基于北斗卫星辐射源的海面运动目标检测与定位方法与流程

本发明属于雷达运动目标检测领域，特别涉及一种基于卫星辐射源的被动雷达运动目标检测与定位技术。

背景技术：

被动雷达是一种特殊的双(多)基地无源雷达系统。与传统的雷达不同，被动雷达本身不发射电磁信号，而是利用目标辐射的电磁波来进行目标探测。由于被动雷达本身不发射电磁波，故其具有强隐蔽性；同时，可以减小体积，降低成本。近年来，随着被动雷达照射源的信号种类及数量的增加，被动雷达的研究也日益增加。

现有的被动雷达大部分是以地面信号作为信号源，但由于其只能覆盖陆地区域，而不能完全覆盖海洋区域，并不适用于海面大范围监测。针对此问题，可以选择北斗卫星信号作为辐射源。北斗卫星信号作为辐射源，有着其他空间电磁信号无法比拟的优点：⑴卫星信号可覆盖海面；⑵抗干扰性强；⑶卫星信号特征已知，便于目标检测；⑷北斗卫星是我国自主研发的，使用北斗卫星信号安全性强。因此利用北斗卫星信号对海面进行监测是一个可行的发展方向。

由于北斗卫星发射信号的功率较低，且距离地面极远，使得北斗卫星信号到达地球表面时功率密度低，从而使接收到的海面运动目标回波信号信噪比极低，为海面运动目标的检测带来困难。

为了提高海面运动目标回波信号的信噪比，文献“multi-framefractionalfouriertransformtechniqueformovingtargetdetectionwithspace-basedpassiveradar.ietradarsonar&navigation,2017,11(5):822-828.”提出了一种长观测时间下对目标回波信号进行能量积累的方法，该方法先对距离压缩后的回波信号进行一阶keystone变换，实现了距离徙动校正；然后将距离徙动校正后的数据分为多帧，对每一帧数据采用frft，实现对运动目标能量的相干积累；最后多帧数据间进行频率对准和非相干积累，使信号能量高度积累到多普勒质心-多普勒调频率(dc-dfr)域。但是此方法采用的一阶keystone变换只能消除一阶距离走动，而二阶距离弯曲仍存在，无法精确实现距离徙动校正。同时，此方法还存在着计算量大，过程繁琐的缺点。此外，此方法仅研究了单颗卫星作为辐射源的情况，无法实现海面运动目标的定位。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于北斗卫星辐射源的被动雷达海面运动目标检测与定位方法，能有效地实现以多颗北斗卫星为辐射源的海面运动目标的检测和定位。

本发明采用的技术方案为：一种基于北斗卫星辐射源的被动雷达海面运动目标检测与定位方法，包括：

s1、对接收到的来自不同北斗卫星的目标回波均采用对称keystone变换，得到距离徙动校正结果；

s2、对各距离徙动校正后的回波信号采用分帧处理和去斜-fft，得到各回波信号的积累结果；

s3、将各回波的积累结果根据差分双基距离反向投影到本地坐标系，并在本地坐标系下对各回波的积累结果进行非相干积累；

s4、根据步骤s3的多个回波的非相干积累结果，对目标进行检测与定位。

进一步地，步骤s1包括：

s11、系统参数初始化，所述初始化的参数包括：距离向采样频率，目标观测时间，等效信号脉冲重复时间；

s12、采用多颗北斗卫星作为辐射源，用两天线分别对直达波和目标回波进行录取并解调；

s13、对得到各北斗卫星作为辐射源对应的直达波和目标回波进行相关处理，得到各北斗卫星作为辐射源对应的目标回波的距离向脉冲压缩后的结果；

s14、对各目标回波的距离向脉冲压缩后的结果进行对称keystone变换，得到各目标回波对应的距离徙动校正结果。

更进一步地，步骤s14包括以下分步骤：

a1、对各目标回波对应的距离徙动校正结果进行距离向快速傅里叶变换，得到各目标回波对应的距离频域-方位时域信号；

a2、对各目标回波对应的距离频域-方位时域信号进行正的二阶keystone变换；

a3、对各目标回波对应的距离频域-方位时域信号进行负的二阶keystone变换；

a4、对各目标回波对应的步骤a2得到的结果与步骤a3得到的结果进行相乘；

a5、对各目标回波对应的步骤a4得到的相乘结果进行距离向快速傅里叶逆变换，从而得到各目标回波对应的距离徙动校正结果。

进一步地，步骤s2包括：

s21、对某个目标回波对应的距离徙动校正结果取同一距离门信号，得到其对应的方位信号；

s22、对该方位信号进行统一的去斜处理并分为多帧；

s23、对去斜后的方位信号进行帧内信号的相干积累与帧间信号的非相干积累；

s24、对该目标回波对应的距离徙动校正结果的剩余距离门信号执行步骤s23-s24，得到单个回波信号在差分双基距离-多普勒调频率域的积累结果。

更进一步地，步骤s22包括以下分步骤：

b1、设置多普勒调频率的范围与调频率间隔值；

b2、根据调频率间隔值构成一组线性调频信号；

b3、将取出的方位信号分别与不同调频率的线性调频信号相乘，得到二维信号；

b4、以确定的一帧的时间长度，将步骤b3得到的二维信号划分为若干帧。

进一步地，步骤s23包括以下分步骤：

c1、将每帧信号各方位向时间对应的值直接相加，得到在不同调频率值条件下每帧信号的零频值；

c2、将不同调频率值条件下每帧信号的零频值进行非相干积累，得到在不同调频率值条件下信号的零频值。

进一步地，步骤s3包括：

s31、构建本地坐标系，其坐标轴分别为位置x、位置y及多普勒调频率；

s32、将海面场景划分网格，得到每个网格的空间坐标；

s33、对于各网格，根据北斗卫星及接收站的空间位置，得到不同北斗卫星对应的差分双基距离，进而得到不同卫星对应的距离向时间；

s34、将步骤s33得到的不同卫星对应的距离向时间带入步骤s23得到的非相干积累结果，得到各网格对应的一维多普勒调频率信号；

s35、将当前网格下各北斗卫星对应的一维多普勒调频率信号直接进行非相干积累；

s36、根据步骤s35得到的所有网格下各北斗卫星的非相干积累结果，得到在本地坐标系中的三维信号本发明的有益效果：本发明的方法，首先，对接收到的来自不同北斗卫星的目标回波均采用对称keystone变换，得到距离徙动校正结果；其次，对各距离徙动校正后的回波信号采用分帧和去斜-fft处理，得到各回波信号的积累结果；然后，将各回波的积累结果根据差分双基距离反向投影到本地坐标系，得到多个回波的积累结果；最后，根据多个回波的积累结果，对目标进行检测与定位；有效地解决北斗卫星作为外辐射源目标回波信噪比低的问题；本发明方法具备以下优点：

1、本发明首次提出了多个北斗卫星作为外辐射源的海面运动目标的检测和定位；

2、采用对称keystone变换，可以在未知多普勒参数的情况下同时去除距离走动和距离弯曲，更好地实现距离徙动校正，同时使多普勒质心为零；

3、在进行单颗卫星回波能量积累处理时，直接将各方位向时间对应的值相加，大大降低了计算量；

4、根据差分双基距离，将多个北斗卫星得到的海面运动目标回波的积累结果反向投影到本地坐标系，并对各北斗卫星的海面运动目标回波的积累结果在本地坐标系下直接进行非相干积累，更好地实现对不同回波信号能量的有效积累。

附图说明

图1为本发明实施例提供的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于北斗卫星辐射源的被动雷达几何配置示意图；

图3为本发明实施例提供的目标回波在本地坐标系中的能量积累结果示意图；

图4为本发明实施例提供的积累结果峰值处的x-y剖面示意图。

具体实施方式

本发明为了解决以北斗卫星为辐射源的接收到的运动目标回波信号信噪比极低的问题，增加了目标的观测时间。在长观测时间下，距离走动和距离弯曲均不能忽略，本发明采用对称keystone变换，在未知多普勒参数的情况下，能同时消除距离走动和距离弯曲，实现精确的距离徙动校正。由于在长观测时间下目标散射特性的变化，无法直接进行相干积累，本发明采用分帧处理的方法，将帧内信号视为相干的，对帧内信号进行相干积累，帧间信号进行非相干积累。本发明对对称keystone变换处理后的信号采用统一的去斜处理，对于完全去斜的信号，可以通过傅里叶变换将其能量全部积累到多普勒质心处，而对称keystone变换使得信号的多普勒质心变为零。因此，对于帧内信号，可以把不同方位向时间的信号直接相加，从而实现能量聚集在零频处；同时，由于不同帧采用统一的去斜处理，多普勒质心不变，因此帧间非相干处理不需要进行多普勒质心补偿处理。考虑以单颗北斗卫星作为辐射源的目标回波能量积累效果不佳，无法在噪声背景中检测目标。本发明采用以多颗北斗卫星作为辐射源来进行目标回波能量积累。以多颗北斗卫星作为辐射源时，按上面的步骤处理可得到以不同北斗卫星为辐射源的海面运动目标回波的积累结果，再将其反向投影到本地坐标系，进行非相干积累。本发明具有目标回波能量积累效果好，能同时进行目标检测和定位的突出优点。

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本实施例的几何配置示意图如图2所示，接收站固定，作为辐射源的北斗卫星选择为中圆地球轨道(meo)卫星，选择北斗卫星播发的b3i信号作为外辐射源信号，其载波频率fc为1268.520mhz，信号带宽为20.46mhz。本实施例中选择5颗北斗卫星作为辐射源，海面运动目标在参考时刻位置矢量表示为(1000,0,0)m。

本发明采用的技术方案流程如图1所示，包括六部分，依次为：1、系统参数初始化；2、直达波与目标回波录取，并进行距离向脉冲压缩；3、对称keystone变换；4、统一的去斜处理和分帧；5、单颗卫星积累；6、根据差分双基距离将步骤5中的二维信号反向投影到本地坐标系，并对不同北斗卫星得到的海面运动目标回波的积累结果进行非相干积累。

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在matlab上验证正确。

本发明的具体实现过程如下：

1、系统参数初始化：

具体初始化的参数包括：距离向采样率fs，等效信号脉冲重复频率prf，，目标观测时间ta；本实施例中fs取值为50mhz，本实施例中prf取值为1000hz，本实施例中ta取值为60s。

2、直达波与目标回波录取，并进行距离向脉冲压缩：

①作为辐射源的北斗卫星个数为m＝5，考虑第m颗北斗卫星为辐射源的情况，对直达波进行录取，解调得到基带直达波信号sd,m(τ,η)，对目标回波进行录取，解调得到基带目标回波信号sr,m(τ,η)，其中，τ为距离向时间，η为方位向时间，η取值范围为[-30,30]s，m＝1,2,...,m，下标d表示直达波，下标r表示目标散射回波。

②对直达波信号和目标回波信号进行相关处理，得到目标回波信号距离向脉冲压缩后的结果为：

其中，下标pc表示脉冲压缩，ση为目标的复散射系数，其值随着时间变化，c为光速，ρ(·)为回波信号与直达波参考信号的互相关函数，本实施例中ρ(·)为三角波，r(η)为差分双基距离历史，可表示为：

r(η)＝rt(η)+rr(η)-rb(η)

其中，rt(η)和rr(η)分别表示北斗卫星和接收站到目标的距离，rb(η)表示北斗卫星和接收站之间的距离，r(η)可用二阶泰勒展开表示为：

其中，r0表示r(η)在η＝0处的值，a、b分别表示r(η)关于η的一阶、二阶导数在η＝0处的值。

3、对称keystone变换：

①将距离向脉冲压缩后的结果进行距离向快速傅里叶变换得到距离频域-方位时域的信号：

其中，p(·)为ρ(·)的傅里叶变换，且有：

上式中，fτ与η的耦合造成了距离走动，fτ与η²的耦合造成了距离弯曲。

②将①中的结果进行正的二阶keystone变换同时对于变换后的结果用η代替其中的ηm，得到：

其中，

由上式可知，正的二阶keystone变换去除了fτ与η²的耦合，即去除了距离弯曲。

③将①中的结果进行负的二阶keystone变换同时对于变换后的结果用η代替其中的ηm，得到：

其中，

由上式可知，负的二阶keystone变换也去除了距离弯曲。

④将②中的结果和③中的结果相乘，得到：

其中，

由上式可知，对称keystone变换可以实现同时消除距离走动和距离弯曲。

⑤对④得到的结果进行距离向快速傅里叶逆变换：

sskt,m(τ,η)＝ifftrg{sskt,m(fτ,η)}

其中，ifftrg表示距离向逆傅里叶变换。

4、统一的去斜处理和分帧：

①取出sskt,m(τ,η)中同一距离向时间，得到其对应的方位信号，记为sm(η)，由步骤3可得sm(η)的多普勒质心为零，因此只需要考虑多普勒调频率的真实值并且的值未知。设置包括的多普勒调频率范围，本实施例中多普勒调频率范围为[-1.25,1.25]hz/s，间隔δfdr为0.005hz/s；

②根据①中的多普勒调频率值fdr，构成一组lfm(linearfrequencymodulation，线性调频)信号，即slfm(fdr,η)＝exp(-jπfdrη²)，将该组lfm信号slfm(fdr,η)与sm(η)相乘，得到二维信号sdechirp,m(fdr,η)；

③本实施例中选取2s为每帧的时间长度tfra，将sdechirp,m(fdr,η)沿方位向时间分为30帧，考虑第i帧信号sm,i(fdr,η)，其对应η的范围为[-32+2i,-30+2i]s。由于帧内信号可以忽略复散射系数ση带来的影响，在不考虑幅度且忽略常数相位的情况下，可以将第i帧信号表示为：

5、对帧内信号进行相干积累，帧间信号进行非相干积累：

①将每帧信号sm,i(fdr,η)在不同fdr下各方位向时间对应的值相加，得到不同fdr下每帧信号的零频值，即当所选的多普勒调频率fdr与实际的多普勒调频率相等，即完全去斜时，只考虑在η的取值范围内，忽略常数相位，可以将每帧信号表示为：

由上式可知，可以通过傅里叶变换将该信号的能量积累到零频处，这里直接将不同方位向时间对应的值相加得到所需要的零频值，即得到帧内信号能量积累结果。

②将①中得到的结果进行帧间非相干积累，得到不同fdr条件下60s信号对应的零频值，即由于在完全去斜时，各帧信号均将能量积累到了零频处，因此帧间信号不需要进行多普勒质心补偿，直接进行非相干积累得到的零频值，即得到60s信号的能量积累结果。

由于存在目标的距离向时间未知，需要从sskt,m(τ,η)中取出不同距离向时间的信号得到相应的sm(η)，并重复4～5的处理流程，得到单个回波的二维积累结果。将不同回波均进行积累，得到多个回波的二维积累结果sm(τ,fdr),m＝1,2,...,m；

6、构建本地坐标系，根据差分双基距离，将5中的二维信号反向投影到本地坐标系，并对不同北斗卫星得到的海面运动目标回波的积累结果进行非相干积累：

①构建本地坐标系，其坐标分别为位置x，y和多普勒调频率；

②将海面场景划分网格，设每个网格的空间坐标为(x,y,0)。

③从②中取一个网格，由于卫星位置已知，接收站位置固定，可得到不同卫星对应的差分距离，进而得到不同卫星对应的快时间τ1,...,τm,...,τm。

④将③中的结果代入步骤5中的二维信号sm(τ,fdr)中，得到网格对应的一维信号sm(τ＝τm,fdr)，对不同北斗卫星对应的一维信号直接进行非相干积累，即

⑤对②中全部网格按③和④处理，得到三维信号stotal(x,y,fdr)，根据积累结果，可实现目标的检测。根据峰值所对应地x与y值，可同时实现目标定位。

由图3可知，本发明很好地实现了以多颗北斗卫星为辐射源时，不同北斗卫星得到的目标回波信号能量的有效积累。由图4所示的积累结果峰值处的x-y剖面示意图可知，本发明可得到目标在海面背景的位置为(1000,0)，与真实位置相符，很好地实现了定位。因此，本发明能有效地实现以多颗北斗卫星为辐射源的海面运动目标的检测和定位。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。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，均应包含在本发明的权利要求范围之内。