CN114637004A - 星载gnss-s多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法 - Google Patents

星载gnss-s多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种星载GNSS‑S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法。该系统包括：GNSS‑S多站雷达，搭载在低轨卫星上，用于并行接收多个中高轨GNSS卫星的直达信号和海面目标的散射信号；GNSS信号预处理模块，用于对多个直达信号和散射信号进行预处理；GNSS‑S信号双站成像模块，用于对预处理后的多个散射信号进行双站成像，获得多幅GNSS‑S图像；多站GNSS‑S图像联合检测模块，用于对多幅GNSS‑S图像进行联合检测处理，获得多维GNSS‑S信息，并根据目标特征获得目标检测结果；多站GNSS‑S信息融合处理模块，用于对多维GNSS‑S信息进行融合处理，提取目标特征。相比于单幅GNSS‑S图像，本发明的融合图像的信噪比更高，图像的轮廓与细节信息更清晰丰富，目标检测更加准确。

Description

星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法
技术领域
本发明涉及星载雷达探测与电子信息技术领域，尤其涉及一种星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法。
背景技术
近年来，基于全球导航卫星系统(GNSS)照射的外辐射源探测技术在雷达技术领域备受关注。其中，GNSS反射信号探测技术(GNSS-R)，已形成相应的星载载荷，应用于大气海洋陆面遥感等领域研究工作；GNSS散射信号探测技术(GNSS-S)，以全球导航系统(GPS，GLONASS，GALILEO，BEIDOU)作为发射平台，构成收发分置多发单收的L波段双/多站SAR系统，将接收机搭载于低轨卫星平台，获取探测区域的雷达二维图像，可形成具备大范围海面舰船目标探测能力的天基雷达系统。
GNSS-S探测器的主要搭载平台为地面与飞机，其数据处理的实时性要求并不高。若将GNSS-S探测器搭载于卫星平台，形成海面舰船目标探测系统，则需要其实现数据的实时/准实时处理。考虑到同时接收的多颗中高轨导航卫星信号的散射信号，星载GNSS-S数据的在轨处理，将面临很大挑战。
星载GNSS-S具有大范围海面舰船目标探测的应用潜力，但受限于GNSS信号相对较小的带宽与落地功率密度，相比于传统的传感器(SAR)，其图像的空间分辨率与SNR较差，这将大大限制其应用场景。得益于GNSS卫星全天候全天时的全球高精度导航能力，对于地球上任意一点都可以保证至少有6-8颗卫星同时从不的角度进行照射，GNSS-S可以同时获取多幅图像，对这些图像进行融合处理，可以有效提升融合后图像的SNR，增强图像的轮廓与细节信息。现有的GNSS-S图像融合处理研究工作，并未充分考虑不同图像的信噪比与空间分辨率差异，机械性的融合处理，会严重影响图像融合效果。
发明内容
为克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：星载GNSS-S多站雷达利用低轨卫星搭载GNSS-S接收系统，对多颗中高轨导航卫星信号的散射信号进行同步接收，形成中高轨发射、低轨接收的多发单收式多站外辐射源雷达探测系统。为提高海面舰船目标探测的时效性，提出基于多片FPGA的GNSS-S多站雷达在轨处理系统，具备多站雷达信号预处理、双站成像、多维图像融合、目标检测等舰船信息实时处理能力。由于导航信号带宽与功率有限，采用并行遗传优化搜索方法，实现多维GNSS-S图像的融合，提升舰船目标空间分辨率与信噪比。相比于单幅GNSS-S图像，本发明的融合图像的信噪比更高，图像的轮廓与细节信息更清晰、丰富，有利于进一步实现图像的目标检测、特征提取与识别，使得目标检测的结果更加准确。
有益效果：
根据本发明的方案，利用低轨卫星搭载GNSS-S接收系统，对多颗中高轨导航卫星信号的散射信号进行同步接收，形成中高轨发射、低轨接收的多发单收式多站外辐射源雷达探测系统，并利用多片FPGA实现GNSS-S的多站雷达信号预处理、双站成像、多维图像融合等舰船信息实时处理。该在轨处理系统，利用多片FPGA并行实现对中高轨发射、低轨接收的多站GNSS-S雷达信号预处理、双站成像、多维图像融合等舰船信息实时处理，相比于单幅GNSS-S图像，处理后的图像具有信噪比更高，图像的轮廓与细节信息更清晰更丰富的特点。
针对单幅GNSS图像中目标信噪比(SNR)较差的问题，对多站图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理以提升目标的SNR，同时，建立以原始图像分辨率和信噪比为支撑域的多目标最优化问题模型，利用优化算法，实现多站GNSS-S图像的快速加权融合处理。在GNSS-S图像融合处理中，针对单幅GNSS-S图像中目标SNR较差的问题，对多站图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理，可有效提升目标的SNR。在加权融合处理的融合权重计算过程中，建立以原始图像分辨率和信噪比为支撑域的多目标最优化问题模型，利用遗传算法等优化算法进行寻优，以提高优化计算效率。
附图说明
图1示意性表示本发明实施例提供的星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统的组成示意图；
图2示意性表示本发明实施例提供的星载GNSS-S多站雷达探测场景示意图；
图3示意性表示本发明实施例提供的星载GNSS-S多站雷达在轨处理流程；
图4示意性表示本发明实施例提供的三组FPGA处理平台的资源分配与数据流；
图5示意性表示本发明实施例提供的多维GNSS-S图像信息的融合处理流程。
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。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统及方法。
图1为本实施例提出的星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统的组成示意图。参照图1，该系统包括：GNSS-S多站雷达、GNSS信号预处理模块10、GNSS-S信号双站成像模块20、多站GNSS-S图像联合检测模块30和多站GNSS-S信息融合处理模块40。其中，GNSS-S多站雷达，搭载在低轨卫星上，用于并行接收多个中高轨GNSS卫星的直达信号和海面目标的散射信号；GNSS信号预处理模块10，用于对多个直达信号和散射信号进行预处理；GNSS-S信号双站成像模块20，用于对预处理后的多个散射信号进行双站成像，获得多幅GNSS-S图像；多站GNSS-S图像联合检测模块30，用于对多幅GNSS-S图像进行联合检测处理，获得多维GNSS-S信息，并根据目标特征获得目标检测结果；多站GNSS-S信息融合处理模块40，用于对多维GNSS-S信息进行融合处理，提取目标特征。经过信号预处理、双站成像、多站图像联合检测与多站GNSS-S信息融合处理后，在轨处理系统可提取出舰船目标切片，用于进一步的目标特征(长、宽、长宽比等)提取。
参照图2，星载GNSS-S多站雷达在轨处理系统及对应的GNSS-S多站雷达载荷，搭载于低轨卫星平台。雷达载荷包含1幅直达天线和1幅反射天线，分别用于接收M颗中高轨GNSS卫星的直达信号和海面目标的发射信号，从而形成中高轨发射、低轨接收的M发1收多站外辐射源雷达探测系统，系统具有M个独立的接收通道，可以并行接收M路GNSS-S信号，并采样至中频。
参照图1，GNSS信号预处理模块10包括：信号捕获处理子模块和导航电文检测处理子模块。其中，信号捕获处理子模块包含M个信号捕获子模块，分别对M颗GNSS卫星的直达信号进行搜索，获取M路直达信号的多普勒频率与码相位；导航电文检测处理子模块包含M个导航电文检测子模块，对M路直达波信号进行导航电文检测，用于去除电文对应的电平反转对GNSS-S信号的影响。
参照图1，GNSS-S信号双站成像模块20包括：距离压缩处理子模块和BP成像处理子模块。其中，距离压缩处理子模块包含M个距离压缩子模块，利用GNSS-S信号预处理模块10获取M路直达信号的多普勒频率、码相位与导航电文，分别对M路GNSS-S信号进行码相关处理，完成M路信号的距离压缩；BP成像处理子模块包含M个BP成像子模块，利用M颗GNSS卫星与接收卫星的位置信息和同步信息，对M幅GNSS-S距离压缩像进行BP成像处理，获得舰船目标的M幅GNSS-S二维图像。
参照图1，多站GNSS-S图像联合检测模块30包括：M个目标CFAR检测子模块，用于对M幅GNSS-S图像进行舰船目标检测，根据选定的海杂波模型与预设的虚警率，求取检测阈值进行舰船目标检测，并利用M幅GNSS-S图像信息的多维GNSS-S信息，剔除部分虚警，获得联合检测结果，并估算舰船目标位置。
参照图1，多站GNSS-S信息融合处理模块40包括：多视与插值处理子模块和融合处理子模块。多视与插值处理子模块首先对多站图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理，可有效提升目标的SNR，然后对多视处理后的多站图像进行插值处理，使各图像具有相同采样率，便于进一步的图像融合处理；融合处理子模块利用建立的多目标优化模型和优化算法，对多视视数和融合权重进行优化，并完成多站GNSS-S信息的融合处理，提取目标特征。
本实施例利用上述系统实现了星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合方法，包括：步骤S1、利用低轨卫星搭载GNSS-S多站雷达，对多颗中高轨导航卫星的直达信号和散射信号进行同步接收，形成中高轨发射、低轨接收的多发单收式多站外辐射源雷达探测系统；步骤S2、利用多片FPGA对GNSS-S多站雷达接收的散射信号进行预处理、双站成像、图像检测、信息融合、目标检测的目标信息实时处理，获得目标检测结果。其中，基于多片FPGA对GNSS-S多站雷达接收的散射信号进行实时处理的过程包括：步骤S21、利用GNSS信号预处理模块对多个直达信号和散射信号进行预处理；步骤S22、利用GNSS-S信号双站成像模块对预处理后的多个散射信号进行双站成像，获得多幅GNSS-S图像；步骤S23、利用多站GNSS-S图像联合检测模块对多幅GNSS-S图像进行联合检测处理，获得多维GNSS-S图像信息；步骤S24、利用多站GNSS-S信息融合处理模块采用并行遗传优化搜索方法，对多维GNSS-S图像信息进行融合处理，提取目标特征；步骤S25、利用多站GNSS-S图像联合检测模块根据目标特征获得目标检测结果。
参照图3，具体地，星载GNSS-S多站雷达在轨处理流程包括：GNSS信号预处理模块100，包含M个信号捕获与导航电文检测子模块，分别获取M颗GNSS卫星直达信号的多普勒频率、码相位与导航电文检测；GNSS-S信号双站成像模块200，包含M个距离压缩与BP成像处理子模块，用于对M路GNSS-S信号进行并行距离压缩与BP成像处理，获取M幅GNSS-S二维图像；多站GNSS-S图像联合检测模块300，包含M个目标CFAR检测模块，用于对M幅GNSS-S图像进行舰船目标检测，并利用M幅GNSS-S图像信息，剔除部分虚警，获得联合检测结果，估算舰船目标位置。
参照图4，三组FPGA处理平台资源分配包括：第一组FPGA 1000，根据预处理计算量设置P1个FPGA，用于对M路GNSS直达信号进行预处理；第二组FPGA 2000，根据成像处理计算量设置P2个FPGA，用于对M路GNSS-S信号进行双站成像处理；第三组FPGA 3000，根据舰船检测计算量设置P3个FPGA，用于对M路GNSS-S信号进行联合检测。
参照图5，多维/多幅GNSS-S图像的融合处理流程包括：步骤10000、利用多视与插值处理子模块首先对多站图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理，可有效提升目标的信噪比SNR，鉴于GNSS-S图像的方位向分辨率明显优于距离向分辨率，原则上多视处理选取的方位向视数应大于距离向视数，然后对多视处理后的多站图像进行插值处理，使各图像具有相同采样率，便于进一步的图像融合处理；步骤20000、多视处理后的多站图像仍然具有不同的空间分辨率和信噪比，利用融合处理子模块针对多视处理后的多站图像进行加权融合处理过程中，根据各图像的空间分辨率和信噪比选取融合权值。对初步融合后的图像，利用构建的评价函数进行评价，如未达到最优，调整各图像的多视视数和融合权重，重新进行融合，以此类推迭代，直至评价最优。在上述融合处理过程中，建立以空间分辨率和信噪比为主要优化目标和评价函数，以原始图像分辨率和信噪比为支撑域的多目标最优化问题模型，在空间分辨率和信噪比之间进行权衡考虑。多视处理中的视数和加权融合处理中的权重值均在相应的支撑域约束下进行选取，并通过评价函数的评价反馈进行优化迭代。对任意一幅GNSS-S图像处理视数的选择应在信噪比与空间分辨率直接折中，以最大限度保证该幅图像的空间分辨率，从而保留目标的轮廓与细节信息；对空间分辨率和信噪比更优的图像，应适当增加融合权重，而对信噪比达不到支撑域约束的图像，应尽量减少权重。为提高优化计算的效率，利用遗传算法等优化算法进行寻优。
对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
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GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统，其特征在于，包括：
GNSS-S多站雷达，搭载在低轨卫星上，用于并行接收多个中高轨GNSS卫星的直达信号和海面目标的散射信号；
GNSS信号预处理模块，用于对多个直达信号和散射信号进行预处理；
GNSS-S信号双站成像模块，用于对预处理后的多个散射信号进行双站成像，获得多幅GNSS-S图像；
多站GNSS-S图像联合检测模块，用于对多幅GNSS-S图像进行联合检测处理，获得多维GNSS-S信息，并根据目标特征获得目标检测结果；
多站GNSS-S信息融合处理模块，用于对多维GNSS-S信息进行融合处理，提取目标特征。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GNSS信号预处理模块包括：
信号捕获处理子模块，用于对多颗导航卫星的直达信号进行搜索，获取多路直达信号的多普勒频率与码相位；
导航电文检测处理子模块，用于对多路直达信号进行导航电文检测，去除导航电文对应的电平反转对散射信号的影响。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GNSS-S信号双站成像模块包括：
距离压缩处理子模块，用于利用所述GNSS信号预处理模块获取的多路直达信号的多普勒频率、码相位和导航电文，对多路GNSS-S信号进行码相关处理，获得多幅GNSS-S信号的距离压缩像；
BP成像处理子模块，用于利用多个GNSS卫星和低轨卫星的位置信息和同步信息，对多幅GNSS-S信号的距离压缩像进行BP成像处理，获得目标的多幅GNSS-S图像。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述多站GNSS-S图像联合检测模块包括：
多个目标CFAR检测子模块，用于对多幅GNSS-S图像进行目标检测，根据选定的海杂波模型与预设的虚警率，求取检测阈值，并利用多幅GNSS-S图像的多维GNSS-S信息，剔除部分虚警，获得联合检测结果，估算目标位置。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多站GNSS-S信息融合处理模块包括：
多视与插值处理子模块，用于对多幅GNSS-S图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理，然后对多视处理后的多站图像进行插值处理，使各图像具有相同采样率，便于图像融合处理；
融合处理子模块，用于利用建立的多目标优化模型和优化算法，对多视视数和融合权重进行优化，并完成多维GNSS-S信息的融合处理，提取目标特征。
6.一种利用如权利要求1至5所述的星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合系统实现的星载GNSS-S多站雷达在轨处理与舰船信息融合方法，包括：
利用低轨卫星搭载GNSS-S多站雷达，对多颗中高轨导航卫星的直达信号和散射信号进行同步接收，形成中高轨发射、低轨接收的多发单收式多站外辐射源雷达探测系统；
利用多片FPGA对GNSS-S多站雷达接收的散射信号进行预处理、双站成像、图像检测、信息融合、目标检测的目标信息实时处理，获得目标检测结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于多片FPGA对GNSS-S多站雷达接收的散射信号进行实时处理的过程包括：
利用GNSS信号预处理模块对多个直达信号和散射信号进行预处理；
利用GNSS-S信号双站成像模块对预处理后的多个散射信号进行双站成像，获得多幅GNSS-S图像；
利用多站GNSS-S图像联合检测模块对多幅GNSS-S图像进行联合检测处理，获得多维GNSS-S图像信息；
利用多站GNSS-S信息融合处理模块采用并行遗传优化搜索方法，对多维GNSS-S图像信息进行融合处理，提取目标特征；
利用多站GNSS-S图像联合检测模块根据目标特征获得目标检测结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多维GNSS-S图像信息的融合处理过程包括：
对多维GNSS-S图像进行不同尺度的方位向和距离向多视处理；
对多视处理后的多站图像进行插值处理，使各图像具有相同采样率，便于图像融合处理；
在加权融合处理过程中，根据图像的空间分辨率和信噪比，选择融合权重；
对初步融合后的图像，利用构建的评价函数进行评价，如未达到最优，调整各图像的多视视数和融合权重，重新进行融合，以此类推迭代，直至评价最优。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述多视处理的过程中，
选取大于距离向视数的方位向视数；
对GNSS-S图像处理视数的选择在信噪比与空间分辨率直接折中，以最大限度保证该幅图像的空间分辨率，从而保留目标的轮廓与细节信息。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述优化迭代处理的过程中，
建立以空间分辨率和信噪比为主要优化目标和评价函数，以原始图像分辨率和信噪比为支撑域的多目标最优化问题模型；
利用遗传算法等优化算法进行寻优，以提高优化计算效率。
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