一种利用gnss海面反射信号相关功率探测目标的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于GNSS海面反射信号的目标探测方法，更特别地说，是一种利 用GNSS海面反射信号相关功率的时延-多普勒映射（DelayDopplerMapping，DDM)探测 目标的方法，属于遥感技术应用领域。
【背景技术】
[0002] 目前的目标探测主要通过雷达来实现，利用定向天线将调制信号的电磁波能量发 射到特定区域进行目标搜索，通过雷达接收机处理目标反射的回波，得到目标的特征信息。 随着电子技术的不断发展，传统雷达受到电子干扰、反辐射导弹、各种隐身武器的威胁。现 实环境中，存在着大量FM广播信号、通信基站信号、电台信号和GNSS卫星信号等，可为建立 非合作式双（多）基地无源雷达提供丰富的外辐射源，以应对传统雷达所面临的威胁。
[0003] GNSS为用户提供精确导航、定位和授时服务的同时，全天时、全天候地提供高度稳 定、长期可用、安全性较高且覆盖全球的微波信号源。随着GNSS的不断发展，利用海面反射 后的GNSS信号实现海面特征参数的提取是近年来GNSS-R(GNSSReflectometer)技术的研 宄热点。GNSS信号经海面反射后，信号的波形、极化、功率及频率等参量都受反射面的特征 所影响，与反射面直接相关；因此可以利用GNSS卫星作为辐射源，建立非合作式双（多）基 地无源雷达，通过对海面反射信号的处理来实现目标的探测和定位。
[0004] 在利用GNSS海面反射信号探测目标的双（多）基无源雷达系统中，当发射机和接 收机速度、高度、天线增益等参数固定时，探测区域的反射信号相关功率主要由海面的雷达 散射截面（RadarCrossSection，RCS)决定，而海面有无目标时的RCS差异较大，因此可以 通过海面反射信号相关功率的时延-多普勒映射（DDM)来实现目标的探测与定位。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种利用GNSS海面反射信号相关功率探测目标的方法，通 过对海面反射区域的GNSS反射信号进行相关处理，得到反射信号的时延-多普勒二维相关 功率分布，再利用图像处理的思想，将得到的DDM看作是原图像受到某种干扰后的退化图 像，采用压缩感知理论对DDM进行恢复运算，得到退化之前的原图像，进而从原图像中提取 出目标是否存在和目标位置的信息。
[0006] 一种利用GNSS海面反射信号相关功率探测目标的方法，包括以下几个步骤：
[0007] 步骤一：计算海面反射信号的时延-多普勒二维相关功率（DDM);
[0008] 具体内容包括：
[0009] (I)GNSS直射信号的捕获和跟踪；
[0010] 通过对直射信号的捕获跟踪，得到信号的C/A码码相位和载波多普勒频移，并完 成导航定位解算，获得卫星和接收机的位置信息。
[0011] (2)反射信号时延和多普勒频移估计；
[0012] 根据步骤（1)中卫星和接收机的位置信息，计算镜面反射点的位置，并估计出反 射信号相对于直射信号的时延和多普勒频移。
[0013] (3)探测区域的划分；
[0014] 以步骤（2)中镜面反射点的位置为中心，设定探测区域的范围，并对探测区域进 行单元格划分。
[0015] (4)计算反射信号二维相关功率；
[0016] 将步骤（3)中划分后的探测区域从空间域转换到时延-多普勒域，根据步骤（2) 中反射信号相对于直射信号的时延和多普勒频移信息，利用步骤（1)中直射信号的码相位 和载波多普勒辅助产生本地反射信号，并与接收到的反射信号进行相关运算，得到反射信 号的DDM。
[0017] 步骤二：利用压缩感知理论对退化后的DDM进行恢复运算；
[0018] 具体内容包括：
[0019] (1)建立基于压缩感知理论的退化后DDM的复原模型；
[0020] 在压缩感知理论框架下建立DDM退化模型，将模糊函数作为退化系统的冲击响应 函数，把DDM转换为一个列向量；再建立DDM的复原模型，对原DDM进行估计。
[0021] (2)DDM的稀疏性分解；
[0022] 对退化后的DDM进行小波变换，设定小波变换的层数，选择二维小波基矩阵作为 稀疏基，对DDM进行稀疏表示。
[0023] (3)选取高斯型随机矩阵作为测量矩阵；
[0024] (4)DDM的复原运算；
[0025] 利用贪婪迭代算法对原始DDM稀疏系数进行估计，将其与二维小波基矩阵相乘， 并对所得结果进行小波逆变换，得到原始DDM，再从时延-多普勒域转换到空间域，从反射 信号相关功率分布的变化中可以探测到该区域是否有无目标，如果有目标，则可以得到目 标所在单元格的位置信息。
[0026] 本发明的优点为：
[0027] 1、作为收发分置的双（多）基雷达，具有抗反辐射导弹攻击的能力，利用前向散射 信号，可对隐形目标实现有效探测；
[0028] 2、将图像处理思想运用到时延-多普勒映射中，用于目标探测，较好的契合了反 射信号DDM的特点；
[0029] 3、利用压缩感知理论对DDM进行复原运算，与传统的直接反卷积运算相比，减少 了运算量和复杂度。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的方法流程图；
[0031] 图2是本发明中探测区域划分实例图；
[0032] 图3是本发明中压缩感知理论框架下的DDM复原模型；
[0033] 图中符号说明如下：
[0034] 图1中的TjPfE分别表示反射信号相对于直射信号的时延和多普勒频移估计 值；DDMde表示反射信号的二维相关功率分布为压缩感知理论框架下的测量矩阵；0为 对原始DDM稀疏分解后的稀疏系数矩阵，是一个一维的列向量矩阵；W表示对原始DDM稀疏 分解的稀疏基矩阵，是一个二维小波基矩阵。图3中m，n分别表示时延和多普勒划分个数， 为退化后的DDM，S卩DDMde;G(m,n)为通过测量矩阵?对DDMde在加性噪声的干扰下 的观测结果；n表示加性噪声；F1 [?]表示估计过程；为对原始DDM的估计结果。【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0036] 本发明的一种利用GNSS海面反射信号相关功率探测目标的方法，流程如图1所 示，包括以下几个步骤：
[0037] 步骤一：计算海面反射信号的时延-多普勒二维相关功率（DDM);
[0038] 由于海面反射信号比较微弱，要直接捕获跟踪反射信号比较困难，本发明采用直 射信号辅助反射信号的模式，首先对GNSS直射信号进行捕获跟踪，通过定位解算，得到卫 星和接收处理平台的位置信息，计算出镜面反射点的位置，估计出反射信号相对于直射信 号的时延和多普勒，结合直射信号的C/A码和载波信息，产生本地复制的反射信号；然后以 镜面反射点为中心，对探测区域进行空间域的划分，并转换到时延和多普勒域，再与接收的 反射信号进行相关处理，得到海面反射信号的时延-多普勒二维相关功率。
[0039] 本发明的反射信号相关功率计算方法具体包括：
[0040] (I)GNSS直射信号的捕获跟踪；
[0041] 根据GNSS空间星座图和目标探测区域的几何关系选择要捕获跟踪的卫星，利用 传统的方法，通过在时延和多普勒域并行搜索，完成GNSS直射信号的捕获，然后对其进行 精确跟踪。接收到的直射信号S(t)表示为：
[0042] S(t)=A(t)D[t-T(t) ]C[t-T(t) ]cos[ <}) (t) ] (1)
[0043] 其中A(t)表示接收信号幅度电平，D[_]为导航电文数据，(：[?]表示卫星的PRN 码，巾（t)表示接收信号的载波相位，T(t)表示码相位的空间传播延迟。在对GNSS直射信 号精确跟踪后，进行导航定位解算，获得卫星和接收平台的位置和姿态信息。
[0044] (2)反射信号时延和多普勒频移估计；
[0045] 根据步骤（1)中GNSS卫星和接收平台的位置和速度信息，可以得到接收平台相 对于基准水平面的高度hK和卫星仰角P，利用反射事件的几何关系计算出镜面反射点的位 置，并且估计出反射信号相对于直射信号的时延T￡为
[0046]
【主权项】
1. 一种利用GNSS海面反射信号相关功率探测目标的方法，其特征在于泡括W下几个 步骤： 步骤一；计算海面反射信号的时延-多普勒二维相关功率DDM ; (1) GNSS直射信号的捕获和跟踪； 通过对直射信号的捕获跟踪，得到信号的C/A码码相位和载波多普勒频移，并完成导 航定位解算，获得卫星和接收机的位置信息； (2) 反射信号时延和多普勒频移估计； 根据步骤（1)中卫星和接收机的位置信息，计算镜面反射点的位置，并估计出反射信 号相对于直射信号的时延和多普勒频移； (3) 探测区域的划分； W步骤（2)中镜面反射点的位置为中屯、，设定探测区域的范围，并对探测区域进行单 元格划分； (4) 计算反射信号二维相关功率； 将步骤（3)中划分后的探测区域从空间域转换到时延-多普勒域，根据步骤（2)中反 射信号相对于直射信号的时延和多普勒频移信息，利用步骤（1)中直射信号的码相位和载 波多普勒辅助产生本地反射信号，并与接收到的反射信号进行相关运算，得到反射信号的 DDM ； 步骤二：利用压缩感知理论对退化后的孤M进行恢复运算； (1) 建立基于压缩感知理论的退化后孤M的复原模型； 在压缩感知理论框架下建立孤M退化模型，将模糊函数作为退化系统的冲击响应函 数，把孤M转换为一个列向量；再建立孤M的复原模型，对原孤M进行估计； (2) DDM的稀疏性分解； 对退化后的DDM进行小波变换，设定小波变换的层数，选择二维小波基矩阵作为稀疏 基，对孤M进行稀疏表示； (3) 选取高斯型随机矩阵作为测量矩阵； (4) DDM的复原运算； 利用贪婪迭代算法对原始DDM稀疏系数进行估计，将其与二维小波基矩阵相乘，并对 所得结果进行小波逆变换，得到原始DDM，再从时延-多普勒域转换到空间域，从反射信号 相关功率分布的变化中探测到该区域是否有无目标，如果有目标，则得到目标所在单元格 的位置信息。
【专利摘要】一种利用GNSS海面反射信号相关功率探测目标的方法，它有两大步骤：步骤一：计算海面反射信号的时延-多普勒二维相关功率DDM；包括GNSS直射信号的捕获和跟踪；反射信号时延和多普勒频移估计；探测区域的划分和计算反射信号二维相关功率；步骤二：利用压缩感知理论对退化后的DDM进行恢复运算；包括建立基于压缩感知理论的退化后DDM的复原模型；DDM的稀疏性分解；选取高斯型随机矩阵作为测量矩阵和DDM的复原运算。本发明在遥感技术应用领域里有广阔地应用前景。
【IPC分类】G01S13-06, G01S13-04
【公开号】CN104678386
【申请号】CN201510072491
【发明人】杨东凯, 江治东, 李伟强, 王强, 王峰
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月11日