Application of probe signals with a zero autocorrelation zone to improve the quality of images of space objects in inverse SARS

Abstract

To obtain radar images of a set of small-sized space objects in near-Earth orbit or to resolve individual elements of complex space objects, the radar must have high spatial resolution. To achieve high resolution in slant range, complex (modulated) wide-band probing signals are used. The high angular resolution of small-sized space objects or elements of complex space objects is based on the inverse synthetic aperture effect. Among various classes of complex signals, three main types have found practical application in inverse SARs so far: linear frequency-modulated signals, stepped-frequency continuous wave signals, and phase-shift keying signals. On the interval of coherent accumulation of echo signals corresponding to the time of synthesis of the aperture of the inverse SAR, the total correlation characteristics of the ensemble of signals are analyzed. The presence of the total correlation noise of LFM and PSK signals affects the quality of the radar image. The use of orthogonal LFM and PSK signals allows for successful suppression of false signals from bright point targets in adjacent repetition periods. However, the high level of integral correlation noise in the cross-correlation function of orthogonal signals distorts radar images of weakly reflective surfaces located near bright extended objects. Therefore, signals with a zero autocorrelation zone are relevant for inverse SAR applications. In this work, a probe signal with a zero autocorrelation zone, which is resistant to Doppler frequency misalignment, is synthesized for inverse SAR. A comparative analysis of the total correlation characteristics of the synthesized ensemble of signals with the corresponding characteristics of orthogonal LFM and PSK signals, both without and with Doppler frequency misalignment, is conducted. In the Matlab software package, radar images of a complex space object were obtained using probing LFM and a signal with a zero autocorrelation zone. The advantage of a synthesized ensemble of signals over an ensemble of orthogonal LFM and PSK signals in terms of radar image quality has been substantiated.

• ambiguity function
• autocorrelation function
• cross-correlation function
• m-sequence
• orthogonal signal
• pulse train
• recurrent interference
• zero autocorrelation zone

Аннотация (на русском)

Применение зондирующих сигналов с нулевой зоной автокорреляции для улучшения качества изображений космических объектов в инверсных РСА

Для получения радиолокационных изображений совокупности малоразмерных космических объектов на околоземной орбите или разрешения отдельных элементов сложных космических объектов радиолокатору необходимо иметь высокое пространственное разрешение. Для достижения высокого разрешения по наклонной дальности используются сложные (модулированные) зондирующие сигналы с широкой полосой спектра. Получение высокого углового разрешения малоразмерных космических объектов или элементов сложных космических объектов основано на эффекте инверсного синтеза апертуры антенны. Из разнообразных классов сложных сигналов практическое применение в инверсных радиолокаторах с синтезированной апертурой пока нашли три основных: сигналы с линейной частотной модуляцией, сигналы со ступенчатым законом изменения частоты и сигналы с фазокодовой манипуляцией. На интервале когерентного накопления эхо-сигналов, соответствующего времени синтеза апертуры инверсного РСА, анализируются суммарные корреляционные характеристики ансамбля сигналов. Наличие суммарного корреляционного шума ЛЧМ и ФКМ-сигналов влияет на качество радиолокационного изображения. Применение ортогональных ЛЧМ и ФКМ-сигналов позволяет успешно подавлять ложные сигналы ярких точечных целей из соседних периодов повторения. Однако высокий уровень интегрального корреляционного шума взаимнокорреляционной функции ортогональных сигналов искажает радиолокационные изображения слабо отражающих поверхностей, расположенных рядом с яркими протяженными объектами. Таким образом, актуальными для инверсных РСА являются сигналы с нулевой зоной автокорреляции. В данной работе для инверсных РСА синтезирован зондирующий сигнал с нулевой зоной автокорреляции, устойчивый к рассогласованию по частоте Доплера. Проведен сравнительный анализ суммарных корреляционных характеристик синтезированного ансамбля сигналов с соответствующими характеристиками ортогональных ЛЧМ и ФКМ-сигналов как без рассогласования, так и с рассогласованием по частоте Доплера. В программном пакете Matlab получены радиолокационные изображения сложного космического объекта с применением зондирующих ЛЧМ и сигнала с нулевой зоной автокорреляции. Обосновано преимущество синтезированного ансамбля сигналов перед ансамблем ортогональных ЛЧМ и ФКМ-сигналов по качеству радиолокационного изображения.

For citation

References

1. Alfonzo G.C. Orthogonal Waveform Experiments with a Highly Digitized Radar / G.C. Alfonzo, M. Jirousek, M. Peichl // Proceedings of the 9th European Conference on Synthetic Aperture Radar (Nuremberg, 23-26 April 2012). - Frankfurt: VDE, 2012.
2. Galati G. Orthogonal Waveforms for Multistatic and Multifunction Radar / G. Galati, G. Pavan, A. Franco // Proceedings of the 9th European Radar Conference (Amsterdam, 31 October - 2 November 2012). - N.Y.: IEEE, 2013. - P. 310-313.
3. Garren D.A. Use of P3-coded transmission waveforms to generate synthetic aperture radar images / D.A. Garren, P.E. Pace, R.A. Romero // Proceedings of the 2014 IEEE Radar Conference (Cincinnati, 19-23 May 2014). - N.Y.: IEEE, 2014. - P. 0765-0768.
4. Ипанов Р.Н. Применение зондирующих ФКМ-сигналов с нулевой зоной автокорреляции для улучшения качества измерений в РСА / Р.Н. Ипанов, А.А. Комаров // Журнал радиоэлектроники. - 2024. - № 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.11
5. Ипанов Р.Н. Применение зондирующих сигналов с нулевой зоной автокорреляции для подавления рекуррентных помех по дальности в радиолокаторах с синтезированной апертурой / Р.Н. Ипанов, А.А. Комаров, К.Ю. Кожевников, С.В. Пермяков // Радиотехника и электроника. - 2024. - Т. 69, № 4. - С. 348-356. https://doi.org/10.31857/S0033849424040063
6. Захаров А.И. Влияние интегрального уровня боковых лепестков ортогональных полиномов сигнала РСА на качество измерений / А.И. Захаров // Труды 7-ой Всероссийской научной конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (г. Муром, 31 мая -2 июня 2016 г.). - Муром: МиВЛГУ, 2016. - С. 377-381.
7. Mittermayer J. Range ambiguity suppression in SAR by up and down chirp modulation for point and distributed targets / J. Mittermayer, J.M. Martinez // Proceedings of the 2003 International Geoscience and Remote Sensing Symposium (Toulouse, 21-25 July 2003). - N.Y.: IEEE, 2003. - P. 4077-4079.
8. Ипанов Р.Н. Полифазные когерентные дополнительные сигналы / Р.Н. Ипанов // Журнал радиоэлектроники. - 2017. - № 1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan17/14/text.pdf
9. Ипанов Р.Н. Импульсные фазоманипулированные сигналы с нулевой зоной автокорреляции / Р.Н. Ипанов // Радиотехника и электроника. - 2018. - Т. 63, № 8. - С. 823-830. https://doi.org/10.1134/S0033849418080077
10. Ipanov R.N. Radar Signals with ZACZ Based on Pairs of D-Code Sequences and Their Compression Algorithm / R.N. Ipanov, A.I. Baskakov, N. Olyunin, Min-Ho Ka // IEEE Signal Processing Letters. - 2018. - Vol. 25, № 10. - P. 1560-1564. https://doi.org/10.1109/LSP.2018.2867734
11. Баскаков А.И. Фазокодоманипулированные радиолокационные сигналы для точного определения дальности и скорости малоразмерных космических объектов / А.И. Баскаков, Р.Н. Ипанов, А.А. Комаров // Журнал радиоэлектроники. - 2018. - № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec18/7/text.pdf
12. Baskakov A.I. The Use of Phase-shift Keyed Signals with a Zero Autocorrelation Zone in a Multi-position Radar System for Searching and Detecting of Space Debris Objects / A.I. Baskakov, R.N. Ipanov, A.A. Komarov // Proceedings of the 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (Rome, 17-20 June 2019). - N.Y.: IEEE, 2020. - P. 1043-1049. https://doi.org/10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017759
13. Ипанов Р.Н. Зондирующие сигналы с нулевой зоной автокорреляции для радиолокаторов с синтезированной апертурой / Р.Н. Ипанов // Журнал радиоэлектроники. - 2019. - № 8. URL: http://jre.cplire.ru/jre/aug19/7/text.pdf
14. Ipanov R.N. Signals with zero autocorrelation zone for the synthesised aperture radar / R.N. Ipanov // Electronics Letters. - 2019. - Vol. 55, № 19. - P. 1063-1065. https://doi.org/10.1049/el.2019.1918
15. Ipanov R.N. Polyphase Radar Signals with ZACZ Based on p-Pairs D-Code Sequences and Their Compression Algorithm. Infocommunications Journal / R.N. Ipanov // - 2019. - Vol. 11, № 3. - P. 21-27. https://doi.org/10.36244/ICJ.2019.3.4
16. Ipanov R.N. Phase-Code Shift Keyed Probing Signals with Discrete Linear Frequency Shift Keying and Zero Autocorrelation Zone / R.N. Ipanov, A.A. Komarov, A.P. Klimova // Proceedings of the 2019 International Conference on Engineering and Telecommunication (Dolgoprudny, 20-21 November 2019). - N.Y.: IEEE, 2020. - P. 1-5. https://doi.org/10.1109/EnT47717.2019.9030566
17. Ipanov R.N. Phase-Code Shift Keyed Probing Signals with Discrete Linear Frequency Modulation and Zero Autocorrelation Zone / R.N. Ipanov // Infocommunications Journal. - 2020. - Vol. 12, № 1. - P. 45-52. https://doi.org/10.36244/ICJ.2020.1.7
18. Ипанов Р.Н. Импульсные полифазные сигналы с нулевой зоной автокорреляции и алгоритм их сжатия / Р.Н. Ипанов // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65, №6. - С. 578-586. https://doi.org/10.31857/S0033849420060121
19. Ипанов Р.Н. Полифазные частотно-манипулированные зондирующие сигналы с нулевой зоной автокорреляции для радиолокаторов с синтезированной апертурой / Р.Н. Ипанов // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - № 6. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun20/11/text.pdf
20. Ипанов Р.Н. Импульсные сигналы с нулевой зоной автокорреляции для радиолокаторов с синтезированной апертурой / Р.Н. Ипанов // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т.65, № 9. - С. 894-901. https://doi.org/10.31857/S0033849420080069
21. Ipanov R.N. Polyphase signals with discrete frequency shift keying and zero autocorrelation zone for the remote sensing radar / R.N. Ipanov, A.A. Komarov // Journal of Applied Remote Sensing. - 2020. - Vol. 14, № 4. - P. 040501. https://doi.org/10.1117/1.JRS.14.040501
22. Ipanov R.N. Probing signals with ZACZ for GPR onboard of unmanned aerial vehicle / R.N. Ipanov, A.A. Komarov // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. - 2021. - Vol. 21, № 1. - P. 110-117. https://doi.org/10.11591/ijeecs.v21.i1.pp110-117
23. Ипанов Р.Н. Требования к кодирующей матрице фазокодоманипулированного зондирующего сигнала с нулевой зоной автокорреляции / Р.Н. Ипанов // Журнал радиоэлектроники. - 2022. - № 7. URL: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.5
24. Ipanov R.N. Requirements for the Coding Matrix of a Probing Signal with Zero Autocorrelation Zone for the Remote Sensing Radar / R.N. Ipanov // Sensing and Imaging. - 2023. - Vol. 24, № 1. - 18. https://doi.org/10.1007/s11220-023-00423-8
25. Новые технологии дистанционного зондирования Земли из космоса / В.В. Груздов, Ю.В. Колковский, А.В. Криштопов, А.И. Кудря. - Москва: Техносфера, 2018. - 482 с.