的稳定性。