一種基於成像策略的多傳感器多目標定位方法

2023-06-10 00:14:21 2

一種基於成像策略的多傳感器多目標定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於成像策略的多傳感器多目標的定位方法，它是通過將傳感器網絡建模為一個二維稀疏陣，把基於傳感器網絡的多目標定位問題轉變為成像問題，採用像BP算法投影策略，用來解決繁雜的數據關聯問題；通過貪婪算法搜尋三維圖像的峰值，並利用剔除算法清除虛假目標定位多個目標。與傳統多目標定位方法相比，本發明從成像的角度對目標的多個回波進行相參積累，從而能夠更加提高目標信噪比，方便、準確的解算多目標；在成像空間方便的考慮多目標定位，從而提高多目標定位的概率。
【專利說明】一種基於成像策略的多傳感器多目標定位方法【技術領域】
[0001]本發明屬於雷達組網系統中的多目標定位的【技術領域】，它特別涉及到了傳感器網絡下的多目標定位的【技術領域】。【背景技術】
[0002]相比於傳統的雙站雷達，傳感器網絡能夠在一個較大的空間範圍獲得目標的多個雙站延時，這在軍事偵察領域具有非常大的優勢。利用這些延時，通過解算有關目標位置的非線性距離方程(原理上類似於GPS系統)，我們能夠在一個脈衝周期中定位目標，非常有利於跟蹤任務。但是由於多目標，噪聲以及雜波的存在，傳感器網絡必須在定位前分配包括噪聲和雜波在內的不同目標的混合的延時，即完成目標和傳感器之間的數據關聯問題，從而創建正確的距離方程，這在實際處理中是一個極其複雜的任務。圍繞上述多目標的數據關聯的問題，一些大量精密的工作如聯合概率數據關聯(詳見「XU Can, Li Zh1.Studyon Joint Probability Denstiy Algorithm In Mult1-Sensor Data Fusion， ComputerScience and Automation Engineering (CSAE)，2012IEEE International Conference onvol.3, May.2012, pp.:32-37」)等，不斷的被探索。然而當目標的監視環境變得複雜，目標個數增多時，通過傳統的數據關聯算法來解決問題在計算量方面是非常棘手的。

【發明內容】
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[0003]為了克服傳感器網絡中多目標的數據關聯問題，本發明提出了一種基於成像策略的多傳感器多目標的定位方法，其特點是通過將傳感器網絡建模為一個二維稀疏陣，從而把基於傳感器網絡的多目標定位問題轉變為成像問題，其中基於成像角度的多目標定位的示意圖如圖1所示；採用像BP算法(即後向投影算法)投影策略，用來解決繁雜的數據關聯問題，其中BP算法的示意圖如圖2所示；通過貪婪算法搜尋三維圖像的峰值，並利用剔除算法清除虛假目標定位多個目標；相對傳統多目標定位方法，本發明能夠在成像空間實現多目標定位，對目標的回波進行相參積累以提高信噪比，從而提高多目標定位的概率。
[0004]為了方便描述本發明的內容，首先作以下術語定義:
[0005]定義1、雙站延時
[0006]由發射機發射信號開始計時，該信號經目標散射回接收機時終止計時，即發射機-目標-接收機，這段從發射到回波接收的時間即為該目標對此接收機的雙站延時。雙站延時可由安裝在發射機和接收機上的GPS或者北鬥定位系統同步得到。
[0007]定義2、雙站距離
[0008]雙站延時乘以光速所得到的距離差即為由發射機-目標-接收機的雙站距離。
[0009]定義3、雙站距離方程
[0010]假設附圖1的原理圖中目標位置為X，發射機位置為T接收機的數目為N，接收機的位置為Aa=I，2，…，N)，則信號從發射機經目標到達第i個接收機的距離為
[0011]I T-X I 12+ I I XTi I 12=ν* τ J[0012]其中，i=l,2,..., N, V表示光速，*表示乘號，τ i表示信號從發射機經目標到達第i個接收機的雙站延時，I I.I I2表示向量的2-範數，上式即為關於目標位置的雙站距離方程。
[0013]定義4、距離單元編號
[0014]在雷達系統中，將雷達測距的範圍劃分成若干小的區域並將其編號，雷達根據目標回波信號落入的區域編號計算目標與雷達之間的距離。在此定位系統中，根據接收機所測得的各個目標的雙站距離，結合距離向解析度可得到各目標回波的量化編號。
[0015]定義5、合成孔徑雷達反向投影算法
[0016]反向投影算法是基於匹配濾波原理的合成孔徑雷達成像算法，其主要通過相干累加實現合成孔徑雷達數據的聚焦成像。詳細內容可參考文獻:「Research on A novel fastback projection algorithm for strip map bistatic SAR imaging」，Huang Yulib 等。
[0017]定義6、接收波門
[0018]接收的數據從起始時刻到終止時刻的最短時間長度，即發射信號從發射到接收的時間大於這一最短時間長度時才對數據進行接收，否則不接收數據，這一最短時間長度即為接收時間波門。與接收的時間波門對應的則有接收距離波門，即從發射到接收的路程大於某一最小的距離波門時接收數據，否則不接收數據，這一最小的距離波門即為接收距離波門。
[0019]定義7、地理空間
[0020]地理空間指目標及雜波、噪聲等所在的實際的三維場景空間。
[0021]定義8、成像空間
[0022]雷達成像空間是指將地理空間中的散射點投影到距離向一方位向的二維空間坐標系，該空間由合成孔徑雷達成像空間中的兩個相互正交的坐標基確定。目前典型合成孔徑雷達的成像空間包括距離向一方位向投影空間。
[0023]定義9、笛卡爾坐標系
[0024]在數學裡，笛卡兒坐標系(Canesian坐標系)，也稱百角坐標系，是一種正交坐標系。二維的直角坐標系是由兩條相互垂直、O點重合的數軸構成的。在平面內，任何一點的坐標是根據數軸上對應的點的坐標設定的。在平面內，任何一點與坐標的對應關係，類似於數軸上點與坐標的對應關係。三維笛卡兒坐標系是在二維笛卡兒坐標系的基礎上根據右手定則增加第三維坐標(即Z軸)而形成的。
[0025]定義10、數據關聯
[0026]數據關聯指針對多目標多雷達的定位，需要分清各個被動站的測量數據中那些是來源於同一目標的，並把屬於同一目標的測量數據組合起來，即完成測量數據關聯。詳見「王成，李少洪，黃槐.多站被動雷達系統的多目標測量數據關聯.電子學報.vol.30.N0.12.Dec.2002」。
[0027]定義11、信噪比
[0028]信噪比是指信號的功率與環境噪聲功率的比值。詳見文獻「丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第三版).西安電子科技大學出版社.2009.8」。
[0029]定義12、單載頻脈衝信號
[0030]單一載頻脈衝信號可以表示為矩形信號與餘弦信號的乘積，即
【權利要求】
1.一種基於成像策略的多傳感器多目標定位方法，其特徵是該方法包括如下步驟: 步驟1、相關參數的初始化 初始化的參數均已知，如下所示:雷達的空間距離解析度為\;雷達在距離向上的最大距離單元編號為L，由所有接收機的最大探測距離而定，L取值為整數；電磁波傳播速度記為V ;以發射機位置為原點，在目標，發射機，接收機所在的地理空間建立三維笛卡爾坐標系，則所有位置坐標都是以直角坐標表示；發射機位置記為Pt;空中目標個數記為Ntar，目標的散射截面積記為σ，第i個空中目標的位置記為ptar(i), i=l,2,..., Ntar, i為目標序號；地面接收機個數記為Nrec,第j個地面接收機位置記為prec(j), j=l, 2 ,...,Nrec，j為接收機序號；每個接收機的接收距離波門均為RrecO;每個接收機通道的信噪比記為SNR;雷達發射信號為單載頻脈衝信號，其脈衝的載頻為f。，脈衝寬度為Tp:單載頻信號由發射機發射經目標i散射，被第j個接收機接收，經過去載頻和離散採樣後的回波信號 記為Echo (i，j)，此回波信號表示為Echo (i，j) = σ i,產exp (-PkRij」)，其中Ir = —，σ ^」表示第i個目標對第j個接收機的雷過散射截面積(RCS), Ri,」=I |Pt-ptar⑴| |2+| Pfar(i)-prec(j) I |2,表示發射信號經目標i散射到達接收機j的雙站距離，i=l,2,..., Ntar, j=l,.2,..., Nrec, exp (.)為自然指數為底的指數函數，I I.I I2表示向量的2_範數，*表示乘號，π為圓周率，V為光速，fc為載頻，P為虛數單位，即P2=-1 ； 步驟2、創建回波存儲矩陣 由安裝在發射機和接收機上的全球定位系統(GPS)或者北鬥定位系統，收集到空中目標對接收機的雙站延時τ 」及相應延時的回波信號Echo (i, j), i=l,2,..., Ntar, j=l,.2，…，Nrec，i為目標序號，j為接收機序號，τ Μ表示第i個目標對第j個接收機的雙站延時，Echo(i, j)表示第i個目標對第j個接收機散射的回波信號；由收集的延時τ 和對應的回波Echo(i，j)建立一個存儲目標回波的動態存儲矩陣；回波的動態存儲矩陣建立過程如下: 步驟2.1初始化矩陣 根據步驟I中的空中目標i (i=l，2,…Ntar),地面接收機j, j=l, 2 ,…Nrec以及距離向上的最大距離單元編號L,定義一個L行Nrec列的動態存儲矩陣，記為，矩陣的每一單元記為Ecfcofrec (I,C)，1=1，2，...，L，c=l，2，…，Nrec其中I表示矩陣的行號，c表示矩陣的列號；下標L為最大的距離單元編號，由所有接收機的最大探測距離而定；上標Nrec表示Nrec個接收機通道，即用於存儲接收到的所有目標的回波，轉到步驟2.2 ； 步驟2.2存儲目標回波 針對步驟2.1中定義的動態存儲矩陣進行動態的回波存儲；由各個接收機所獲得的所有目標的雙站延時τ μ，計算所有目標的雙站延時τ 」的距離單元編號，將所有目標的延時Ty所對應的目標回波Echo (i，j)存儲在動態存儲矩陣Ieiofvee的相應單元中，i=l,2,…Ntor;j=l,2,...Nrec,其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nrec為接收機數目；具體存儲步驟見以下步驟2.2.1和步驟2.2.2 ; 步驟2.2.1根據延時信息計算相應回波的雙站距高根據接收機j所獲得的目標i的延時τ μ及對應的目標回波信號Echo (i，j)，由雙站距離公式Ri, j=v* τ.j計算目標i對第j個接收機的雙站距離，V為光速，*表示乘號，Ri, j則表示第i個目標對第j個接收機的雙站距離，i=l，2,…Ntar ；j=l,2,…Nrec,其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nr, ec為接收機數目，轉到步驟2.2.2; 步驟2.2.2根據雙站距離計算相應回波的距離單元編號 根據步驟2.2.1中所獲得的雙站距離Rm計算得到相應回波的距離單元編號，記為IDi,j,計算公式
【文檔編號】G01S13/06GK103576137SQ201310452905
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】張曉玲, 師同彥, 王輝 申請人:電子科技大學