CN115825949A - 星载双波段共孔径gnss-s雷达系统及其海上目标跟踪方法 - Google Patents

星载双波段共孔径gnss-s雷达系统及其海上目标跟踪方法 Download PDF

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刘新
夏正欢
刘宗强
李�一
卢铮
袁春柱
张闯
赵志龙
张涛
张瑶
张莹
高文宁
金世超
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Abstract

本发明涉及一种星载双波段共孔径GNSS‑S雷达系统及其海上目标跟踪方法，所述系统包括：直达感知天线(10)，用于接收导航卫星的直达信号；对海探测天线(30)，用于接收海上目标的散射信号；雷达主机(20)，用于同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元(40)，同时根据所述在轨实时处理单元(40)输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线(30)调整跟踪波束；以及所述在轨实时处理单元(40)，用于捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。本发明可实现大范围海面、大批量目标的在轨实时检测和长时间连续跟踪。

Description

星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统及其海上目标跟踪方法
技术领域
本发明涉及电子信息与雷达跟踪技术领域，尤其涉及一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统及其海上目标跟踪方法。
背景技术
星载合成孔径雷达能穿云透雾，实现对海上舰船目标的探测与识别分类，具备全天时全天候的探测优势。但是，传统主动星载雷达受系统复杂度、波束数量有限、任务调度复杂等约束，难以同时实现大范围海面目标的搜索和多目标的跟踪。
随着我国北斗导航系统的全球组网开通全球服务，利用北斗导航信号探测海面风场、浪高的研究不断增多。由于GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)信号具有全球分布、信号源功率稳定、信号形式与导航卫星位置已知等特点，所以可以利用GNSS卫星播发的L波段信号，接收经过海面和舰船目标反射和散射的信号，实现海洋信息的反演和舰船目标的探测。由于GNSS-S(Global Navigation Satellite System-Scatter，全球导航卫星系统-散射信号探测)雷达采用外辐射源，本身不发射信号，因此具备很强的隐蔽性，同时具备低功耗的优势。此外，GNSS卫星同时播发不同频率、不同带宽的L波段导航信号，可以利用不同频点解决同时实现舰船目标的搜索检测与长时间跟踪的问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统及其海上目标跟踪方法，可实现大范围海面、大批量目标的在轨实时检测和长时间连续跟踪。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统，包括：
直达感知天线，用于接收导航卫星的直达信号；
对海探测天线，用于接收海上目标的散射信号；
雷达主机，用于同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元，同时根据所述在轨实时处理单元输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线调整跟踪波束的指向角度和照射时间；以及
所述在轨实时处理单元，用于捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
根据本发明的一个方面，所述直达感知天线采用单阵元体制的双频共孔径右旋圆极化天线；
所述对海探测天线采用相控阵天线体制的上下叠层的双频共孔径双极化天线。
根据本发明的一个方面，所述对海探测天线由M列*3N行的相控阵元组成，沿方位向设置M个相控阵元，沿距离向设置3N个相控阵元。
根据本发明的一个方面，所述直达感知天线和所述对海探测天线的两个频段f1和f2的参数均相同，所述两个频段的中心频率分别为f1＝1.575GHz和f2＝1.268GHz，所述两个频段的有效带宽分别为B1＝2MHz和B2＝20MHz。
根据本发明的一个方面，所述雷达主机包括：
频率源模块，用于产生所述雷达主机的工作时钟fCLK和两路本振信号fLO1、fLO2；
直达感知双通道接收机，用于对所述直达信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化；以及
对海探测四通道接收机，用于对海面的散射信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化。
根据本发明的一个方面，所述工作时钟fCLK的范围为100MHz～200MHz，所述本振信号fLO1的范围为1200MHz～1250MHz，所述本振信号fLO2的范围为1500MHz～1550MHz。
根据本发明的一个方面，所述在轨实时处理单元包括：
导航信号捕获跟踪处理单元，用于对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息；
在轨目标检测处理单元，用于根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，对海上目标进行在轨检测，获得目标信息，所述目标信息包括所述海上目标的信噪比、成像切片、位置和速度信息；以及
模式重构单元，用于根据所述目标信息，筛选出重点跟踪的目标，计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和所述跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机，实现对海探测天线的f2频段跟踪波束的指向角度和照射时间的重构。
第二方面，本发明还提供一种利用上述星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统实现的海上目标跟踪方法，包括：
利用直达感知天线接收导航卫星的直达信号；
利用对海探测天线接收海上目标的散射信号；
利用雷达主机同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元，同时根据所述在轨实时处理单元输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线调整跟踪波束的指向角度和照射时间；
利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
根据本发明的另一个方面，在利用直达感知天线接收导航卫星的直达信号和利用对海探测天线接收海上目标的散射信号的过程中，所述直达感知天线和所述对海探测天线的f1频段和f2频段形成的波束并行工作，
f1频段波束采用扫描模式进行大幅宽覆盖，以固定的前斜视角进行推扫，实现大范围的目标搜索；
f2频段波束同时形成Nb个跟踪波束，在方位向以相控阵分时扫描方式，实现斜视角为-30°～20°的大区域海上目标的跟踪，前斜视时取正，后斜视时取负，并沿距离向以相控阵分时扫描方式，实现单侧入射角15°～60°的大范围海上目标的跟踪。
根据本发明的另一个方面，利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息，包括：
对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息；
根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，去除导航电文翻转和多普勒频率带来的影响；
对去除导航电文和补偿多普勒频率后的f1频段的目标散射信号进行长时间相参处理，提高目标的信噪比；
对长时间相参积累后的数据进行目标检测，提取目标的位置和速度信息；
对需要跟踪的重点目标计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和所述跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机，实现对海探测天线的f2频段跟踪波束的指向角度和照射时间的重构。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
根据本发明的方案，该星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统的天线采用双频共孔径天线，并用上下叠层的方式实现对海探测天线的f1频段和f2频段的共孔径设计，利用f1频段波束实现大范围海面目标的搜索和探测，利用f2频段波束对感兴趣的重点目标进行长时间跟踪，并对f2频段的跟踪波束指向信息和跟踪波束照射时间信息进行实时地在轨重构，进而实时调整跟踪波束的指向和照射时间信息，实现海上大批量目标的长时间跟踪。该方法大幅度降低了系统的复杂度和在轨处理压力。
根据本发明的一个方案，该星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统采用导航卫星信号(也称为GNSS信号)作为辐射源，本身不发射电磁信号，可实现隐蔽性探测。系统复杂度低、功耗低，具有搜索范围大、连续在轨工作时间长、目标跟踪能力强等优势。
附图说明
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。
图1示意性表示本发明实施例公开的一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统的结构组成图；
图2示意性表示本发明实施例公开的一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统的同步搜索与跟踪的应用场景图；
图3示意性表示本发明实施例公开的对海探测天线30的阵元结构图；
图4示意性表示本发明实施例公开的一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统的具体结构组成图；
图5示意性表示本发明实施例公开的一种海上目标跟踪方法的实现流程图；
图6示意性表示本发明实施例公开的一种海上目标跟踪方法中步骤504在轨实时重构跟踪波束指向信息的具体实施流程图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
参见图1，本实施例公开的一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统，主要包括：直达感知天线10、对海探测天线30、雷达主机20和在轨实时处理单元40。其中，直达感知天线10，用于接收导航卫星的直达信号。对海探测天线30，用于接收海上目标的散射信号，即海面及其海上目标散射的导航卫星信号，也可以称为GNSS-S信号。雷达主机20，用于同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元40，同时根据所述在轨实时处理单元40输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线30调整跟踪波束的指向角度和照射时间，进而使得对海探测天线30根据在轨实时处理单元40实时在轨重构得到的波束指向信息实现波束的二维扫描。所述在轨实时处理单元40，用于捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
参见图3，所述对海探测天线30采用相控阵天线体制的上下叠层的双频共孔径双极化天线，通过上下叠层实现共孔径。具体的，该天线由M列*3N行的相控阵元组成，沿方位向设置M个相控阵元，沿距离向设置3N个相控阵元。可选地，方位向的M个相控阵元中，M一般的取值范围为10～20，对应M个R组件接收，可实现方位向的波束精细扫描。距离向的3N个相控阵元中，N一般的取值范围为3～5，对应N个R组件接收，可实现距离向的波束粗扫描。所述直达感知天线10采用单阵元体制的双频共孔径右旋圆极化天线。
优选地，所述直达感知天线10和所述对海探测天线30的两个频段f1和f2的参数均相同。所述两个频段的中心频率分别为f1＝1.575GHz和f2＝1.268GHz，所述两个频段的有效带宽分别为B1＝2MHz和B2＝20MHz。
参见图4，所述雷达主机20包括：频率源模块401、直达感知双通道接收机402和对海探测四通道接收机403。其中，所述频率源模块401，用于产生所述雷达主机20的工作时钟fCLK和两路本振信号fLO1、fLO2。本振信号fLO1和本振信号fLO2分别为直达感知双通道接收机402和对海探测四通道接收机403的本振信号。可选地，工作时钟fCLK的范围为100MHz～200MHz，本振信号fLO1的范围为1200MHz～1250MHz，本振信号fLO2的范围为1500MHz～1550MHz。直达感知双通道接收机402，用于对所述直达信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化。对海探测四通道接收机403，用于对海面的散射信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化。
所述在轨实时处理单元40包括：导航信号捕获跟踪处理单元404、在轨目标检测处理单元405和模式重构单元406。其中，所述导航信号捕获跟踪处理单元404，用于对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息。所述在轨目标检测处理单元405，用于根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，对海上目标进行在轨检测，获得目标信息，所述目标信息包括所述海上目标的信噪比、成像切片、位置和速度信息。所述模式重构单元406，用于根据所述目标信息，筛选出重点跟踪的目标，计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和所述跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机20，实现对海探测天线30的f2频段跟踪波束的指向角度和照射时间的重构。
参见图5，本实施例还公开了一种利用上述星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统实现的海上目标跟踪方法，具体包括以下步骤：
步骤501，利用直达感知天线接收导航卫星的直达信号。
步骤502，利用对海探测天线接收海上目标散射的导航卫星信号。
一个实施例中，参见图2，在所述步骤501和所述步骤502中分别利用直达感知天线和对海探测天线分别接收导航卫星的直达信号和海上目标散射的导航卫星信号的过程中，所述直达感知天线和所述对海探测天线的双频段，即f1频段和f2频段形成的波束并行工作，分别完成大范围目标的搜索与跟踪。
具体的，f1频段波束采用扫描模式进行大幅宽覆盖，可选地，扫描波束的个数一般取2～4个，并以固定的前斜视角进行推扫，实现大范围的目标搜索。优选地，前斜视角为20°。对应地，所述在轨实时处理单元40中包含的f1频段搜索波束回波处理器完成2～4个扫描波束对应的回波信号处理，主要包括导航信号扩频码相关、电文信息去除与多普勒信息补偿、方位向相参处理、大型目标检测，输出海面大型目标的位置与速度等信息。
f2频段波束同时形成Nb个跟踪波束，可选地，Nb≥15，在方位向以相控阵分时扫描方式，实现斜视角为-30°～20°的大区域海上目标的跟踪，前斜视时取正，后斜视时取负，并沿距离向以相控阵分时扫描方式，实现单侧入射角15°～60°的大范围海上目标的跟踪。f2频段跟踪波束根据所述在轨实时处理单元40得到的感兴趣的重点目标的位置和速度等信息，在轨重构跟踪波束指向和照射时间，实现海上批量目标的跟踪。对应地，所述在轨实时处理单元40中包含的f2频段跟踪波束处理器完成所有跟踪波束内的导航信号扩频码相关、电文信息去除与多普勒信息补偿、方位向相参处理、大型目标检测与跟踪处理，提取大型目标的运动轨迹。
步骤503，利用雷达主机同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元，同时该雷达主机可以根据所述在轨实时处理单元输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线调整跟踪波束的指向角度和照射时间。
步骤504，利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
一个实施例中，参见图6，所述步骤504中利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息的具体实施过程，包括：
步骤601，对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息；
步骤602，根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，去除导航电文翻转和多普勒频率带来的影响；
步骤603，对去除导航电文和补偿多普勒频率后的f1频段的目标散射信号进行长时间相参处理，提高目标的信噪比；
步骤604，对长时间相参积累后的数据进行目标检测，提取目标的位置和速度信息；
步骤605，对需要跟踪的重点目标计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和所述跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机，使得雷达主机控制对海探测天线f2频段的跟踪波束调整、重构其指向的跟踪角度和照射时间，进而配置跟踪波束相应的跟踪角度和照射时间，实现大批量海上目标的长时间跟踪。
综上所述，本实施例的星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统的天线采用双频共孔径天线，并用上下叠层的方式实现对海探测天线的f1频段和f2频段的共孔径设计，利用f1频段波束实现大范围海面目标的搜索和探测，利用f2频段波束对感兴趣的重点目标进行长时间跟踪，并对f2频段的跟踪波束指向信息和跟踪波束照射时间信息进行实时地在轨重构，进而引导f2频段的跟踪波束实时调整其指向和照射时间信息，实现海上大批量目标的长时间跟踪。该方法大幅度降低了系统的复杂度和在轨处理压力。
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较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统，其特征在于，包括：
直达感知天线(10)，用于接收导航卫星的直达信号；
对海探测天线(30)，用于接收海上目标的散射信号；
雷达主机(20)，用于同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元(40)，同时根据所述在轨实时处理单元(40)输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线(30)调整跟踪波束；以及
所述在轨实时处理单元(40)，用于捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直达感知天线(10)采用单阵元体制的双频共孔径右旋圆极化天线；
所述对海探测天线(30)采用相控阵天线体制的上下叠层的双频共孔径双极化天线。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述对海探测天线(30)由M列*3N行的相控阵元组成，沿方位向设置M个相控阵元，沿距离向设置3N个相控阵元。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述直达感知天线(10)和所述对海探测天线(30)的两个频段f1和f2的参数均相同，所述两个频段的中心频率分别为f1＝1.575GHz和f2＝1.268GHz，所述两个频段的有效带宽分别为B1＝2MHz和B2＝20MHz。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达主机(20)包括：
频率源模块(401)，用于产生所述雷达主机(20)的工作时钟fCLK和两路本振信号fLO1、fLO2；
直达感知双通道接收机(402)，用于对所述直达信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化；以及
对海探测四通道接收机(403)，用于对海面的散射信号进行低噪声放大、下变频、滤波和AD采样量化。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工作时钟fCLK的范围为100MHz～200MHz，所述本振信号fLO1的范围为1200MHz～1250MHz，所述本振信号fLO2的范围为1500MHz～1550MHz。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述在轨实时处理单元(40)包括：
导航信号捕获跟踪处理单元(404)，用于对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息；
在轨目标检测处理单元(405)，用于根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，对海上目标进行在轨检测，获得目标信息，所述目标信息包括所述海上目标的信噪比、成像切片、位置和速度信息；以及
模式重构单元(406)，用于根据所述目标信息，筛选出重点跟踪的目标，计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和所述跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机(20)，实现对海探测天线(30)的f2频段跟踪波束的指向角度和照射时间的重构。
8.一种利用如权利要求1-7任一项所述的星载双波段共孔径GNSS-S雷达系统实现的海上目标跟踪方法，其特征在于，包括：
利用直达感知天线接收导航卫星的直达信号；
利用对海探测天线接收海上目标的散射信号；
利用雷达主机同步接收、放大和采集所述直达信号和所述散射信号，并实时传输至在轨实时处理单元，同时根据所述在轨实时处理单元输出的跟踪波束指向信息控制所述对海探测天线调整跟踪波束；
利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在利用直达感知天线接收导航卫星的直达信号和利用对海探测天线接收海上目标的散射信号的过程中，所述直达感知天线和所述对海探测天线的f1频段和f2频段形成的波束并行工作，
f1频段波束采用扫描模式进行大幅宽覆盖，以固定的前斜视角进行推扫，实现大范围的目标搜索；
f2频段波束同时形成Nb个跟踪波束，在方位向以相控阵分时扫描方式，实现斜视角为-30°～20°的大区域海上目标的跟踪，前斜视时取正，后斜视时取负，并沿距离向以相控阵分时扫描方式，实现单侧入射角15°～60°的大范围海上目标的跟踪。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用所述在轨实时处理单元捕获跟踪所述直达信号并提取导航信息，对所述散射信号进行在轨实时处理，提取海上目标的位置并计算跟踪波束指向信息，包括：
对所述直达信号进行捕获跟踪，提取导航信息，所述导航信息包括导航卫星PRN号、多普勒信息和导航电文信息；
根据所述导航信息对海面的散射信号进行处理，去除导航电文翻转和多普勒频率带来的影响；
对去除导航电文和补偿多普勒频率后的f1频段的目标散射信号进行长时间相参处理，提高目标的信噪比；
对长时间相参积累后的数据进行目标检测，提取目标的位置和速度信息；
对需要跟踪的重点目标计算跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息，并将所述跟踪波束指向角度信息和跟踪波束照射时间信息传输至所述雷达主机，实现对海探测天线的f2频段跟踪波束的指向角度和照射时间的重构。
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JP2001208828A (ja) * 2000-01-26 2001-08-03 Mitsubishi Electric Corp レーダ装置
CN114518577A (zh) * 2022-02-09 2022-05-20 北京卫星信息工程研究所 星载sar与gnss-s一体化系统及协同探测方法
CN114545394A (zh) * 2022-02-15 2022-05-27 北京卫星信息工程研究所 星载gnss-s雷达系统及其舰船目标探测跟踪方法

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