用GPS衛(wèi)星信號探測空中目標(biāo)

（1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，大連 116018）

（1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，大連 116018）

利用GPS衛(wèi)星信號全天候、全球?qū)崟r覆蓋的特點(diǎn)，研究以GPS衛(wèi)星信號為輻射源，連續(xù)接收空中目標(biāo)飛經(jīng)GPS信號場的全息信號，設(shè)計(jì)了基于特征點(diǎn)觸發(fā)采集的信號采集系統(tǒng)，提取目標(biāo)的前向散射信號，根據(jù)目標(biāo)的飛行速度確定信號的頻帶。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行目標(biāo)前向散射信號的頻譜分析，檢測由于前向散射效應(yīng)引起的信號電平突變，從而實(shí)現(xiàn)了對空中目標(biāo)的探測。模型飛機(jī)和民航客機(jī)的探測試驗(yàn)結(jié)果表明，以GPS衛(wèi)星信號作為輻射源，可以有效地探測到低空和高空目標(biāo)飛行物。

GPS；前向散射；特征點(diǎn)；頻譜；探測

現(xiàn)代軍事應(yīng)用中，雷達(dá)是探測空中目標(biāo)的主要工具。隨著隱形技術(shù)、電子干擾技術(shù)的發(fā)展，隱形飛行器、隱形艦艇、反輻射導(dǎo)彈等各種主動/被動干擾設(shè)備層出不窮，使得雷達(dá)面臨低空/超低空突防、綜合電子干擾、反輻射導(dǎo)彈和目標(biāo)隱形四大威脅，對雷達(dá)的探測能力、生存能力構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1,2]。無源雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。無源雷達(dá)可分為兩類：一是通過檢測目標(biāo)自身輻射信號的無源雷達(dá)；二是通過檢測第三方發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)反射的信號的無源雷達(dá)[3-4]。

基于GPS衛(wèi)星廣播信號探測空中目標(biāo)的方法，以GPS衛(wèi)星信號為輻射源，檢測接收空中目標(biāo)的前向散射信號，分析由GPS直達(dá)波信號和前向散射信號混合后的信號幅值、相位、頻率的變化規(guī)律后，提出了基于目標(biāo)特征點(diǎn)采集濾除直達(dá)波信號的方法，根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動速度，對濾除直達(dá)波信號后的接收信號進(jìn)行頻譜分析，提取目標(biāo)的前向散射信號，檢測前向散射信號引起的能量突變，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

1 前向散射信號

GPS衛(wèi)星廣播的信號十分微弱，利用目標(biāo)反射的GPS衛(wèi)星信號探測目標(biāo)，會因?yàn)榉瓷湫盘柟β蔬^低導(dǎo)致探測距離有限，從而使其應(yīng)用受到限制。而利用前向散射的增強(qiáng)效應(yīng)能夠提高系統(tǒng)靈敏度和探測距離。

前向散射增強(qiáng)效應(yīng)是指在目標(biāo)穿越雷達(dá)基線過程中，雙基地角在 170°～190°時，會出現(xiàn)目標(biāo)雷達(dá)截面積(radar cross-section-RCS)急劇變大的現(xiàn)象。這種增強(qiáng)效應(yīng)使得目標(biāo)輻射信號強(qiáng)度顯著提高。如圖1所示。

圖1 雙基地雷達(dá)角的定義Fig.1 Definition of bistatic radar angle

1.1 目標(biāo)的全息信號

根據(jù)巴比涅原理，目標(biāo)在接收點(diǎn)場分量的合成振幅按照一定規(guī)律變化，利用陰影分量可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測和成像。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)(synthesis aperture radar-SAR)、逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthesis aperture radar-ISAR)的定義，將利用接收點(diǎn)目標(biāo)陰影分量探測目標(biāo)的雷達(dá)稱為陰影逆合成孔徑雷達(dá)(shadow inverse synthesis aperture radar-SISAR)。在SISAR中把接收機(jī)所接收到的目標(biāo)穿越雷達(dá)基線及附近區(qū)域時的前向散射場的合成振幅定義為目標(biāo)的電波全息信號(Radio Holographic Signal，RHS)[5-6]。文獻(xiàn)[6]指出目標(biāo)在接收點(diǎn)的前向散射場的合成振幅可近似為：

式中， k = 2π/λ，λ為輻射信號波長。

式(1)中其它各字母的含義結(jié)合圖2解釋。

圖 2 SISAR及目標(biāo)的幾何關(guān)系示意圖Fig.2 Geometry relation between SISAR and target

如圖2所示，兩個坐標(biāo)系分別為OXYZ、Pζη?，坐標(biāo)系OXYZ與Pζη?平行；O點(diǎn)為發(fā)射端，P點(diǎn)為目標(biāo)中心，B點(diǎn)為接收端；r1= OP、r2= PB分別為發(fā)射/接收端到目標(biāo)的距離，基線長b = OB；(ηN,?N)為接收點(diǎn)B在平面(η,?)上的坐標(biāo)。式(1)中Ω是與菲涅耳域（Fresnel zone）局部半徑 rF成反比的參數(shù)：

εS(η,?) 為陰影孔徑S的指示函數(shù)，其函數(shù)表述為：

當(dāng)目標(biāo)以勻速v平行于OXY平面、與基線夾角為ψ飛行時，運(yùn)動方程為：

這種情況下，由于衍射角在觀察期間始終很小，所以陰影尺寸實(shí)際上沒有發(fā)生變化。當(dāng)目標(biāo)沿OP輻射線上的尺寸遠(yuǎn)小于速度矢量方向上的尺寸時，其陰影孔徑為：

式中，ε（η,?）是在 yp=0、ψ = π/2時的最大陰影孔徑。同樣在橫坐標(biāo) xp基本不變的條件下，目標(biāo)沿基線方向上相對運(yùn)動很小，所以我們可以假設(shè)在式(2)中 xp= xb= const，在可觀測時間內(nèi)將參數(shù)Ω作為與時間無關(guān)的常量。將式(3)(4)代入式(1)可得：

式中，γ為P點(diǎn)多普勒頻率的變化率，而復(fù)輪廓函數(shù)（Complex Profile Function，CPF） H(η)為

1.2 前向散射信號

設(shè)電場強(qiáng)度為E(單位：μV/m)，源信號功率密度為 Pu(單位：mW/m2)，接收功率為 Pr(單位：mW)，自由空間阻抗為120π，接收天線增益為 Gr，則電場強(qiáng)度E與功率密度 Pu滿足：

式中，E的單位是V/m， Pu的單位是W/m2。功率密度 Pu與接收功率 Pr之間滿足：

記天線內(nèi)部阻抗為 Z0，則接收電壓的幅值V與Pr之間滿足：

將式(8)(9)代入式(10)，則有：

將式(6)代入式(11)則可得到接收電壓幅值與 E˙T之間滿足：

GPS L1載波的信號形式可寫為[9-10]：

式中， Ap為P碼幅值， Pi(t)為P碼序列， Di(t)為D碼序列， AC為C/A碼幅值， Ci(t)為C/A碼序列。

則基于GPS的SISAR的前向散射信號為：

式中：λ為GPS L1載波波長，其值為0.190 32 m； fL1為L1載波頻率， fL1=1575.42 MHz。

2 信號采集

普通的 GPS接收天線是全向天線，可以接收多達(dá) 12顆衛(wèi)星的信號，也會接收到多個空中目標(biāo)的前向散射信號。設(shè)可觀測GPS衛(wèi)星數(shù)為N，GPS直達(dá)信號的多普勒頻移為 δfz,k、延時為 δtz,k(1 ≤ K ≤ N)；目標(biāo)個數(shù)為M，前向散射信號的多普勒頻移為 δfq,i、延時為 δtq,i(1 ≤ i≤ M)，噪聲為 n(t)，此時接收機(jī)的接收信號為：

由于P碼處于保密狀態(tài)，因此僅考慮C/A碼，式(15)可簡化為：

雙基地雷達(dá)的多普勒頻移f定義為波長λ歸一化的散射信號的總路徑長度隨時間的變化率，若設(shè)發(fā)射端到目標(biāo)距離為RT，目標(biāo)到接收機(jī)距離為RR，則：

以GPS為照射源的陰影逆合成孔徑雷達(dá)，本質(zhì)上仍然是雙基地雷達(dá)，因此目標(biāo)的多普勒頻移可通過式(17)計(jì)算。結(jié)合圖1，可以計(jì)算得到：

設(shè)計(jì)合適的信號采集系統(tǒng)，采集經(jīng)目標(biāo)散射后的GPS信號，根據(jù)式(15)，提取目標(biāo)全息信號。

2.1 信號采集方法

由于L1載波頻率高達(dá)1575.42 MHz，因此若在射頻端采集信號，將對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲都將提出很高的要求，難以實(shí)現(xiàn)。解決方法是先將GPS信號從射頻下變頻到頻率相對較低的中頻，進(jìn)行A/D變換和其他的后續(xù)處理后進(jìn)行采集和處理工作，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示[8]。

如圖3所示，視界內(nèi)所有GPS衛(wèi)星的射頻信號通過接收天線轉(zhuǎn)換成模擬信號，在通過前置放大器進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛螅粊碜员菊竦幕祛l信號下變頻到中頻（IF）。若混頻頻率為 fL′1，本地晶振誤差為 δtRCV，混頻后噪聲為 n′(t) ，則中頻信號可寫為：

圖3 信號采集過程框圖Fig.3 Scheme of signal sample

為混頻后的載頻。

式(19)表明經(jīng)過混頻后得到的中頻信號只是降低了載頻，而信號的幅值、多普勒及PRN碼等都沒有變化。因此這種采集信號的方法是可行的。

2.2 天線設(shè)計(jì)

式(19)表明若使用常規(guī)的全向 GPS天線，則同時可接收到多顆不同的GPS衛(wèi)星信號。因?yàn)镚PS信號微弱，空間分布多顆衛(wèi)星信號且同頻工作，雖然經(jīng)過了偽碼調(diào)制，但仍然存在著彼此間的相互影響，在此背景下檢測相對較弱的前向散射波是十分困難的。因此考慮設(shè)計(jì)窄帶、高增益天線，只接收指定1顆衛(wèi)星的信號。

采用如圖4所示的圓陣列[9]，采用多個普通GPS全向天線構(gòu)成圓陣，利用波束形成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方向性選擇，提高所選衛(wèi)星信號的信噪比，并進(jìn)一步抑制干擾，達(dá)到提高檢測概率的目的。在圓天線陣列中，所有陣元均勻布設(shè)在圓周上，設(shè)圓半徑為 a。垂直角度為θ，方位角度為φ，則第M陣元的輸出為：

圖4 圓陣列示意圖Fig.4 Circle array of antenna

理論分析表明，M足夠大（例如當(dāng)a=6λ時M＞48或 a＝4λ時，M＞32）時，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)定高度角和方位角衛(wèi)星的信號的定向采集。

采用陣列天線，僅接收1顆GPS衛(wèi)星的信號時，接受信號將簡化為：

2.3 基于特征點(diǎn)采集的信號提取

由于GPS直達(dá)波信號難以獲取，因此基于直達(dá)波抵消的全息信號提取方法難以實(shí)現(xiàn)。分析式(1)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過陣列接收后，噪聲 n(t)被抑制，信噪比大大提高。不妨先忽略噪聲項(xiàng)，則 SIF(t)可視為直達(dá)信號 Sz(t)與前向散射信號 Sq(t)之和：

式(2)中調(diào)制信號 Ci(t)、Di(t)僅決定載波是否翻轉(zhuǎn)，不會引起信號頻率、幅值和相位的變化。單獨(dú)分析2個相鄰的載波周期（不考慮調(diào)制碼），則沒有目標(biāo)前向散射信號和存在目標(biāo)前向散射信號的波形如圖5所示。

圖5 觸發(fā)采樣原理Fig.5 The principle of level trigger sampling

由式(23)可知直達(dá)信號 Sz(t)與前向散射信號Sq(t)在頻率和相位上都有所不同，當(dāng)目標(biāo)前向散射信號 Sq(t)≠ 0時，必然引起中頻接收信號 SIF(t)在頻率和相位上的變化。

若以 GPS接收信號等于ν0作為觸發(fā)采集條件，且延時t1后使得 Sz(t)= 0，則如圖5所示，當(dāng)接收到前向散射波信號時，采樣值不為 0，即可判斷此時是否探測到了目標(biāo)。因而將 Sz(t)= 0作為特征點(diǎn)，則在特征點(diǎn)處的采樣可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。

3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)處理分為四個步驟：第一，利用普通GPS接收機(jī)確定GPS星空圖；第二，根據(jù)空中目標(biāo)進(jìn)場航向，確定GPS衛(wèi)星輻射源，調(diào)整陣列天線視角；第三，采集經(jīng)過目標(biāo)散射后的GPS衛(wèi)星信號；第四，根據(jù)目標(biāo)飛行速度確定目標(biāo)全息信號頻帶，利用頻譜分析，保留指定頻帶內(nèi)的數(shù)據(jù)，濾除頻帶外的信號，并作反Fourier換，提取出時域內(nèi)的目標(biāo)特征信號。

3.1 近距離小目標(biāo)試驗(yàn)

使用 4 cm×20 cm×13 cm的金屬板從天線上空0.5 m的空域拋過。采集的原始信號、經(jīng)窄帶濾波處理后提取的信號如圖6所示。圖6、圖7清楚地表明，成功探測到了飛過天線上空的金屬板。

圖6 原始信號Fig.6 Original signal

圖7 提取信號Fig.7 Extraction signal

3.2 飛機(jī)模型試驗(yàn)

模型飛機(jī)外型如圖8所示，模型翼展約0.8 m，機(jī)身長約 0.5 m。目標(biāo)沿東南方向、東北、西北方向 3次快速穿越陣列。圖9、圖10清楚地表明，在模型飛機(jī)3次穿越天線上空時，均成功探測到目標(biāo)。

圖8 模型飛機(jī)外型Fig.8 The shape of aero-model

圖9 原始信號Fig.9 Original signal

圖10 提取信號Fig.10 Extraction signal

4 結(jié) 論

通過檢測目標(biāo)的前向散射信號探測目標(biāo)的關(guān)鍵是對目標(biāo)前向散射全息信號的提取?；谔卣鼽c(diǎn)采集前向散射信號的方法，可以避免GPS直達(dá)波信號不易剔除的難點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果也表明，采用這種方法檢測前向散射信號，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測是可行的。

但這種方法也存在著不足之處：需要對原始采集信號進(jìn)行頻帶濾波，才能夠從眾多背景信號中提取清晰的目標(biāo)信號。但是基于頻譜分析的提取方法比較粗糙，在提取的過程中會損失一些有用的頻率成分或引入無用的頻率成分，當(dāng)頻譜范圍選取不當(dāng)時，會出現(xiàn)漏警、虛警現(xiàn)象，且頻譜范圍選取需要事先估計(jì)目標(biāo)飛行速度。研究不需先驗(yàn)知識，通過原始信號提取目標(biāo)前向散射信號是一個有待繼續(xù)深入研究的方向。

（References）：

[1] Liao Yuyu, He Zishu, Jia Kexin, et al. Performance of polarimetric statistical MIMO radar on stealth target detection[J]. International Journal of Digital Content Technology and its Applications, 2012, 6(1): 104-112.

[2] 程院兵，顧紅，蘇衛(wèi)民，等. 相控陣MIMO 隨機(jī)多相碼雷達(dá)高速目標(biāo)探測[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2012，36(2)：250-255.

CHENG Yuan-bing, GU Hong, SU Wei-min, et al. Highspeed target detection using phased-array MIMO random polyphase codes radar[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2012, 36(2): 250-255.

[3] Kabakchiev C, Garvanov I, Behar V, Rohling H. The experimental study of possibility for radar target detection in FSR using L1-based non-cooperative transmitter[C]// 14th International Radar Symposium, 2013, Vol.2: 625-630.

[4] Wang Tianyun, Liu Changchang, Lu Hongchao, Chen Weidong. Sparse passive radar imaging based on digital video broadcasting satellites using the MUSIC algorithm [C]//2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing. 2012, Vol.3: 1925-1930.

[5] Kabakchiev C; Behar V, Garvanov I, Kabakchieva D, Rohling H. Detection, parametric imaging and classification of very small marine targets emerged in heavy sea clutter utilizing GPS-based forward scattering radar[C]//2014 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing,: 793-797.

[6] Wang Dengwei, Zhang Tianxu, Yan Luxin. Fast hybrid fitting energy-based active contour model for target detection[J]. Chinese Optics Letters, 2011, 9(7): 071001-071004.

[7] 馬建國，曹可勁，張磊，等. 基于 GPS信號的海面目標(biāo)被動探測[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(5)：987-991.

MA Jian-guo, CAO Ke-jin, ZHANG Lei, et al. Passive detection of marine targets based on GPS signals reflected from sea suaface[J]. System Engineering and Electronics, 2011, 33(5): 987-991.

[8] Feng Bin, Wang Tianyun, Liu Changchang, Chen Chang, Chen Weidong. An effective CLEAN algorithm for interference cancellation and weak target detection in passive radar[C]//2013 Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar. Tsukuba: IEEE, 2013, 160-163.

[9] Clemente C, Soraghan J J. Passive Bistatic Radar for helicopters classification: A feasibility study[C]//2012 IEEE Radar Conference(RADAR), 2012: 0946 – 0949.

[10] 劉志儉，劉毅，王躍科. 一種探測低飛目標(biāo)的PD雷達(dá)仿真系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32(6)：1131-1135.

LIU Zhi-jian, LIU Yi, WANG Yue-ke. Pulse Doppler radar simulation system for detecting low altitude targets[J]. System Engineering and Technology, 2010, 32(6): 1131-1135.

用GPS衛(wèi)星信號探測空中目標(biāo)

李方能1，許江寧1，周紅進(jìn)2，吳 苗1

Aerial target detection via GPS satellite broadcast signal

LI Fang-neng1, XU Jiang-ning1, ZHOU Hong-jin2, WU Miao1
(1. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Since GPS signal is all weather and global, it can be used as radiation source for aerial target detection. When the aerial targets fly across GPS signal field, a forward scattering signal from the targets body is produced and broadcasted, resulting in the mutation of its signal power. A sample system trigged by signal feature-point is designed to extract the forward scattering signal. The forward scattering signal’s frequency bandwidth is estimated by its relation with the target velocity, and the signal mutation peak is picked out via frequency spectrum analysis. The detection experiments of model airplanes and civilian airliners are carried out in different altitudes and weathers, and the test results show that the aerial targets can be detected successfully and effectively.

GPS; forward scattering; feature point; frequency spectrum; detection

1005-6734(2014)06-0788-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.06.016

TN9117

A

2014-06-24；

2014-10-15

國家自然科學(xué)基金（47174050）；湖北省自然科學(xué)基金（2013CFB438）；大連艦院自然科學(xué)基金

李方能（1978—），博士生，講師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星無線電導(dǎo)航信號處理。E-mail：fangneng_li@126.com