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龚健雅,张策,石书祝.GNSS外辐射源动目标遥感检测技术现状与发展趋势[J].武汉大学学报（信息科学版）,2024(GONG Jianya,ZHANG Ce,SHI Shuzhu.A Review of Moving Target Detection Techniques Using GNSS Passive Remote Sensing System[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2024)
DOI: 10.13203/j.whugis20240050
摘要： 全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）除了用于导航定位服务之外，因其信号覆盖率高及卫星可见性强等优势，亦可作为被动雷达的机会辐射源完成地表环境和运动目标的遥感探测。但是，其较低的到达地面功率和较窄的信号带宽也给该类系统的应用带来诸多挑战。回顾了GNSS被动雷达遥感系统近30年的发展历程，聚焦运动目标遥感检测技术。通过分析后向散射和前向散射两种GNSS外辐射源探测体制下的动目标检测流程，梳理了相关技术的重点和难点，介绍了国内外在相关问题上取得的研究进展和潜在发展趋势，以期为相关研究提供参考。
论文内容
1. 基本原理
GNSS信号往往由数据码、测距码和高频载波3部分组成，其信号形式可以概括表示为：
式中，t为时间变量；A为信号的幅值；D和C分别为信号的数据码和测距码；f 0 代表载波频率；φ 0 代表信号的初始相位。
系统中的直射信号成分可以表示为：
式中，Ad表示直射信号的幅值；τd表示直射信号的时延；φd表示直射信号的初始相位。与之类似地，用下标r来标识反射信号的幅值、时延以及初始相位，反射信号可以写为：
用τdelta和Rdelta来分别表示直射信号和反射信号之间的时延差和传播路径长度差，进而有：
式中，R st 表示卫星与目标的距离；R tr 表示目标与接收机的距离；R sr 表示卫星到接收机的距离；c表示光速常量。
1）后向散射探测体制下动目标遥感检测方法
后向散射探测体制下的典型应用是监测运动模式较简单且雷达截面积（radar cross p，RCS）较大的水面运动目标。相应的双站雷达遥感系统的几何结构如图1所示，其中本地坐标系统的原点设置为接收机位置，并用α表示双基地角。
图1 后向散射探测体制下的GNSS被动雷达遥感系统检测水面动目标的几何结构图
当回波信噪比足够高时，对反射信号进行距离压缩，其结果足以让系统完成目标的探测及径向距离的估计。为了进一步提高信噪比以及准确估计目标的运动参数，在典型的信号处理流程中，脉冲化的回波会被排列成二维矩阵并在方位向进行时频转换。假设目标相对接收机做理想的匀速直线运动，二维信号矩阵在经过方位向的离散傅里叶变换处理之后会被转换到距离向时域方位向频域，也就是距离多普勒（range-Doppler，RD）域。此时的信号形式可以被表示为：
式中，τ为距离向时间变量；fa表示方位向频率变量；fd0是和径向速度对应的多普勒频移；NRD则为噪声成分；φRD表示当前信号的初始相位，也可以解释为RD域信号中幅值峰值点的复数相位。这就是典型的后向散射探测体制下的动目标检测流程的处理结果，来自目标的回波能量已经被聚焦到和初始径向距离以及速度相关的RD单元内。
2）前向散射探测体制下动目标遥感检测方法
对于前向散射探测体制下的动目标检测问题，因为目标穿越双基基线的时间窗口非常短暂，且回波受到目标剧烈震荡的RCS调制，所以系统往往无法将信号排列成二维形式进而使用传统的RD处理进行目标检测。但得益于在前向散射区内回波信号的幅值会产生显著变化的特点，目标往往在时域即可被有效检测。典型的前向散射探测体制下的双站雷达遥感系统的几何结构图如图2所示。
图2 前向散射探测体制下的GNSS被动雷达遥感系统探测空中动目标的几何结构图
在前向散射体制下，因为直达波和目标回波具备相似的极化方向和入射角度，所以接收机往往配置一副右旋圆极化天线进行单通道采集。接收信号中包含直射信号、散射信号以及噪声等成分。
在前向散射区内直射场与衍射场之间的关系与该时刻具体的双基构型、信号形式、目标尺寸以及目标距离均密切相关，难以一概而论并给出具体的量化表达。对于特定的前向散射雷达（forward scattering radar，FSR）系统可以定性地分析当目标穿越前向散射区时接收信号的幅值变化规律：若目标位于远场位置，依据适用于夫琅禾费衍射的巴比涅原理可以证得此时目标的RCS只与其形状有关，衍射信号能量被大幅增强。而与此同时，遮蔽效应因为信号以球面波形式传播而相对较弱，直射信号的能量被较大程度上保留，总场信号的幅值会呈现上升趋势；若目标位于近场位置，则遮蔽效应占据主导，巴比涅原理也不再适用于菲涅尔衍射，衍射场的强度会小于远场。若目标足够接近接收机且其阴影面积较大，其甚至会将系统的第一菲涅尔区完全遮蔽（该区域包含了直射信号近90%的能量），进而使得直射场强度被大幅削弱，总场信号的幅值呈现下降趋势。
基于前向和后向散射探测体制的被动雷达遥感技术，本质上均依赖于对散射信号的延时、多普勒频移及相位等参数的估计和分析。但在实际应用中两者的信号处理方式和适用的探测目标类型上则大有不同，这导致二者在检测流程中的一些近似条件并不通用。
2. 关键技术及研究现状
1）后向散射探测体制下动目标遥感检测关键技术及研究现状
①帧内回波能量聚焦技术
对于回波能量不足的弱目标探测问题，目前主流的做法是在保证帧内信号相干性的前提下，延长CPI进而获得更充分的能量积累。然而对于特定的点目标，当其在帧内发生跨越距离单元和频率单元的走动时，帧内的信号相干性会被破坏，来自目标的回波能量无法聚焦在一个RD单元内，进而导致能量的散焦。帧内能量聚焦的关键技术可以分为距离徙动（range cell migration，RCM）校正和多普勒徙动（Doppler shift cell migration，DCM）校正两类。一帧典型的经过RCM和DCM校正的水面动目标实测检测结果如图3所示。其中目标在RD域中的位置以红框标识，且其多普勒频移已被换算成径向速度 。
图3 后向散射探测体制下的GNSS被动雷达遥感系统检测水面动目标结果
最符合直觉的RCM校正方法是直接将有关的相位项按照径向速度的数值用共轭项进行补偿，但目标的速度信息通常是未知的。表1整理了几种主流的RCM校正方法的特点。
表1 主流RCM补偿方法比较
DCM的数值与目标及卫星的加速度有关。卫星的运动参数是已知的，但目标的运动参数则是有待估计的，所以DCM校正本质上需要对慢时间频域信号能量分布进行检测。考察频谱能量分布最简单的办法是利用DFT直接进行时频转换，表2整理了几种主流的多普勒频移时频分析方法的特点。
表2 主流多普勒频移时频分析方法比较
综合来讲，除了KT以及LVD分析，目前较为主流的RCM和DCM补偿方法均基于搜索的思想，而搜索结果的判断则有赖于接收信号的信噪比。倘若原始回波信噪比较低以致在RD域内难以检测到目标峰值，这些分析方法便很难奏效。从另一方面考察，搜索的过程需要对目标运动进行多项式估计，以便对特定参数进行有针对性的解算。当目标的机动性较高时，低阶多项式对目标的运动表达将不再充分，而高阶多项式对应的搜索过程则具有呈指数级上升的时间开销，这并不符合雷达系统的性能要求。进一步地，若系统能接受的多项式阶数有上限，则其CPI的选择亦是受限的。最大CPI的数值和多项式阶数息息相关，理想情况下任何运动过程都可以用多项式来拟合，但其阶数可能远超系统限制，所以帧内回波能量聚焦的效果对于高机动性、小RCS的目标往往并不理想。
②帧间回波能量聚焦技术
目前，针对GNSS被动雷达遥感系统帧间的回波能量积累技术，或者多帧检测（multi-frame detection，MFD）技术的相关研究较少。其根本原因在于当单帧数据无法成功检测目标时，帧间的RCM和DCM会处于无法预估的状况。此外，帧间的信号相位走动受噪声、杂波以及目标闪烁等因素影响，亦是完全随机的。
普遍意义上，后向散射体制下的MFD思路主要分为两种，首先是通过同一颗卫星的不同时刻的数据帧的积分对目标的回波能量进行聚焦。
第二种MFD思想是将多基地雷达的回波信号进行融合并对目标进行联合检测，这其中又可以分为多星单接收机（multiple input single output，MISO）系统、单星多接收机（single input multiple output，SIMO）系统以及多星多接收机（multiple input multiple output，MIMO）系统3种，MISO系统目前较为主流。对于分布式系统的联合检测问题，其关键难点在于如何将多个信源的数据有效配准。
在极低信噪比的前提下，若在每一帧回波中系统都无法单独解算目标信息，则目前还未有较好的方法可以实现多信源能量的聚焦。其原因便是目标位置和参数的不确定性导致无法配准的多路信号难以进行有效的能量积累。这种帧间信息差的不可预估也导致了在帧间的能量积累方式上，目前广泛采用的是可以不顾及相位差异影响的非相干积分。不过目前已经有部分研究开始探索帧间的相干积分方式。
③动目标定位及成像技术
当动目标的探测和参数估计完成时，系统可进一步对目标进行定位、跟踪以及逆SAR（inverse SAR，ISAR）成像等后续处理。其中水面动目标的定位和跟踪技术已经较为成熟，因高度信息相对稳定，所以可以较为方便地在一个二维平面上解算其空间位置。本地坐标系4维搜索算法事实上可以实现目标在水面平面上的定位，但具备不同初始位置和速度矢量的目标完全可能拥有相同的RD历程，所以算法应该针对此问题进行进一步优化。若系统的信号源不局限于单颗卫星，则可利用MISO系统的多星检测结果来实现交叉定位，进而避免上述的定位模糊问题。
在动目标成像技术方面，有文献使用单站GNSS反射信号对水面动目标实现了ISAR成像，图像中可清晰观察目标在方位向的能量展宽。倘若目标沿着垂直于接收机的视线方向做直线运动，也可以利用传统的SAR成像技术对回波能量进行映射。
2）前向散射探测体制下动目标遥感检测关键技术及研究现状
①前向散射回波信号提纯技术
使用GNSS信号的FSR系统通常只设置一个接收通道，并无参考通道和回波通道的区分，所以接收通道内混杂着直达波、目标回波以及噪声等成分。为了获得尽可能纯净的散射信号，需要对接收通道内的非回波成分进行滤除，这是目前相关应用的难点之一 。 目前常用的回波提纯手段是在跟踪环路输出的结果中，使用陷波滤波器直接滤除和直达波对应的直流成分。对于残留的噪声成分，通常用低通滤波器来对相关的高频成分进行抑制。
②动目标检测器
关于使用前向散射信号进行目标检测的工作较为少见，但倘若不限制辐射源为GNSS信号，相关研究成果则相对丰富。
如使用Wi-Fi信号的FSR系统检测车辆目标，利用广播信号对在前向散射区内的空中目标进行有效检测。上述两种信号的到达功率相对于GNSS信号来说有显著优势，所以相关的时频分析也较为简便。但在GNSS FSR系统中动目标的探测通常借助回波信号的幅值变化来实现，这类检测手段通常针对被遮蔽效应调制的信号而设计，所以适用范围受到目标尺寸和目标飞行高度的限制。事实上除了对多种飞行器的穿越前向散射区时信号幅值变化规律的测试以外，目前还较少有利用增强效应实现目标检测的成果。典型的受遮蔽效应调制的空中目标回波幅值变化如图4（a）所示，受前向散射RCS增强效应调制的结果如图4（b）所示。
图4 前向散射体制下的GNSS被动雷达遥感系统检测空中目标结果
当前学界的相关研究主要集中在较近距离的大RCS目标的检测任务上，且缺乏具备量化标准的检测器。对于远距离的小RCS目标，还需要更多基础研究来明确其回波信号的调制方式，进而设计相应的检测方案和参数估计算法。
③动目标参数估计及轮廓成像
当目标被系统成功检测后，则可以进一步实现对目标相关运动参数的估计，包括多普勒调频率、运动速度以及穿越基线时刻等，其中对于调频率或者多普勒历程的搜索是FSR系统目标参数估计最关键的问题之一。回波信号的多普勒频移由目标在双站构型中的运动产生，而在目标穿越前向散射区内的一小段时间内，往往可以认为目标的绝对速度是恒定的。与低斜视角的SAR成像技术相似，当忽略掉高阶的距离变化参数后，可以近似地认为目标的多普勒频移在这段时间内满足LFM形式，而其调频率与目标速度以及整个双站系统的构型参数有关。不过在LFM信号上还调制着震荡的目标RCS，所以难以使用传统的解调频或者DFrFT等整体分析方法实现对调频率的搜索，而只能借助STFT一类的分段时频分析手段求得目标在前向散射区内不同时刻的频率变化。图5（a）展示了一段有实测空中目标穿越的时长约为1.2 s的回波信号幅值历程，相应的原始信号已经过直流成分及高频噪声滤除处理；图5（b）是该信号段的实信号STFT时频分析结果，可以看到明显的用黑色虚线标识的LFM特征。当获知多普勒调频率之后，系统便可以结合双站构型参数遍历搜索出目标的运动速度及目标穿越时刻等运动参数。
图5 前向散射体制下的GNSS被动雷达遥感系统空中目标回波时频分析结果
因为FSR系统不具备距离分辨能力，所以传统的雷达成像技术无法直接应用在该类系统上，但在获知回波信号的多普勒调频率以及对应的多普勒历程之后，目标穿越基线时的轮廓可以被有效重建。在前向散射区内，目标的复散射信号可以看作是与目标多普勒有关的复数相位以及与目标形状相关的时变衍射成分的叠加。
倘若将问题重新聚焦回GNSS FSR系统，由于双基构型时刻发生变化，且其信号到达功率通常较低导致多普勒调频率求解较为困难，所以SISAR成像在该类系统中的应用较少。在较为严格的构型限制下，有文献提出了使用GNSS信号作为辐射源的前向散射雷达的SISAR成像技术，借助目标穿越基线时产生的复散射信号对接收机正上方1 km高度的民航客机的顶部轮廓进行了成功的描绘。但其研究亦指出该技术的应用受双基构型和目标尺寸的限制。此外，有文献提出了使用稀疏自动编码器和BDS信号的FSR系统目标识别技术，直接在目标的SISAR成像结果上实现了目标分类，并使用仿真数据验证了该项技术的可行性，为GNSS FSR系统的动目标识别工作提供了与利用功率谱特征进行分类的不同思路。
3. 技术展望
1）后向散射探测体制下动目标遥感检测技术展望
当前的后向散射探测体制下的帧间能量积累主要依赖非相干积分来实现，但事实上因为噪声的相位随机性，使用相干积分可以进一步削弱噪声成分能量进而带来更高的信噪比增益。不论对于SISO构型下的帧间积累还是MISO构型下的多星数据融合，相干积分都需要首先对不同帧的二维信号进行参数配准，其中包括目标峰值在RD域中的位置以及峰值点的复数相位。目前，针对传统雷达的MFD问题已有关于相干性修复的技术提出。虽然在GNSS被动雷达遥感领域中还较少有相关成果，但事实上因为在讨论通过多帧信号融合实现信噪比增强的语境中往往隐含着单帧数据并不具备目标可见性的前提，所以在帧间相干积分技术上GNSS信号和传统雷达信号并无本质差异，对此类问题尝试适配主动雷达的相关解决方案依然不失为是实现突破的方向之一。
此外，积累同一颗可见卫星的多频带目标回波能量亦是实现相干MFD的潜在解决方案。该方案的优势也在于对于来自同一系统且同样时间下的不同频带的回波数据帧，其中目标的运动特征必然完全一致，所以其回波能量积累过程无需对帧间的RD域峰值位置差异进行校正，相关算法的开发可以更多关注复信号的相干性补偿方法。
2）前向散射探测体制下动目标遥感检测技术展望
当单一前向散射区内的回波信号无法检测到目标穿越时，是否可以通过结合多个前向散射区内的回波信息对目标进行联合检测，是目前亟待解决的问题之一。虽然后向散射体制的构型要求更容易满足，但FSR系统的高信噪比特征在实际应用中更具优势，所以如何利用多信号源对目标进行联合检测是提升系统检测性能的重点。不过该问题与后向散射体制的MFD问题大有区别，因为FSR系统中并没有帧的概念，系统往往在一维时域对目标进行检测。当前缺少有效的技术手段将目标穿过不同基线的能量变化累积起来以实现微弱能量波动的检测，而倘若此问题得到有效解决，那么MIMO雷达遥感系统的双基基线组成的前向散射区网络将会实现非常高效的弱目标甚至隐身目标的检测和跟踪。
MIMO构型下FSR系统实现的另一主要难点是多台接收机的布站方案选择。当前针对SIMO构型的分布式雷达遥感系统的布站方案已有部分相关成果，尽管主要局限于仿真验证阶段，但对未来的MIMO FSR系统的构筑仍具有重要参考意义。
3）GNSS被动雷达遥感系统成像技术展望
目前，使用GNSS信号作为外辐射源的双站SAR系统的性能表现主要受限于接收机成像视角以及信号固有的低分辨率限制，使得该类系统的成像结果一直和传统的SAR影像质量有着较大差距。如何优化信号的分辨率或提升信号的有效带宽，是改进该类系统成像质量的关键所在。
在对目标成像方面，依旧可以从两种不同的散射体制出发进行考察。对于后向散射探测体制下的水面及地面动目标的成像，已有的部分研究成果对目标的运动方式要求都比较苛刻。因为地基接收机通常静止，所以该类系统往往需要目标发生转动或者沿着垂直视线方向发生运动才可以利用ISAR或SAR的能量聚焦逻辑实现成像。但雷达系统中的待检测目标往往是非合作的，更具通用性的成像技术或许需要将接收机搭载到运动平台上以实现更理想的合成孔径效果。对于空中动目标的成像工作，因为回波信号的低信噪比和可用信号窗口较短的特征，所以通常只能依赖FSR系统的SISAR成像技术，而传统的ISAR空中动目标成像算法则不再可用。SISAR应用目前普遍局限于目标恰好从接收机正上方穿越系统的双基基线这一特定场景，未来若能扩展到更多构型下并得到验证，将为算法提供更高的通用性。进一步地，倘若可以利用未来可能实现的MIMO FSR系统从多个角度对空中目标实现阴影尺寸提取，并重建目标的三维轮廓，将给出更可靠的目标分类结果。
结语
过去的30年里，有赖于国内外学者的持续探索，GNSS外辐射源雷达遥感系统的性能不断得到优化，但GNSS信号固有的劣势长久以来都是限制该类系统发展的瓶颈。但是，GNSS系统自身的优势或许也是改进该类系统表现的突破口所在。譬如，诸多GNSS星座通常可以同时为雷达遥感系统提供具备十几个甚至几十个信息完全已知的可见信号源。如何将这些分散在空间中的信号能量聚焦起来，无疑是该类系统在动目标检测方向上最值得被解决的问题之一。随着越来越多的学者开始尝试突破这一难关，GNSS被动雷达遥感系统也正在朝着智能化、多基地化以及前向后向散射协同化的方向稳步发展。
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