CN115616629B - 一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，包括：S1：生成RD谱，将整个观测时间分为N块，其中每块观测时间为T_b；S2：目标运动补偿，设定待测目标的参考位置，相对于参考位置，对距离徙动进行补偿，并且对多普勒偏移进行修正，在目标运动补偿结束后，输出一系列距离多普勒图，该系列的RD谱即为补偿后的结果图；S3：积累补偿后的RD谱，对得到的补偿后的结果图进行非相干积累，得到最终的积累结果图，基于最终的积累结果图，对待测目标进行探测。相比传统天基外辐射源运动目标探测方法，本方法中，通过相位补偿，能够提高小RCS运动目标信噪比，使得小RCS的运动目标信噪比明显高于噪声信噪比，最终能够准确地对运动目标进行探测。

Description

一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法

技术领域

本发明涉及运动目标探测技术领域，尤其涉及一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法。

背景技术

在基于卫星导航信号外辐射源的目标探测方法中，如图1所示，接收装置在采集来自卫星的直射信号的同时，也将收到目标的反射信号。其中，反射信号重点应用于对目标的定位解算，普通的接收装置将会采用多种信号处理方法对多径信号进行参数估计，并进行相应的抑制，其不需要精准估计多径信号。

但从电磁波传播的理论上来思考，通过反射回波可以估计相关目标反射面的特性，即反射信号的参数的变化，例如，波形改变、极性变化、幅度相位和频率等的变化，都能够展现目标反射面的结构特性。由此，针对反射信号的参数计算和后期信号处理可以实现对目标反射面性能的分析与论证。

从这个角度上来看，图1中所示的GNSS-R(GNSS信号反射信号接收)是经典的反射模型，在该模型中，可以将信号发射源设为导航卫星，同时在陆地、飞机、或者卫星等平台上安装导航卫星的接收装置，通过对来自海洋、陆地或者其他探测区域目标的反射回波的后期数据处理，能够有效地实现对反射面的特征提取或者目标探测。

图1中所示的基于卫星导航信号反射接收技术作为一种(多基)无源雷达探测方式，相比于传统的目标探测技术手段具有以下突出优势：

1、系统可靠性强，识别精度高

近年来，随着卫星导航系统的迅速发展，卫星的数量不断增多，有足够的卫星源作为导航卫星，能够增加系统的可靠性，同时能够设置多个接收装置协同工作，提高探测概率，而且可以多视角双基地观察目标，能够提高识别精度；

2、安全度高，灵敏度高

接收装置既能够固定在陆地上或者空中，也可以搭载在运动平台上，其采取了收发分离的模式，使得接收装置不需要配置大功率器件，保证了不会受到发射装置功率泄漏的影响，安全度高，而且能够在很大程度上降低整个导航卫星反射信号接收装置的系统复杂度，可以提高探测灵敏度；

3、抗干扰能力强

该探测方式中的导航信号采用的是L波段，其波长在22cm以上，同时星座图的设计能够保证地球方位的全覆盖性，可以全天时、全天候工作，受到的昼夜变化、云雨天气以及恶劣环境等因素的影响较小，此外，还可以利用空中、空间的照射源，能够探测到发射装置视线以下和超低空的目标，其能够多站多频段协调工作，抗超低空突防能力强，系统生存能力强。

在研究中发现，由于粗糙的多普勒分辨率与较短的相干时间，在上述探测方式中，每幅RD(回波延迟与多普勒)谱中的距离徙动与多普勒偏移可以被忽略。但是，在一些应用场景中，被探测的目标处于运动状态，其位置会发生偏移，在连续时间间隔中在不同的RD谱上被探测的目标的位置会改变，每幅RD谱之间存在距离徙动与多普勒偏移。因此，当相干时间增加之后，该种方法将不再适用。

也就是说，当探测运动目标时，由于相邻的RD谱之间均存在距离徙动与多普勒偏移，在持续的探测中会造成大量的无效积累，而且在进行积累的过程中没有对目标的位置进行对准，无法增加待测目标的信噪比，最终导致不能准确的探测目标。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，所述方法包括：

S1：生成RD谱，将整个观测时间分为N块，其中每块观测时间为T_b，则，

在上式中，表示为不同块慢时间的中心时间；

S2：目标运动补偿，以作为待测目标在参考时间u＝0时的参考位置，则在第n幅RD谱图中，待测目标位于/>此时，相对于参考位置，

距离徙动为：

多普勒偏移为：

在上式中，为待测目标的多普勒调频率，λ为发送信号的波长，

基于上述公式，对距离徙动进行补偿，并且对多普勒偏移进行修正，

在目标运动补偿结束后，输出一系列距离多普勒图，该系列的RD谱即为补偿后的结果图；

S3：积累补偿后的RD谱，对得到的补偿后的结果图进行非相干积累，得到最终的积累结果图，即：

在上式中，表示为第n幅经过补偿后的RD谱，

基于最终的积累结果图，对待测目标进行探测。

可选地，在所述S1中，忽略每幅RD谱的距离徙动、多普勒偏移。

可选地，在所述S2中，设定在观测时间内，待测目标的多普勒调频率是恒定的。

可选地，在所述S2中，包括：

通过公式12将第n幅RD谱乘以相位项以对距离徙动进行补偿，并且根据公式13通过相位项对多普勒维度的偏移进行修正。

本发明技术方案的主要优点如下：

相比传统天基外辐射源运动目标探测方法，本发明的运动目标探测方法中，通过相位补偿，能够提高小RCS运动目标信噪比，使得小RCS的运动目标信噪比明显高于噪声信噪比，最终能够准确地对运动目标进行探测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中一种基于卫星导航信号外辐射源的目标探测方法的探测原理图；

图2为根据本发明的一个实施方式中的双基地无源被动雷达对目标进行探测的场景原理图；

图3为根据本发明的一个实施方式中的基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法的原理图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

在根据本发明的一个实施方式中提供了一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，该方法能够借助无源被动雷达对运动目标进行探测。

为了更加详细地说明本实施方式中的目标探测方法，本实施方式中将会借助一种常见的双基地无源被动雷达对运动目标进行探测时的场景进行推导和分析。当然，本实施方式中的方法还可以应用于其他场景。

常见的双基地无源被动雷达对目标进行探测的方法中包括发射机和接收机，在图2中，V_T表示发射机的运动速度，V_R表示接收机的运动速度，图2中给出了发射机和接收机的运动轨迹。可以理解，虽然卫星的运动轨迹为椭圆形，但是在较短的观测时间内，卫星的运动轨迹可以近似的看成一条直线，因此，相对应地，发射机和接收机的运动轨迹可以看成一条直线。

P表示探测区域中沿某一方向匀速运动的目标，R_OT表示目标到发射机运动轨迹的垂直距离，R_OR表示目标到接收机运动轨迹的垂直距离，θ_OT表示目标到发射机的斜视角，R_OR表示目标到接收机的斜视角。

本实施方式中将会基于图2中模型进行理论推导和分析。

在本实施方式的模型中，目标到发射机和接收机的斜距的表达式可以为：

可以理解，任意时刻，双基地雷达之间的距离是目标到发射机的距离和目标到接收机的距离之和，由公式(1)所示的斜距方程推导出该模型的多普勒相位，则该双基地无源被动雷达的系统下的多普勒相位为：

Φ(t)＝-2πR(t)/λ (2)

在上式中，Φ(t)为多普勒相位，R(t)为双基地雷达的信号传播距离，λ为信号波长。

由多普勒相位可以得到该信号的多普勒频率调频率为：

代入具体的慢时间，可以得到该信号的孔径中心时刻的多普勒中心频率f_dc和调频率为f_r分别为：

通过泰勒级数展开可得到：

结合公式(5)、(6)可以将公式(7)写为：

通过公式(7)可以看出影响距离徙动的主要因素包括：走动项、弯曲项。该二者的存在不利于后续运动目标的长时间积累，对运动目标的探测性能产生了影响。

在本实施方式中，将会讨论如何消除该二者的影响。

可以理解，接收机通常包括两个射频通道，其中一个射频通道(RC信道)能够收集来自待测区域(例如待测海域)的反射信号，另一个射频通道(外差信道HC)能够记录由发射机(例如卫星)到接收机的直射信号。经过正交解调以及将接收数据按PRI(脉冲重复间隔)重组为二维数据之后，反射信号可以与直射信号的无噪声参考函数进行脉冲压缩，该参考可以根据直射信号捕获跟踪的参数构造生成。距离压缩在快时间慢时间的表达式为：

在上式中，t代表快时间，t∈[0,PRI]；u代表慢时间，R_cf(·)是直达信号与反射信号的互相关函数；Δτ(u)，Δf_d(u)，/>T分别表示直射信号与反射信号之间的时延差，多普勒频率差，相位差，载波相位周期。

运动目标探测技术的目的在于辨别出反射信号中的运动目标，接收机得到的接收信号包括运动目标的反射回波以及各种杂波，这些不同的信号可以通过不同的距离和不同的多普勒频率进行区分。因此，运动目标探测技术的目的在于识别出目标的存在并通过距离多普勒单元将其定位。考虑到卫星信号落地时的低信噪比，通常需要很长的相干时间来提升信噪比。相比之下，相对较短的相干时间就足够用于高RCS的目标探测。

正是在此基础上，本实施方式在长相干时间运动目标探测技术中通过相位补偿，提升低RCS、中RCS目标探测可能性，从而对算法的整体探测性能进行了提升。

可以理解，在传统算法中，在对信号进行处理时，在距离维与多普勒维识别目标是基于匹配滤波器实现的，通过对直射信号同步提取相关参数进而构造一个无干扰的参考函数，将其与反射信号在距离维进行匹配滤波，这个步骤主要为了防止实测直射信号信噪比较低对后续处理造成干扰。通过该操作之后，数据被重新排列成关于快时间，慢时间的数据矩阵，然后在慢时间维度进行快速傅里叶变换(FFT)。慢时间维度的FFT可以在适当的信号处理增益下分离出不同多普勒的目标与杂波，在算法的输出端生成了距离-多普勒图。该算法针对高RCS目标，因为高RCS的反射信号信噪比较高，因此无需后续补偿仍可实现目标探测的功能。

为了有效地提升低RCS、中RCS目标探测可能性，如图3所示，在本实施方式的基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法中，主要包括三个步骤：

S1：生成RD谱，将整个观测时间分为N块，其中每块观测时间为T_b，则，

在上式中，表示为不同块慢时间的中心时间；

考虑到每块慢时间是有限的，因此可以忽略每幅RD谱的距离徙动、多普勒偏移。

S2：目标运动补偿，以作为待测目标在参考时间u＝0时的参考位置，则在第n幅RD谱图中，待测目标位于/>此时，相对于参考位置，

距离徙动为：

多普勒偏移为：

在上式中，为待测目标的多普勒调频率，λ为发送信号的波长，其中，设定在观测时间内，待测目标的多普勒调频率是恒定的。

基于上述公式，对距离徙动进行补偿，并且对多普勒偏移进行修正，输出一系列距离多普勒图，该系列的RD谱即为补偿后的结果图；

在本实施方式中，由于待测目标处于运动状态，在不同的RD谱上，待测目标位于不同的位置上，为了提高探测精度，因此必须对距离和多普勒偏移进行补偿，以便于在整个观测时间内对待测目标进行积累。

同时，在S2中，待测目标的参考位置可以根据实际应用场景自行设定，只需要保证所有的RD谱以同一个参考位置为基准即可。

具体地，如图3所示，在S2中，包括：

通过公式12将第n幅RD谱乘以相位项以对距离徙动进行补偿，并且根据公式13通过相位项对多普勒维度的偏移进行修正。

S3：积累补偿后的RD谱，对得到的补偿后的结果图进行非相干积累，得到最终的积累结果图，即：

在上式中，表示为第n幅经过补偿后的RD谱，

基于最终的积累结果图，对待测目标进行探测。

本实施方式中的运动目标探测方法能够对相邻RD谱之间存在距离徙动和多普勒偏移进行补偿，从而调整不同幅RD谱中的目标位置，使得目标的能量能够被集中。由于非相干积累的增益，可以使得低RCS、中RCS的运动目标信噪比明显高于噪声信噪比，从而能够准确地对运动目标进行探测。

由此，本实施方式中的方法具有以下优点：

相比传统天基外辐射源运动目标探测方法，本实施方式的运动目标探测方法中，通过相位补偿，能够提高小RCS运动目标信噪比，使得小RCS的运动目标信噪比明显高于噪声信噪比，最终能够准确地对运动目标进行探测。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：生成RD谱，将整个观测时间分为N块，其中每块观测时间为T_b，则，

在上式中， 表示为不同块慢时间的中心时间；

S2：目标运动补偿，以作为待测目标在参考时间u＝0时的参考位置，则在第n幅RD谱图中，待测目标位于/>此时，相对于参考位置，

距离徙动为：

多普勒偏移为：

在上式中，为待测目标的多普勒调频率，λ为发送信号的波长，

基于上述公式，对距离徙动进行补偿，并且对多普勒偏移进行修正，

在目标运动补偿结束后，输出一系列距离多普勒图，该系列的RD谱即为补偿后的结果图；

S3：积累补偿后的RD谱，对得到的补偿后的结果图进行非相干积累，得到最终的积累结果图，即：

在上式中，表示为第n幅经过补偿后的RD谱，

基于最终的积累结果图，对待测目标进行探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，其特征在于，在所述S1中，忽略每幅RD谱的距离徙动、多普勒偏移。

3.根据权利要求2所述的一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，其特征在于，在所述S2中，设定在观测时间内，待测目标的多普勒调频率是恒定的。

4.根据权利要求3所述的一种基于天基外辐射源信号的运动目标探测补偿方法，其特征在于，在所述S2中，包括：

通过公式12将第n幅RD谱乘以相位项以对距离徙动进行补偿，并且根据公式13通过相位项对多普勒维度的偏移进行修正。