基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測技術(shù)綜述

李中余， 黃 川， 武俊杰， 楊海光， 楊建宇

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 四川成都 611731)

0 引言

無源雷達(dá)不需要特定的發(fā)射站，僅被動接收環(huán)境中已存在的機(jī)會照射源信號。由于不發(fā)射信號，無源雷達(dá)具有隱蔽性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點；僅需接收裝置，可以降低其成本，同時減小雷達(dá)系統(tǒng)的體積，使其配置更為靈活；利用其不產(chǎn)生電磁污染的優(yōu)點，可以將其部署在大多數(shù)地區(qū)，擴(kuò)大了無源雷達(dá)的應(yīng)用場景[1-6]。近年來，隨著機(jī)會照射源種類及數(shù)量的發(fā)展，無源雷達(dá)逐漸成為研究熱點，相關(guān)研究工作日益增加[2，7-8]。

目前有研究的用于構(gòu)成無源雷達(dá)的機(jī)會照射源可以分為陸地照射源與衛(wèi)星照射源。其中，陸地照射源主要包括FM信號[9-11]、數(shù)字廣播/電視信號(DAB/DVB-T)[12-15]、GSM信號[16-18]及WIFI信號[19-21]等。利用陸地照射源構(gòu)成無源雷達(dá)的研究已較為成熟，已有包括美國的“沉默哨兵”系統(tǒng)[7,22-24]、德國的“PARADE”系統(tǒng)[25-26]及法國的“SINBAD”系統(tǒng)[27]在內(nèi)的多種無源雷達(dá)系統(tǒng)被成功研制并投入實際應(yīng)用。此外，由于衛(wèi)星照射源覆蓋范圍廣、不受地面疆界限制、工作狀態(tài)穩(wěn)定等的優(yōu)勢，國內(nèi)外多家組織機(jī)構(gòu)相繼開展了以其作為機(jī)會照射源的無源雷達(dá)相關(guān)研究工作。其中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)由于其全球覆蓋的特性，成為了研究重點[28]。

GNSS的發(fā)展為以此為照射源的無源雷達(dá)提供了客觀條件。自從1958年美國軍方開始研制全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)以來，GNSS受到了全世界范圍的廣泛關(guān)注。目前主要的4個GNSS包括[29-32]：美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)、歐盟的伽利略系統(tǒng)(GALILEO)以及中國的北斗系統(tǒng)。當(dāng)這4個GNSS全部完成建設(shè)，實現(xiàn)全球范圍的導(dǎo)航定位時，將為基于GNSS的無源雷達(dá)提供充分的信號來源，對其性能提供保障。

隨著對海洋資源利用的增加，海面監(jiān)視愈發(fā)受到重視。由于無源雷達(dá)全天時、全天候、代價低、隱蔽性好等優(yōu)勢，很適合被應(yīng)用于島礁、海上石油鉆井平臺或海面船只、低空氣球上，實現(xiàn)對臨近海域艦船等目標(biāo)持續(xù)性監(jiān)視。在選取適用于上述無源雷達(dá)的機(jī)會照射源時，陸地輻射源受其發(fā)射站位置的限制，發(fā)射信號不能完全覆蓋海面區(qū)域，作為機(jī)會照射源是不適合的。而GNSS由于其全球覆蓋的優(yōu)勢，能對海面目標(biāo)進(jìn)行照射。因此，以GNSS為機(jī)會照射源進(jìn)行海面目標(biāo)檢測，是具有應(yīng)用前景的。目前，國內(nèi)外已有相關(guān)研究并取得相應(yīng)的理論與實驗研究成果。本文首先建立基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)回波模型；然后介紹目前已有的基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測的方法，并分析各方法的優(yōu)缺點；最后對基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測的應(yīng)用方向進(jìn)行展望。

1 海面目標(biāo)回波模型

導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射信號由“測距碼+導(dǎo)航電文”調(diào)制到載波上構(gòu)成，其典型結(jié)構(gòu)可以表示為

s(t)=A·C(t)·D(t)·exp(j2πfct+φ)

(1)

式中，t為時間，A為信號振幅，C為信號測距碼，D為調(diào)制在測距碼上的數(shù)據(jù)碼，fc為信號載波頻率，φ為信號載波初相。

將基于GNSS的無源雷達(dá)應(yīng)用于海面目標(biāo)檢測時，其構(gòu)型如圖1所示。發(fā)射站為導(dǎo)航衛(wèi)星，接收站可以固定于海岸、島礁或石油鉆井平臺，也可以置于海面船只或低空氣球上，被動接收目標(biāo)反射的機(jī)會信號。接收站具有兩天線，其中，監(jiān)視天線指向海面區(qū)域，接收海面目標(biāo)反射回波；參考天線指向?qū)Ш叫l(wèi)星，接收直達(dá)波，用于實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星與接收站之間的信號同步。所接收到的直達(dá)波與目標(biāo)回波均為連續(xù)信號，對其進(jìn)行正交解調(diào)，并根據(jù)等效脈沖重復(fù)頻率(PRF)進(jìn)行二維時域劃分。提取直達(dá)波信號中的時延、多普勒、相位及導(dǎo)航碼信息，用于構(gòu)成參考信號。將目標(biāo)回波與參考信號進(jìn)行互相關(guān)處理，實現(xiàn)回波信號的距離向脈沖壓縮，結(jié)果表示為[33]

(2)

圖1 基于GNSS的無源雷達(dá)構(gòu)型圖

式中：τ和η分別表示快時間與慢時間；ση表示目標(biāo)的復(fù)散射率，其值隨時間變化；Ta表示對目標(biāo)的總觀測時長；c表示光速；λ表示信號波長；R(η)=RT(η)+RR(η)-Rb(η)表示雙基距離，RT(η)，RR(η)，Rb(η)分別為導(dǎo)航衛(wèi)星距海面目標(biāo)、海面目標(biāo)距接收站、導(dǎo)航衛(wèi)星距接收站的距離；ρ(·)表示回波信號脈沖壓縮后的結(jié)果，其具體形式由接收的導(dǎo)航衛(wèi)星信號中的測距碼決定。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行能量來源于太陽能，其發(fā)射信號功率受限，通常其發(fā)射功率與天線增益之積為200 W[34]。同時，導(dǎo)航衛(wèi)星位于中高軌道，與地球表面距離極遠(yuǎn)，以北斗系統(tǒng)中的中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星為例，其軌道高度為21 528 km[35]。在上述參數(shù)條件下，可以計算得到GNSS信號在地球表面功率密度為-134.6 dBW/m2，極低的信號功率密度為無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)接收站接收到海面目標(biāo)回波時，極低的信噪比使得目標(biāo)被噪聲所淹沒，無法直接實現(xiàn)目標(biāo)的檢測。因此，基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測的關(guān)鍵在于積累一段時間內(nèi)的目標(biāo)回波能量，以得到足夠的回波信噪比。

目前已有多種回波能量積累方法被提出，包括Radon-傅里葉變換(RFT)[36]、Radon-分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(RFRFT)[37]、Radon-分?jǐn)?shù)階模糊函數(shù)(RLCAF)[38-39]、相位差分-Radon呂變換(PD-RLVD)[40]、相鄰互相關(guān)函數(shù)-呂變換(ACCF-LVD)[41]等。但上述方法主要針對常規(guī)雷達(dá)目標(biāo)回波的較長時間相干積累，由于基于GNSS的無源雷達(dá)所需觀測時間更長(通常為數(shù)十秒)，海面目標(biāo)在長觀測時間條件下回波特性存在較大差異，將不滿足相干等特性，無法直接利用上述方法進(jìn)行處理。故針對以GNSS為機(jī)會照射源的無源雷達(dá)，仍需進(jìn)行相關(guān)的海面目標(biāo)檢測方法的研究。

2 基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測研究現(xiàn)狀

目前，對基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測的研究主要集中于英國、意大利以及中國。研究人員根據(jù)海面目標(biāo)的回波特性，提出了多種積累回波能量以實現(xiàn)目標(biāo)檢測的方法，并通過仿真或?qū)嶒烌炞C了提出方法的有效性。下面將針對以單顆導(dǎo)航衛(wèi)星為機(jī)會照射源的無源雷達(dá)，對現(xiàn)有海面目標(biāo)檢測方法進(jìn)行介紹，并分析各自的優(yōu)缺點。需要注意的是，由于下述方法均需要預(yù)先進(jìn)行二維時域劃分和距離向脈沖壓縮處理，本節(jié)僅對距離向脈沖壓縮后信號的進(jìn)一步積累過程進(jìn)行介紹。

2.1 基于距離-多普勒域的海面目標(biāo)檢測

針對海面大型目標(biāo)和中小型目標(biāo)，英國伯明翰大學(xué)的Ma，Antoniou， Cherniakov及意大利羅馬大學(xué)的 Pieralice， Santi， Pastina等人分別提出了不同檢測方法[42-44]。對于海面大型目標(biāo)，由于其具有較大的雷達(dá)截面積(Radar Cross Section, RCS)，目標(biāo)回波功率相對較大，只需積累數(shù)秒回波信號，即可得到足夠的信噪比，實現(xiàn)海面目標(biāo)檢測。將距離向脈沖壓縮后的信號進(jìn)行方位向傅里葉變換，并將快時間轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的雙基距離，即可將回波信號變換到距離-多普勒(RD)域。由于在受限的積累時間內(nèi)，目標(biāo)回波距離徙動及多普勒調(diào)頻率較小，回波信號在RD域內(nèi)可實現(xiàn)較為有效的積累。

為了驗證基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測的可行性及該檢測方法的有效性，伯明翰大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)實驗[42-43]。文獻(xiàn)[43]中實驗設(shè)置如圖2所示，以一艘按照規(guī)定路線航行的渡輪作為海面大型目標(biāo)，該目標(biāo)如圖2(a)所示，其尺寸約為184 m×25 m。接收系統(tǒng)如圖2(b)所示，其置于英國普利茅斯港東海岸。兩顆伽利略衛(wèi)星GSAT0201和GSAT0203被選為機(jī)會照射源，其發(fā)射的E5a-Q信號作為機(jī)會信號被接收系統(tǒng)所接收，實驗構(gòu)型如圖2(c)所示。實驗中，接收系統(tǒng)對目標(biāo)的總觀測時長為145 s，圖2(c)同時給出了對應(yīng)的方位角及仰角范圍。由于兩顆衛(wèi)星獨立作為發(fā)射站，下面僅給出衛(wèi)星GSAT0201得到的結(jié)果。由于目標(biāo)RCS較大，不需要進(jìn)行整個觀測時間下的目標(biāo)回波的積累。截取一段時長為2.5 s的目標(biāo)回波，將其變換到RD域，結(jié)果如圖3所示[43]。圖中，零多普勒頻率處的亮點為直達(dá)波和旁瓣，在RD域中 (2 000 m， 8.5 Hz) 處的強(qiáng)散射點為海面目標(biāo)的渡輪。實驗表明，利用GNSS作為機(jī)會照射源實現(xiàn)海面目標(biāo)的檢測是可行的。同時該實驗驗證了將短時間目標(biāo)回波信號通過方位向傅里葉變換到RD域?qū)崿F(xiàn)海面大型目標(biāo)檢測的有效性。

(a) 海面目標(biāo)

(b) 接收系統(tǒng)

(c) 實驗構(gòu)型圖圖2 基于GLONASS無源雷達(dá)海面實驗

圖3 短積累時間下RD域內(nèi)實驗結(jié)果

通過方位向傅里葉變換得到目標(biāo)回波在RD域中的結(jié)果，處理流程簡單，但該方法要求目標(biāo)回波積累時間較短，使得其僅對海面大型目標(biāo)的檢測有效，適用范圍受限。

對于海面中小型目標(biāo)，由于目標(biāo)RCS較小，接收系統(tǒng)處的目標(biāo)回波功率較低，為了得到足夠的回波信號能量，回波積累時間需要達(dá)到數(shù)十秒。但在數(shù)十秒的積累時間條件下，一方面，由于散射特性的變化，目標(biāo)回波不再相干；另一方面，目標(biāo)回波距離徙動和多普勒徙動不能忽略。因此，無法直接通過方位向傅里葉變換實現(xiàn)目標(biāo)回波的有效相干積累。為了解決上述問題，相關(guān)研究人員提出一種分幀后距離和多普勒分別補(bǔ)償?shù)姆椒╗44]，該方法流程圖如圖4所示。整個積累時間Ta內(nèi)的回波信號被分為N幀，每幀時長為Tf，幀內(nèi)回波由于散射特性變化受限，可以認(rèn)為是相干的。將各幀內(nèi)信號分別進(jìn)行方位向傅里葉變換，得到N幅RD圖。由于目標(biāo)的運(yùn)動，在N幅RD圖中，目標(biāo)所在的距離和多普勒均不同。為了能有效積累這N幅RD結(jié)果，需要進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動補(bǔ)償(Target Motion Compensation, TMC)。雙基距離與多普勒分別用R和fη表示，若以第0幅RD圖作為參考，第n幅RD結(jié)果的距離補(bǔ)償和多普勒補(bǔ)償分別表示為

(3)

(4)

圖4 基于距離多普勒域的長積累時間海面目標(biāo)檢測方法流程圖

式中，fdr為多普勒調(diào)頻率，其值未知。處理中，根據(jù)監(jiān)視海面的范圍及目標(biāo)可能的運(yùn)動速度，設(shè)置一組多普勒調(diào)頻率組，通過自適應(yīng)技術(shù)得到最優(yōu)的多普勒調(diào)頻率值。

在距離和多普勒補(bǔ)償后，目標(biāo)位于各幅RD圖中的同一位置，再將各RD圖幅值相加，實現(xiàn)非相干積累，最終在RD域內(nèi)完成回波信號長時間有效積累。

羅馬大學(xué)對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，驗證了該方法的有效性。文獻(xiàn)[44]中實驗設(shè)置如圖5所示，一艘長度約為10 m的漁船被作為海面小目標(biāo)，該目標(biāo)如圖5(a)所示。如圖5(b)所示為此實驗的接收系統(tǒng)。選擇GLONASS衛(wèi)星作為發(fā)射站,實驗構(gòu)型如圖5(c)所示。實驗中利用漁船上的GPS接收機(jī)記錄其位置，且漁船運(yùn)動速度已知，故可以得到目標(biāo)在RD圖中的真實位置。圖6為文獻(xiàn)[44]中給出的實驗結(jié)果。研究人員截取60 s目標(biāo)回波進(jìn)行積累，一幀時長設(shè)置為3 s，將整個積累時間分為20幀。每幀單獨進(jìn)行方位向傅里葉變換，得到20幅RD圖，其中，單幀得到的RD圖結(jié)果如圖6(a)所示，圖中白色×處為目標(biāo)所在的真實位置。圖中左下為目標(biāo)實際位置的放大結(jié)果，無法明確檢測到目標(biāo)，證明對于海面中小目標(biāo)，3 s的積累時長無法得到足夠的信噪比。為了提高回波能量，非相干積累20幅RD圖。若不經(jīng)過TMC，得到結(jié)果如圖6(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)，非相干積累后噪聲的起伏明顯降低，但由于距離和多普勒徙動，該海面目標(biāo)仍不能被有效檢測。圖6(c)為經(jīng)過TMC后非相干積累的結(jié)果。圖中存在明顯可見的峰值，可以實現(xiàn)目標(biāo)的有效檢測，且在RD圖中的位置與通過GPS接收機(jī)記錄的位置相符，證明了所提出的檢測方法的有效性。

(a) 海面目標(biāo)

(b) 接收系統(tǒng)

(c) 實驗構(gòu)型圖5 基于Galileo的無源雷達(dá)海面實驗

(a) 單幀

(b) 多幀，未經(jīng)TMC

(c) 多幀，經(jīng)過TMC圖6 長積累時間下RD域內(nèi)實驗結(jié)果

2.2 基于本地坐標(biāo)系的海面目標(biāo)檢測

羅馬大學(xué)的Santi，Pastina等人針對海面中小型海面目標(biāo)，又提出了一種將RD域信號映射到本地坐標(biāo)系的檢測方法[45-46]，其流程圖如圖7所示[45]。該方法同樣先將長時間的目標(biāo)回波分為N幀，并將幀內(nèi)信號通過方位向傅里葉變換得到多幅RD圖。接著將各RD圖映射到本地坐標(biāo)系內(nèi)。由于目標(biāo)在各RD圖中的位置由其在空間坐標(biāo)系下的參考位置矢量(x0,y0)和速度矢量(vx,vy)決定，在映射時需確定目標(biāo)速度。由于其值未知，在處理中需要先根據(jù)目前可能的速度范圍，給出M組待測試的目標(biāo)速度矢量。對于本地坐標(biāo)系內(nèi)的點(x,y)，以其作為目標(biāo)的參考位置，在第m組測試速度條件下，可以得到第n幀回波理論上的距離和多普勒值，進(jìn)而從實際得到的第n幀RD圖中提取對應(yīng)的值，記為In,m(x,y)。在N幀RD圖均完成映射后，無需進(jìn)行補(bǔ)償，直接將本地坐標(biāo)系內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行幅值相加，即可完成各幀的非相干積累，從而在本地坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)回波的長時間積累。

圖7 基于本地坐標(biāo)系的長積累時間海面目標(biāo)檢測方法流程圖

相關(guān)研究人員通過仿真實驗驗證對該方法的有效性進(jìn)行了驗證，文獻(xiàn)[45]中給出的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。仿真中，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信號帶寬為1.023 MHz，目標(biāo)在參考時刻的位置矢量為(1 300,0) m，速度矢量為(0,5) kn，加入高斯白噪聲作為背景干擾，距離向脈沖壓縮后回波信噪比為-24 dB，其值與真實情況下中小海面目標(biāo)回波信噪比相符，要實現(xiàn)目標(biāo)檢測具有一定的難度。仿真中對目標(biāo)回波的積累時長為30 s，每幀時長設(shè)置為1 s，將回波分為30幀。單幀RD結(jié)果如圖8(a)所示，目標(biāo)仍被噪聲所淹沒，無法檢測到該目標(biāo)。應(yīng)用所提出的檢測方法，假設(shè)估計的目標(biāo)速度恰為準(zhǔn)確的速度，則在本地坐標(biāo)系內(nèi)得到的最終積累結(jié)果如圖8(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在本地坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)了目標(biāo)回波能量的積累，能有效檢測到該目標(biāo)。同時，目標(biāo)所在的位置與實際目標(biāo)參考時刻位置相符。

(b) 真實速度下本地坐標(biāo)系內(nèi)的積累結(jié)果圖8 本地坐標(biāo)系中的仿真結(jié)果

但該方法由于本質(zhì)上為一個四維搜索過程，處理中運(yùn)算量極大。同時，對于單個機(jī)會照射源，不同的初始位置和速度的目標(biāo)可能會存在相同的距離歷史和多普勒歷史，造成位置和速度估計的模糊。若將測試目標(biāo)速度矢量變?yōu)?0,3) kn和(0,8.8) kn，在本地坐標(biāo)系內(nèi)，最終積累結(jié)果分別如圖9(a)和圖9(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在錯誤的測試目標(biāo)速度下，仍能實現(xiàn)目標(biāo)的檢測，但目標(biāo)所在位置不再準(zhǔn)確。

(a) (0,3) kn

(b) (0,8.8) kn圖9 其他測試速度下本地坐標(biāo)系內(nèi)的仿真結(jié)果

2.3 基于DC-DFR域的海面目標(biāo)檢測

電子科技大學(xué)的李中余等人提出了基于多普勒質(zhì)心-多普勒調(diào)頻率(DC-DFR)域的海面目標(biāo)檢測方法[33,47-48]，相較于上述直接將目標(biāo)回波變換到RD域的方法，在多普勒參數(shù)域能實現(xiàn)更優(yōu)的回波能量積累效果。該方法仍可針對海面大型目標(biāo)和中小型目標(biāo)兩種情況進(jìn)行不同處理。

對于海面大型目標(biāo)，同樣僅需數(shù)秒的回波積累時間。首先利用Keystone變換對距離向脈沖壓縮后的結(jié)果進(jìn)行距離徙動校正。對于徙動校正后的結(jié)果，取出同一距離單元的方位信號。若該方位信號包含目標(biāo)，則其為線性調(diào)頻(LFM)信號。忽略幅度及常數(shù)相位，該方位信號表示為

(5)

式中，fdc和fdr分別表示目標(biāo)回波的多普勒質(zhì)心(DC)和多普勒調(diào)頻率(DFR)。

接著對方位信號進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(FrFT)[49-51]。對于LFM信號，一個合理的旋轉(zhuǎn)角度α可以在對應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率fα軸上得到一個波峰。因此，含有目標(biāo)的方位信號可通過FrFT實現(xiàn)在fα-α域的有效積累。由于最優(yōu)積累時的旋轉(zhuǎn)角度α與方位信號的DFR相對應(yīng)，投影到fα軸上的位置與方位信號的DC相對應(yīng)，因此，通過代換將回波能量積累到DC-DFR域，相關(guān)代換關(guān)系為

(6)

式中，PRF為脈沖重復(fù)頻率。

相關(guān)研究人員通過仿真驗證了該方法的有效性，圖10給出了文獻(xiàn)[47]中的仿真結(jié)果。仿真中，回波積累時間為5 s，在DC-DFR域的回波積累結(jié)果如圖10(a)所示，圖10(b)為目標(biāo)DC剖面圖，仿真結(jié)果中存在一個獨立可見的峰值，因此能有效實現(xiàn)目標(biāo)的檢測。

(a) 多普勒質(zhì)心-多普勒調(diào)頻率域

(b) 多普勒質(zhì)心剖面圖10 短積累時間下DC-DFR域內(nèi)仿真結(jié)果

為檢測海面中小型目標(biāo)，同樣需要進(jìn)行長時間目標(biāo)回波的積累。在多普勒參數(shù)域內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)回波長時間積累的流程圖如圖11所示[47]。對于整個積累時間內(nèi)的目標(biāo)回波，同樣先利用Keystone變換實現(xiàn)距離徙動校正，并將距離徙動校正后的信號取出同一距離單元內(nèi)的方位信號。由于海面目標(biāo)運(yùn)動較為簡單，包含目標(biāo)的方位信號在長時間下仍可視為LFM信號。接著對方位信號進(jìn)行分幀處理，利用FrFT得到各幀信號在DC-DFR域的結(jié)果。若取出的方位信號包含目標(biāo)，則該目標(biāo)在各幀DC-DFR圖中位于相同的DFR處，但DC不同，因此在多幀非相干積累前需要進(jìn)行DC補(bǔ)償。各幀方位信號DC的差異與多普勒調(diào)頻率及單幀時長有關(guān)，若以第0幀結(jié)果作為參考，則第n幀結(jié)果的需要補(bǔ)償?shù)腄C表示為

Δfdc=n·Tf·fdr

(7)

圖11 基于多普勒參數(shù)域的長積累時間海面目標(biāo)檢測方法流程圖

DC補(bǔ)償后，目標(biāo)在各幀積累結(jié)果中位于同一位置。最后進(jìn)行多幀非相干積累，即可完成目標(biāo)回波的長時間積累，在DC-DFR域?qū)崿F(xiàn)對海面中小型目標(biāo)的檢測。

該方法的有效性通過仿真得到了驗證。仿真中，加入高斯白噪聲作為背景干擾，目標(biāo)回波信號在距離向脈沖壓縮后信噪比為-24 dB，為了有效檢測該目標(biāo)，對該目標(biāo)回波的積累時間為60 s。Keystone變換后，取出同一距離單元的方位信號，以2 s作為一幀時長，將該方位信號分為30幀。假設(shè)所取方位信號包含目標(biāo)，文獻(xiàn)[33]中給出的DC-DFR域仿真結(jié)果如圖12所示。圖12(a)為中間幀通過FrFT得到的結(jié)果，目標(biāo)仍被噪聲所淹沒，無法實現(xiàn)有效的海面目標(biāo)檢測。若不進(jìn)行DC補(bǔ)償，直接進(jìn)行多幀非相干積累，結(jié)果如圖12(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)，噪聲起伏降低，但由于各幀DC的差異，目標(biāo)回波無法實現(xiàn)有效積累，仍不能檢測到該目標(biāo)。進(jìn)行DC補(bǔ)償后，多幀非相干的積累結(jié)果如圖12(c)所示，目標(biāo)在補(bǔ)償后的各幀結(jié)果中位于同一位置，最終DC-DFR域的積累結(jié)果中存在一處明顯的峰值，據(jù)此能有效實現(xiàn)該海面目標(biāo)的檢測。

(a) 單幀

(b)多幀，未經(jīng)DC補(bǔ)償

(c) 多幀，經(jīng)過DC補(bǔ)償圖12 長積累時間下DC-DFR域內(nèi)仿真結(jié)果

在上述研究的基礎(chǔ)上，研究人員將無源雷達(dá)系統(tǒng)中的單個接收單元擴(kuò)展為接收天線陣列，并提出了一種對應(yīng)的海面目標(biāo)檢測方法[48]，相較于單個天線，多接收天線能獲得更多的目標(biāo)回波能量，可以實現(xiàn)更優(yōu)的海面目標(biāo)檢測效果。用相鄰?fù)ǖ篱g隔為d的K個天線接收海面目標(biāo)反射的信號，構(gòu)成系統(tǒng)的俯視圖如圖13所示[48]，圖中，p(η)為目標(biāo)的瞬時位置，θ(η)為瞬時波達(dá)方向(DOA)。對應(yīng)的海面目標(biāo)檢測方法流程圖如圖14所示[48]。 該方法同樣先將每一天線單元所接收到的長時間目標(biāo)回波通過Keystone變換實現(xiàn)距離徙動校正，并進(jìn)行分幀處理。接著每一幀信號均通過FrFT相干積累到DC-DFR域。然后對不同天線相同幀的信號進(jìn)行相干積累。由于位置的差異，不同天線單元所接收到的目標(biāo)回波具有不同的DC及相位，相干積累前需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。若要相干積累第n幀信號，對于第k個接收天線，DC補(bǔ)償及相位補(bǔ)償分別表示為

(8)

(9)

圖13 系統(tǒng)構(gòu)型俯視圖

圖14 基于多天線的長時間海面目標(biāo)檢測方法流程圖

式中，θ0為參考時刻的波達(dá)方向，r0為參考時刻目標(biāo)與接收站之間的距離，vp為參考時刻目標(biāo)的切向速度，其值與DFR相對應(yīng)，相關(guān)表達(dá)式為

(10)

由式(7)～式(9)可知，在進(jìn)行天線間DC補(bǔ)償與相位補(bǔ)償時，實質(zhì)上的未知參數(shù)僅為θ0。通過補(bǔ)償多組與θ0有關(guān)的DC及相位，實現(xiàn)K幅DC-DFR圖的積累，當(dāng)估計的DOA與真實值相符時，可以得到最大的相干積累增益。

最后，與單天線情況相同，多幀信號在幀間DC補(bǔ)償后進(jìn)行幅值相加，最終實現(xiàn)多天線、長時間回波信號能量的有效積累。

該海面目標(biāo)檢測方法的有效性通過仿真得到了驗證，仿真結(jié)果如圖15所示[48]。仿真中的參數(shù)設(shè)置與上述單天線時的仿真參數(shù)相同，僅更改接收設(shè)備為具有14個接收單元的陣列天線。單幀信號進(jìn)行多天線相干積累后的結(jié)果如圖15(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)，相較于單天線，多天線提高了目標(biāo)回波的信噪比。圖15(b)為多幀非相干積累后的結(jié)果，DC-DFR域中存在一處明顯的峰值，可以實現(xiàn)該海面目標(biāo)的有效檢測。

(b) 多幀，多天線圖15 多天線、長積累時間下的仿真結(jié)果

上述方法中的FrFT相較于直接的傅里葉變換能得到更優(yōu)的積累結(jié)果，但FrFT自身計算量較大，且本方法需要依次取出不同距離單元的方位信號，增加了處理復(fù)雜度。并且，F(xiàn)rFT會造成較高的旁瓣，不利于目標(biāo)檢測。為解決這個問題，電子科技大學(xué)的李中余等人又提出一種基于改進(jìn)的Wigner-Ville分布(M-WVD)的海面目標(biāo)檢測方法[52]，用M-WVD替換FrFT實現(xiàn)幀內(nèi)信號的積累。M-WVD同樣能將LFM信號的能量積累到其調(diào)頻率-中心頻率處[53]，故該方法仍是在DC-DFR域?qū)崿F(xiàn)對海面目標(biāo)的檢測。相較于FrFT，由于M-WVD將LFM信號能量全部積累到一點，不存在旁瓣，故該方法更利于海面目標(biāo)的檢測。下面通過公式對M-WVD的流程及原理進(jìn)行說明。

將LFM信號表示為

sLFM(η)=exp(j2πf0η+jπγ0η2)

(11)

式中，f0和γ0分別表示中心頻率與調(diào)頻率。

對該LFM信號進(jìn)行相關(guān)處理，即

(12)

式中，t′為對應(yīng)的時延，(·)*表示共軛。

對式(12)進(jìn)行尺度變換η=η′/t′，得到

MWVD(η′,t′)=exp(j2πf0t′+j2πγ0η′)

(13)

對式(13)進(jìn)行二維傅里葉變換，得到

MWVD(fη′,ft ′)=δ(ft ′-f0)δ(fη′-γ0)

(14)

因此，通過M-WVD能將LFM信號的能量積累到(f0,γ0)處。

相關(guān)研究人員通過仿真驗證了該方法的有效性，文獻(xiàn)[52]中的仿真結(jié)果如圖16所示。仿真中，海面目標(biāo)回波在距離向脈沖壓縮后信噪比為-24 dB，對該目標(biāo)回波的積累時間為60 s。對回波信號以2 s為一幀時長進(jìn)行分幀處理，將目標(biāo)回波分為30幀。幀內(nèi)利用M-WVD進(jìn)行幀內(nèi)信號的相干積累，單幀信號的相干積累結(jié)果如圖16(a)所示，目標(biāo)仍被噪聲所淹沒，無法實現(xiàn)檢測。將30幀M-WVD后的結(jié)果在DC補(bǔ)償后，進(jìn)行非相干積累，其結(jié)果如圖16(b)所示，圖中存在一處明顯的峰值，能實現(xiàn)對該海面目標(biāo)的有效檢測。

(a) 單幀

(b) 多幀，經(jīng)過DC補(bǔ)償圖16 基于M-WVD的長積累時間仿真結(jié)果

3 基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測展望

對于地球表面上任一點，在任意時刻能被同一導(dǎo)航衛(wèi)星星座中的6～8顆衛(wèi)星所覆蓋[54]。當(dāng)目前的4個導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)均完成建設(shè)時，地球表面任一點可以被24～32顆衛(wèi)星所照射，為基于GNSS的無源雷達(dá)提供了豐富的信號來源。且導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信號采用碼分多址(CMDA)或頻分多址(FDMA)的復(fù)用方式，可以在不增加接收設(shè)備的前提下實現(xiàn)對多顆衛(wèi)星信號的接收。因此，在利用基于GNSS的無源雷達(dá)進(jìn)行海面目標(biāo)的檢測時，可以充分綜合不同衛(wèi)星和不同星座照射下的目標(biāo)回波信號，實現(xiàn)多站多系統(tǒng)之間的目標(biāo)回波信息融合，更利于有效實現(xiàn)海面目標(biāo)檢測。同時，由于不同衛(wèi)星位于不同位置，且該位置是精確已知的，故可以考慮根據(jù)多點定位技術(shù)，研究利用多顆GNSS衛(wèi)星作為機(jī)會照射源實現(xiàn)海面定位的方法。

但不同導(dǎo)航衛(wèi)星之間位置的差異，也為海面目標(biāo)的檢測帶來了更多挑戰(zhàn)。以多顆GNSS衛(wèi)星作為機(jī)會照射源，共同實現(xiàn)對海面目標(biāo)的檢測與定位，所帶來的困難主要包括以下兩個方面：

1) 不同GNSS衛(wèi)星照射下的目標(biāo)回波雙基距離歷史不同。在對目標(biāo)的觀測時間內(nèi)，不同GNSS衛(wèi)星運(yùn)動軌跡的差異，使得多組目標(biāo)回波具有不同的距離歷史。且由于目標(biāo)參考時刻的位置與運(yùn)動狀態(tài)未知，相關(guān)的多組距離歷史及其差異是不可知的。若利用基于RD域的海面目標(biāo)檢測方法，分別對多顆GNSS衛(wèi)星照射下的目標(biāo)回波進(jìn)行積累，則目標(biāo)在多組RD圖中將位于不同雙基距離處，而該雙基距離的差異無法直接進(jìn)行補(bǔ)償。若利用基于DC-DFR域的海面目標(biāo)檢測方法，由于無法確定目標(biāo)在距離徙動校正后所在的距離單元，故不能直接同時取出包含目標(biāo)的方位信號。

2) 不同GNSS衛(wèi)星照射下的目標(biāo)回波多普勒歷史不同。雙基距離歷史變化的差異使得多組目標(biāo)回波具有不同的多普勒歷史，其多普勒參數(shù)(主要為DC)不同。同樣，相關(guān)的多組多普勒歷史及其差異是不可知的。若利用基于RD域的海面目標(biāo)檢測方法，分別對多顆GNSS衛(wèi)星照射下的目標(biāo)回波進(jìn)行積累，則目標(biāo)在多組RD圖中將位于不同多普勒頻率處。若利用基于DC-DFR域的海面目標(biāo)檢測方法，對多組目標(biāo)回波進(jìn)行積累，包含目標(biāo)的方位信號在DC-DFR圖中仍會位于不同DC處，且該差異無法直接進(jìn)行補(bǔ)償。

而基于本地坐標(biāo)系的海面目標(biāo)檢測方法由于最終能量積累所在的平面與距離歷史和多普勒歷史均無關(guān)，在多顆導(dǎo)航衛(wèi)星照射條件下，仍能應(yīng)用該方法實現(xiàn)海面目標(biāo)檢測。但在多顆導(dǎo)航衛(wèi)星作為照射源的條件下，其四維搜索過程的運(yùn)算量更加龐大，使其使用范圍受限。因此，對于多顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成無源雷達(dá)，若將其應(yīng)用于海面目標(biāo)檢測，相應(yīng)的檢測方法還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)束語

本文對基于GNSS的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測技術(shù)進(jìn)行了綜述。GNSS由于其全球覆蓋的特性，在無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測方面受到了廣泛的關(guān)注，具有廣闊的研究與應(yīng)用前景。GNSS信號到達(dá)地球表面的功率密度極低，為以GNSS為信號源的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測帶來了困難。為提高目標(biāo)回波信噪比，實現(xiàn)海面目標(biāo)的有效檢查，國內(nèi)外均進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了多種目標(biāo)回波能量積累方法。本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)有基于單顆GNSS衛(wèi)星與單接收天線的無源雷達(dá)海面目標(biāo)檢測方法，并給出了相應(yīng)的仿真或?qū)嶒灲Y(jié)果，同時分析了不同方法的優(yōu)缺點。同時，本文指出，利用多顆GNSS衛(wèi)星構(gòu)成無源雷達(dá)實現(xiàn)海面目標(biāo)檢測將是下一步的發(fā)展方向，而本文給出的現(xiàn)有方法在此情況下不再適用或存在一定問題，故仍需要進(jìn)行相關(guān)研究并提出新的海面目標(biāo)檢測方法。