CN115856967A - 基于gnss信号的海面舰船多站雷达rcs测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统，测量方法包括以下步骤：计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场；计算舰船附近海面的散射系数；利用舰船附近海面的散射系数和舰船物理面积，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值；根据多站雷达RCS总场和海面多站雷达RCS值，计算舰船目标的多站雷达RCS值。本发明，大幅提升了舰船目标的多站雷达散射特性测量效率，降低了测量系统复杂度，通过选用合适的成像分辨率与合成孔径处理时间，提升舰船目标回波SNR，获得海面与舰船目标的RCS总场，再利用舰船附近海面散射系数与舰船面积等参数，剔除海面杂波干扰，进而实现舰船目标RCS高精度测量。

Description

基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统

技术领域

本发明涉及海面舰船多站雷达RCS技术领域，具体涉及一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统。

背景技术

目前，主要依靠光学卫星、电子侦察卫星、合成孔径雷达(SAR)卫星等实现海面舰船目标探测。光学卫星受海上云雾雨等气候影响，难以发挥其高分辨率成像与高可靠解译优势；电子侦察卫星无法发现电磁静默的舰船；SAR卫星具有全天时全天候对海探测优势，但SAR卫星功耗大，每轨仅能工作10分钟左右，且获得舰船目标散射信息的维度较为单一，信息解译难度大。为了实现更高性能的海面舰船目标探测，分布式SAR卫星、多站雷达卫星等技术正在飞速发展。

近年来，欧空局的SAOCOM-1A/B双站雷达卫星、我国的陆地探测一号双站雷达卫星等已经入轨工作，德宇航的TanDEM-L双站雷达卫星即将发射入轨，用于获得地面或海面的双站雷达散射特性，以提升地面或海面目标的信息解译与探测效能。但多站雷达卫星还未入轨工作，多站雷达的目标散射特性还有待于研究，特别是海面舰船目标的多站雷达截面积(RCS)测量技术尚不成熟，测量系统复杂度高，测量成本高。

GNSS信号具有全球全时段覆盖优势，轨道高度均在20000km以上，可以作为海面舰船目标的多站雷达RCS测量的“天然”辐射源，将大幅降低海面舰船多站雷达RCS测量系统复杂度。

但GNSS信号落地功率较低，需要对海面舰船多站散射回波信号进行处理后，才能测量出海面舰船目标的多站雷达RCS精确参数。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的为提供一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统，具有系统复杂度低及系统成本低、测量精度高的优势。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场；

步骤S2、计算舰船附近海面的散射系数；

步骤S3、利用舰船附近海面的散射系数和舰船物理面积，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值；

步骤S4、根据多站雷达RCS总场和海面多站雷达RCS值，计算舰船目标的多站雷达RCS值。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S1中，具体包括：

利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理后的二维图像信息，计算海面与舰船的多站雷达RCS总场σ_T,n,n＝1,2,...,N，公式为：

其中，SNR_n为第n个双站雷达二维图像中舰船目标信噪比，R_n为第n个导航卫星与舰船目标的距离，R_r为机载雷达接收机与舰船目标的距离，k为玻尔兹曼常数，B_n为有效处理带宽，T₀为雷达接收机温度，F_n为雷达接收机噪声系数，L_s为大气与雨水等造成的衰减，P_t,n与G_t,n分别为第n个导航卫星的发射峰值功率与天线增益，S_a为雷达接收机天线面积，G_P,n为第n个双站雷达散射回波信号的距离向匹配滤波与多视处理带来的增益，G_A,n为第n个双站雷达散射回波信号的方位向合成孔径处理带来的增益。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S2中，具体包括：

利用多站雷达二维图像信息中舰船附近的海面信息，对海面的多站雷达散射系数σ_0,n,n＝1,2,...,N进行计算，公式为：

其中，CNR_n为第n个双站雷达二维图像中的海面杂噪比，δ_R为二维图像的距离向分辨率，δ_A为二维图像的方位向分辨率，多站雷达的二维图像分辨率相同。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S3中，具体包括：

步骤S301、根据舰船物理尺寸，确定合成孔径处理分辨率，计算空间分辨率面积；

步骤S302、利用舰船物理面积、空间分辨率面积和舰船附近海面的散射系数，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S301中，舰船的长度与宽度分别为L_ship与W_ship，合成孔径处理后的距离向分辨率与方位向分辨率分别为δ_R与δ_A，δ_R＝δ_A＝k·max{L_ship,W_ship}，空间分辨率面积为S_δ＝δ_R·δ_A，S_δ＞S_ship，S_ship为舰船物理面积，其中，k为测量扩展系数，k∈[2,5]。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S302中，舰船附近海面的多站雷达散射系数为σ_0,n,n＝1,2,...,N，舰船所在分辨率网格内的海面面积为S_sea，S_sea＝S_δ-S_ship，计算舰船所在的分辨率网格点内海面多站雷达RCS，σ_sea,n＝σ_0,n·(S_δ-S_ship),n＝1,2,...,N。

根据本发明的一个技术方案，在所述步骤S5中，将舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场减去海面多站雷达RCS值，得到舰船目标的多站雷达RCS值，公式为：

σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N，

其中，舰船所在分辨率网格点的多站雷达RCS总场为σ_T,n,n＝1,2,...,N，舰船目标的多站雷达RCS值为σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量系统，包括作为型号发射端的多颗中高轨导航卫星，作为舰船回波信号接收端的机载雷达接收机，还包括：

多站雷达RCS计算单元，用于计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场、计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值以及计算舰船目标的多站雷达RCS值。

根据本发明的一个技术方案，多颗所述中高轨导航卫星发射的1.575GHz频点信号，中高轨导航卫星信号数量为10～15个。

根据本发明的一个技术方案，所述机载雷达接收机的高度为1km～10km；

所述机载雷达接收机采用相控阵天线体制，相控阵天线面积为1m²～5m²，接收频率为1.575GHz，有效带宽大于50MHz；

所述机载雷达接收机在距离向与方位向均具有相控阵扫描能力，距离向扫描覆盖范围为-60°～+60°，方位向扫描覆盖范围为-60°～+60°；

所述机载雷达接收机同时接收同一舰船对多个导航卫星信号的散射回波信号，s_n(t),n＝1,2,...,N，其中，N为雷达接收机可接收的导航卫星信号总数量；

所述机载雷达接收机利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理方法，获得多站雷达二维图像信息。

根据本发明的构思，提出一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统，通过选用合适的成像分辨率与合成孔径处理时间，提升舰船目标回波SNR，获得海面与舰船目标的RCS总场，再利用舰船附近海面散射系数与舰船面积等参数，剔除海面杂波干扰，进而实现舰船目标RCS高精度测量，直接利用GNSS信号作为“天然”信号源，具有系统复杂度低、成本低等优势，既考虑海面与舰船的耦合场，又能减小海杂波干扰，大幅提升了舰船目标的多站雷达散射特性测量效率，降低了测量系统复杂度，解决了海面多站雷达RCS值不易测算的问题，实现了海面多站雷达RCS值测算方面技术上的突破，大大提升了舰船多站雷达RCS测量精度。

附图说明

图1示意性表示根据本发明一种实施方式的基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法的流程图；

图2示意性表示根据本发明一种实施方式的基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量系统的场景图；

图3示意性表示根据本发明一种实施方式的雷达接收机结构示意图；

图4示意性表示根据本发明一种实施方式的合成孔径处理的成像几何关系；

图5示意性表示根据本发明一种实施方式的合成孔径处理的成像分辨率与舰船物理尺寸的关系图。

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为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。

如图1至图5所示，本发明的一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场；

步骤S2、计算舰船附近海面的散射系数；

步骤S3、利用舰船附近海面的散射系数和舰船物理面积，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值；

步骤S4、根据多站雷达RCS总场和海面多站雷达RCS值，计算舰船目标的多站雷达RCS值。

在该实施例中，通过选用合适的成像分辨率与合成孔径处理时间，提升舰船目标回波SNR，获得海面与舰船目标的RCS总场，再利用舰船附近海面散射系数与舰船面积等参数，剔除海面杂波干扰，进而实现舰船目标RCS高精度测量，直接利用GNSS信号作为“天然”信号源，具有系统复杂度低、成本低等优势，既考虑海面与舰船的耦合场，又能减小海杂波干扰，大幅提升了舰船目标的多站雷达散射特性测量效率，降低了测量系统复杂度，解决了海面多站雷达RCS值不易测算的问题，大大提升了舰船多站雷达RCS测量精度。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S1中，具体包括：

利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理后的二维图像信息，计算海面与舰船的多站雷达RCS总场σ_T,n,n＝1,2,...,N，公式为：

其中，SNR_n为第n个双站雷达二维图像中舰船目标信噪比，R_n为第n个导航卫星与舰船目标的距离，R_r为机载雷达接收机与舰船目标的距离，k为玻尔兹曼常数，B_n为有效处理带宽，T₀为雷达接收机温度，F_n为雷达接收机噪声系数，L_s为大气与雨水等造成的衰减，P_t,n与G_t,n分别为第n个导航卫星的发射峰值功率与天线增益，S_a为雷达接收机天线面积，G_P,n为第n个双站雷达散射回波信号的距离向匹配滤波与多视处理带来的增益，G_A,n为第n个双站雷达散射回波信号的方位向合成孔径处理带来的增益。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S2中，具体包括：

利用多站雷达二维图像信息中舰船附近的海面信息，对海面的多站雷达散射系数σ_0,n,n＝1,2,...,N进行计算，公式为：

其中，CNR_n为第n个双站雷达二维图像中的海面杂噪比，δ_R为二维图像的距离向分辨率，δ_A为二维图像的方位向分辨率，多站雷达的二维图像分辨率相同。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S3中，具体包括：

步骤S301、根据舰船物理尺寸，确定合成孔径处理分辨率，计算空间分辨率面积；

步骤S302、利用舰船物理面积、空间分辨率面积和舰船附近海面的散射系数，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S301中，舰船的长度与宽度分别为L_ship与W_ship，合成孔径处理后的距离向分辨率与方位向分辨率分别为δ_R与δ_A，δ_R＝δ_A＝k·max{L_ship,W_ship}，空间分辨率面积为S_δ＝δ_R·δ_A，S_δ＞S_ship，S_ship为舰船物理面积，其中，k为测量扩展系数，k∈[2,5]。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S302中，舰船附近海面的多站雷达散射系数为σ_0,n,n＝1,2,...,N，舰船所在分辨率网格内的海面面积为S_sea，S_sea＝S_δ-S_ship，计算舰船所在的分辨率网格点内海面多站雷达RCS，σ_sea,n＝σ_0,n·(S_δ-S_ship),n＝1,2,...,N。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S5中，将舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场减去海面多站雷达RCS值，得到舰船目标的多站雷达RCS值，公式为：

σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N，

其中，舰船所在分辨率网格点的多站雷达RCS总场为σ_T,n,n＝1,2,...,N，舰船目标的多站雷达RCS值为σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N。

如图2所示，根据本发明的一个方面，提供了一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量系统，包括作为型号发射端的多颗中高轨导航卫星，作为舰船回波信号接收端的机载雷达接收机，还包括：

多站雷达RCS计算单元，用于计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场、计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值以及计算舰船目标的多站雷达RCS值。

在本发明的一个实施例中，优选地，多颗中高轨导航卫星信号的频点选用1.575GHz，每次测量过程中，同时选用的中高轨导航卫星信号数量一般取10～15个，即N∈[10,15]。

在本发明的一个实施例中，优选地，机载雷达接收机的飞行高度为1km～10km；

机载雷达接收机采用相控阵天线体制，相控阵天线面积为1m²～5m²，接收频率为1.575GHz，有效带宽大于50MHz，接收天线安装于飞机的正下方；

机载雷达接收机在距离向与方位向均具有相控阵扫描能力，距离向扫描覆盖范围为-60°～+60°，方位向扫描覆盖范围为-60°～+60°；

机载雷达接收机同时接收同一舰船对多个导航卫星信号的散射回波信号，s_n(t),n＝1,2,...,N，其中，N为雷达接收机可接收的导航卫星信号总数量；

机载雷达接收机利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理方法，获得多站雷达二维图像信息，提升多站雷达回波信号SNR。

参照图3，机载雷达接收机组成包括：L波段相控阵天线401，用于同时接收N个散射回波信号，其面积为1m²～5m²；接收射频前端模块402，用于对N个散射回波信号进行带通滤波、射频放大、下变频、低通滤波与中频放大等处理；高速ADC 403，用于对N个中频散射回波信号进行高速采样量化；FPGA 404，用于对N个数字域中频散射回波信号进行中频IQ解调与匹配滤波等处理，获得N个数字域基带回波信号s_n(t),n＝1,2,...,N；数据存储器405，用于对N个数字域基带回波信号进行存储；频率源406，用于产生雷达接收机所需要的本振频率f_L、高速ADC采样频率f_A与FPGA系统频率f_F。

参照图4，合成孔径处理的成像几何关系包括：舰船放置于飞机的机下点的左侧或右侧，距离向多视处理后的分辨率为δ_R，方位向合成孔径处理后的分辨率为δ_A，满足δ_R＝δ_A。

综上，本发明提出了一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法及系统，具有系统复杂度低及系统成本低、测量精度高等优势，利用中高轨140余颗导航卫星作为天然辐射源，利用机载雷达接收机对舰船的多个双站RCS进行测量与分析，大幅提升了舰船目标的多站雷达散射特性测量效率，降低了测量系统复杂度。通过选用合适的成像分辨率与合成孔径处理时间，提升舰船目标回波SNR，获得海面与舰船目标的RCS总场，再利用舰船附近海面散射系数与舰船面积等参数，剔除海面杂波干扰，进而实现舰船目标RCS高精度测量。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法及系统或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场；

步骤S2、计算舰船附近海面的散射系数；

步骤S3、利用舰船附近海面的散射系数和舰船物理面积，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值；

步骤S4、根据多站雷达RCS总场和海面多站雷达RCS值，计算舰船目标的多站雷达RCS值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，具体包括：

利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理后的二维图像信息，计算海面与舰船的多站雷达RCS总场σ_T,n,n＝1,2,...,N，公式为：

其中，SNR_n为第n个双站雷达二维图像中舰船目标信噪比，R_n为第n个导航卫星与舰船目标的距离，R_r为机载雷达接收机与舰船目标的距离，k为玻尔兹曼常数，B_n为有效处理带宽，T₀为雷达接收机温度，F_n为雷达接收机噪声系数，L_s为大气与雨水等造成的衰减，P_t,n与G_t,n分别为第n个导航卫星的发射峰值功率与天线增益，S_a为雷达接收机天线面积，G_P,n为第n个双站雷达散射回波信号的距离向匹配滤波与多视处理带来的增益，G_A,n为第n个双站雷达散射回波信号的方位向合成孔径处理带来的增益。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，具体包括：

利用多站雷达二维图像信息中舰船附近的海面信息，对海面的多站雷达散射系数σ_0,n,n＝1,2,...,N进行计算，公式为：

其中，CNR_n为第n个双站雷达二维图像中的海面杂噪比，δ_R为二维图像的距离向分辨率，δ_A为二维图像的方位向分辨率，多站雷达的二维图像分辨率相同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，具体包括：

步骤S301、根据舰船物理尺寸，确定合成孔径处理分辨率，计算空间分辨率面积；

步骤S302、利用舰船物理面积、空间分辨率面积和舰船附近海面的散射系数，计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S301中，舰船的长度与宽度分别为L_ship与W_ship，合成孔径处理后的距离向分辨率与方位向分辨率分别为δ_R与δ_A，δ_R＝δ_A＝k·max{L_ship,W_ship}，空间分辨率面积为S_δ＝δ_R·δ_A，S_δ＞S_ship，S_ship为舰船物理面积，其中，k为测量扩展系数，k∈[2,5]。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S302中，舰船附近海面的多站雷达散射系数为σ_0,n,n＝1,2,...,N，舰船所在分辨率网格内的海面面积为S_sea，S_sea＝S_δ-S_ship，计算舰船所在的分辨率网格点内海面多站雷达RCS，σ_sea,n＝σ_0,n·(S_δ-S_ship),n＝1,2,...,N。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场减去海面多站雷达RCS值，得到舰船目标的多站雷达RCS值，公式为：

σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N，

其中，舰船所在分辨率网格点的多站雷达RCS总场为σ_T,n,n＝1,2,...,N，舰船目标的多站雷达RCS值为σ_ship,n＝σ_T,n-σ_sea,n,n＝1,2,...,N。

8.一种基于GNSS信号的海面舰船多站雷达RCS测量系统，其特征在于，包括作为型号发射端的多颗中高轨导航卫星，作为舰船回波信号接收端的机载雷达接收机，还包括：

多站雷达RCS计算单元，用于计算得到舰船所在的分辨率网格点的多站雷达RCS总场、计算舰船所在的分辨率网格点的海面多站雷达RCS值以及计算舰船目标的多站雷达RCS值。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，多颗所述中高轨导航卫星发射的1.575GHz频点信号，中高轨导航卫星信号数量为10～15个。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述机载雷达接收机的高度为1km～10km；

所述机载雷达接收机采用相控阵天线体制，相控阵天线面积为1m²～5m²，接收频率为1.575GHz，有效带宽大于50MHz；

所述机载雷达接收机在距离向与方位向均具有相控阵扫描能力，距离向扫描覆盖范围为-60°～+60°，方位向扫描覆盖范围为-60°～+60°；

所述机载雷达接收机同时接收同一舰船对多个导航卫星信号的散射回波信号，s_n(t),n＝1,2,...,N，其中，N为雷达接收机可接收的导航卫星信号总数量；

所述机载雷达接收机利用距离向多视处理与方位向合成孔径处理方法，获得多站雷达二维图像信息。

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