CN111948618B - 一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术与信号处理技术领域,公开了一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法及系统,首先基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并作去直流处理;其次在线性正则域中利用矩形窗函数对接收信号中的多径信号等干扰进行抑制;然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值作为检测量进行目标检测;最后利用线性正则变换和匹配滤波算法,提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度。本发明在在信噪比对目标的检测和定位均有效可行的。本发明能够对基于卫星外辐射源的前向散射目标探测具有良好的探测性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术与信号处理技术领域,尤其涉及一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法、无线通信系统。
背景技术
无源探测系统具有收发分置的几何特点,有别于有源探测系统收发一体的特点,其发射机与接收机分离,而前向散射雷达(Forward Scatter Radar,FSR)系统更是被认为是特殊甚至是极端的双基地雷达配置。一般认为如果双基地角高于时,目标处于FSR作用范围内,而随着目标不断接近基线,此时雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)迅速增大,当目标穿越基线时,即当双基地角等于时,目标RCS达到最大值。我们将作用于该区域的雷达称为前向散射雷达。与其他形式的照射源相比,卫星照射源的缺陷在于其地面发射功率密度较低。但相比之下,卫星发射源的覆盖方面比大多数其他发射机更具有优势。众所周知,在前向散射的情况下,目标的RCS很高,这意味着双基地角接近。因此,与其他的几何形状相比,如果移动的目标越过基线,则更容易检测到目标。因此,前向散射的这一优势提供了使用卫星作为照射源来检测雷达目标的潜力,同时,尽管前向散射区很窄,但是卫星的丰富性和接收器的便捷处置使卫星前向散射雷达成为一种在广阔区域中检测空中目标的可能方法。因此可看出前向散射雷达下的目标检测和目标运动学参数估计具有传统目标探测系统不具有的优势和特点。目前,基于传统卫星跟踪环路的全球定位系统散射信号提取的信号处理方法已经通过了许多外场实验得到了验证。同时对于观察到的阴影效应进行处理,已将其运用于目标检测、分类等领域。但是相比之下,基于对前向散射信号特征的分析,从而提取目标信号特征进行目探测的研究较少。因此,研究前向散射下的目标探测具有重要意义及价值。
现有技术一从理论上对卫星信号作为照射源的双基无源雷达信号的性能进行分析,针对无源雷达系统中可能出现的几何形状和配置,包括前向散射模型,对空中目标检测可达到的范围进行估算,表明了GPS卫星用于在前向散射环境下进行目标探测的可行性,但对接收信号的直达波、多径等干扰抑制、检测方法和检测器设置等并没有做详细的探索和分析。
现有技术二研究了基于GPS L5信号的双基地雷达对空中目标的可探测性,该方法基于传统的跟踪环路处理方法,对接收到的信号进行处理,并通过观察到的阴影现象进行目标检测,但随着目标高度的提升,其在基线处的衰减程度降低,不利于目标检测。
现有技术三研究了基于CVD(crystal video detector)的前向散射目标检测方法,该方法通过平方律检波器对目标信号进行处理,并通过去直流处理抑制直达波,但该方法未能在较低信噪比下进行目标检测性能研究。
现有技术四提出了基于短时傅立叶变换的时频分析估计多普勒频率,并通过两个不同接收机系统信号之间的互相关的时延技术联合估计基线交叉点和基线速度的方法,但该方法对目标参数估计的系统几何模型要求较高,不适用单基线情况下的目标参数估计方法。
通过上述分析,现有技术存在的问题及缺陷为:由于前向散射系统的特点,导致接收端不存在传统双基地雷达所具有的参考通道和监测通道这种双通道结构,接收端只有一个通道进行信号接收,因此传统的卫星外辐射源目标探测方法不适用前向散射场景。目前对该场景下的目标探测方法多根据观察到的阴影现象进行研究,而关于信号特征分析的研究较少。并且,直达波和多径干扰的功率高于目标回波信号的功率,因而会对后续的探测造成很大影响,因此需要研究对直达波和多径干扰的抑制。
解决以上问题及缺陷的意义为:本发明提出的一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法能够完成对目标回波信号进行有效探测。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法及系统。
本发明是这样实现的,一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法,所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法包括:
基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理;
利用线性正则变换的可逆性以及其对高斯噪声的抑制作用,计算提取到的信号的线性正则变换,并在其域中通过矩形窗函数去除高斯噪声和多径干扰,经过逆线性正则变换得到噪声抑制后的信号;
将然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值作为检测量,进行目标检测;
通过对前向散射信号的分析,构建特征信号,将线性正则变换和匹配滤波算法相结合,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度。
进一步,基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理包括:
接收机接收到的信号描述为:
其中,Ad是直达波信号幅度,AT是目标回波信号的幅度,C(t)为C/A码,D(t)为数据码,f0为载波频率,是目标的散射相位,H为多径信道的经数,ωj为直达波信号经过第j条多径后的幅度,τηj为直达波信号经过第j条多径后的时延,n(t)为均值为零的平稳高斯白噪声,τd和τt是由距离导致的时延,时延公式表示为:
其中,RT(t)为目标到发射机的距离,RR(t)为目标到发射机的距离,RD(t)为发射机到接收机的距离。
由于目标运动,散射信号st(t)呈现出多普勒变化,其振幅调制由前向散射模式和传播损耗指定;接收机接收到的信号可重写为:
基于跟踪环路对接收到的信号执行下变频、码相关和符号消除后可得到相关结果为:
其中,Gd、GT分别是直达波和目标回波的码相关增益,ωηj为第j条多径干扰的幅度,n'(t)为均值为零的高斯白噪声;通过陷波滤波器完成对直达波信号的抑制,接收到的信号为:
进一步,在线性正则域中利用矩形窗函数对接收信号中的多径信号等干扰进行抑制包括:以峰值点作为矩形窗函数的中心,滤去大部分的噪声和干扰。
进一步,矩形窗函数的带宽的设计方法包括:
步骤一,将信号做线性正则变换,得到信号的线性正则谱PL(w);
步骤二,进行最小二乘多项式拟合,得到平滑的功率谱曲线;
步骤三,将平滑度功率谱曲线进行求导,从中提取线性正则域中心点附近斜率导数值极大值点和极小值点的位置,分别记为a、b,并将其差值|b-a|作为估计带宽
步骤四,设计循环次数,重复操作,获得统计平均值。
进一步,根据上述分析构造窗函数,将目标回波信号分离出来,其中,线性正则域的矩形窗函数表示为:
利用线性正则变换算法的可逆性,对分离出来的信号进行逆变换,完成对直达波和多径干扰的抑制;
f(t)为干扰抑制后的信号,并且f(t)中只包含目标回波信号和噪声,f(t)表示为:
其中,v(t)为高斯噪声。
进一步,然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值进行目标检测包括:对经过直达波和多径干扰抑制后的信号f(t)进行线性正则变换,得到GPS信号的线性正则域,表示如下:
其中,T为信号持续时间,A=(a,b,c,d)为参数矩阵,ad-bc=1,构造检测统计量l为:
l=|L(u)|;
检测量l的分布为:
其中,H0为接收通道无目标回波信号,H1为接收通道存在目标回波信号,为噪声功率,/>
检测器为:
于是,检测器的最佳检测门限λ为:
式中,Pfa为虚警概率,表示为:
检测器进行决策判决,决策输出u为:
其中,输出为u=1,代表假设H1成立,进而表示表示存在被检测的目标,同理可得,输出为u=0时,目标不存在,假设H0成立。
进一步,通过过对前向散射信号的分析,构建特征信号,对匹配滤波公式做线性正则变换,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度包括:
步骤一,构建特征函数:
其中,aF为特征函数的幅值,是一个常数,fc为卫星的载波频率,q(v,H)为关于参数v和H的函数,根据上文分析,可设为
步骤二,进行匹配滤波操作,并将其变换到线性正则域:
其中,T为观测时间,*表示共轭运算,Sout(vm,Hm)为输出结果,y(t)为经过干扰抑制后的接收信号。
参数a=0时,二维图峰值处的坐标即为估计到的参数。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的卫星通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的无线通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的无源探测系统。
结合上述的所有技术方案,本发明所具备的优点及积极效果为:本发明提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法,可以在信噪比SNR=-37dB下的检测概率可达100%,当信噪比为-22dB时,线性正则+匹配滤波方法对高度估计的归一化最小均方误差达到10-3,当信噪比为-26dB时,匹配滤波+线性正则方法高度估计性能达到10-3,当信噪比为-24dB时,线性正则+匹配滤波方法和匹配滤波+线性正则方法对速度的估计性能都能达到10-3,并且匹配滤波+线性正则方法表现出了较好的估计性能。由此可见,本发明能够对基于卫星外辐射源的前向散射目标探测具有良好的探测性能;利用本发明技术可以利用卫星辐射源信号对前向散射情况下的目标进行探测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标检测性能图。
图4是本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标高度估计性能图。
图5是本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标速度估计性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法、无线通信系统,下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法包括以下步骤:
S101:基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并作去直流处理;
S102:在线性正则域中利用矩形窗函数对接收信号中的多径信号等干扰进行抑制;
S103:基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值作为检测量进行目标检测;
S104:利用线性正则变换和匹配滤波算法,提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度。
本发明提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施,图1的本发明提供的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示,本发明实施例提供的S101:具体包括以下步骤:
步骤一,基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理;
需要说明的是,步骤一中基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理,具体的实施步骤如下:
接收机接收到的信号可描述为:
其中,Ad是直达波信号幅度,AT是目标回波信号的幅度,C(t)为C/A码,D(t)为数据码,f0为载波频率,是目标的散射相位,H为多径信道的经数,ωj为直达波信号经过第j条多径后的幅度,τηj为直达波信号经过第j条多径后的时延,n(t)为均值为零的平稳高斯白噪声,τd和τt是由距离导致的时延,时延公式可表示为:
其中,RT(t)为目标到发射机的距离,RR(t)为目标到发射机的距离,RD(t)为发射机到接收机的距离。
忽略C/A码和导航码的时延差异影响。因此,接收机接收到的信号可重写为:
基于跟踪环路对接收到的信号执行下变频、码相关和符号消除后可得到输出结果为:
其中,Gd、GT分别是直达波和目标回波的码相关增益,ωηj为第j条多径干扰的幅度,n'(t)为均值为零的高斯白噪声。同时,通过陷波滤波器完成对直达波信号的抑制,此时可认为接收到的信号为:
步骤二,利用线性正则变换的可逆性以及其对高斯噪声的抑制作用,计算提取到的信号的线性正则变换,并在其域中通过矩形窗函数去除高斯噪声和多径干扰,从而经过逆线性正则变换得到噪声抑制后的信号;
需要说明的是:步骤二中在线性正则域中利用矩形窗函数对接收信号中的多径信号等干扰进行抑制,具体步骤如下:
由于目标回波信号的大部分能量集中在以线性正则变换域的峰值点为中心的一个窄带内,而高斯噪声在线性正则变换域不具有良好的能量聚集,并且多径干扰的能量分布在线性正则域的两侧。因此,以峰值点作为矩形窗函数的中心,可抑制大部分的噪声和干扰,其中,矩形窗函数的带宽的设计方法如下:
首先,将信号做线性正则变换,得到信号的线性正则谱PL(w),然后进行最小二乘多项式拟合,得到平滑的功率谱曲线,同时将平滑度功率谱曲线进行求导,从中提取线性正则域中心点附近斜率导数值极大值点和极小值点的位置,分别记为a、b,并将其差值|b-a|作为估计带宽,最后,设计循环次数,重复上述操作,获得统计平均值。
根据上述分析构造窗函数,可将目标回波信号分离出来,其中,线性正则域的矩形窗函数可表示为:
然后利用线性正则变换算法的可逆性,对分离出来的信号进行逆变换,完成对直达波和多径干扰的抑制。
f(t)为干扰抑制后的信号,并且f(t)中只包含目标回波信号和噪声,f(t)表示为:
其中,v(t)为高斯噪声。
步骤三,将然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值作为检测量,进行目标检测;
需要说明的是:步骤三中基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值进行目标检测,具体步骤如下:
对经过直达波和多径干扰抑制后的信号f(t)进行线性正则变换,得到GPS信号的线性正则域,表示如下:
其中,T为信号持续时间,A=(a,b,c,d)为参数矩阵,ad-bc=1,v(t)为高斯噪声,构造检测统计量l为:
l=|L(u)|;
检测量l的分布为:
其中,H0为接收通道无目标回波信号,H1为接收通道存在目标回波信号,为噪声功率,/>
检测器为:
于是,检测器的最佳检测门限λ为:
式中,Pfa为虚警概率,表示为:
;
检测器进行决策判决,决策输出u为:
其中,输出为u=1,代表假设H1成立,进而表示表示存在被检测的目标,同理可得,输出为u=0时,目标不存在,假设H0成立。
步骤四,通过对前向散射信号的分析,构建特征信号,将线性正则变换和匹配滤波算法相结合,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度。
需要说明的是:步骤四中通过对前向散射信号的分析,构建特征信号,将线性正则变换和匹配滤波算法相结合,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度,具体的实施步骤如下:
通过过对前向散射信号的分析,构建特征信号,对匹配滤波公式做线性正则变换,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度,具体的实施步骤如下:
首先构建特征函数:
其中,aF为特征函数的幅值,是一个常数,fc为卫星的载波频率,q(v,H)为关于参数v和H的函数,根据上文分析,可设为
然后进行匹配滤波操作,并将其变换到线性正则域:
其中,T为观测时间,*表示共轭运算,Sout(vm,Hm)为输出结果,y(t)为经过干扰抑制后的接收信号。
当参数a=0时,二维图峰值处的坐标即为估计到的参数。
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。
为了测试本发明方法的检验统计量的性能,下面的仿真实验采用信号的类型为全球导航卫星下的微弱回波信号,参数设置如下:其中,固定采样频率fs=10.23MHz,GPS卫星的直达波功率Pd=-100dBm,码元速率fGb=1.023MHz,载波频率fc=1.57GHz,假设目标飞行高度为10km,飞行速度为100m/s,目标回波的平均功率Pr=-135dBm,虚警概率Pfa=10-4,进行2000次Monte Catos实验仿真。仿真结果如图3所示,当采样点数为5×106时,在信噪比SNR=-31dB下的检测概率可达100%,当采样点数为107时,在信噪比SNR=-36dB下的检测概率可达100%,当采样点数为2×107时,在信噪比SNR=-37dB下的检测概率可达100%。且在相同的仿真条件下,随着采样时间的增大,目标回波的检测性能越好。假设目标飞行高度为8km,飞行速度为125m/s,目标回波的平均功率Pr=-135dBm,采样点数为3×107,进行2000次Monte Catos实验仿真。仿真结果如图4所示,当信噪比为-17dB时,线性正则+匹配滤波方法对高度估计的归一化最小均方误差达到10-3,当信噪比为-21dB时,匹配滤波+线性正则方法高度估计性能达到10-3,当信噪比为-19dB时,线性正则+匹配滤波方法和匹配滤波+线性正则方法对速度的估计性能都能达到10-3,并且匹配滤波+线性正则方法表现出了较好的估计性能。仿真结果说明本发明的基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法是有效可行的。由此说明本发明方法在前向散射情况下,对卫星外辐射源目标被动探测具有较好的探测性能。
在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法,其特征在于,所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法包括:
基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理;
利用线性正则变换的可逆性以及其对高斯噪声的抑制作用,计算提取到的信号的线性正则变换,并在其域中通过矩形窗函数去除高斯噪声和多径干扰,经过逆线性正则变换得到噪声抑制后的信号;
将然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值作为检测量,进行目标检测;
通过对前向散射信号的分析,构建特征信号,将线性正则变换和匹配滤波算法相结合,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度;
基于传统的卫星跟踪环路对接收到的信号进行处理,提取到基带信号,并利用零陷波滤波器作去直流处理包括:
接收机接收到的信号描述为:
其中,Ad是直达波信号幅度,AT是目标回波信号的幅度,C(t)为C/A码,D(t)为数据码,f0为载波频率,是目标的散射相位,H为多径信道的经数,ωj为直达波信号经过第j条多径后的幅度,τηj为直达波信号经过第j条多径后的时延,n(t)为均值为零的平稳高斯白噪声,τd和τt是由距离导致的时延,时延公式表示为:
其中,RT(t)为目标到发射机的距离,RR(t)为目标到发射机的距离,RD(t)为发射机到接收机的距离;
由于目标运动,散射信号st(t)呈现出多普勒变化,其振幅调制由前向散射模式和传播损耗指定;接收机接收到的信号可重写为:
基于跟踪环路对接收到的信号执行下变频、码相关和符号消除后可得到相关结果为:
其中,Gd、GT分别是直达波和目标回波的码相关增益,ωηj为第j条多径干扰的幅度,n'(t)为均值为零的高斯白噪声;通过陷波滤波器完成对直达波信号的抑制,接收到的信号为:
在线性正则域中利用矩形窗函数对接收信号中的多径信号等干扰进行抑制包括:以峰值点作为矩形窗函数的中心,滤去大部分的噪声和干扰;
矩形窗函数的带宽的设计方法包括:
步骤一,将信号做线性正则变换,得到信号的线性正则谱PL(w);
步骤二,进行最小二乘多项式拟合,得到平滑的功率谱曲线;
步骤三,将平滑度功率谱曲线进行求导,从中提取线性正则域中心点附近斜率导数值极大值点和极小值点的位置,分别记为a、b,并将其差值|b-a|作为估计带宽
步骤四,设计循环次数,重复操作,获得统计平均值;
根据上述分析构造窗函数,将目标回波信号分离出来,其中,线性正则域的矩形窗函数表示为:
利用线性正则变换算法的可逆性,对分离出来的信号进行逆变换,完成对直达波和多径干扰的抑制;
f(t)为干扰抑制后的信号,并且f(t)中只包含目标回波信号和噪声,f(t)表示为:
其中,v(t)为高斯噪声;
然后基于线性正则变换对干扰抑制后的信号进行处理,并提取信号在线性正则域中的峰值进行目标检测包括:对经过直达波和多径干扰抑制后的信号f(t)进行线性正则变换,得到GPS信号的线性正则域,表示如下:
其中,T为信号持续时间,A=(a,b,c,d)为参数矩阵,a,b,c,ad-bc=1,构造检测统计量l为:
l=|L(u)|;
检测量l的分布为:
其中,H0为接收通道无目标回波信号,H1为接收通道存在目标回波信号,为噪声功率,/>
检测器为:
于是,检测器的最佳检测门限λ为:
式中,Pfa为虚警概率,表示为:
检测器进行决策判决,决策输出u为:
其中,输出为u=1,代表假设H1成立,进而表示表示存在被检测的目标,同理可得,输出为u=0时,目标不存在,假设H0成立;
通过对前向散射信号的分析,构建特征信号,对匹配滤波公式做线性正则变换,通过提取峰值处坐标,从而估计出前向散射情况下目标的速度和高度包括:
步骤一,构建特征函数:
其中,aF为特征函数的幅值,是一个常数,fc为卫星的载波频率,q(v,H)为关于参数v和H的函数,根据上文分析,可设为
步骤二,进行匹配滤波操作,并将其变换到线性正则域:
其中,T为观测时间,*表示共轭运算,Sout(vm,Hm)为输出结果,y(t)为经过干扰抑制后的接收信号;
参数a=0时,二维图峰值处的坐标即为估计到的参数。
2.一种应用权利要求1所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的卫星通信系统。
3.一种应用权利要求1所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的无线通信系统。
4.一种应用权利要求1所述基于卫星外辐射源的前向散射目标探测方法的无源探测系统。
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