一种基于GPS卫星信号的低空目标预警系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种低空目标预警系统及其实现方法，具体涉及一种采用gps卫星信号进行低空目标预警的系统及其实现方法，属于安防技术领域。

背景技术

低空目标预警系统是一类能够对在地球表面近距离运动的目标进行探测并获取其二维图像的系统，在国防领域有着广泛的应用。

现有的低空目标预警相关的技术方案如《cn-106199591-探测精度高的低空预警雷达》，《cn105974408一种低空预警雷达》等皆采用主动式光电信号，其缺点主要包括：

(1)上述系统属于主动式系统，系统包括发射机和接收机，成本较高。

(2)上述系统的照射角度单一，对隐身目标的侦察能力较弱。

因此，如何降低系统价格以及如何提高对隐身目标的侦察能力是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是：提供一种基于gps卫星信号的低空目标预警系统及其实现方法，以解决系统价格高，侦察能力弱的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于gps卫星信号的低空目标预警系统，其特征在于，包括：

信息接收模块，用于在相同的频域和时域上接收第一信号和第二信号，所述第一信号来自gps卫星发射的电磁波，所述第二信号来自gps卫星发射至目标并反射的电磁波；

第一处理模块，用于对所述第一信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、gps电文信息向量、第一峰值位置信息向量及gps卫星位置信息向量；

第二处理模块，用于对所述第二信号进行时域滤波处理，获得第一目标场景信息重构矩阵；进而对从相邻的其它n个gps卫星接收到的信号，其中n≥2，依次按照上述第一和第二处理模块处理流程，分别获得第二、……、第n目标场景信息重构矩阵；

第三处理模块，用于对所述第一、第二、……、第n目标场景信息重构矩阵进行分割和聚合处理，获得低空目标图像；进而通过对低空目标图像中的目标形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

进一步地，所述信息接收模块包括两路天线，标记为第一天线和第二天线，所述低空目标预警系统搭载在地面上，用于接收所述第一信号的第一天线和接收所述第二信号的第二天线均指向天空。

进一步的，所述第一处理模块对所述第一信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、gps电文信息向量、第一峰值位置信息向量及gps卫星位置信息向量，具体包括：对所述第一信号按照一个gps信号码长为一个处理单元进行处理，将gps根信号进行升采样，获得与所述第一信号相同的采样率的采样根信号，将第一信号与所述采样根信号进行解扩频处理，并计算第一峰值向量；对第一峰值向量进行角度提取处理，获得所述第一峰值角度向量，对所述第一峰值角度向量进行差分峰值检测，获得所述gps电文信息向量、所述第一峰值频率向量及所述第一峰值位置信息向量；对所述gps电文信息向量进行解码，获得gps卫星位置信息向量。

进一步的，所述第二处理模块对所述第二信号进行处理，获得第一目标场景信息重构矩阵，其中，所述第一目标场景信息重构矩阵方法包括：对所述第二信号基于一个gps信号码字长度为行长度进行串并变换，获得第二信号矩阵；对所述第一峰值角度向量、所述第一峰值频率向量、所述gps电文信息向量、所述第一峰值位置信息向量以及gps基带信号进行计算，获得参考矩阵；对所述第二信号矩阵、所述参考矩阵及所述gps卫星位置信息向量进行一维时域滤波计算，获得第一处理信号；进而对第一处理信号进行平均差处理和时间延迟处理，输出第二处理信号；进而对第二处理信号进行累积处理和相位补偿处理，输出第三处理信号；进而对第三处理信号进行傅里叶逆变换，获取第一目标场景信息重构矩阵；进而对从相邻的其它n个gps卫星接收到的信号，其中n≥2，依次按照上述处理流程，分别获得第二、……、第n场景信息重构矩阵。

更进一步地，在第二处理模块中，对第一处理信号进行平均差处理和时间延迟处理，输出第二处理信号，包括：计算第一处理信号相邻行对应位置的数值的平均差，获得平均差向量；进而对所述第一处理信号，以行为单位，以平均差向量的值为参考值，进行信号时间延迟处理，获得第二处理信号。

更进一步地，在第二处理模块中，对第二处理信号进行累积处理和相位补偿处理，输出第三处理信号，包括：对所述第二处理信号相邻行对应位置的数值进行乘加计算，获得累积向量；进而对所述累积向量归一化，获得归一化累积向量，进而将归一化累积向量进行角度计算，获得角度向量；进而对所述第二处理信号，以行为单位，以角度向量为参考值，进行信号相位补偿，获得第三处理信号。

进一步的，所述第三处理模块对所述第一、第二、……、第n目标场景信息重构矩阵进行分割，获得主要区域图像和次要区域图像；进而对所述主要区域图像和次要区域图像进行聚合计算，获得低空目标图像；进而通过对低空目标图像中的目标形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

进一步地，所述低空目标预警系统还包括定位模块，通讯模块，共享驻留模块，判定模块，主控模块；其中：

所述定位模块，用于获取所述低空目标预警系统的实时位置并输出；

所述通讯模块，用于将所述信息接收模块接收的信号传输入至第一处理模块；

所述共享驻留模块，用于留存从通信模块，第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，主控模块，判定模块所获得的各类数据，亦用于所述主控模块从所述共享驻留模块中获取各类数据；

所述判定模块，用于进行第一处理模块中峰值判定计算；

所述主控模块，用于对所述通讯模块，第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，以及判定模块进行任务调度。

一种基于gps卫星信号的低空目标预警系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述低空目标预警系统搭载在地面上，用于接收所述第一信号的第一天线和接收所述第二信号的第二天线均指向天空，系统启动，所述低空目标预警系统开始工作；

(2)所述信息接收模块在相同的频域和时域上接收第一信号和第二信号，所述第一信号来自gps卫星发射的电磁波，所述第二信号来自gps卫星发射至目标并反射的电磁波；

(3)所述第一处理模块对所述第一信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、gps电文信息向量、第一峰值位置信息向量及gps卫星位置信息向量；

(4)所述第二处理模块对所述第二信号进行时域滤波处理，获得第一目标场景信息重构矩阵；进而对从相邻的其它n个gps卫星接收到的信号，其中n≥2，依次按照上述第一和第二处理模块处理流程，分别获得第二、……、第n目标场景信息重构矩阵；

(5)所述第三处理模块对所述第一、第二、……、第n目标场景信息重构矩阵进行分割和聚合处理，获得低空目标图像；进而通过对低空目标图像中的目标形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

进一步地，所述步骤(3)的实现方法包括：

步骤s200：对gps根信号进行升采样，获得与所述第一信号相同的采样率的采样根信号；

步骤s210：将所述第一信号与所述采样根信号，以每个gps码长为一个处理单元，进行解扩频处理，获得单元解扩频向量；

步骤s220：计算每个单元解扩频向量的第一峰值信息和第二峰值信息；

步骤s230：对所述第一峰值信息和第所述二峰值信息进行峰值判决，当所述第一峰值幅度与所述第二峰值幅度信息比值大于设定阈值，保留第一峰值及所在所述处理单元内的位置信息，否则，取所述第一峰值为零，且保留所述第一峰值所在所述处理单元内的位置信息；依次对所述第一信号每个处理单元计算出所述处理单元内的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息；

步骤s240：存储所有所述处理单元的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息，产生第一峰值信息向量及第一峰值位置信息向量；

步骤s250：计算出所述第一峰值角度向量。基于所述第一峰值角度向量，计算出第一峰值角度差分信息向量；

步骤s260：进而基于第一峰值角度差分信息向量计算出第一峰值相位翻转信息向量，进而基于第一峰值相位翻转信息向量计算出以所述gps信号码字长度为处理单元的gps电文信息向量；

步骤s270：基于所述gps电文信息向量及所述第一峰值角度向量，计算出第一峰值频率向量，另一方面，基于所述gps电文向量进而计算出gps卫星位置信息向量。

进一步地，所述步骤(4)的实现方法包括：

s300：首先将所述第二信号按照所述一个gps码字长度为行长度转换成第二信号矩阵；

s310：接着将基于所述第一峰值频率信息向量、所述第一峰值位置信息向量、所述第一峰值角度信息向量及所述gps电文向量引入gps基带信号，进而产生参考矩阵；

s320，获得第一处理信号，具体包括，将所述第二信号，以第一gps子帧长度为行长度，转换成第二基带矩阵；将所述参考矩阵以该矩阵本身为一行，扩展到与所述第二基带矩阵相同列数的参考矩阵；进而将所述第二基带矩阵与所述参考矩阵以行为单位进行一维时域滤波，获得第一处理信号；

s330，计算第一处理信号相邻行对应位置的元素的平均差，获得平均差向量，具体包括：将第一处理信号的第一行的第一个元素与第二行的第一个元素进行求差计算，获得第一差值；依次对第一行后续的元素和第二行后续的对应位置的元素，按照上述求差计算方法进行处理，获得第一行和第二行的所有差值，形成第一差值向量；对第一差值向量进行平均计算，获得第一平均差；进而对第二行和第三行，第三行和第四行，相邻两行依次进行相同处理，形成第二平均差，第三平均差……；进而将上述所有平均差合成，形成平均差向量；

s340，将所述平均差向量和采样频率值进行除法计算，获得信号时间时延向量；

s350，将所述第一处理信号，以行为单位，根据信号时间时延向量进行时间延迟处理，获得第二处理信号；

s360，对所述第二处理信号相邻行对应位置的元素进行乘加计算，获得累积向量，具体包括：将第二处理信号的第一行的第一个元素与第二行的第一个元素进行共轭相乘计算，获得第一乘积；依次对第一行后续的元素和第二行后续的对应位置的元素，按照上述求取第一乘积的方法进行处理，获得第一行和第二行的所有乘积，形成第一乘积向量；对第一乘积向量进行累积计算，获得第一累积向量；进而对所述第一累计向量进行归一化处理，获得第一归一化累积向量；

s370，根据第一归一化累积向量计算方法，获得归一化累积向量和角度向量，具体包括：根据第一归一化累积向量计算方法，对第二行和第三行，第三行和第四行，以及后续各相邻两行依次进行相同处理，形成第二归一化累计向量，第三归一化累计向量……；进而将上述所有归一化累计向量合成，形成归一化累积向量；进而对所述归一化累积向量进行角度计算，获得角度向量；

s380，产生相位补偿滤波器，具体包括：以所述角度向量为相位补偿参数，以所述第二处理信号行长度为时间长度，以模数转换组件信号采样间隔为时间间隔，构造相位补偿滤波器；进而将所述相位补偿滤波器与所述第二处理信号，以行为单位，进行相位补偿处理，获得第三处理信号；

s390，对所述第三处理信号，以列为单位，进行傅里叶逆变换，获得第一目标场景信息重构矩阵；进而对从相邻其它4个gps卫星接收到的gps卫星信号，依次按照从步骤s200到步骤s390进行处理，分别获得第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵。

进一步地，所述步骤(5)的实现方法包括：

s400，将第一、第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵，亦即第一、第二、第三、第四、第五图像按照图像中像点的分布进行分割，分别形成第一主要区域和第一次要区域，第二主要区域和第二次要区域，……，第五主要区域和第五次要区域；进而对第一主要区域，第二主要区域，……，第五主要区域进行交集处理，获得主要区域掩模；

s410，获取主要区域图像和次要区域图像，具体包括：将主要区域掩模和第一图像进行乘法计算，获得第一主要区域图像；进而对第一图像中除去第一主要区域图像的区域定义为第一次要区域图像；进而根据第一主要区域图像和第一次要区域图像获取方法，对第二、第三、第四、第五图像分别进行处理，获得第二主要区域图像和第二次要区域图像，……，第五主要区域图像和第五次要区域图像；

s420，对所述第一、第二、第三、第四、第五主要区域图像中的像点进行并集处理，获得主要区域图像；进而对所述第一、第二、第三、第四、第五次要区域图像中的像点进行并集处理，获得次要区域图像；

s430，对所述主要区域图像和次要区域图像进行聚合，获得低空目标图像；

s440，对所述低空目标图像中的目标的形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

本发明的有益效果是：本发明的低空目标预警系统及实现方法能够解决当前主流系统存在的技术限制，具体有益效果是：

1)本发明的低空目标预警系统部署成本低，系统只包含接收机，且使用的硬件模块均为常用器件，价格低廉。

2)本发明的低空目标预警系统能够从多个不同的角度对低空目标进行观测，提高了对隐身飞机的侦察能力。

3)本发明的低空目标预警雷达安全性好，能够部署在距离敌方较近的地方。

附图说明

图1是本发明的低空目标预警系统实现方法总流程示意图。

图2是第一处理模块流程示意图。

图3是第二处理模块流程示意图。

图4是第三处理模块流程示意图。

图5是低空目标预警系统框图。

图6是共享驻留模块结构示意图。

附图中标记说明：1.第一信号接收天线，2.第二信号接收天线，3.射频前端电路，4.混频电路，5.信号发生电路，6.低通滤波电路，7.放大电路，8.定位模块，9.模数转换电路，10.通信模块，11.第一处理模块，12.第二处理模块，13第三处理模块，14共享驻留模块，15判定模块，16主控模块。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

图1为本发明实施例采用gps卫星信号实现低空目标预警的方法的实现流程示意图，本发明实施例实现低空目标预警的方法包括：

步骤s100：对所述第一信号进行滤波处理，获取第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、gps电文信息向量以及第一峰值位置信息向量。

步骤s110：对所述第二信号进行时域滤波处理，获取第一目标场景信息重构矩阵；

步骤s120：对从相邻的其它n个gps卫星接收到的信号，其中n≥2，本实例中，取n＝4，依次按照上述步骤s100和s110处理流程，分别获得第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵；

步骤s130：对所述第一、第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵进行分割和聚合处理，获得低空目标图像；

步骤s140：通过对低空目标图像中的目标形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

图2是所述第一处理模块流程图，本发明的第一处理模块方法包括：

步骤s200：对gps根信号进行升采样，获得与所述第一信号相同的采样率的采样根信号。

步骤s210：将所述第一信号与所述采样根信号，以每个gps码长为一个处理单元，进行解扩频处理，获得单元解扩频向量。

步骤s220：计算每个单元解扩频向量的第一峰值信息和第二峰值信息。

步骤s230：对所述第一峰值信息和第所述二峰值信息进行峰值判决，当所述第一峰值幅度与所述第二峰值幅度信息比值大于设定阈值，保留第一峰值及所在所述处理单元内的位置信息。否则，取所述第一峰值为零，且保留所述第一峰值所在所述处理单元内的位置信息。具体实现时，例如可以设定阈值为2。依次对所述第一信号每个处理单元计算出所述处理单元内的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息。

步骤s240：存储所有所述处理单元的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息，产生第一峰值信息向量及第一峰值位置信息向量。

步骤s250：计算出所述第一峰值角度信息向量。基于所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值角度差分信息向量。

步骤s260：进而基于第一峰值角度差分信息向量计算出第一峰值相位翻转信息向量，进而基于第一峰值相位翻转信息向量计算出以所述gps信号码字长度为处理单元的gps电文向量。

步骤s270：基于所述gps电文向量及所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值频率信息向量。另一方面，基于所述gps电文向量进而计算出gps卫星的时间序列坐标向量。

所述gps卫星信号选自三种不同频段中的一种，分别为l1频段，l2频段和l5频段，其中，l1频段的频点中心为1575.42mhz，带宽为25mhz；l2频段的频点中心为1227.60mhz，带宽为25mhz；l5频段的频点中心为1176.45mhz，带宽为25mhz；优选情况是选自l2频段。采用上述不同频段均可使用本方法进行低空目标预警；l2频段作为优选的原因是l2频段和其它导航卫星频段的重叠较少，因此干扰较小。

图3是所述第二处理模块流程图，本发明的第二处理模块方法包括：

s300：首先将所述第二信号按照所述一个gps码字长度为行长度转换成第二信号矩阵。

s310：接着将基于所述第一峰值频率信息向量、所述第一峰值位置信息向量、所述第一峰值角度信息向量及所述gps电文向量引入gps基带信号，进而产生参考矩阵。

s320，获得第一处理信号，具体包括，将所述第二信号，以第一gps子帧长度为行长度，转换成第二基带矩阵；将所述参考矩阵以该矩阵本身为一行，扩展到与所述第二基带矩阵相同列数的参考矩阵；进而将所述第二基带矩阵与所述参考矩阵以行为单位进行一维时域滤波，获得第一处理信号。

s330，计算第一处理信号相邻行对应位置的元素的平均差，获得平均差向量，具体包括：将第一处理信号的第一行的第一个元素与第二行的第一个元素进行求差计算，获得第一差值；依次对第一行后续的元素和第二行后续的对应位置的元素，按照上述求差计算方法进行处理，获得第一行和第二行的所有差值，形成第一差值向量；对第一差值向量进行平均计算，获得第一平均差；进而对第二行和第三行，第三行和第四行，相邻两行依次进行相同处理，形成第二平均差，第三平均差……；进而将上述所有平均差合成，形成平均差向量；

s340，将所述平均差向量和采样频率值进行除法计算，获得信号时间时延向量；

s350，将所述第一处理信号，以行为单位，根据信号时间时延向量进行时间延迟处理，获得第二处理信号。

s360，对所述第二处理信号相邻行对应位置的元素进行乘加计算，获得累积向量，具体包括：将第二处理信号的第一行的第一个元素与第二行的第一个元素进行共轭相乘计算，获得第一乘积；依次对第一行后续的元素和第二行后续的对应位置的元素，按照上述求取第一乘积的方法进行处理，获得第一行和第二行的所有乘积，形成第一乘积向量；对第一乘积向量进行累积计算，获得第一累积向量；进而对所述第一累计向量进行归一化处理，获得第一归一化累积向量；

s370，根据第一归一化累积向量计算方法，获得归一化累积向量和角度向量，具体包括：根据第一归一化累积向量计算方法，对第二行和第三行，第三行和第四行，以及后续各相邻两行依次进行相同处理，形成第二归一化累计向量，第三归一化累计向量……；进而将上述所有归一化累计向量合成，形成归一化累积向量；进而对所述归一化累积向量进行角度计算，获得角度向量；

s380，产生相位补偿滤波器，具体包括：以所述角度向量为相位补偿参数，以所述第二处理信号行长度为时间长度，以模数转换组件信号采样间隔为时间间隔，构造相位补偿滤波器；进而将所述相位补偿滤波器与所述第二处理信号，以行为单位，进行相位补偿处理，获得第三处理信号；

s390，对所述第三处理信号，以列为单位，进行傅里叶逆变换，获得第一目标场景信息重构矩阵；进而对从相邻其它4个gps卫星接收到的gps卫星信号，依次按照从步骤s200到步骤s390进行处理，分别获得第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵。

图4是第三处理模块处理流程示意图，本发明的第三处理模块流程包括：

s400，将第一、第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵，亦即第一、第二、第三、第四、第五图像按照图像中像点的分布进行分割，分别形成第一主要区域和第一次要区域，第二主要区域和第二次要区域，……，第五主要区域和第五次要区域；进而对第一主要区域，第二主要区域，……，第五主要区域进行交集处理，获得主要区域掩模；

s410，获取主要区域图像和次要区域图像，具体包括：将主要区域掩模和第一图像进行乘法计算，获得第一主要区域图像；进而对第一图像中除去第一主要区域图像的区域定义为第一次要区域图像；进而根据第一主要区域图像和第一次要区域图像获取方法，对第二、第三、第四、第五图像分别进行处理，获得第二主要区域图像和第二次要区域图像，……，第五主要区域图像和第五次要区域图像；

s420，对所述第一、第二、第三、第四、第五主要区域图像中的像点进行并集处理，获得主要区域图像；进而对所述第一、第二、第三、第四、第五次要区域图像中的像点进行并集处理，获得次要区域图像；

s430，对所述主要区域图像和次要区域图像进行聚合，获得低空目标图像；

s440，对所述低空目标图像中的目标的形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

图5为本发明实施例低空目标预警系统的系统构成示意图，本发明的低空目标预警系统具备信息接收模块，定位模块，通讯模块，第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，共享驻留模块，主控模块，判定模块；其中，

所述信号接收模块包括第一信号接收天线1，和第二信号接收天线2，射频前端电路3，信号发生电路5，混频电路4，低通滤波电路6，放大电路7，定位模块8，以及模数转换电路9。第一信号接收天线1接收来自gps卫星的信号，第二信号接收天线2接收来自目标反射的电磁波。两路接收信号同时通过射频前端电路3，提高信噪比。

所述信号发生电路5输出频率为与gps卫星信号同频率的余弦连续波信号，与第一、二射频信号同时通过混频电路4，获得第一、二差拍信号。

所述第一、二差拍信号通过低通滤波电路6，去除高频部分后，获得第一、二基带信号。

所述第一、二基带信号通过模数转换电路9，获得第一、二信号。

所述定位模块8将本系统的实时位置输入至第一处理模块11。具体实现时，例如定位模块可采用商用gps接收机模块。

所述通信模块10将通过所述模数转换电路9后的所述第一、二信号输入至所述第一处理模块11。

所述判定模块15进行峰值判定s230计算。

所述第一处理模块11对所述第一信号进行频率滤波s100，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、gps电文信息向量以及第一峰值位置信息向量。

所述第二处理模块12对第二信号进行时域滤波s110，获得第一目标场景信息重构矩阵。进而对从相邻的其它n个gps卫星接收到的信号，其中n≥2，本实例中，取n＝4，依次按照上述步骤s100和s110处理流程，分别获得第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵。

所述第三处理模块13对所述第一、第二、第三、第四、第五目标场景信息重构矩阵进行分割和聚合处理，获得低空目标图像；进而通过对低空目标图像中的目标形状、位置、姿态进行提取，获得预警信息。

所述主控模块16负责调度定位模块10，通讯模块12，第一处理模块11，第一处理模块12，共享驻留模块14，判定模块15以及第三处理模块13。

所述共享驻留模块14结构包含指引部分、信息驻留部分及共享数据部分。所述指引部分对所述各类共享数据部分的位置和长度进行标识。所述信息驻留部分存储所述主控模块对所述其它模块进行任务调度的信号。所述共享数据存储部分存储所述第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块、判定模块间传输数据。

图6是所述共享驻留模块14的结构示意图，所述共享驻留模块14包含指引部分，信息驻留部分和数据部分。所述共享驻留模块内容实时更新，当数据存入时，首先更新指引部分，添加指引索引序号，数据存储位置偏移以及数据大小。然后更新数据部分。

在实际应用中，所述第一处理模块、第二处理模块，第三处理模块，通信模块，判决模块均可由实现低空目标预警系统中的数字信号处理器(dsp)或现场可编程门阵列(fpga)实现。主控模块可由中央处理器(cpu)，微处理器(mcu)实现。共享驻留模块可由随机存储存取器(ram)实现。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。