CN114488134A - 星载多通道gnss-s雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载多通道GNSS‑S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法，系统包括：星载多通道GNSS‑S雷达(10)，用于对海面舰船目标的回波信号进行同步接收；方位向智能DBF处理单元(20)，用于对回波信号进行处理，形成二维回波信号；多源雷达融合成像单元(30)，用于对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；舰船目标检测单元(40)，用于对高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；舰船目标视频形成单元(50)，用于形成舰船目标的视频图像；舰船目标轨迹提取单元(60)，用于形成舰船目标的运动轨迹。本发明具有长时间视频成像、批量舰船目标轨迹提取、自身隐蔽性强、系统功耗低等优势。

Description

星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法

技术领域

本发明涉及一种星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法。

背景技术

海面舰船目标探测与视频成像一直是科学研究的热点，但是受海上云雨雾等天气影响，光学传感器难以发挥其高分辨率成像与识别优势。而星载SAR系统则能够穿云透雾，可实现全天时全天候对海观测，适合海面舰船目标的高分辨率成像与探测应用，但现有的星载SAR系统难以实现舰船目标的长时间视频成像与运动轨迹提取。而由于利用GNSS-S进行海面舰船目标探测时不需要主动发射信号，仅需接收导航卫星信号的散射信号即可实现目标探测，因此具有低功耗优势，相比于大功耗SAR，可实现长时间探测与跟踪，更适合舰船目标长时间跟踪与视频成像。此外，导航卫星信号还具有全球覆盖优势，且海面任一空间均可同时接收到多颗导航卫星信号，可实现多源信息联合探测。

对此，一些技术提出利用导航卫星信号的反射信号(GNSS-R)实现海面风场探测，并完成了低轨卫星搭载试验。同时，另一些技术提出在地基利用导航卫星信号的散射信号(GNSS-S)实现星发地收双站SAR成像，但受限于导航卫星信号的有效带宽，其对应的成像分辨率一般仅在十米量级。因此，如何利用星载GNSS-S雷达实现海面舰船目标的视频成像与轨迹提取成为领域内亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法，系统包括：

星载多通道GNSS-S雷达，用于对海面舰船目标的回波信号进行同步接收；

方位向智能DBF(数字波束形成)处理单元，用于对回波信号进行处理，形成二维回波信号；

多源雷达融合成像单元，用于对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；

舰船目标检测单元，用于对高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；

舰船目标视频形成单元，用于形成舰船目标的视频图像；

舰船目标轨迹提取单元，用于形成舰船目标的运动轨迹。

根据本发明的一个方面，所述星载多通道GNSS-S雷达可获得N个回波信号，记为s_n(t),n＝1,2,...,N；其中，N为雷达天线沿方位向的接收通道个数；

所述方位向智能DBF处理单元对N个回波信号进行智能DBF处理、多源信号分离与时序恢复，形成M个数字域高增益窄波束，获得M个高信噪比回波信号，记第k帧的M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M；并通过多源信号分离处理使每个回波信号分离出P个回波信号，记为：

r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P；

再经过时序恢复形成M×P个二维回波信号，记为r’_m,p(χ_k,τ_k,t)；其中，χ_k为视频帧序号，τ_k为慢时序列；

所述多源雷达融合成像单元对M个数字波束的P颗导航卫星散射信号进行双站雷达成像与多源雷达图像融合处理，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M；其中，dA_m、dR_m分别为第m幅图像的方位向网格单元序列与距离向网格单元序列；

所述舰船目标检测单元对第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息，记第j个舰船目标的第k帧位置与图像切片分别为Ω_m,j(χ_k,x_j,yj)与J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)；其中，x_j为第j个舰船目标在地距平面的方位向位置，y_j为第j个舰船目标在地距平面的距离向位置，dA_j为第j个舰船目标切片沿方位向的网格单元序列，dR_j为第j个舰船目标切片沿距离向的网格单元序列；

所述舰船目标视频形成单元利用连续K帧图像切片形成视频图像，记第j个舰船目标的视频图像为

(即由K帧图像形成动态效果)

所述舰船目标轨迹提取单元利用连续K帧位置信息形成运动轨迹，记第j个舰船目标的运动轨迹为

根据本发明的一个方面，所述星载多通道GNSS-S雷达包括：

L波段方位向多通道天线，用于对海面舰船目标GNSS-S信号进行接收，输出N路GNSS-S信号；

N个高灵敏度数字接收机，用于对GNSS-S信号进行放大接收、下变频与采样量化，获得N路数字域GNSS-S信号s_n(t)；

GNSS-S雷达主控单元，用于对GNSS-S信号的放大接收、采样量化、数据存储与传输进行控制；

频率信号发生器，用于产生下变频所需的本振信号f_LO、采样量化所需的采样时钟f_ADC、雷达主控所需的工作时钟f_FPGA、处理单元所需的处理时钟f_SP；下角标LO的含义为本振频率信号；下角标SP的含义为信号处理的工作时钟信号；(ADC为模数转换器；FPGA为现场可编程门阵列)

分布式数据存储器，用于对多路数字域GNSS-S信号与中间计算变量进行分布式并行存储；

阵列信号与多源信息处理单元，用于对多路GNSS-S信号进行智能DBF、多源雷达融合成像、舰船目标检测与定位。

根据本发明的一个方面，所述方位向智能DBF处理单元包括：

波束指向求解单元，用于根据舰船目标的位置信息计算DBF波束指向，获得第k帧的M个数字窄波束指向，记第k帧的第m个波束指向为

每个数字窄波束对应的合成孔径时间为T_m，m＝1,2,3,…,M，T_m为1-5秒；其中，

为第m个波束的方位角，θ_m为第m个波束的入射角；

最优权值求解单元，用于对智能DBF的M个数字窄波束对应的M组权值进行计算，获得M组智能DBF复数权值，记第k帧的M组DBF复数权值为w_k,m,n；

复数加权求和单元，用于对N路GNSS-S信号s_n(t)进行复数加权，获得第k帧的M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M，则有

多源回波信号分离单元，用于对M个回波信号r_m(χ_k,t)进行多源信号分离，获得M×P个更高信噪比回波信号；

多源回波信号时序恢复单元，用于对M×P个回波信号的时序进行恢复，形成M×P个二维回波信号。

根据本发明的一个方面，所述多源回波信号分离单元根据卫星导航接收机捕获跟踪获得的P颗导航卫星信号信息，分别对M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t)进行互相关处理，每个波束区域均可获得P个回波信号，共可获得M×P个更高信噪比回波信号，记第k帧、第m个波束、第p颗导航卫星的回波信号为r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P，则有r_m,p(χ_k,t)＝R(r_m(χ_k,t),Z_p(t))，其中，R(·)为互相关函数，Z_p(t)为捕获跟踪获得的第p颗导航卫星信号；

所述多源回波信号时序恢复单元根据卫星导航接收机输出的P颗导航卫星位置与速度信息、低轨GNSS-S雷达天线位置与速度信息，将一维回波信号r_m,p(χ_k,t)转换成二维回波信号r’_m,p(χ_k,τ_k,t)，其中，τ_k与t分别为方位向慢时变量与距离向快时变量。

根据本发明的一个方面，所述多源雷达融合成像单元包括：

双站后向投影(BP)雷达成像处理单元，用于分别对第k帧的M×P个二维GNSS-S回波信号r’_m,p(χ_k,τ_k,t)进行双站BP雷达成像，获得第k帧的M×P幅双站雷达图像I_m,p(χ_k,dA_m,dR_m)，其中，dA_m与dR_m分别为第m波束区域的方位向网格变量与距离向网格变量，χ_k为视频图像中的图像帧数，共分为M个波束区域，每个波束区域均包含P幅双站雷达图像；

功率归一化单元，用于对M×P幅双站雷达图像进行功率归一化处理，获得功率范围均小于等于1的M×P幅双站雷达图像

则有：

(“上横线”表示归一化处理后的图像，即与处理前的图像进行区分)

多源雷达图像融合处理单元，用于分别对第k帧的M个波束区域的P幅双站雷达图像进行融合处理，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M，则有：

其中，w'_p为融合处理的加权值。

根据本发明的一个方面，所述舰船目标检测单元包括：

杂波功率分布统计单元，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)的海杂波功率分布进行统计分析，功率分布概率函数为f_PD(Γ_sea)，其中，Γ_sea为海杂波功率变量；下角标PD的含义为功率分布；

检测阈值求取单元，用于对舰船目标检测的阈值进行计算，设定虚警率为f_R，取10^-2-10^-4，则计算检测阈值为Γ_m,k；下角标R的含义为检测虚警率；

舰船目标功率比较单元，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)进行舰船目标检测；

舰船目标位置计算单元，用于对舰船目标的位置进行计算，将网格点位置转换成地距平面位置信息，记第k帧、第m个波束的雷达图像中的第j个舰船目标的地距平面位置信息为Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)；

舰船目标图像切片提取单元，用于对舰船目标的雷达图像切片进行提取，记第k帧、第m个波束的雷达图像中的第j个舰船目标的雷达图像切片为J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)。

根据本发明的一个方面，所述舰船目标功率比较单元将雷达图像各网格点功率与检测阈值进行功率比较，当I_m(χ_k,dA_m,dR_m)＞Γ_m,k时，则第k帧、第m个波束的雷达图像的方位向第dA_m个网格点、距离向第dR_m个网格点处存在舰船目标。

根据本发明的一个方面，星载多通道GNSS-S雷达的轨道高度为H，采用一幅L波段方位向多通道天线实现海面舰船目标回波信号接收，每个天线通道在方位向具有宽波束角特性；沿方位向具有N个天线通道，N取12-36，每个天线通道工作频段为L波段，中心频率为1.575GHz，带宽大于50MHz；每个天线通道在方位向的波束宽度为θ_A，θ_A取10°-15°；每个天线通道在距离向的波束宽度为θ_R，θ_R取8°-12°；天线采用水平极化对舰船目标回波信号进行接收；天线以正侧视模式对海面舰船目标回波信号进行接收，通过方位向多通道天线的数字波束形成处理，在方位向形成M个数字域高增益窄波束，实现对舰船目标的方位向探测与跟踪；下角标A的含义为方位向；下角标R的含义为距离向；

将星载多通道GNSS-S雷达的星下点轨迹划分成K个时间段，对应K帧雷达图像，帧序号记为χ_k；在第k个时间段内包含M个波束区域对应的M幅雷达图像，记第k帧、第m个波束区域的雷达图像为I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M；

在进行舰船目标视频图像形成和舰船轨迹提取时，根据舰船目标位置Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)，计算获得第k+1帧的天线DBF波束指向为

并获得第k+1帧M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k+1,t)，其中，X_k+1表示下一帧图像的时刻或序号，即由于是视频，因此存在多帧图像；再获得第j个舰船目标的第k+1帧位置信息Ω_m,j(χ_k+1,x_j,y_j)与雷达图像切片信息J_m,j(χ_k+1,dA_j,dR_j)；将第j个舰船目标的K帧位置信息Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j),k＝1,2,...,K进行关联处理，获得第j个舰船目标的运动轨迹

将第j个舰船目标的K帧图像切片J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j),k＝1,2,...,K组成视频图像信息，获得第j个舰船目标的视频图像

舰船轨迹提取方法，包括以下步骤：

a、对海面舰船目标的回波信号进行同步接收，并对回波信号进行处理，形成二维回波信号；

b、对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；

c、对高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；

d、形成舰船目标的视频图像及运动轨迹。

根据本发明的构思，提出一种星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法。其中，星载GNSS-S雷达采用L波段方位向多通道天线，每个天线通道在方位向具有宽波束角特性，以提升对海面舰船目标的观测时间。并通过对方位向多通道天线的多个回波信号进行智能数字波束形成(DBF)、多源雷达融合成像、舰船目标检测与定位、舰船目标视频图像形成等处理，获得海面舰船目标数量、位置与轨迹，以及舰船目标的视频图像。其中，利用智能DBF处理可以自主形成多个数字窄波束，从而对海面舰船目标进行多帧成像与检测，进而获得海面舰船目标的视频图像与运动轨迹。如此，相比于现有的主动星载雷达SAR成像与探测系统，本发明的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法具有长时间视频成像、批量舰船目标轨迹提取、自身隐蔽性强、系统功耗低等优势，具有较高的海上探测应用价值和广阔的市场应用前景。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统的工作流程图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统的工作场景图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的星载多通道GNSS-S雷达系统的组成图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的智能DBF处理流程图；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的连续多帧雷达图像的空间位置关系图；

图6示意性表示本发明的一种实施方式的多源雷达融合成像处理流程图；

图7示意性表示本发明的一种实施方式的单个波束区域的海面目标检测与定位流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统，适用于高分宽幅SAR成像，可应用于天基分布式高分宽幅SAR系统关键技术研究，系统包括：星载多通道GNSS-S雷达10，用于对海面舰船目标的回波信号进行同步接收，可获得N个回波信号，记为s_n(t),n＝1,2,...,N，其中，N为雷达天线沿方位向的接收通道个数；方位向智能DBF处理单元20，用于对N个回波信号进行智能DBF处理、多源信号分离与时序恢复，形成M个数字域高增益窄波束，获得M个高信噪比回波信号，记第k帧的M个高信噪比回波信号为：r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M；并通过多源信号分离处理使每个回波信号分离出P个回波信号，记为：r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P；再经过时序恢复形成M×P个二维回波信号，记为r’_m,p(χ_k,τ_k,t)，其中，χ_k为视频帧序号，τ_k为慢时序列；多源雷达融合成像单元30，用于对M个数字波束的P颗导航卫星散射信号进行双站雷达成像与多源雷达图像融合处理，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像：I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M，其中，dA_m、dR_m分别为第m幅图像的方位向网格单元序列与距离向网格单元序列；舰船目标检测单元40，用于对第k帧的M幅高增益信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息，记第j个舰船目标的第k帧位置与图像切片分别为Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)与J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)，其中，x_j为第j个舰船目标在地距平面的方位向位置，y_j为第j个舰船目标在地距平面的距离向位置，dA_j为第j个舰船目标切片沿方位向的网格单元序列，dR_j为第j个舰船目标切片沿距离向的网格单元序列；舰船目标视频形成单元50，用于利用连续K帧图像切片形成舰船目标视频图像，记第j个舰船目标的视频图像为：

舰船目标轨迹提取单元60，用于利用连续K帧位置信息形成舰船目标运动轨迹，记第j个舰船目标的运动轨迹为：

参见图2，星载多通道GNSS-S雷达的轨道高度为H，采用一幅L波段方位向多通道天线实现海面舰船目标回波信号接收，每个天线通道在方位向具有宽波束角特性，以提升对海面舰船目标的观测时间；沿方位向具有N个天线通道，N取12-36，每个天线通道工作频段为L波段，中心频率为1.575GHz，带宽大于50MHz；每个天线通道在方位向的波束宽度为θ_A，θ_A取10°-15°，以提高对海面目标的观测时间；每个天线通道在距离向的波束宽度为θ_R，θ_R取8°-12°，以增大有效成像幅宽；天线采用水平极化对舰船目标回波信号进行接收，以降低海杂波的干扰；天线以正侧视模式对海面舰船目标回波信号进行接收，通过方位向多通道天线的数字波束形成(DBF)处理，在方位向形成M个数字域高增益窄波束，实现对舰船目标的方位向探测与跟踪。

参见图3，星载多通道GNSS-S雷达10包括：L波段方位向多通道天线101，用于对海面舰船目标GNSS-S信号进行接收，输出N路GNSS-S信号；N个高灵敏度数字接收机102，用于对GNSS-S信号进行放大接收、下变频与采样量化，获得N路数字域GNSS-S信号s_n(t)；GNSS-S雷达主控单元103，用于对GNSS-S信号的放大接收、采样量化、数据存储与传输等进行控制；频率信号发生器104，用于产生下变频所需的本振信号f_LO、采样量化所需的采样时钟f_ADC、雷达主控所需的工作时钟f_FPGA、处理单元所需的处理时钟f_SP；分布式数据存储器105，用于对多路数字域GNSS-S信号与中间计算变量等进行分布式并行存储；阵列信号与多源信息处理单元106，用于对多路GNSS-S信号进行智能DBF、多源雷达融合成像、舰船目标检测与定位等处理。

参见图4，方位向智能DBF处理单元20用于对海面舰船目标的多个回波信号进行智能DBF处理，包括：波束指向求解单元201，用于根据舰船目标的位置信息优化波束覆盖区域，计算DBF的波束个数与波束指向，获得第k帧的M个数字窄波束指向，记第k帧的第m个波束指向为

每个数字窄波束对应的合成孔径时间为T_m，m＝1,2,3,…,M，T_m为1-5秒，其中，

为第m个波束的方位角，θ_m为第m个波束的入射角；最优权值求解单元202，用于根据DBF波束个数与波束指向，计算DBF的最优复数权值，即对智能DBF的M个数字窄波束对应的M组权值进行计算，获得M组智能DBF复数权值，记第k帧的M组DBF复数权值为w_k,m,n；复数加权求和单元203，用于对多个天线通道输出的N路GNSS-S回波信号s_n(t)进行复数加权求和处理，实现智能DBF处理，获得M个高增益窄波束，记第k帧的第m个波束指向为

对应的第k帧的M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M，则有

多源回波信号分离单元204，用于对M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t)进行多源信号分离，获得M×P个更高信噪比回波信号，即根据卫星导航接收机捕获跟踪获得的P颗导航卫星信号信息，分别对M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t)进行互相关处理

(即r_m,p(χ_k,t)＝R(r_m(χ_k,t),Z_p(t)))；

每个波束区域均可以获得P个回波信号，则共可获得M×P个更高信噪比回波信号，记第k帧、第m个波束、第p颗导航卫星的回波信号为r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P，则有：

r_m,p(χ_k,t)＝R(r_m(χ_k,t),Z_p(t))；

其中，R(·)为互相关函数，Z_p(t)为捕获跟踪获得的第p颗导航卫星信号；多源回波信号时序恢复单元205，用于对M×P个回波信号的时序进行恢复，形成M×P个二维回波信号，即根据卫星导航接收机输出的P颗导航卫星位置与速度信息、低轨GNSS-S雷达天线位置与速度信息等，对一维回波信号r_m,p(χ_k,t)的时序进行恢复，将一维回波信号r_m,p(χ_k,t)转换成二维回波信号r’_m,p(χ_k,τ_k,t)，其中，τ_k与t分别为方位向慢时变量与距离向快时变量。

参见图5示出的连续多帧雷达图像的空间位置特点，本发明将星载GNSS-S雷达的星下点轨迹划分成K个时间段，对应K帧雷达图像，帧序号记为χ_k；在第k个时间段内包含M个波束区域对应的M幅雷达图像，记第k帧第m个波束区域的雷达图像为I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M。

参见图6，多源雷达融合成像单元30包括：双站BP雷达成像处理单元301，用于分别对第k帧的M×P个二维GNSS-S回波信号r’_m,p(χ_k,τ_k,t)(即第m个数字窄波束区域的P个二维信号)进行双站BP雷达成像，获得第k帧的M×P幅双站雷达图像I_m,p(χ_k,dA_m,dR_m)(即第m个波束区域的第p幅双站雷达图像)，其中，dA_m与dR_m分别为第m波束区域的方位向网格变量与距离向网格变量，χ_k为视频图像中的图像帧数(即表示视频图像的第k帧图像)，共分为M个波束区域，每个波束区域均包含P幅双站雷达图像；功率归一化单元302，用于分别对M×P幅双站雷达图像进行功率归一化处理，获得功率范围均小于等于1的M×P幅双站雷达图像

则有

多源雷达图像融合处理单元303，用于分别对第k帧的M个波束区域的P幅双站雷达图像进行融合处理(即对每个数字窄波束区域的P幅双站雷达图像

进行融合处理)，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M，作为第m个波束区域的视频图像的第k帧雷达图像，即

w'_p为融合处理的加权值。

参见图7，舰船目标检测单元40(单个波束区域的海面目标检测与定位)包括：杂波功率分布统计单元401，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)的海杂波功率分布进行统计分析(即同时对M个波束区域的第k帧雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)进行海杂波功率分布统计)，记功率分布概率函数为f_PD(Γ_sea)，其中，Γ_sea为海杂波功率变量；检测阈值求取单元402，用于对舰船目标检测的阈值进行计算，设定检测的虚警率为f_R，取10^-2-10^-4，则可以计算舰船目标检测阈值为Γ_m,k；舰船目标功率比较单元403，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)进行舰船目标检测，即将M个波束区域的第k帧雷达图像各网格点功率与检测阈值进行功率比较，实现舰船目标检测，当I_m(χ_k,dA_m,dR_m)＞Γ_m,k时，则第k帧、第m个波束区域的雷达图像的方位向第dA_m个网格点、距离向第dR_m个网格点处存在舰船目标；舰船目标位置计算单元404，用于对舰船目标的位置进行计算，即将网格点位置转换成地距平面位置信息，记第k帧、第m个波束区域的雷达图像中的第j个舰船目标的地距平面位置信息为Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)；舰船目标图像切片提取单元405，用于对舰船目标的雷达图像切片进行提取，记第k帧、第m个波束的雷达图像中的第j个舰船目标的雷达图像切片为J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)。

在进行舰船目标视频图像形成和舰船轨迹提取时，首先根据舰船目标位置Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)，计算获得第k+1帧的天线DBF波束指向为

并获得第k+1帧M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k+1,t)。经过上述同样处理(即图1中的20、30、40三个处理步骤)后，获得第j个舰船目标的第k+1帧位置信息Ω_m,j(χ_k+1,x_j,y_j)与雷达图像切片信息J_m,j(χ_k+1,dA_j,dR_j)；将第j个舰船目标的K帧位置信息Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j),k＝1,2,...,K进行关联处理，获得第j个舰船目标的运动轨迹：

将第j个舰船目标的K帧图像切片J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j),k＝1,2,...,K组成视频图像信息，获得第j个舰船目标的视频图像

本发明的舰船轨迹提取方法，首先对海面舰船目标的回波信号进行同步接收，并对回波信号进行处理，形成二维回波信号；再对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；并对高增益信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；最后形成舰船目标的视频图像及运动轨迹。

综上所述，本发明的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统及舰船轨迹提取方法利用方位向多个宽波束天线，增大对海面舰船目标的观测时间，利用智能DBF处理，自主形成多个数字窄波束对海面舰船目标进行多帧成像与检测，进而获得海面舰船目标的视频图像与运动轨迹，具有长时间视频成像、批量舰船目标轨迹提取、自身隐蔽性强、系统功耗低等优势。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统，其特征在于，包括：

星载多通道GNSS-S雷达(10)，用于对海面舰船目标的回波信号进行同步接收；

方位向智能DBF处理单元(20)，用于对回波信号进行处理，形成二维回波信号；

多源雷达融合成像单元(30)，用于对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；

舰船目标检测单元(40)，用于对高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；

舰船目标视频形成单元(50)，用于形成舰船目标的视频图像；

舰船目标轨迹提取单元(60)，用于形成舰船目标的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述星载多通道GNSS-S雷达(10)可获得N个回波信号，记为s_n(t),n＝1,2,...,N；其中，N为雷达天线沿方位向的接收通道个数；

所述方位向智能DBF处理单元(20)对N个回波信号进行智能DBF处理、多源信号分离与时序恢复，形成M个数字域高增益窄波束，获得M个高信噪比回波信号，记第k帧的M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M；并通过多源信号分离处理使每个回波信号分离出P个回波信号，记为：

r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P；

再经过时序恢复形成M×P个二维回波信号，记为r′_m,p(χ_k,τ_k,t)；其中，χ_k为视频帧序号，τ_k为慢时序列；

所述多源雷达融合成像单元(30)对M个数字波束的P颗导航卫星散射信号进行双站雷达成像与多源雷达图像融合处理，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M；其中，dA_m、dR_m分别为第m幅图像的方位向网格单元序列与距离向网格单元序列；

所述舰船目标检测单元(40)对第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息，记第j个舰船目标的第k帧位置与图像切片分别为Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)与J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)；其中，x_j为第j个舰船目标在地距平面的方位向位置，y_j为第j个舰船目标在地距平面的距离向位置，dA_j为第j个舰船目标切片沿方位向的网格单元序列，dR_j为第j个舰船目标切片沿距离向的网格单元序列；

所述舰船目标视频形成单元(50)利用连续K帧图像切片形成视频图像，记第j个舰船目标的视频图像为

所述舰船目标轨迹提取单元(60)利用连续K帧位置信息形成运动轨迹，记第j个舰船目标的运动轨迹为

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述星载多通道GNSS-S雷达(10)包括：

L波段方位向多通道天线(101)，用于对海面舰船目标GNSS-S信号进行接收，输出N路GNSS-S信号；

N个高灵敏度数字接收机(102)，用于对GNSS-S信号进行放大接收、下变频与采样量化，获得N路数字域GNSS-S信号s_n(t)；

GNSS-S雷达主控单元(103)，用于对GNSS-S信号的放大接收、采样量化、数据存储与传输进行控制；

频率信号发生器(104)，用于产生下变频所需的本振信号f_LO、采样量化所需的采样时钟f_ADC、雷达主控所需的工作时钟f_FPGA、处理单元所需的处理时钟f_SP；

分布式数据存储器(105)，用于对多路数字域GNSS-S信号与中间计算变量进行分布式并行存储；

阵列信号与多源信息处理单元(106)，用于对多路GNSS-S信号进行智能DBF、多源雷达融合成像、舰船目标检测与定位。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述方位向智能DBF处理单元(20)包括：

波束指向求解单元(201)，用于根据舰船目标的位置信息计算DBF波束指向，获得第k帧的M个数字窄波束指向，记第k帧的第m个波束指向为

每个数字窄波束对应的合成孔径时间为T_m，m＝1,2,3,…,M，T_m为1-5秒；其中，

为第m个波束的方位角，θ_m为第m个波束的入射角；

最优权值求解单元(202)，用于对智能DBF的M个数字窄波束对应的M组权值进行计算，获得M组智能DBF复数权值，记第k帧的M组DBF复数权值为w_k,m,n；

复数加权求和单元(203)，用于对N路GNSS-S信号s_n(t)进行复数加权，获得第k帧的M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t),m＝1,2,...,M，则有

多源回波信号分离单元(204)，用于对M个回波信号r_m(χ_k,t)进行多源信号分离，获得M×P个更高信噪比回波信号；

多源回波信号时序恢复单元(205)，用于对M×P个回波信号的时序进行恢复，形成M×P个二维回波信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多源回波信号分离单元(204)根据卫星导航接收机捕获跟踪获得的P颗导航卫星信号信息，分别对M个高信噪比回波信号r_m(χ_k,t)进行互相关处理，每个波束区域均可获得P个回波信号，共可获得M×P个更高信噪比回波信号，记第k帧、第m个波束、第p颗导航卫星的回波信号为r_m,p(χ_k,t),m＝1,2,...,M,p＝1,2,...,P，则有r_m,p(χ_k,t)＝R(r_m(χ_k,t),Z_p(t))，其中，R(·)为互相关函数，Z_p(t)为捕获跟踪获得的第p颗导航卫星信号；

所述多源回波信号时序恢复单元(205)根据卫星导航接收机输出的P颗导航卫星位置与速度信息、低轨GNSS-S雷达天线位置与速度信息，将一维回波信号r_m,p(χ_k,t)转换成二维回波信号r′_m,p(χ_k,τ_k,t)，其中，τ_k与t分别为方位向慢时变量与距离向快时变量。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多源雷达融合成像单元(30)包括：

双站BP雷达成像处理单元(301)，用于分别对第k帧的M×P个二维GNSS-S回波信号r′_m,p(χ_k,τ_k,t)进行双站BP雷达成像，获得第k帧的M×P幅双站雷达图像I_m,p(χ_k,dA_m,dR_m)，其中，dA_m与dR_m分别为第m波束区域的方位向网格变量与距离向网格变量，χ_k为视频图像中的图像帧数，共分为M个波束区域，每个波束区域均包含P幅双站雷达图像；

功率归一化单元(302)，用于对M×P幅双站雷达图像进行功率归一化处理，获得功率范围均小于等于1的M×P幅双站雷达图像

则有：

多源雷达图像融合处理单元(303)，用于分别对第k帧的M个波束区域的P幅双站雷达图像进行融合处理，获得第k帧的M幅高信杂噪比雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M，则有：

其中，w'_p为融合处理的加权值。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述舰船目标检测单元(40)包括：

杂波功率分布统计单元(401)，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)的海杂波功率分布进行统计分析，功率分布概率函数为f_PD(Γ_sea)，其中，Γ_sea为海杂波功率变量；

检测阈值求取单元(402)，用于对舰船目标检测的阈值进行计算，设定虚警率为f_R，取10^-2-10^-4，则计算检测阈值为Γ_m,k；

舰船目标功率比较单元(403)，用于对第k帧、第m个波束的雷达图像I_m(χ_k,dA_m,dR_m)进行舰船目标检测；

舰船目标位置计算单元(404)，用于对舰船目标的位置进行计算，将网格点位置转换成地距平面位置信息，记第k帧、第m个波束的雷达图像中的第j个舰船目标的地距平面位置信息为Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)；

舰船目标图像切片提取单元(405)，用于对舰船目标的雷达图像切片进行提取，记第k帧、第m个波束的雷达图像中的第j个舰船目标的雷达图像切片为J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述舰船目标功率比较单元(403)将雷达图像各网格点功率与检测阈值进行功率比较，当I_m(χ_k,dA_m,dR_m)＞Γ_m,k时，则第k帧、第m个波束的雷达图像的方位向第dA_m个网格点、距离向第dR_m个网格点处存在舰船目标。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，星载多通道GNSS-S雷达的轨道高度为H，采用一幅L波段方位向多通道天线实现海面舰船目标回波信号接收，每个天线通道在方位向具有宽波束角特性；沿方位向具有N个天线通道，N取12-36，每个天线通道工作频段为L波段，中心频率为1.575GHz，带宽大于50MHz；每个天线通道在方位向的波束宽度为θ_A，θ_A取10°-15°；每个天线通道在距离向的波束宽度为θ_R，θ_R取8°-12°；天线采用水平极化对舰船目标回波信号进行接收；天线以正侧视模式对海面舰船目标回波信号进行接收，通过方位向多通道天线的数字波束形成处理，在方位向形成M个数字域高增益窄波束，实现对舰船目标的方位向探测与跟踪；

将星载多通道GNSS-S雷达的星下点轨迹划分成K个时间段，对应K帧雷达图像，帧序号记为χ_k；在第k个时间段内包含M个波束区域对应的M幅雷达图像，记第k帧、第m个波束区域的雷达图像为I_m(χ_k,dA_m,dR_m),m＝1,2,...,M；

在进行舰船目标视频图像形成和舰船轨迹提取时，根据舰船目标位置Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j)，计算获得第k+1帧的天线DBF波束指向为

并获得第k+1帧M个高信噪比回波信号为r_m(χ_k+1,t)；再获得第j个舰船目标的第k+1帧位置信息Ω_m,j(χ_k+1,x_j,y_j)与雷达图像切片信息J_m,j(χ_k+1,dA_j,dR_j)；将第j个舰船目标的K帧位置信息Ω_m,j(χ_k,x_j,y_j),k＝1,2,...,K进行关联处理，获得第j个舰船目标的运动轨迹：

将第j个舰船目标的K帧图像切片J_m,j(χ_k,dA_j,dR_j),k＝1,2,...,K组成视频图像信息，获得第j个舰船目标的视频图像

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的星载多通道GNSS-S雷达视频成像系统的舰船轨迹提取方法，包括以下步骤：

a、对海面舰船目标的回波信号进行同步接收，并对回波信号进行处理，形成二维回波信号；

b、对导航卫星散射信号进行处理，获得高信杂噪比雷达图像；

c、对高信杂噪比雷达图像进行舰船目标检测与定位，并提取舰船目标的切片信息；

d、形成舰船目标的视频图像及运动轨迹。

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