一种基于GNSS的前向散射雷达回波参数提取方法

一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，尤其是指一种可实现目标最优信号选择、检测，准确估计目标穿越时刻及多普勒斜率的回波参数提取方法，属于雷达探测技术领域。


背景技术：

2.基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)的外辐射源雷达具有全天时、全天候、全球覆盖及隐蔽性好等优势，主要缺陷是目标散射信号微弱，需使用长时间积累技术或高增益天线实现远距离目标探测。目标雷达截面积(radar cross section,rcs)在前向散射区迅速增大的特性可有效弥补目标散射信号弱的问题，因此，将前向散射雷达(forward scatter radar,fsr)与全球导航卫星系统相结合是一种可行的空中目标探测系统。
3.利用目标穿越基线时造成的信号遮挡现象可实现空中目标探测，针对基于gnss的前向散射雷达信号提取流程已有研究(i.suberviola,i.mayordomo,and j.mendizabal.experimental results of air target detection with a gps forward-scattering radar[j].ieee geoscience and remote sensing letters,2012,9(1):47-51.【i.suberviola,i.mayordomo,and j.mendizabal.gps前向散射雷达空中目标探测实验结果[j].ieee geoscience and remote sensing letters,2012,9(1):47-51.】)，提取后的前向散射信号与线性调频(linear frequency modulation,lfm)信号类似。目标与基线的相对位置关系会对处理后的前向散射信号参数值产生影响，通过估计前向散射信号参数，如多普勒斜率、穿越时刻等，可进一步实现运动目标参数估计。目标与基线相对位置关系可作为信号参数估计值是否可用的量度或运动参数估计误差补偿的参考。而目前少有将前向散射较优信号选取和信号参数估计相结合的流程设计工作，通过一种能初步识别目标与基线相对位置的方法，达到选取所需较优信号的目的，在较优信号的基础上实现参数估计，可有效提高参数估计值的可靠性。
[0004]
为此，本发明提出一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，当获取了一段前向散射信号时，先通过信号检测方法判断当前是否含有目标信号，再利用时-频域统计特征判断目标与基线位置的关系并实现最优信号选择，最后基于最优信号实现多普勒斜率及目标穿越时刻估计。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，具备使用简单、实时高效的特性，解决了前向散射回波参数提取流程设计的问题。
[0006]
本发明基于接收机处理后的前向散射信号进行检测、最优信号选择、表征目标与基线相对位置关系的特征量计算、目标穿越时刻及多普勒斜率估计。该方法针对天基辐射源与接收机阵列连续覆盖的区域，通过有效的检测算法判断是否有目标出现在前向散射
区，当有目标穿越基线时，通过目标前向散射回波的时-频域统计特征值实现目标与基线相对位置计算，利用提取的最优信号实现信号参数估计，包括多普勒斜率及目标穿越时刻等，为目标运动参数估计提供数据支撑。
[0007]
实现本发明的技术方案是，首先在已有的基于gnss的前向散射雷达信号提取技术的基础上，对接收机收到的回波进行处理得到前向散射信号，其次进行信号检测，对已有的信号检测方法进行改进，提出了基于平滑伪魏格纳-维利分布(smoothed pseudo wigner-ville distribution,spwvd)的r
é
nyi熵的检测方法，然后滑窗选择信号段，并计算当前信号段的频域统计特征值，判断是否对应目标穿越基线时间段，实现了一种新型的最优信号选取方法，计算时域特征值识别目标与基线相对位置关系，最后基于最优信号获得目标穿越多普勒斜率及穿越时刻估计值。提供了一种完善的通过目标前向散射回波提取参数的处理流程。
[0008]
本发明是一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，具体步骤如下：
[0009]
步骤1、前向散射信号提取；
[0010]
前向散射雷达接收机为单通道处理，可认为卫星直达波及目标散射信号几乎同时到达接收机，接收信号为直达波与目标散射波的相干叠加。接收机射频前端对接收信号完成一系列混频、滤波、下变频和采样量化等操作，获得中频信号。在gnss跟踪环路实现了载波同步、伪码同步之后，对信号进行去载波、码相关，跟踪环路的同相(i)路积分器开始输出数据比特(导航电文)，其输出幅度受到前向散射回波调制，导航电文被滤除后，即获得前向散射信号。
[0011]
步骤2、利用基于spwvd的r
é
nyi熵检测方法判断所述步骤1获得的处理后的接收信号中是否含有目标散射信号；
[0012]
步骤3、利用滑动窗口分析步骤2得到的目标散射信号各信号段的频域特征，判断目标穿越基线事件是否发生；
[0013]
前向散射信号多普勒随时间线性变化，目标越过基线时，多普勒频率为零，且该特性在目标处于基线附近一定范围内时都成立，故对应穿越事件的信号段频率应在零频附近，利用刻画频率分布的频域统计特征初步表征穿越事件是否发生。
[0014]
步骤4、针对穿越事件发生的信号段使用更小的滑动窗口逐段分析，计算该滑动窗口内信号段的时域统计特征值，提取最优信号；
[0015]
选取能够刻画前向散射信号能量大小的时域特征，可以实现目标穿越时与基线相对位置关系的初步判断。
[0016]
步骤5、利用步骤4所获得的最优信号，进行目标穿越多普勒斜率估计；
[0017]
步骤6、利用步骤4所获得的最优信号，进行目标穿越时刻估计。
[0018]
采用本发明可取得以下技术效果
[0019]
1、本发明提供了一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，可以应用于前向散射雷达网的目标探测中。
[0020]
2、本发明提出采用时、频域统计特征描述目标穿越特性，可以实现目标与基线相对位置关系的初步判断。
[0021]
3、本发明可以实现前向散射雷达回波的目标穿越多普勒斜率估计及目标穿越时刻估计。
[0022]
4、本发明可以推广到地面、海面、空中等不同平台前向散射雷达网。
附图说明
[0023]
图1为本发明实施方式中的前向散射信号提取流程图。
[0024]
图2为本发明实施方式中的三维空间目标穿越前向散射区示意图。
[0025]
图3为本发明实施方式中的基于时频分布r
é
nyi熵的信号检测流程图。
[0026]
图4为本发明仿真实例中的基于spwvd的r
é
nyi熵检测方法性能分析图。
[0027]
图5为本发明仿真实例中的前向散射信号频域特征差异值结果图。
[0028]
图6为本发明仿真实例中的前向散射信号时域特征差异值结果图。
[0029]
图7(a)、(b)(c)为本发明仿真实例中的目标穿越多普勒斜率估计仿真结果图。
[0030]
图8为本发明仿真实例中的匹配滤波二维搜索法估计仿真结果图。
[0031]
图9为本发明仿真实例中的目标穿越时刻估计仿真结果图。
[0032]
图10为本发明方法流程图。
具体实施方式
[0033]
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图1-10对本发明的实施方式作进一步描述。
[0034]
本发明是一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，如图10，具体步骤如下：
[0035]
步骤一、前向散射信号提取
[0036]
首先，接收机射频前端对接收信号完成一系列混频、滤波、下变频和采样量化等操作，获得中频信号。以beidou系统为例，beidou是码分多址系统，多颗卫星辐射的信号使用相同的频率，故需对接收到的信号对应的卫星编号进行判断，对信号大致的载波频率和伪码相位进行搜索，这个过程称为信号捕获。然后，对信号进行跟踪以进一步获得更精确的载波频率和伪码相位的估计值。实现了载波同步、伪码同步之后，对信号进行去载波、码相关，跟踪环路的同相(i)路积分器开始输出数据比特(导航电文)，其输出幅度受到前向散射回波调制，导航电文被滤除后，即获得前向散射信号。提取流程如图1所示。
[0037]
前向散射信号表示为：
[0038][0039]
其中，u
tg
(t)是目标回波幅度，取决于目标形状和目标位置，r
t
(t)和rr(t)分别表示目标到发射机与接收机的距离，rd(t)表示卫星到接收机之间的距离，是目标的散射相位，f是载波频率。
[0040]
在fsr基线坐标系中的平板目标如图2所示，接收机位于原点，发射机位于y轴。目标轨迹与xoy平面平行，故z轴与目标轨迹及基线垂直。目标轨迹在xoy平面上投影与基线的交点到原点距离为dr。矩形目标在基线坐标系中的三维位置坐标为(x(t),y(t),z
p
)，其中z
p
是目标相对于xoy平面的高度，也是目标轨迹到基线的最短距离。目标轨迹投影与基线之间的夹角为θ
t
。角度αh、αv和βh、βv分别表示目标相对于接收机和发射机的方位角与仰角。
[0041]
在基线坐标系中，前向散射信号的表达式为
[0042][0043]
其中，λ是信号波长，kr'是多普勒斜率，单位为hz/s，表示为
[0044][0045]
步骤二、利用基于spwvd的r
é
nyi熵检测方法判断是否含有目标散射信号
[0046]
判决准则表示为
[0047][0048]
其中，p为采样时间数，q为采样频率数，α＞0是r
é
nyi熵的阶，cs(p,q)为信号对应的时频分布，∑
p'
∑
q'
c(p',q')为时频分布结果的和，p'和q'分别为时频分布横轴与纵轴的坐标变量，η为判决门限。
[0049]
对足够大的采样时间数p和采样频率数q，根据中心极限定理，x近似服从均值为m，方差为σ2的正态分布。给定虚警概率pf后的判决门限为
[0050]
η＝σq-1
(pf)+m
ꢀꢀ
(5)
[0051]
其中，q(x)为服从n(0,1)分布的随机变量右尾概率函数。
[0052]
对多种时频分布下的检测概率进行对比，提出了基于spwvd的r
é
nyi熵的信号检测方法，流程图如图3所示。若存在目标回波则执行步骤三。
[0053]
步骤三、利用滑动窗口分析各信号段的频域特征，判断目标穿越基线事件是否发生
[0054]
通过滑动窗口截取信号段，计算各信号段的频域特征值，包括重心频率、均方频率及频率方差，如下表1所示。找到频域特征值最接近零频的信号段，若两侧的信号段频域特征值都呈增大趋势，则可认为该信号段对应目标穿越事件发生的时段。频域特征值计算可作为一种新型的判断目标穿越基线事件是否发生的方法。
[0055][0056]
表1频域特征值
ꢀꢀꢀꢀ
注：p(f)为信号功率谱
[0057]
步骤四、针对穿越事件发生的信号段使用更小的滑动窗口逐段分析，提取最优信号，并计算各信号段的时域统计特征值
[0058]
在找到出现穿越事件的信号段后，进一步细分时段，利用滑动窗口寻找瞬时频率曲线关于零频中心对称的信号段，该信号段幅度由rcs峰值区域调制，实现信噪比最大化，为最优信号。该最优信号寻找方法可提高目标穿越基线信号段参数估计值的可靠性，对信号参数估计前的预处理过程提供了补充。
[0059]
定义目标穿越基线时与基线的最小距离为z
p
，z
p
的取值将影响信号相位及信号幅度，因此，使用描述信号能量及幅度大小的时域特征值，来刻画目标穿越基线时与基线的最短距离z
p
，时域特征值如下表2所示。
[0060][0061]
表2注：为平均值，xn表示在时刻n信号的幅度，n为信号采样点数
[0062]
可预先获得特定飞机目标在不同条件下穿越基线时的前向散射信号，并计算频域、时域特征值，构造特征数据库，为实际目标穿越基线的状态判断提供支撑。
[0063]
步骤五、利用所获得的最优信号，进行目标穿越多普勒斜率估计
[0064]
前向散射信号的瞬时频率呈线性变化。首先，计算前向散射信号的spwvd，将每一时刻频谱最大值对应的频率作为瞬时多普勒频率估计值。其次，可通过线性拟合的方式得到多普勒斜率，或在时频分析基础上利用radon变换(也可用其他变换替代)实现参数估计，其本质是提取前向散射信号在时频分布中的直线特征。进一步，可采用基于匹配滤波思想的二维搜索法，选择合适的步长，获取多普勒斜率的高精度估计值。在一定区间内，以较适合的多普勒斜率步长产生参考信号，初相范围设置为0～360
°
，通过二维搜索的方式，获得高精度估计值。假定多普勒斜率初始估计值为k'，搜索范围设置为[k'-5
,k'
+5
]，步长可按照需求选取。
[0065]
基于多普勒斜率和初相构造匹配信号为：
[0066][0067]
其中，k为参考信号的多普勒斜率，为参考信号的初相。
[0068]
匹配滤波可表示为
[0069]
[0070]
其中，θ为待估计的参数，ts为信号x(t)的持续时间，s
ref
(t,θ)为根据信号模型构造的参考信号。
[0071]
步骤六、利用所获得的最优信号，进行目标穿越时刻估计
[0072]
在确认目标与基线的最短距离满足穿越时刻估计精度的要求后，可将多普勒频率为零的时刻点认为是目标穿越基线时刻。
[0073]
对于穿越时刻估计可采取以下方法：
[0074]
1.通过spwvd获得瞬时多普勒频率，将最靠近零频的那一时刻视为目标穿越基线时刻；
[0075]
2.通过spwvd获得瞬时多普勒频率，利用瞬时频率拟合法获得频率随时间变化的曲线，零频率对应的时刻点视作目标穿越时刻；
[0076]
3.通过spwvd获得瞬时多普勒频率，利用hough变换估计时频图中的直线，将直线上最靠近零频的那一时刻视为目标穿越基线时刻。
[0077]
本发明的效果可以通过仿真实验加以说明，仿真参数设置如表3所示。利用前向散射信号表达式(2)仿真信号，不同信噪比下的检测概率如图4所示。可见基于spwvd的r
é
nyi熵检测方法具有良好的检测性能。
[0078][0079][0080]
表3前向散射信号仿真参数
[0081]
其次，利用滑动窗口分析各信号段的频域特征值，设置各段信号持续时间为0.4s，滑动窗长为0.04s，目标垂直于基线运动，z
p
＝0，假定目标轨迹中点到基线的垂直距离为d，变化范围为[-50,+50]m，正负号用于区分基线左右两侧，可知d＝0时对应目标轨迹关于基线对称，信号频率应最集中于零频。特征差异值定义为
[0082]
fvd＝10log
10
(ff/ff0)
ꢀꢀ
(8)
[0083]
其中，ff为当前计算获得的频域特征值，ff0为目标轨迹关于基线对称(d＝0)时的频域特征值，对应于表1。
[0084]
图5显示了不同条件下的频域特征差异值，当目标轨迹不关于基线对称时，前向散射信号的频域特征差异较大，可以利用这种特征寻找较优对称信号，以最大化信号能量，本方法中提出的频域特征值能够对不同参数下的信号进行良好的区分。
[0085]
接下来，蒙特卡洛仿真次数为1000次，计算z
p
＝0:1:100m时的各时域特征差异值，如图6所示。特征差异值定义为
[0086]
fvd＝10log
10
(tf/tf0)
ꢀꢀ
(9)
[0087]
其中，tf为当前计算获得的时域特征值，tf0为目标穿越基线(z
p
＝0)时的时域特征值，对应于表3。fvd的取值越远离零表示差异越大。
[0088]
可见对于一般的飞机目标，可认为z
p
《40m时，时域特征值单调变化，可利用该特性实现目标运动轨迹与基线相对位置关系的初步分析。
[0089]
多普勒斜率估计结果如图7(a)、(b)(c)和图8所示，其中图7(a)为前向散射信号spwvd结果图；图7(b)为瞬时频率拟合结果，图7(c)为hough变换多普勒斜率估计结果。将利用hough变换法获得的多普勒斜率估计值作为初始值，区间划分为300个，步长为0.0334hz/s，估计结果为33.0031hz/s，相对误差为(33.0344-33.0031)/33.0344＝0.095％，可见能达到较高的估计精度。
[0090]
利用步骤六中的方法3，得到零频对应的时刻，如图9所示，此时穿越时刻估计值为-0.002s，能够达到较高的估计精度，穿越时刻估计误差量级为毫秒量级。
[0091]
综上所述，可证明本发明提出的基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法的可行性。

技术特征：
1.一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：该方法包括：步骤1、前向散射信号提取；步骤2、利用基于平滑伪魏格纳-维利分布spwvd的r
é
nyi熵检测方法判断所述步骤1获得的前向散射信号中是否含有目标散射信号；步骤3、利用滑动窗口分析步骤2得到的目标散射信号各信号段的频域特征，判断目标穿越基线事件是否发生；步骤4、针对穿越基线事件发生的信号段使用更小的滑动窗口逐段分析，计算该滑动窗口内信号段的时域统计特征值，提取最优信号；步骤5、利用步骤4所获得的最优信号，进行目标穿越多普勒斜率估计；步骤6、利用步骤4所获得的最优信号，进行目标穿越时刻估计。2.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：所述前向散射信号提取，具体过程如下：首先，接收机射频前端对接收信号完成混频、滤波、下变频和采样量化操作，获得中频信号；然后，对信号进行跟踪以进一步获得更精确的载波频率和伪码相位的估计值；实现载波同步、伪码同步之后，对信号进行去载波、码相关，跟踪环路的同相(i)路积分器开始输出数据比特即导航电文，其输出幅度受到前向散射回波调制，导航电文被滤除后，即获得前向散射信号。3.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：所述步骤二的具体过程如下：判决准则表示为其中，p为采样时间数，q为采样频率数，α＞0是r
é
nyi熵的阶，c
s
(p,q)为信号对应的时频分布，∑
p'
∑
q'
c(p',q')为时频分布结果的和，p'和q'分别为时频分布横轴与纵轴的坐标变量，η为判决门限；对足够大的采样时间数p和采样频率数q，根据中心极限定理，x近似服从均值为m，方差为σ2的正态分布；给定虚警概率p
f
后的判决门限为η＝σq-1
(p
f
)+m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，q(x)为服从n(0,1)分布的随机变量右尾概率函数。4.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：所述频域特征，包括重心频率、均方频率及频率方差；找到频域特征值最接近零频的信号段，若两侧的信号段频域特征值都呈增大趋势，则可认为该信号段对应目标穿越事件发生的时段。5.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：步骤四所述的提取最优信号，是选取能够刻画前向散射信号能量大小的时域特征，实现目标穿越时与基线相对位置关系的初步判断。6.根据权利要求5所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：在找到出现穿越事件的信号段后，进一步细分时段，利用滑动窗口寻找瞬时频率曲线关
于零频中心对称的信号段，该信号段幅度由rcs峰值区域调制，实现信噪比最大化，为最优信号。7.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：所述步骤五的具体过程如下：首先，计算前向散射信号的spwvd，将每一时刻频谱最大值对应的频率作为瞬时多普勒频率估计值；其次，通过线性拟合的方式得到多普勒斜率，或在时频分析基础上实现参数估计，以提取前向散射信号在时频分布中的直线特征；进一步，采用基于匹配滤波思想的二维搜索法，选择合适的步长，获取多普勒斜率的高精度估计值。8.根据权利要求1所述的一种基于gnss的前向散射雷达回波参数提取方法，其特征在于：所述穿越时刻估计采取以下方法：1)通过spwvd获得瞬时多普勒频率，将最靠近零频的那一时刻视为目标穿越基线时刻；2)通过spwvd获得瞬时多普勒频率，利用瞬时频率拟合法获得频率随时间变化的曲线，零频率对应的时刻点视作目标穿越时刻；3)通过spwvd获得瞬时多普勒频率，利用hough变换估计时频图中的直线，将直线上最靠近零频的那一时刻视为目标穿越基线时刻。

技术总结
本发明公开一种基于GNSS的前向散射雷达回波参数提取方法，步骤1、前向散射信号提取；步骤2、利用平滑伪魏格纳-维利分布的R


技术研发人员：艾小锋 郑雨晴 吴静 徐志明 赵锋 吴其华 刘晓斌 肖顺平 谢晓霞 张文明 潘小义 顾赵宇
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/25