CN114114235A - 一种基于单通道被动雷达的目标探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单通道被动雷达的目标探测方法及系统，它属于目标探测技术领域。本发明解决了采用现有的目标探测方法时硬件负担大的问题。本发明基于keystone变换对单通道接收到的信号进行距离维的校正，将不同脉冲回波在同一距离单元上对齐；再基于重聚焦的方位维校正对单通道接收的信号进行方位维相位的校正，通过相位的补偿使不同脉冲在同一方位维度上对齐；通过对接收的信号进行距离维和方位维校正，以便于后续对反射波的积累，进而实现目标的探测任务。本发明可以应用于对目标进行探测。

Description

一种基于单通道被动雷达的目标探测方法及系统

技术领域

本发明属于目标探测技术领域，具体涉及一种基于单通道被动雷达的目标探测方法及系统。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，随着能源资源短缺的问题日益严重，人们渐渐地把更多的目光转到海上资源。当前，随着全球导航卫星系统日趋成熟，卫星反射信号技术研究也逐渐深入，在完成远程遥感探测，如溢油检测，海面测高等的同时，也为空中目标探测及地面成像提供了新的无源探测方法。全球导航卫星系统发射信号遥感技术就是利用导航卫星发射的L波段微波信号，接收机搭载在陆地、空中飞行器、低轨小卫星等平台，通过处理接收到的地表、海洋表面、空间运动目标反射后的信号实现目标特征的反演和度量，进而实现目标的检测。

虽然现有方法在目标探测方面已经取得了一定的成就，但是现有方法是采用双通道接收机接收目标的反射信号，因此，现有方法对硬件的要求较高，硬件负担较大。

发明内容

本发明的目的是为解决采用现有的目标探测方法时硬件负担大的问题，而提出了一种基于单通道被动雷达的目标探测方法及系统。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

基于本发明的一个方面，一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将直达波接收天线与反射波接收天线通过合路器连接到同一采集通道，并将采集到的信号进行距离压缩，获得距离压缩后的信号；

对距离压缩后的信号进行中心对准与聚焦，再将中心对准与聚焦后的信号进行IFFT，获得IFFT后的信号；

步骤二、以直达波信号为基准，对步骤一获得的IFFT后的信号进行距离维校正，获得距离维校正后的信号；

步骤三、对距离维校正后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；再对预处理后的信号进行方位维FFT，获得方位维FFT后的信号；

并对方位维FFT后的信号进行方位维校正，获得方位维校正后的信号；

步骤四、方位维校正后的信号随着时间积累增加，从积累的信号中分离出反射波信号，再基于分离出的反射波信号进行目标探测。

基于本发明的另一个方面，一种基于单通道被动雷达的目标探测系统，用于执行一种基于单通道被动雷达的目标探测方法。

本发明的有益效果是：

本发明基于keystone变换的距离维校正是对单通道接收到的信号进行距离维的校正，实质上是对慢时间维度进行尺度变换，将不同脉冲回波在同一距离单元上对齐；基于重聚焦的方位维校正是对单通道接收的信号进行方位维相位的校正，通过相位的补偿使不同脉冲在同一方位维度上对齐；由于卫星运动直达波和反射波信号的多普勒和时延在不断变化，通过对接收信号进行距离维和方位维校正，以便于后续对反射波的积累，进而实现目标的探测任务，通过单通道接收信号降低了对接收机硬件的要求。

本发明方法可实现对舰船目标进行快速识别，避免由于卫星与目标运动对单通道雷达产生的影响，符合实际需求，实施方便。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是基于keystone的距离维校正方法的流程图；

图3是基于重聚焦的方位维校正方法的流程图；

图4是未校正距离单元的距离压缩结果图；

图5是经过keystone变换之后的距离压缩结果图；

图6是图4的局部放大图；

图7是图5的局部放大图；

图8是单通道数据处理结果图；

图9是单通道数据积累0.05s结果图；

图10是单通道数据积累0.2s结果图；

图11是单通道数据积累1.4s结果图；

图12是信噪比随相干积累时间变化曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将直达波接收天线与反射波接收天线通过合路器连接到同一采集通道，同时接收直达波信号与反射波信号，并将采集到的信号进行距离压缩，获得距离压缩后的信号；

对距离压缩后的信号进行中心对准与聚焦，再将中心对准与聚焦后的信号进行IFFT，获得IFFT后的信号；

步骤二、以直达波信号为基准，对步骤一获得的IFFT后的信号进行距离维校正，获得距离维校正后的信号；

基于keystone变换的距离维校正采用chirp—Z算法实现，其实质上是对慢时间维度的尺度变换，该变换把原本位于不同距离单元的回波校正到同一距离单元，补偿了距离徙动。

步骤三、对距离维校正后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；再对预处理后的信号进行方位维FFT，获得方位维FFT后的信号；

并对方位维FFT后的信号进行方位维校正，获得方位维校正后的信号；

步骤四、方位维校正后的信号随着时间积累增加，从积累的信号中分离出反射波信号，再基于分离出的反射波信号进行目标探测。

本发明方法可实现舰船目标快速识别，避免由于卫星与目标运动对单通道雷达产生的影响，符合实际需求，实施方便。

不同于传统被动雷达的双通道处理，本发明采用单通道接收机同时接收直达波信号和反射波信号，即直达波右旋天线和反射波左旋天线通过合路器连接到接收机。由于卫星与接收机的相对运动，直达波信号和反射波信号的多普勒频率和时延在不断变化，不利于后续的反射波积累。本发明对直达波的距离维，方位维进行校正，使不同脉冲的直达波对齐，方位维校正后的信号随着积累时间增加，明显改善了反射信号信噪比，实现了目标探测，得到了探测结果。并基于时延和多普勒的二维相关图对目标探测结果进行展示。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤二中，对步骤一获得的IFFT后的信号进行距离维校正，获得距离维校正后的信号；其具体过程为：

步骤二一、将步骤一获得的IFFT后的信号变换至频域，获得频域信号Y(m,f)，m对应慢时间维度，f对应快时间维度；

对频域信号Y(m,f)进行Z变换，获得信号g(m)和h(m)，其中，

A为起始采样点z₀的矢量半径长度，W为螺线的伸展率；

步骤二二、将信号g(m)进行后补零，补零后变成L点序列，L＞M+N-1，M为快时间采样点个数，N为慢时间采样点个数；

并将补零后的信号做FFT(快速傅立叶变换)，获得补零后信号做FFT的结果；

步骤二三、将h(m)做FFT，获得h(m)做FFT的结果；

步骤二四、将步骤二二中补零后信号做FFT的结果与步骤二三中h(m)做FFT的结果相乘，再对相乘结果做IFFT(快速傅里叶逆变换)，获得相乘结果做IFFT后的结果；

并取前M个方位维采样点作为权值，将相乘结果做IFFT后的结果与权值相乘，获得距离维校正后的信号。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述对频域信号Y(m,f)进行Z变换，获得信号g(m)和h(m)；其具体过程为：

Z变换的表达式为：

其中，X(z)为Z变换结果，z是复变量，为适应z可以沿z平面更一般的路径取值，故沿Z平面上的一段螺线作等分角的抽样，记第k个抽样点z_k为：

z_k＝AW^-k,k＝0,1,...,M₀-1

其中，M₀为所要分析的复频域点数；

θ₀为起始采样点z₀的相角；

为两相邻点之间的角度差；

将z_k带入Z变换的表达式，得到：

其中，*为卷积符号，

复变量z具有实部和虚部，常常以极坐标形式表示，即z＝re^jΩ，其中r为幅值，Ω为相角。以z的实部为横坐标，虚部为纵坐标构成的平面称为Z平面，即离散系统的复域平面。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中，对方位维FFT后的信号进行方位维校正，获得方位维校正后的信号；其具体过程为：

步骤三一、在方位维FFT后的信号中，分别找出每个距离单元中的最强散射点，并将找出的最强散射点圆周移位到对应距离单元的中心，获得圆周移位后的信号；

步骤三二、对圆周移位后的信号进行加窗处理，获得加窗处理后的信号；

步骤三三、将加窗处理后的信号做IFFT，得到多普勒域信号；再对多普勒域信号进行相位梯度估计；

步骤三四、判断相位梯度是否满足设定阈值(阈值可以根据实际情况设定)，若满足，则步骤三三中得到的多普勒域信号为方位维校正后的信号，算法运行结束；否则不满足，则对步骤三三中得到的多普勒域信号进行相位误差补偿，将相位误差补偿后的信号进行IFFT，再转到步骤三一进行迭代计算(将IFFT后的信号作为步骤三一的输入)，直至相位梯度满足设定阈值。

循环移位的概念是从图像域的每个距离门内选取独立的强散射点，然后将其循环移位到中心，从而消除该距离单元的多普勒频率变化。循环移位能够将线性相位分量补偿掉而不影响强散射点上的其他相位误差。通过选取单独的强散射点，达到高信噪比，来确保相位梯度估计的准确性。

对信号进行加窗的目的是去除对相位误差估计无用的数据，同时保留用于选择强散射点的所有信息。加窗操作能够增加数据的信噪比，因此窗宽的选取尤为重要。如果窗宽比较窄，加窗后的结果无法包含全部的有效信息，这将会影响下一步的相位估计结果。相反，如果窗宽太大，那么加窗区域的信噪比将降低，导致相位估计不够准确，从而使得需要更多的迭代次数才能收敛，提高了计算成本。

相位误差补偿是为了提高自聚焦的精度。将以上步骤不断循环迭代，图像质量不断提升，直到PGA(相位梯度自聚焦算法)处理的结果收敛到设定的阈值。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述对圆周移位后的信号进行加窗处理，加窗长度为下述的方式(1)或方式(2)：

方式(1)：每次迭代时加窗长度依次递减固定长度，直到窗宽小于设定的阈值或者图像完全收敛，图像完全收敛是指相位梯度满足设定阈值；开始时的加窗长度和每次的减小量可以根据实际情况设置；

方式(2)：每次迭代时加窗长度均相同。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述方式(2)中，每次迭代时加窗长度均为-15dB。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述对多普勒域信号进行相位梯度估计，其具体过程为：

其中，S_n(m′)为第n个距离单元下第m′个方位向位置的多普勒域信号，|S_n(m′)|为S_n(m′)的幅度，

为相位梯度的估计值，Im代表取虚部，

表示第n个距离单元下第m′个方位向位置的方位维函数的复共轭函数，

表示第n个距离单元下第m′个方位向位置的方位维函数。

多普勒域信号可表示为：

θ_n(m′)为相位。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述相位误差补偿的具体方法为：

对相位梯度的估计值

进行积分后，积分结果即为相位误差

将多普勒域信号乘上

即完成了对多普勒域信号的相位误差补偿。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述预处理方式为去噪和滤波。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式的一种基于单通道被动雷达的目标探测系统，该系统用于执行具体实施方式一至具体实施方式九之一的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法。

如图4、图5、图6、图7的直达波距离压缩结果；对比keystone变换前后的结果图，可以看出keystone变换可以有效地将回波数据校正到同一距离单元，补偿了原始回波的距离徙动，效果较为理想。

如图8、图9、图10、图11的单通道数据处理结果；可以看出随着积累时间的增加，直达波和反射波的信噪比在不断增加，并且可以从结果图中同时看到直达波和反射波的存在，二者可以从时延维度进行区分。当相干积累时间为0.05s时，反射波信噪比为-4.751dB；积累时间为0.2s时，反射波信噪比为1.39dB；积累时间达到1.4s时，反射波信噪比为18.82dB，实现了目标探测的可行性。

如图12的信噪比曲线结果；信噪比随着相干积累时间的增加而增加，并呈log曲线增加，与理论值相近。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将直达波接收天线与反射波接收天线通过合路器连接到同一采集通道，并将采集到的信号进行距离压缩，获得距离压缩后的信号；

对距离压缩后的信号进行中心对准与聚焦，再将中心对准与聚焦后的信号进行IFFT，获得IFFT后的信号；

步骤二、对步骤一获得的IFFT后的信号进行距离维校正，获得距离维校正后的信号；

步骤三、对距离维校正后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；再对预处理后的信号进行方位维FFT，获得方位维FFT后的信号；

并对方位维FFT后的信号进行方位维校正，获得方位维校正后的信号；

步骤四、方位维校正后的信号随着时间积累增加，从积累的信号中分离出反射波信号，再基于分离出的反射波信号进行目标探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述步骤二中，对步骤一获得的IFFT后的信号进行距离维校正，获得距离维校正后的信号；其具体过程为：

步骤二一、将步骤一获得的IFFT后的信号变换至频域，获得频域信号Y(m,f)，m对应慢时间维度，f对应快时间维度；

对频域信号Y(m,f)进行Z变换，获得信号g(m)和h(m)，其中，

A为起始采样点z₀的矢量半径长度，W为螺线的伸展率；

步骤二二、将信号g(m)进行后补零，补零后变成L点序列，L＞M+N-1，M为快时间采样点个数，N为慢时间采样点个数；

并将补零后的信号做FFT，获得补零后信号做FFT的结果；

步骤二三、将h(m)做FFT，获得h(m)做FFT的结果；

步骤二四、将步骤二二中补零后信号做FFT的结果与步骤二三中h(m)做FFT的结果相乘，再对相乘结果做IFFT，获得相乘结果做IFFT后的结果；

并取前M个方位维采样点作为权值，将相乘结果做IFFT后的结果与权值相乘，获得距离维校正后的信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述对频域信号Y(m,f)进行Z变换，获得信号g(m)和h(m)；其具体过程为：

Z变换的表达式为：

其中，X(z)为Z变换结果，z是复变量，沿Z平面作等分角的抽样，记第k个抽样点z_k为：

z_k＝AW^-k,k＝0,1,...,M₀-1

其中，M₀为复频域点数；

将z_k带入Z变换的表达式，得到：

其中，

4.根据权利要求2所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述步骤三中，对方位维FFT后的信号进行方位维校正，获得方位维校正后的信号；其具体过程为：

步骤三一、在方位维FFT后的信号中，分别找出每个距离单元中的最强散射点，并将找出的最强散射点圆周移位到对应距离单元的中心，获得圆周移位后的信号；

步骤三二、对圆周移位后的信号进行加窗处理，获得加窗处理后的信号；

步骤三三、将加窗处理后的信号做IFFT，得到多普勒域信号；再对多普勒域信号进行相位梯度估计；

步骤三四、判断相位梯度是否满足设定阈值，若满足，则步骤三三中得到的多普勒域信号为方位维校正后的信号；否则不满足，则对步骤三三中得到的多普勒域信号进行相位误差补偿，将相位误差补偿后的信号进行IFFT，再转到步骤三一进行迭代计算，直至相位梯度满足设定阈值。

5.根据权利要求4所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述对圆周移位后的信号进行加窗处理，加窗长度为下述的方式(1)或方式(2)：

方式(1)：每次迭代时加窗长度依次递减固定长度；

方式(2)：每次迭代时加窗长度均相同。

6.根据权利要求5所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述方式(2)中，每次迭代时加窗长度均为-15dB。

7.根据权利要求6所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述对多普勒域信号进行相位梯度估计，其具体过程为：

其中，S_n(m′)为第n个距离单元下第m′个方位向位置的多普勒域信号，|S_n(m′)|为S_n(m′)的幅度，

为相位梯度的估计值，Im代表取虚部，

表示第n个距离单元下第m′个方位向位置的方位维函数的复共轭函数，

表示第n个距离单元下第m′个方位向位置的方位维函数。

8.根据权利要求7所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述相位误差补偿的具体方法为：

对相位梯度的估计值

进行积分后，积分结果即为相位误差

将多普勒域信号乘上

即完成了对多普勒域信号的相位误差补偿。

9.根据权利要求8所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法，其特征在于，所述预处理方式为去噪和滤波。

10.一种基于单通道被动雷达的目标探测系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1至权利要求9之一所述的一种基于单通道被动雷达的目标探测方法。

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