基于相位差分的單站無源快速定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無源定位方法，可用于單站偵察。
【背景技術(shù)】
[0002] 無源定位是指由單個(gè)偵察設(shè)備或者多個(gè)偵察設(shè)備在探測(cè)到散射源或者輻射源并 獲得有關(guān)定位參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理手段，確定出散射源或輻射源在三維空 間中的位置。
[0003] 無源定位可以簡(jiǎn)單分為多站定位和單站定位。多站定位通過部署在不同地理位置 的站點(diǎn)接收到的目標(biāo)輻射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)級(jí)別或者數(shù)據(jù)級(jí)別的融合，從而達(dá)到定位的目的。 在通信設(shè)備定位中應(yīng)用較廣；而雷達(dá)發(fā)射天線往往波束較窄，很難保證多個(gè)接收站能接收 到目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)多站的時(shí)間同步機(jī)制要求設(shè)備復(fù)雜，而單站定位由于幾乎沒有上述問題， 因而得到了廣泛的關(guān)注。
[0004] 單站無源定位通過單一觀測(cè)平臺(tái)被動(dòng)接收輻射源信號(hào)完成目標(biāo)定位，是獲取目標(biāo) 位置信息的重要手段，已經(jīng)應(yīng)用到重要目標(biāo)位置監(jiān)視、緊急營(yíng)救、智能交通以及反恐維穩(wěn)等 領(lǐng)域。單站定位與多站定位相比最大特點(diǎn)是只有一個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，設(shè)備簡(jiǎn)單、部署靈活、機(jī)動(dòng) 性能強(qiáng)，因此在星載、機(jī)載、艦載等多種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目標(biāo)定位方面發(fā)揮了重要作用。
[0005] 目前單站定位方法的研究，包括測(cè)向定位、到達(dá)時(shí)間差定位、多普勒頻率及其變化 率定位、相位差及其變化率定位以及上述的組合定位法等。其中，多普勒頻率變化率定位和 相位差變化率定位較為常用，這兩種方法為了提高目標(biāo)定位跟蹤能力，采用了如包括牛頓 迭代方法、卡爾曼濾波及其擴(kuò)展方法、貝葉斯估計(jì)理論的粒子濾波方法等。2004年開始，意 大利在直升機(jī)上采用雙天線實(shí)現(xiàn)多普勒變化率定位實(shí)驗(yàn)。該方法在飛機(jī)兩側(cè)放置2個(gè)干涉 儀天線，利用其頻率差測(cè)量結(jié)果定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法的最佳位置在兩側(cè)斜視角±45 度處，其他位置均將下降；在定位距離約5km，定位35秒時(shí)間條件下，目標(biāo)定位誤差將超過 10%〇
[0006]上述的單站定位方法都是利用了目標(biāo)與偵察設(shè)備位置變化的非線性變化特性，采 用了非相干的積累方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的估計(jì)。但是隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的射頻 源穩(wěn)定度得到了明顯提高;雷達(dá)在成像、空時(shí)處理等模式下，都會(huì)有較長(zhǎng)的信號(hào)穩(wěn)定期，偵 察獲取信號(hào)的相干性明顯增強(qiáng)。常規(guī)的單站定位方法不能有效的利用信號(hào)的相關(guān)性，需要 很長(zhǎng)的積累時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于相位差分的單站無源 快速定位方法，以減小運(yùn)算量，改善定位精度，實(shí)現(xiàn)快速定位。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)思路是，將合成孔徑成像雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到偵察領(lǐng)域，利用輻射 源的相干性，將長(zhǎng)時(shí)間積累信號(hào)虛擬地合成長(zhǎng)的天線陣列，使其不滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，即天線陣 列的二次相位無法忽略；利用相位差分對(duì)該不可忽略的二次相位進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而利用二次 相位與輻射源距離的反比關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源目標(biāo)位置的估計(jì)。其實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：
[0009] (1)偵察設(shè)備做勻速直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻和測(cè)向，得到測(cè)頻結(jié)果/ 和測(cè)向結(jié)果I，并利用測(cè)頻結(jié)果/進(jìn)行混頻消除載頻，得到基帶信號(hào)Ur(t);
[0010] (2)對(duì)基帶信號(hào)Ur(t)進(jìn)行積累，得到一組積累的基帶信號(hào)：
[0011] Url(t)，Ur2(t)，???Uri(t)...Urn(t)，i = 1，2,3...n，
[0012]其中，n表示積累脈沖總個(gè)數(shù)；
[0013] (3)對(duì)積累的基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波：
[0014] (3a)在積累的基帶信號(hào)中選擇其中一個(gè)作為參考信號(hào)UrQ(t);
[0015] (3b)將參考信號(hào)urQ(t)與所有積累脈沖信號(hào)進(jìn)行卷積，得到一組卷積結(jié)果m(t)， U2(t)，???Ui(t)."Un(t);
[0016] (4)對(duì)每個(gè)卷積結(jié)果m(t)進(jìn)行多倍插值，得到采樣信號(hào)^(〇,提取插值結(jié)果Vl(t) 峰值處的采樣復(fù)信號(hào)um(t)，得到峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣：
[0017] M= [uui(t) ,UU2(t) , ???UUi(t) ???UUn(t)];
[0018] (5)對(duì)峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣M進(jìn)行相位差分，估計(jì)最優(yōu)調(diào)頻率爲(wèi)；
[0019] (5a)提取峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣M的前n-m個(gè)元素構(gòu)成峰值前矩陣％，提取峰值采樣 復(fù)信號(hào)矩陣M的后n-m個(gè)元素構(gòu)成峰值后矩陣M 2,其中，m表示峰值采樣子矩陣M2相對(duì)峰值采 樣子矩陣Ml延遲的脈沖周期個(gè)數(shù)，Ml = [UUl(t)，…UUi(t)…UUn-m(t) ]，M2 = [UUm+l(t)…UUi (t)…UUn( t)]，將Ml與M2共輒相乘，得到相位差分矩陣X ;
[0020] (5b)對(duì)相位差分矩陣X進(jìn)行線性調(diào)頻z變換得到相位差分頻率fk，其中，線性調(diào)頻z 變換的起始取樣點(diǎn)的半徑長(zhǎng)度Ao取1，螺旋線的伸展率Wo取1;
[0021] (5c)利用相位差分頻率fk和峰值后矩陣M2相對(duì)峰值前矩陣施延遲的脈沖周期個(gè)數(shù) m，估計(jì)最優(yōu)調(diào)頻率奐；
[0023]其中，Tpri表示輻射源脈沖重復(fù)周期；
[0024] (6)根據(jù)最優(yōu)調(diào)頻率A獲得補(bǔ)償后的信號(hào)矩陣Mc:
[0025] (6a)利用最優(yōu)調(diào)頻率兵構(gòu)建補(bǔ)償信號(hào)矩陣H=[h(ru)，h(n2)…h(huán)(ni)'"h(n n)]，其 中，h(ru)為補(bǔ)償信號(hào)，npiVniu表示輻射源脈沖到達(dá)時(shí)間；
[0026] (6b)將補(bǔ)償信號(hào)矩陣H與峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣M進(jìn)行點(diǎn)乘，消除峰值采樣復(fù)信號(hào)關(guān) 于時(shí)間的二次相位，得到補(bǔ)償后的信號(hào)矩陣：
[0027] Mc= [uui(t)h(ni), ???uui(t)h(ni)---uun(t)h(nn)]；
[0028] (7)對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)矩陣M。進(jìn)行傅里葉變換得到多普勒頻率尤，計(jì)算高精度的測(cè) 向結(jié)果
[0029] (8)利用高精度的測(cè)向結(jié)果，計(jì)算輻射源和偵察設(shè)備的距離幻
[0030] (9)結(jié)合高精度的測(cè)向結(jié)果和輻射源和偵察設(shè)備的距離f，得到輻射源位置。 [0031 ]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0032] 第一，相對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)定位方法，本發(fā)明利用了輻射源的相干性，縮短定位時(shí) 間，可以實(shí)現(xiàn)快速定位；
[0033] 第二，將合成孔徑雷達(dá)的原理應(yīng)用在雷達(dá)定位中，將長(zhǎng)時(shí)間積累的信號(hào)虛擬合成 長(zhǎng)的天線陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確角度測(cè)量；
[0034] 第三，利用虛擬長(zhǎng)天線陣列不滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，即天線陣列的二次相位無法忽略的 特性，通過相位差分的方法得到距離參數(shù)，提高定位精度。
【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明的定位誤差圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明方法在不同基線條件下的定位時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0039] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0040] 步驟1、獲取基帶信號(hào)。
[0041] 本發(fā)明采用做勻速直線運(yùn)動(dòng)的偵察設(shè)備，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻和測(cè)向，得到 測(cè)頻結(jié)果/和測(cè)向結(jié)果|，并利用測(cè)頻結(jié)果/進(jìn)行混頻消除載頻，得到基帶信號(hào)ur(t)，測(cè)頻 誤差要求較低，小于1MHz即可。
[0042]步驟2、積累基帶信號(hào)。
[0043] 對(duì)基帶信號(hào)ur(t)進(jìn)行積累，即每進(jìn)行一次混頻得到的基帶信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，累計(jì)得 到一組基帶信號(hào)：
[0044] Url(t) ,Ur2(t) , ?''Uri ( t) ?''Urn (t ) , i = 1,2,3 ?' T1
[0045] 其中，n表示積累脈沖總個(gè)數(shù)。
[0046] 步驟3、對(duì)積累的基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波。
[0047] 在積累的基帶信號(hào)中選擇其中的任意一個(gè)作為參考信號(hào)urQ(t)，將該參考信號(hào)ur0 ⑴與所有積累的信號(hào)Url⑴，1!:2(〇，~11:辦卜_11" 1(〇分別做卷積，得到匹配濾波結(jié)果：
[0048] Ul(t) ,U2(t) , ???Ui(t)---Un(t)
[0049] 步驟4、多倍插值，提取峰值采樣復(fù)信號(hào)。
[0050] (4a)對(duì)每個(gè)卷積結(jié)果m(t)分別進(jìn)行傅里葉變換，將卷積結(jié)果m(t)轉(zhuǎn)換到頻域，并 在頻域中心插入(K-l)Nf個(gè)零，得到插值后的頻域信號(hào)，其中，Nf為傅里葉變換后的數(shù)據(jù)個(gè) 數(shù)，K為插值倍數(shù)，取值為2的整數(shù)次冪，本實(shí)例K取8;
[0051] (4b)對(duì)插值后的頻域信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換，將信號(hào)恢復(fù)到時(shí)域，得到采樣信號(hào) Vl(t);記錄采樣結(jié)果Vl(t)達(dá)到峰值時(shí)的時(shí)間tmax，提取時(shí)間t max對(duì)應(yīng)的峰值采樣復(fù)信號(hào)um (t) - V i ( tmax )；
[0052] (4c)對(duì)所有的卷積結(jié)果ui(t)，U2(t)，…Ui(t)'"un(t)進(jìn)行(4a)_(4b)處理，得到一 組峰值采樣復(fù)信號(hào):UUl(t)，UU2(t)，???UUi(t)-_UUn(t)，形成峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣M= [UU1 (t) ,UU2(t) , ???UUiUh.UUrXt)]。
[0053]步驟5、對(duì)峰值采樣復(fù)信號(hào)矩陣M進(jìn)行相位差分，估計(jì)最優(yōu)調(diào)頻率兵。
[0054] (5a)構(gòu)建峰值采樣子矩陣％和此屬與此共輒相乘，得到相位差分矩陣X，其中，Mi =
[UUl(t)，???UUi(t)."UUn-m(t) ]，M2 = [UU