CN114002673A - 星载无源sar的非合作信号感知***与多维参数估计方法 - Google Patents

Abstract

星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法，属于雷达技术领域。本发明包括非合作SAR信号感知***与非合作SAR信号多维参数估计方法，其中，非合作SAR信号感知***包括天顶感知天线、直达信号阵列接收单元、对地探测天线、回波信号阵列接收单元，实现对非合作SAR直达信号与回波信号的接收；非合作SAR信号多维参数估计方法包括直达信号时频空特性估计单元与天线波束指向参数估计单元，实现对非合作SAR信号的多维参数估计与天线指向估计。相比传统星载SAR***，该星载无源SAR不需要发射任何信号，可实时感知与捕获空间中可用的非合作SAR信号源，利用该非合作SAR信号源进行双站SAR成像探测。

Description

星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法

技术领域

本发明涉及星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法，属于雷达技术领域。

背景技术

国际上SAR卫星已经发展了40余年，在轨运行的SAR卫星数量已经超过40余颗。近年来，随着商业小型化SAR卫星技术的成熟，在未来5至10 年将有近千颗小型化SAR卫星在轨运行。受限于法定工作频率，大规模的小型化SAR卫星将必然存在一定的电磁干扰问题。亟待研究一种新型的SAR技术，即星载无源SAR***技术。星载无源SAR***不需要主动发射大功率宽频带信号，仅需对其它SAR卫星的信号进行感知与利用，即可实现对地成像观测。

现有星载无源SAR***大多数为合作式探测，如多星编队(一发多收或多发一收)、中高轨卫星发射低轨卫星接收等，收发SAR卫星之间有足够的先验信息与时频空同步信息，可简化星载SAR***复杂度与技术难度。但合作式探测体制仅能对有限几个SAR卫星信号进行感知与利用，无法对在轨的所有SAR 卫星信息进行感知与利用，导致***成像占空比较低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法，为利用空间非合作SAR信号实现成像探测，设计由星载无源SAR非合作信号感知子***和对地成像探测子***构成的硬件***，并提出多维参数估计方法实现无源成像。在空间非合作SAR信号感知阶段，通过一个天顶感知天线，接收相应探测频段的非合作SAR信号；由于无法预知非合作SAR的信号参数，需要一个直达信号阵列接收单元，对直达的非合作SAR信号进行快速时频二维估计，解算非合作SAR卫星的空间位置和飞行轨迹，并通过信号可用性分析，将可用的直达信号特性参数输入到雷达对地成像探测子***。为实现对地成像探测，在无源SAR卫星的下部安装一个平面多通道天线，用于接收非合作SAR信号对地探测的回波信号；通过回波信号强度分析得到非合作SAR卫星对地观测时的波束指向，从而确定出非合作 SAR天线波束主瓣脚印，得到完整的卫星多维参数估计。在此基础上，对地探测天线通过DBF快速波束对准即可实现对地观测成像。

本发明的技术解决方案是：

星载无源SAR的非合作信号感知***，包括天顶感知天线、直达信号阵列接收单元、对地探测天线、回波信号阵列接收单元；

所述天顶感知天线用于接收非合作SAR卫星天线副瓣发射信号，通过和差网络，生成四通道直达信号并发送至直达信号阵列接收单元；

所述直达信号阵列接收单元用于对直达信号进行和差波束测角、差分多普勒定位及时频参数搜索处理，生成非合作SAR信号时频估计参数并发送至回波信号阵列接收单元；

所述对地探测天线用于接收地面搜索区域回波信号，通过DBF多通道处理，生成波束指向区域回波信号并发送至回波信号阵列接收单元；

所述回波信号阵列接收单元用于对地面回波信号进行并行的脉冲压缩、方位向相干累积处理，生成回波能量分布模型以及出非合作SAR天线波束指向，最终完成对非合作信号的感知。

进一步地，所述天顶感知天线采用X波段的二维平面阵列天线，对称划分为四象限分布子阵，并通过数字或模拟方式实现和差波束比幅测角。

进一步地，所述直达信号阵列接收单元包括四路独立的下变频接收通道，每路下变频接收通道均包括射频带通滤波器、可变增益放大器、混频器、中频带通滤波器、中频低噪声放大器和模数转换器，用于将采样后的数字信号输入处理器模块；

处理器模块用于完成信号参数估计，然后将中心频率反馈给可编程本振源，以产生更为匹配的本振频率，使混频后的中频直达信号更易被模数转换器采样，从而降低采样频率和数据率；估计的参数包括非合作SAR信号的中心频率、带宽、时宽。

进一步地，所述对地探测天线采用X波段二维多通道阵列天线。

进一步地，所述对地探测天线的阵面口径为L×W，其中，L>6m，W>1m。

进一步地，所述对地探测天线的通道数为P×Q，每个通道对应的子阵单元数为M_p×M_q，p＝1,2,…,P，q＝1,2,…,Q，通过子阵级数字波束形成实现方位向

距离向±θ的二维波束扫描，其中，

θ∈[10°～30°]，扫描时天线方向图副瓣优于-13dB、栅瓣优于-15dB。

进一步地，所述回波信号阵列接收单元包括P×Q路独立接收通道，每路通道均包括射频带通滤波器、可变增益放大器、混频器、中频带通滤波器、中频低噪声放大器、模数转换器，用于将采样后的数字信号输入到处理器模块；

处理器模块完成中频回波信号的I/Q解调、DBF、距离向脉冲压缩、方位向非相干积累，获得高信噪比的回波信号，用于对非合作SAR天线波束指向进行二维搜索与估计。

星载无源SAR的非合作信号多维参数估计方法，包括如下步骤：

1)天顶感知天线接收的直达信号经过和差网络后，馈入直达信号阵列接收单元，采用可编程本阵源与对直达和信号混频，非合作信号时间宽度

粗估计；通过快速傅里叶变换(FFT)得到频带宽度为

中心频率为

多普勒频率

多维参数的实时估计；

2)构建以只打信号脉冲压缩后的冲击响应宽度(IRW)、峰值旁瓣比(PSLR) 和积分旁瓣比(ISLR)性能最优为目标的优化模型，利用粒子群算法等全局优化手段，在时频二维支撑域快速搜索，得到非合作SAR信号的时频参数最优估计；

3)在直达信号阵列接收单元中，根据非合作SAR信号的时频参数估计结果，对和差波束通道直达信号进行比幅测角、差分多普勒解算，得到非合作SAR 卫星与无源SAR相对空间位置估计，采用改进的扩展卡尔曼滤波(EKF)跟踪算法拟合出非合作SAR运行轨迹；

4)直达信号阵列接收单元将非合作SAR时频估计参数发送至回波信号阵列接收单元；

5)对地探测天线根据无源SAR与非合作SAR空间位置关系，将多通道天线通过DBF加权合成窄波束指向潜在地面成像区域进行搜索，接收回波信号；

6)在回波信号阵列接收单元中，通过并行FPGA平台，对回波信号实现 I/Q解调、DBF波束扫描、距离向脉冲压缩、方位向相干累积等处理，得到地面成像区域的回波信号功率分布；

7)回波信号阵列接收单元对DBF波束扫描得到的回波功率分布模型进行修正，在俯仰面内补偿回波因路径不同产生的功率衰减差值，得到修正后的搜索区域回波功率分布；选取功率最强点最为非合作SAR成像区域中心，从而解算出非合作SAR的方位向和距离向波束指向估计

8)至此完成对非合作SAR信号的时频空参数估计，对地探测天线将波束指向相应区域实现双站无源SAR成像；整个过程在轨实时进行，完成连续估计和成像处理。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法的步骤。

星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明无需预知雷达信号参数，仅需增加一个天顶阵列天线即可对空间非合作SAR信号进行自主感知，能充分利用所有在轨SAR卫星信号进行对地成像探测，具有较高的灵活性与较大的成像占空比；

2)本发明不需要发射大功率信号，省略了大规模功率放大器，大幅降低了***成本，且具有非常好的隐蔽性；

3)本发明在信号参数估计过程中采用并行的快速搜索优化处理，既保证了参数估计精度，又兼顾了信号处理的实时性。

附图说明

图1是星载无源SAR对空间非合作SAR感知及联合成像场景示意图；

图2是本发明设计的星载无源SAR非合作信号智能感知***框图；

图3是本发明设计的星载无源SAR非合作信号参数估计流程框图；

图4是星载无源SAR天顶感知天线子***结构图；

图5是非合作SAR信号时频空参数估计示意图；

图6是非合作SAR直达信号阵列接收单元结构框图；

图7是非合作SAR天线波束指向参数估计示意图；

图8是非合作SAR回波信号阵列接收单元结构框图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括 (如图1～8所示)：

在本申请实施例所提供的方案中，

a.在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计方法。

图1是星载无源SAR与空间非合作SAR联合成像与探测场景示意图，包括：

空间运行的非合作SAR卫星天线主瓣指向地面观测区域，同时信号通过副瓣辐射泄漏并传输至星载无源SAR；低轨的星载无源SAR天顶天线接收并感知直达信号，通过时频空多维参数分析，获知非合作SAR卫星位置和信号参数；通过对地观测天线的距离向波束扫描搜索确定其天线主瓣脚印，再将天线主瓣对准该区域实现无源成像探测。

图2为根据本发明实施例提出的星载无源SAR非合作信号智能感知***，包括：

天顶感知天线子***10、直达信号阵列接收单元20，接收并处理非合作SAR的直达信号，实现空间可用信号的接收和多维信息智能感知，输入到回波信号阵列接收单元30，通过多通道对地探测天线子***40，接收并处理非合作SAR波束照射区域回波，实现非合作SAR波束指向估计和对地成像探测。

图3为根据本发明实施例提出的星载无源SAR非合作信号参数估计技术处理流程框图，包括：

空间非合作SAR天线的侧向泄露信号被四子阵天顶天线100接收，通过快速时域分析得到信号的时频参数粗估计101，并根据其时频特性确定信号可用性；通过四通道数字和差接收处理，得到非合作SAR的空间角度估计102，并通过和波束接收信号的多普勒变化率估算出非合作SAR的空间距离103，结合信号角度估计实现空间定位,采用改进的EKF算法拟合出卫星运动轨迹104；根据其轨道特征确定非合作SAR卫星的工作模式。常规 SAR天线方位向扫描能力较差，根据前述判断得到的非合作SAR工作模式，可以确定非合作SAR的天线波束方位向扫描边界，即实现非合作SAR信号方位角估计105。

无源SAR对地观测天线通过DBF处理在对应扫描区域内快速形成高分辨率的窄波束，在上述估计的方位范围内沿距离向进行波束扫描106；根据回波信号功率模型重构出非合作SAR天线脚印、确定其波束的两维指向角度，从而估计出非合作SAR信号入射角107。根据无源SAR卫星和非合作 SAR卫星的相对位置，采用DBF加权将波束中心对准非合作SAR天线指向区域，实现基于非合作外辐射源的双站雷达成像探测108。

一、参照图4，天顶感知天线子***10包括：四子阵天顶天线101，利用单脉冲和差测角原理，将二维平面天线划分为四象限对称子阵，通过幅相加权实现低副瓣的和差方向图，并保证四子阵的和波束可在空域120°锥角内扫描不产生栅瓣；为提升空间可用信号的搜索效率，和波束宽度保持在 8°-12°；四通道宽带信号接收机102，接收通道通带为9-10.2GHz，实现空间非合作SAR信号的有效接收；和差波束形成器103，通过数字或模拟方式形成和信号通道和两维差信号通道，进行下变频、滤波、放大和归一化，实现四子阵通道的和差比幅，由鉴角曲线得到入射非合作SAR信号的方位和俯仰角度104；和信号处理器105，提取和信号通道数据，用于非合作 SAR信号的时频参数精准估计、距离估算和飞行轨迹关联处理。

二、参照图5，空间非合作SAR的空间参数估计过程包括：天顶天线和差波束接收信号可用于估计非合作SAR的方位和俯仰角，实现角跟踪；和波束接收信号可实现非合作SAR的多普勒估计和距离跟踪，进一步得到其径向速度分量；通过连续观测得到非合作SAR的多组角度

及距离r 测量值，由于空间运行的SAR卫星具有相对稳定的运动轨迹，可采用改进的EKF算法对非合作SAR卫星飞行点迹关联，拟合出其实际飞行轨道，实现卫星定轨。

三、参照图6，空间非合作SAR直达信号的多维参数估计由直达信号阵列接收单元20完成，根据无源SAR卫星自身位置30，经FPGA处理得到非合作SAR的信号参数40和工作模式50。通过四子阵天顶天线10接收的四路信号输入直达信号阵列接收单元20，每路通道包含射频带通滤波器 201，滤除9-10.2GHz之外的干扰信号；后接可变增益放大器202，混频器203、中频带通滤波器204、中频低噪声放大器205和ADC 206；采样后的信号馈入一片FPGA或其它处理器207；可编程本振源208在FPGA反馈的信号频率估计参数下，输出匹配的本振信号，经过多路开关209选通依次与各路接收信号混频，得到四路接收通道的传输特性，在FPGA处理器中进行幅相一致性校正。由于空间非合作SAR通常发射线性调频(LFM)信号进行成像探测，可在时域处理得到信号时间宽度的粗估计

通过FFT可得到信号中心频率和带宽的粗估计

同时将空间位置估计得到的多普勒频率进行补偿，输出频率匹配的本振信号给四路通道进行下变频滤波处理，持续接收并反馈调谐本振源的频率，使得下变频后的中频信号更易于被 ADC采样，降低采样率；在获得信号粗估计参数后，建立时频二维细搜索模型，采用粒子群优化等手段在时频二维域对信号参数进行快速随机搜索，实现直达信号的最优参数估计。

四、参照图7(a)，由于常规SAR天线在方位向扫描角度有限，可根据先验常识确定非合作SAR发射信号的方位角，结合上述拟合出的飞行轨迹及其高度计算出非合作SAR天线波束对地扫描边界，从而估计出非合作 SAR天线脚印；参照图7(b)，星载SAR对地探测天线在非合作SAR天线脚印区域搜索，采用DBF技术快速形成窄波束沿距离向扫描；非合作SAR信号遇到地面目标会向其它方向散射，因而采用对地探测天线接收散射回波并进行能量检测即可确定非合作SAR天线的实际照射区域，从而实现非合作SAR天线的波束指向估计。

五、参照图8，非合作SAR回波信号经二维多通道对地探测天线10接收，馈入回波信号阵列接收单元20，根据无源SAR卫星位置30、由直达信号阵列接收单元估计得到的非合作SAR工作模式40和信号参数50，经 FPGA 207处理，得到非合作SAR天线波束的距离向指向60和方位向指向 70估计。通过对地探测天线10接收的多路信号输入回波信号阵列接收单元20，每路通道包含射频带通滤波器201，滤除9-10.2GHz之外的干扰信号；接收通道包括但不限于可变增益放大器202，混频器203、中频带通滤波器 204、中频低噪声放大器205和ADC206；经采样后的信号馈入FPGA或其它处理器207；可编程本振源208根据输入的非合作SAR信号估计参数，输出频率匹配的本振信号，并通过开关209依次选通，与各路接收信号混频，得到多路接收通道的传输特性，在FPGA处理器中进行幅相一致性校准。多通道天线波束在地面沿距离向扫描，通过多通道接收与DBF处理快速得到整个区域的回波功率分布模型，选取功率最强点作为非合作SAR波束的照射中心，与非合作SAR空间位置关联，解算得到波束指向的距离向60和方位向指向70估计。

b.非合作信号时频二维参数快速估计方法

本实施例中，为了快速得到非合作SAR信号的时频二维参数估计，采用粗估计与局部细搜索结合的两步估计策略。首先根据时域采样信号和FFT 技术得到信号时间宽度、中心频率和带宽等参数的粗估计；由于信号频率可能叠加了瞬时的速度多普勒分量和其它误差因子，采用粒子群优化算法在时频二维域对信号参数快速随机搜索，建立优化模型匹配出信号参数的最优估计。

一、参照图4，星载无源SAR首先对空间可用的X波段信号感知。相比于地面***，空间传输的信号不易受到杂波和多径干扰，非合作SAR发射的高功率信号通过天线副瓣产生侧向泄露，通过空域搜索可以得到较为纯净的非合作SAR信号直达波。星载无源SAR配置一天顶感知天线，四通道天顶天线101构成单脉冲阵列，无源SAR飞行过程中天线和波束在空域120°锥角范围扫描，搜索并接收X波段的非合作SAR信号；接收信号馈入四通道宽带信号接收机102进行滤波下变频处理，下变频后采样信号的脉冲持续时间估计为

频带宽度为

中心频率为

经过和差波束形成器103，完成入射SAR信号的空间相对位置估计：包括方位和俯仰角度

距离

其中，卫星角度信息通过和差波束比幅测角得到，

表示四个子阵对应的天线方向图，则天顶天线和波束方向图表示为：

方位差波束方向图表示为：

俯仰差波束方向图表示为：

根据不同接收波束的回波幅值比，通过鉴角曲线即可得到对应的二维空间角：

非合作SAR卫星的空间距离

通过直达波信号的多普勒频率变化率得到。由于无源SAR与非合作SAR存在相对运动导致的多普勒频率粗估计为

连续观测时，易得到多普勒频率的变化率

表示直达信号中心频率的估计，可通过时频二维搜索优化进一步修正。则无源SAR空间位置与直达信号多普勒变化率的关系表示为

其中，非合作SAR的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，无源SAR观测点空间位置 (x_i,y_i,z_i)，

表示两者空间距离矢量；在无源SAR空间位置、运动速度

和加速度

可知的条件下，在一段时间内进行动态测量，根据空间角度测量值，可以对非合作SAR卫星实现无模糊定位。持续接收直达波信号，采用EKF 算法对非合作SAR轨迹拟合。

二、参照图6，直达信号阵列接收单元20由下变频射频接收通道(包括射频带通滤波器201、可变增益放大器202、混频器203、中频带通滤波器204、中频低噪放205和ADC 206)和FPGA处理器207构成。下变频处理时通道信号与一可编程本振源208混频，其中，射频带通滤波器通带为 9-10.2GHz。可编程本振源初始频率设置为f_LO，下变频后采样信号的脉冲持续时间估计为

频带宽度为

中心频率为

根据前述滤波过程得到的瞬时多普勒频率为

入射信号的中心频率修正为

更新可编程本振源的输出频率，再对下变频后的信号采样分析；如此反复，得到信号频率参数的多组估计值，用于持续更新目标的空间位置。

三、由于非合作SAR信号参数未知，空间测量误差不可避免，在上述时频参数估计结果基础上，需要在估值邻域进行二维局部细搜索。本发明提出一种基于粒子群优化的信号时频二维参数快速搜索方法。建立优化模型，在上述多组估计参量张开的时、频二维支撑域，以时间单元Δt_p、频率单元Δf为单位对二维参数随机搜索。建立优化目标函数，将信号粗估计结果作为接收信号

随机搜索参数配置的信号

作为参考信号，对接收直达信号进行匹配滤波：

计算脉冲压缩后的信号冲激响应宽度IRW、峰值旁瓣比PSLR和积分旁瓣比ISLR，构造多目标优化模型：

其中，w₁～w₃为多目标优化权重，可根据先验知识指定也可以动态调整；利用粒子群优化算法的并行性，可以加速二维参数寻优的计算速度，并易于在FPGA处理器中实现；频域脉冲压缩仅存在乘加运算，计算简单；在指定迭代次数内对a,b两个随机参量更新，优化变量维数低，因而可以快速得到信号时频参数的最优估计50。

c.非合作SAR天线波束指向估计方法

本实施例中，为了快速得到非合作SAR天线波束指向，采用多通道接收与DBF技术结合的对地探测搜索，根据估计出的卫星工作状态确定非合作SAR发射信号方位角及天线主瓣中心指向；由于一般星载SAR俯仰向扫描角度为20°～60°，在对应方位进行距离维波束扫描，根据回波能量分布确定出非合作SAR的波束指向。

一、参照图7(a)，根据前述拟合得到的非合作SAR飞行轨迹，判断其工作模式，由于星载SAR天线波束的方位向扫描能力较差，通常扫描范围为

时，有

因而波束的方位角度θ_s区间是明确的；而距离向扫描范围较宽，扫描范围为±θ时，有θ≤20°，因而需要在距离向细搜索确定实际的成像观测区域。首先，在卫星飞行轨迹对应的地面区域以方位-距离二维最大区域覆盖原则确定非合作SAR的天线脚印。

二、参照图7(b)，非合作SAR信号波束照射区域的地面目标会向其它方向散射能量，无源SAR的对地探测天线波束在距离向快速扫描，通过比较接收回波的信号能量确定非合作SAR天线的实际波束指向。其中，星载无源SAR对地探测天线口径为L×W，一般取L>6m，W>1m，略大于常规同频段星载SAR天线，有利于形成分辨率较高的窄波束；通过DBF技术和多通道接收，可以快速检测波束扫过区域的散射信号回波强度。

三、参照图8，回波信号阵列接收单元20由下变频射频接收通道(包括射频带通滤波器201、可变增益放大器202、混频器203、中频带通滤波器204、中频低噪放205和ADC 206)和FPGA处理器207构成。下变频处理时通道信号与一可编程本振源208混频，根据上述估计的非合作SAR 信号参数配置本振源参数，采样后的多通道接收回波信号经DBF加权实现在不同扫描区域的最佳接收；根据上述天顶感知天线接收和信号分析得到的非合作SAR信号参数，构建本地参考信号s_r；在FPGA处理器中并行实现多路回波的脉冲压缩、方位向相干积累处理，建立整个扫描区域的回波功率分布模型

在地面目标散射特性分布较为均一条件下，以回波功率最强点作为非合作SAR天线波束的指向中心，从而得到非合作SAR天线波束的距离向60和方位向70估计。

四、在构建回波功率分布模型Г时，为避免不同距离处回波能量衰减不一致引起估计误差，方位向积累得到目标的回波功率后，对信号传输路径损耗进行补偿：根据雷达方程，散射回波信号的信噪比可表示为

其中，非合作SAR信号散射回波能量会因传输路径r_R、目标散射特性σ不同而不同，为了准确反演出非合作SAR波束的实际照射区域，需要修正对应区域的散射信号能量分布模型为

假设对地探测天线波束扫描区域的近地点斜距为r₀，当波束沿距离向扫描的俯仰角为

星载无源SAR 卫星高度h，距离向脉压和方位向积累处理得到的回波能量为P，考虑路径衰减后该点的回波能量修正为

考虑地面目标散射特性分布，为避免非合作SAR照射区域外存在强散射目标，导致泄露信号回波被对地探测天线接收造成误判，可对扫描区域进行分区散射参量标定，修正式(10)中的散射截面积参量为σ′。

从上述实例描述可看出，该发明并未涉及过于复杂计算，非合作SAR直达信号的时频二维快速估计，以及基于回波的非合作SAR波束指向估计具有较高的在轨处理效率。相比于有源双基探测，该***通过引入天顶天线感知***，可有效利用空间已有的非合作SAR信号实现无源探测，具有良好的隐蔽性；同时，空间多维信息的感知涉及多目标粒子群优化算法，其与后续空间搜索和成像处理，均可采用并行计算方式实现，具有计算效率高、实时性好等优势。

本发明新型提出的非合作SAR卫星信号智能感知与多维参数估计技术不需要任何先验信息，利用天顶阵列天线对空间非合作SAR信号进行自主感知，并对非合作SAR信号的时域(包括信号时宽、脉冲重复周期等)、频域(包括中心频率与带宽等)、空域(包括非合作SAR卫星轨迹、天线波束指向等)等多维特性进行精确估计，再引导对地探测天线波束指向非合作SAR卫星的天线波束照射区域，进行回波信号接收与处理，从而实现对地成像观测。该发明新型能利用所有在轨SAR卫星信号，不需要发射大功率信号，大幅降低了***成本，且具有非常好的隐蔽性。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图3所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于，包括天顶感知天线、直达信号阵列接收单元、对地探测天线、回波信号阵列接收单元；

所述天顶感知天线用于接收非合作SAR卫星天线副瓣发射信号，通过和差网络，生成四通道直达信号并发送至直达信号阵列接收单元；

所述直达信号阵列接收单元用于对直达信号进行和差波束测角、差分多普勒定位及时频参数搜索处理，生成非合作SAR信号时频估计参数并发送至回波信号阵列接收单元；

所述对地探测天线用于接收地面搜索区域回波信号，通过DBF多通道处理，生成波束指向区域回波信号并发送至回波信号阵列接收单元；

所述回波信号阵列接收单元用于对地面回波信号进行并行的脉冲压缩、方位向相干累积处理，生成回波能量分布模型以及出非合作SAR天线波束指向，最终完成对非合作信号的感知。

2.根据权利要求1所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述天顶感知天线采用X波段的二维平面阵列天线，对称划分为四象限分布子阵，并通过数字或模拟方式实现和差波束比幅测角。

3.根据权利要求1所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述直达信号阵列接收单元包括四路独立的下变频接收通道，每路下变频接收通道均包括射频带通滤波器、可变增益放大器、混频器、中频带通滤波器、中频低噪声放大器和模数转换器，用于将采样后的数字信号输入处理器模块；

处理器模块用于完成信号参数估计，然后将中心频率反馈给可编程本振源，以产生更为匹配的本振频率，使混频后的中频直达信号更易被模数转换器采样，从而降低采样频率和数据率；估计的参数包括非合作SAR信号的中心频率、带宽、时宽。

4.根据权利要求1所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述对地探测天线采用X波段二维多通道阵列天线。

5.根据权利要求4所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述对地探测天线的阵面口径为L×W，其中，L＞6m，W＞1m。

6.根据权利要求4所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述对地探测天线的通道数为P×Q，每个通道对应的子阵单元数为M_p×M_q，p＝1,2,...,P，q＝1,2,...,Q，通过子阵级数字波束形成实现方位向

距离向±θ的二维波束扫描，其中，

θ∈[10°～30°]，扫描时天线方向图副瓣优于-13dB、栅瓣优于-15dB。

7.根据权利要求1所述的星载无源SAR的非合作信号感知***，其特征在于：所述回波信号阵列接收单元包括P×Q路独立接收通道，每路通道均包括射频带通滤波器、可变增益放大器、混频器、中频带通滤波器、中频低噪声放大器、模数转换器，用于将采样后的数字信号输入到处理器模块；

处理器模块完成中频回波信号的I/Q解调、DBF、距离向脉冲压缩、方位向非相干积累，获得高信噪比的回波信号，用于对非合作SAR天线波束指向进行二维搜索与估计。

8.星载无源SAR的非合作信号多维参数估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)天顶感知天线接收的直达信号经过和差网络后，馈入直达信号阵列接收单元，采用可编程本阵源与对直达和信号混频，非合作信号时间宽度

粗估计；通过快速傅里叶变换(FFT)得到频带宽度为

中心频率为

多普勒频率

多维参数的实时估计；

2)构建以只打信号脉冲压缩后的冲击响应宽度(IRW)、峰值旁瓣比(PSLR)和积分旁瓣比(ISLR)性能最优为目标的优化模型，利用粒子群算法等全局优化手段，在时频二维支撑域快速搜索，得到非合作SAR信号的时频参数最优估计；

3)在直达信号阵列接收单元中，根据非合作SAR信号的时频参数估计结果，对和差波束通道直达信号进行比幅测角、差分多普勒解算，得到非合作SAR卫星与无源SAR相对空间位置估计，采用改进的扩展卡尔曼滤波(EKF)跟踪算法拟合出非合作SAR运行轨迹；

4)直达信号阵列接收单元将非合作SAR时频估计参数发送至回波信号阵列接收单元；

5)对地探测天线根据无源SAR与非合作SAR空间位置关系，将多通道天线通过DBF加权合成窄波束指向潜在地面成像区域进行搜索，接收回波信号；

6)在回波信号阵列接收单元中，通过并行FPGA平台，对回波信号实现I/Q解调、DBF波束扫描、距离向脉冲压缩、方位向相干累积等处理，得到地面成像区域的回波信号功率分布；

7)回波信号阵列接收单元对DBF波束扫描得到的回波功率分布模型进行修正，在俯仰面内补偿回波因路径不同产生的功率衰减差值，得到修正后的搜索区域回波功率分布；选取功率最强点最为非合作SAR成像区域中心，从而解算出非合作SAR的方位向和距离向波束指向估计

8)至此完成对非合作SAR信号的时频空参数估计，对地探测天线将波束指向相应区域实现双站无源SAR成像；整个过程在轨实时进行，完成连续估计和成像处理。

9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述方法的步骤。

10.星载无源SAR的非合作信号感知***与多维参数估计设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求8所述方法的步骤。

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