CN114236527A - 一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法 - Google Patents

一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，包括如下步骤：步骤1：利用星载微波辐射被动探测子系统获取海面目标亮温图像，实现对海面目标的广域搜索，同时对目标进行粗分类，获取海面目标的位置信息，并发送给星载微波辐射主动探测子系统；步骤2：处于关机状态的星载微波主动探测子系统待接收到星载微波辐射被动探测子系统的目标信息后，调整卫星姿态，完成对指示目标的SAR成像后立即关机；步骤3：通过融合挖掘方法处理目标的微波辐射图像和SAR图像，实现对目标的精细化识别和态势感知。本发明实现对海面目标进行精细化识别，以满足远海远洋海面目标的全天时、全天候、隐蔽性探测与精细化识别的迫切需求。

Description

一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法
技术领域
本发明涉及一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
对于远海远洋海面重要军事目标的探测，天基平台由于具有“站得高、看得远”的优点，是目前实现对远海远洋重要军事目标探测的最佳平台。基于天基平台的远海远洋海面目标探测的主要手段有可见光、红外、主动雷达、电子侦察和AIS(automaticidentification systems)。
但是，现有的探测手段对于海面目标全天时、全天候探测面临着重大挑战，天基可见光和红外探测手段容易受到云、雾、降雨等恶劣海洋天气的影响，且可见光只能在有太阳照射的白天才能工作。
天基主动雷达探测手段容易受到海杂波的影响，且需要主动发射信号、功耗大在轨有效工作时间短(一轨工作十分钟左右)、隐蔽性差、易受到电磁干扰、高分辨率与宽幅宽很难兼顾。
天基电子侦察需要海面目标主动发射电磁信号，当海面目标在电磁静默的情况下则无能为力；AIS是海面目标主动发射定位信号，易被欺骗、且主动发射信号可随时被切断。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，利用天基高分辨率微波热辐射被动探测系统实现对海面目标的广域搜索和粗分类，指引高分辨率天基主动探测系统(合成孔径雷达或相控阵雷达)实现对重要海面目标的精细化探测，并联合目标的微波热辐射特性和散射特性实现对海面重要目标的精细化识别，以满足远海远洋海面目标的全天时、全天候、隐蔽性探测与精细化识别的迫切需求。
本发明解决技术的方案是：
一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，包括如下步骤：
步骤1：利用星载微波辐射被动探测子系统获取海面目标亮温图像，实现对海面目标的广域搜索，同时对目标进行粗分类，获取海面目标的位置信息，并发送给星载微波辐射主动探测子系统；
步骤2：处于关机状态的星载微波主动探测子系统待接收到星载微波辐射被动探测子系统的目标信息后，调整卫星姿态，完成对指示目标的SAR成像后立即关机；
步骤3：通过融合挖掘方法处理目标的微波辐射图像和SAR图像，实现对目标的精细化识别和态势感知。
进一步的，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统为综合孔径微波辐射被动探测系统，其阵型采用Y型或T型或十字型或分布式中的任意一种。
进一步的，海面目标的星载微波主动探测子系统为合成孔径雷达或是相控阵雷达，其可以获取海面目标的高分辨率SAR成像。
进一步的，通过建立完备的海面目标数据库对海面目标进行精细化识别或是利用神经网络、深度学习的方法实现对海面目标的精细化识别。
进一步的，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统利用海面目标与海面背景的微波热辐射亮温图像差异来实现对海面目标的有效探测，利用不同海面目标的微波热辐射亮温特征实现对海面目标的粗分类。
进一步的，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统包括天线阵、接收机和相关器，
天线阵接收来自海面目标和海面场景辐射的微波热辐射信号，将天线接收的信号输出至接收机，接收机对接收的信号进行低噪声放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波，输出中频信号；
将中频信号输出到相关器，完成A/D量化、IQ分离、信号两两互相关，得到归一化相关系数；
通过对归一化相关系数进行误差校正与定标、亮温图像重构、目标探测与粗分类，获取目标的粗略位置、航速和航向信息。
进一步的，海面目标的星载微波主动探测子系统基于星载平台，利用主动发射的信号获取海面目标的散射回波，基于超宽带线性调频信号产生能力和方位向超大合成孔径实现能力，保障距离向和方位向分辨率，实现对海面目标的有效探测。
进一步的，海面目标的星载微波主动探测子系统包括调频源、系统控制器、TR组件、数据采集与处理器、内定标器，
调频源在系统控制器的控制下产生所要求的小功率线性调频信号，该信号经过上变频和功率放大，经TR组件射频前端供给H和V极化发射天线；
天线将信号馈向观测区域，将接收到观测区域H和V极化的反射/散射回波经内定标器送给接收机；
接收机射频回波信号下变频至中频，数据采集与处理器将模拟的中频信号带通采样量化为数字信号，再经过预处理后送给数传分系统；
内定标器将发射机的部分功率耦合到接收机中形成闭环，从而实现内部校准，消除由收发系统的变化所引起的测量误差，并作为参考校准信号修正收发系统的幅相畸变误差；
数据传输系统将机上原始数据送入地面成像处理器进行SAR成像处理，获取目标SAR图像和位置信息，并提取目标的散射截面和散射相位的电磁特征信息，进行图像显示，并对回波及成像数据进行存储。
进一步的，融合挖掘方法为：融合海面目标星载微波热辐射被动探测子系统获取的目标信息及亮温图像和海面目标星载微波主动探测子系统获取的目标信息及SAR图像，实现对海面重要目标的精细化识别与态势感知。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用星载高分辨率微波热辐射被动探测系统实现对海面目标的广域搜索和粗分类，指引高分辨率星载主动探测系统(合成孔径雷达)实现对海面目标的精细化探测；
(2)本发明联合目标的微波热辐射特性和散射特性实现对海面目标进行精细化识别，以满足远海远洋海面目标的全天时、全天候、隐蔽性探测与精细化识别的迫切需求。
附图说明
图1是海面目标星载微波热辐射电磁散射联合探测系统方案示意图；
图2是海面目标星载微波被动探测子系统；
图3是海面目标星载微波主动探测子系统；
图4是星载微波被动探测子系统对海探测的亮温图像；
图5是星载微波被动探测子系统粗分类后某海面目标的辐射亮温图像；
图6是星载微波被动探测子系统对图5中该海面目标探测获取的SAR图像；
图7是利用星载海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法识别图5和图6的目标。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1-3所示，海面目标星载微波热辐射电磁散射联合探测系统，包括海面目标星载微波被动探测子系统和海面目标星载微波主动探测子系统。
海面目标天基微波热辐射被动探测子系统采用综合孔径微波辐射被动探测技术，以尽可能的获取高的空间分辨率。海面目标天基微波热辐射被动探测技术主要是利用海面目标与海面背景的微波热辐射亮温图像差异来实现对海面目标的有效探测，利用不同海面目标的微波热辐射亮温特征实现对海面目标的粗分类。海面目标天基微波热辐射被动探测子系统的硬件主要是由天线阵列、接收机通道、采取相关处理器和控制配电器组成，软件处理流程包括误差校正与定标、亮温图像重建、目标探测与粗分类。
对于海面目标天基微波热辐射被动探测子系统，首先，天线阵接收来自海面目标和海面场景辐射的微波热辐射信号；随后，将天线接收的信号输出至接收机，接收机对接收的信号进行低噪声放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波，输出中频信号；然后，将中频信号输出到相关器，完成A/D量化、IQ分离、信号两两互相关，得到归一化相关系数；最后，通过对归一化相关系数进行误差校正与定标、亮温图像重构、目标探测与粗分类，获取目标的粗略位置、航速和航向等重要信息。
海面目标天基微波主动探测子系统主要是采用合成孔径雷达探测技术，其主要是基于星载平台，利用主动发射的信号获取海面目标的散射回波，基于超宽带线性调频信号产生能力和方位向超大合成孔径实现能力，保障距离向和方位向分辨率，实现对海面目标的有效探测。系统的硬件包括数据处理器、射频通道、内定标器、TR组件和SAR天线组成。其中，数据处理器包括控制配电器、调频源、采集及存储器；射频通道包括频率源、上变频器、下变频器；内定标器包括多个电子开关，主要完成发射信号、接收信号、内定标信号的切换；TR组件包括功率放大器、环行器、耦合器，SAR天线包括H极化模块、V极化模块。
对于海面目标天基微波主动探测子系统，首先，调频源在系统控制器的控制下产生所要求的小功率线性调频信号，该信号经过上变频和功率放大，经TR组件射频前端供给H和V极化发射天线。
天线将信号馈向观测区域，之后将接收到观测区域H和V极化的反射/散射回波经定标单元送给接收机。接收机射频回波信号下变频至中频，数据采集与处理器将模拟的中频信号带通采样量化为数字信号，再经过预处理后送给数传分系统。
内定标器将发射机的部分功率耦合到接收机中形成闭环，从而实现内部校准，消除由收发系统的变化所引起的测量误差，并作为参考校准信号修正收发系统的幅相畸变误差。
然后，将机上原始数据送入地面成像处理器进行SAR成像处理，获取目标SAR图像和位置等信息，并提取目标的散射截面和散射相位等关键电磁特征信息，进行图像显示。最后，对回波及成像数据进行存储及管理。
海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法为：
第一步：利用海面目标星载微波热辐射被动探测子系统具有广域隐蔽性探测的能力，实现对海面目标的广域搜索，获取海面目标的粗略位置、目标航向和目标航速等重要信息，同时基于海面目标的微波热辐射亮温特征实现对海面目标的粗分类。海面目标星载微波辐射热辐射被动探测子系统将粗分类得到的重要海面目标的粗略位置、航向和航速等重要信息通过星间链路传递给海面目标星载微波主动探测子系统，以指示其进行详查。
第二步：海面目标星载微波主动探测子系统在未接到任何指示情况下，不发射任何信号保持静默状态。当接收到海面目标星载微波主动探测子系统的传递过来的海面目标的位置信息，海面目标星载微波主动探测子系统的卫星平台计算海面目标探测最佳方案，海面目标星载微波主动探测子系统立即开机，按照规划的探测路线方案，依次实现对海面目标的有效探测，获取海面目标的高分辨率SAR图像，获取重要军事目标的位置信息等，探测完后立即关机。
第三步：融合海面目标星载微波热辐射被动探测子系统获取的目标信息及亮温图像和海面目标星载微波主动探测子系统获取的目标信息及SAR图像，实现对海面重要目标的精细化识别与态势感知。从而最终实现低可见度及复杂海况等恶劣海洋环境下的远海远洋海面目标的有效探测与精细化识别。
海面目标星载微波热辐射电磁散射联合探测方法示例
步骤1：星载微波辐射被动探测子系统被动接收海面的微波热辐射信号，对海面进行广域搜索，获取海面目标的微波辐射亮温图像，如图4所示；同时，星载微波辐射被动探测子系统利用目标粗分类方法对海面目标进行粗分类，提取感兴趣目标的微波辐射亮温图像，如图5所示；同时获取目标的位置、航向和航速等关键信息，并将相关信息发送至星载微波主动探测子系统。
步骤2：星载微波主动探测子系统在未收到星载微波被动探测子系统目标信息时，其一直处于关机状态。当收到星载微波被动探测子系统发送的目标信息后，卫星调整姿态，对准海面目标所在的方向，主动雷达开机，发射探测信号，获取目标的高分辨率的SAR图像，如图6所示；当完成对所有敏感目标的主动成像任务后，主动探测系统立即关机。
步骤3：利用星载微波被动探测子系统获取的海面目标的微波热辐射亮温图像和星载微波主动探测手段获取的海面目标的SAR图像，对该海面目标的微波热辐射亮温图像和SAR图像信息进行挖掘，包括目标的长宽比、目标定量化的亮温信息、目标的SAR图像等重要信息，实现海面目标的精细化识别和态势感知。例如，通过对图5的微波辐射亮温图像和图6的SAR图像的深度挖掘，识别出该目标是海面一油轮目标，如图7所示。
通过本发明所构思的上述一种海面目标星载微波热辐射电磁散射联合探测系统与方法能为远海远洋海面目标的全天时、全天候、隐蔽性探测与精细化识别提供一种新的、可行的技术途径。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用星载微波辐射被动探测子系统获取海面目标亮温图像，实现对海面目标的广域搜索，同时对目标进行粗分类，获取海面目标的位置信息，并发送给星载微波辐射主动探测子系统；
步骤2：处于关机状态的星载微波主动探测子系统待接收到星载微波辐射被动探测子系统的目标信息后，调整卫星姿态，完成对指示目标的SAR成像后立即关机；
步骤3：通过融合挖掘方法处理目标的微波辐射图像和SAR图像，实现对目标的精细化识别和态势感知。
2.根据权利要求1所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统为综合孔径微波辐射被动探测系统，其阵型采用Y型或T型或十字型或分布式中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波主动探测子系统为合成孔径雷达或是相控阵雷达，其可以获取海面目标的高分辨率SAR成像。
4.根据权利要求1所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，通过建立完备的海面目标数据库对海面目标进行精细化识别或是利用神经网络、深度学习的方法实现对海面目标的精细化识别。
5.根据权利要求1或2所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统利用海面目标与海面背景的微波热辐射亮温图像差异来实现对海面目标的有效探测，利用不同海面目标的微波热辐射亮温特征实现对海面目标的粗分类。
6.根据权利要求1或2所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波辐射被动探测子系统包括天线阵、接收机和相关器，
天线阵接收来自海面目标和海面场景辐射的微波热辐射信号，将天线接收的信号输出至接收机，接收机对接收的信号进行低噪声放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波，输出中频信号；
将中频信号输出到相关器，完成A/D量化、IQ分离、信号两两互相关，得到归一化相关系数；
通过对归一化相关系数进行误差校正与定标、亮温图像重构、目标探测与粗分类，获取目标的粗略位置、航速和航向信息。
7.根据权利要求1或3所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波主动探测子系统基于星载平台，利用主动发射的信号获取海面目标的散射回波，基于超宽带线性调频信号产生能力和方位向超大合成孔径实现能力，保障距离向和方位向分辨率，实现对海面目标的有效探测。
8.根据权利要求1或3所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，海面目标的星载微波主动探测子系统包括调频源、系统控制器、TR组件、数据采集与处理器、内定标器，
调频源在系统控制器的控制下产生所要求的小功率线性调频信号，该信号经过上变频和功率放大，经TR组件射频前端供给H和V极化发射天线；
天线将信号馈向观测区域，将接收到观测区域H和V极化的反射/散射回波经内定标器送给接收机；
接收机射频回波信号下变频至中频，数据采集与处理器将模拟的中频信号带通采样量化为数字信号，再经过预处理后送给数传分系统；
内定标器将发射机的部分功率耦合到接收机中形成闭环，从而实现内部校准，消除由收发系统的变化所引起的测量误差，并作为参考校准信号修正收发系统的幅相畸变误差；
数据传输系统将机上原始数据送入地面成像处理器进行SAR成像处理，获取目标SAR图像和位置信息，并提取目标的散射截面和散射相位的电磁特征信息，进行图像显示，并对回波及成像数据进行存储。
9.根据权利要求1所述的一种海面目标微波热辐射电磁散射联合探测方法，其特征在于，融合挖掘方法为：融合海面目标星载微波热辐射被动探测子系统获取的目标信息及亮温图像和海面目标星载微波主动探测子系统获取的目标信息及SAR图像，实现对海面重要目标的精细化识别与态势感知。
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