一種基於分布式照射源的非合作目標被動定位方法
2023-06-14 04:39:46 2
專利名稱：一種基於分布式照射源的非合作目標被動定位方法
技術領域：
本發明屬於雷達探測技術領域，它特別涉及了被動雷達定位技術。
背景技術：
被動雷達定位是指不發射電磁波的條件下，利用目標反射或輻射電磁波，實現目標檢測，並獲得目標位置、速度等信息的雷達探測技術。與主動式探測技術相比，無源探測技術具有更強的隱蔽性、抗幹擾性和戰場生存能力，在軍事偵察、監視等領域具有廣泛的應用前景。根據本發明人了解以及已發表的文獻，例如①http://WWW. lockheed-martin. com/products/silent-sentry/index, html ；(2) Kuschel, H. ；0' Hagan, D. ；Passiveradar from history to future, the 1Ith International Radar Symposium(IRS),2010, Page(s) :1 4, (3) Griffiths, H. D. ；Baker, C. J. ；Passive coherent location radar systems.Part 1 !performance prediction, Radar, Sonar and Navigation, IEE Proceedings-Volume :152, Issue :3, 2005, Page (s) : 153-159,④ Baker, C. J. ；Griffiths, H. D. ；Papoutsis, I. ；Passive coherent location radar systems. Part 2 :waveform properties, Radar, Sonar and Navigation, IEE Proceedings-Volume :152, Issue :3 2005, Page (s) : 160-168，美國的空軍研究所、洛克希德-馬丁公司、雷神公司、華盛頓大學、 喬治亞研究所及俄勒岡大學，英國的BAE系統公司，德國的FGAN-FHR，都開展了利用電臺、 手機基站等照射源進行被動定位的技術。其中，1999年左右洛克希德-馬丁公司開發的「沉默哨兵」系統是目前最先進的被動目標探測系統。該系統採用被動相參定位技術，利用多個商用調頻電臺作為發射源，採用陣列天線接收連續波信號，通過信號處理技術實現對空中目標的實時檢測與跟蹤。其探測距離200km，距離覆蓋150km，方位向覆蓋60-360度，俯仰向覆蓋50度，軌跡更新速度8 次/秒，目標鎖定數目大於200個。但是在定位精度方面，由於「沉默哨兵」系統的角度定位通過波束形成技術獲得，因此，其角度定位精度與載波波長成正比，與接收天線尺寸成反比，一般情況下，角度定位精度只能達到幾度或零點幾度。當作用距離較遠時，「沉默哨兵」 系統的定位精度較低，只能達到千米級的定位精度，嚴重影響其對隱身目標的跟蹤能力。「沉默哨兵」系統定位精度較低的根本原因在於雷達角度解析度和工作波段及天線尺寸的制約關係。本發明將全球定位系統的多點定位技術應用於非合作目標探測領域， 從而有效克服了於雷達角度解析度和工作波段及天線尺寸的制約關係，能夠在較低波段獲得較高的目標定位精度，根據發明人所知，目前尚未見到將多點定位技術應用於非合作目標被動探測領域的報導。
發明內容
為了克服傳統被動定位技術定位精度受工作波段和接收天線尺寸限制的缺點，本發明提出了一種基於分布式照射源的非合作目標被動定位方法。該方法通過在空間中分布的多個照射源對非合作目標進行探測，並在接收端利用多點測距定位技術，獲得非合作目標的三維位置信息。對於接收端而言，系統工作於被動模式，與主動式雷達探測技術相比， 該系統具有良好的隱身性能，同時也具有較高的目標定位精度。為了方便描述本發明的內容，首先作以下術語定義定義1、矩形窗函數持續時間為T的矩形窗函數指在0到T時間內取值為1，在其他時間取值均為0的函數，記作UT(t)。詳細內容可參考文獻信號與系統，第二版，馬金龍等編，北京，科學出版社，2006。定義2、寬帶雷達發射系統寬帶雷達發射系統是指能夠發射給定波形電磁波的電子系統，主要由信號產生器、數模轉換器、載頻調製模塊、功率放大器和發射天線等組成，寬帶雷達發射系統的主要指標包括工作波段和發射功率，其中發射功率根據雷達作用距離要求利用雷達方程計算。 當工作波段確定後，計算出雷達發射功率，即可確定寬帶雷達發射系統。詳細內容可參考文獻雷達手冊，第二版，Merrill I. Skolnik著，王軍等譯，北京，電子工業出版社，2003年。定義3、全球定位系統全球定位系統指利用多點定位原理，能夠確定接收端位置的衛星定位系統，典型的全球定位系統為美國的GPS系統，詳細內容可參考文獻「GPS原理與應用」，Elliott D. Kaplan著，邱致和、王萬義譯，北京，電子工業出版社，2002年。定義4、電臺和電臺接收機電臺是指向空間中廣播信息的電子設備，如，民用廣播電臺、軍用電臺等，詳細內容可參考文獻戰術數據鏈超短波電臺的設計，魯清、陳強，通信與廣播電視，2005年03期， 第1 5頁。電臺接收機是指接收電臺廣播信號，從中提取需要信息的電子設備。詳細內容可參考文獻VHF跳頻電臺接收機射頻前端的仿真設計與研究，施永熱、陳霽月，電子科技， 2009年09期，第；34 38頁。定義5、寬帶雷達接收系統寬帶雷達接收系統是指能夠接收電磁信號，並進行數據採集和存儲的電子設備， 主要由接收天線、前置放大器、模數採樣器和存儲器等組成。寬帶雷達接收系統的主要指標包括工作頻率、採樣頻率和採樣位數，當給定上述三個指標後，即可確定寬帶雷達接收系統。詳細內容可參考文獻雷達手冊，第二版，Merrilll. Skolnik著，王軍等譯，北京，電子工業出版社，2003年。
定義6、相關處理給定兩個離散函數f (η)和g (η)，則兩個函數的相關處理h (η)定義為
COh(m)= f(n)g*(m-n)
W=-CO詳細內容可參考文獻信號與系統，第二版，馬金龍等編，北京，科學出版社，2006。定義7、遍曆法遍曆法是指通過逐點比較大小，得到向量最大值和對應位置的方法。詳細內容可參考文獻3種遍歷粗搜索方法對比，邢錦江、李靜、馮允成，計算機工程，2006年06期，第28 33頁。定義8、向量標準差給定向量X，其標準差定義σ為
權利要求
1. 一種基於分布式照射源的非合作目標被動定位方法，包括以下幾個步驟 步驟1、初始化系統參數為了實現非合作目標定位，分布式照射源被動定位系統需提供如下系統指標，包括分布式照射源被動定位系統定位精度，記作P ；分布式照射源被動定位系統工作波段，記作 f。；發射信號持續時間，記作Tpul ；分布式照射源數目，記作K，分布式照射源被動定位系統脈衝重複周期，記作PRT。步驟2、確定分布式照射源的空間位置分布式照射源被動定位系統包含K個獨立的照射源。在地面上的任意位置布設第一個照射源，記作仏。在地面上任意方向距離第一個照射源50千米處布設第二個照射源，記作Q20利用公式0 = ^·，計算相鄰照射源夾角，記作θ。在地面上布設第三個照射源，使得第 K —I三個照射源與第一個照射源的連線和第二個照射源與第一個照射源的連線的夾角等於相鄰照射源夾角θ，且第三個照射源在第二個照射源與第一個照射源的連線的右側，且第三個照射源到第一個照射源的距離為50千米，記作仏。同理，確定第4個照射源的空間位置、第5個照射源的空間位置、……，即，依次在地面上布設K個照射源，使得第k個照射源與第一個照射源的連線和第k-Ι個照射源與第一個照射源的連線的夾角等於相鄰照射源夾角θ，且第k個照射源在第k-Ι個照射源與第一個照射源的連線的右側，且第k個照射源到第一個照射源的距離為50千米，記作仏，其中，k為照射源序號，k為自然數，k= 1,2,...,K0 步驟3、確定發射信號根據步驟1提供的分布式照射源被動定位系統定位精度P，利用公式B = C/2P, 計算出單照射源發射信號帶寬，記作B，其中，c為光速。利用公式Af= 1/Tpul，計算出發射信號頻率間隔，記作Δ ·。利用公式M = r0imd[B/Af]，計算出單個照射源包含頻點數目，記作M，其中，round [χ]表示對變量χ的四捨五入取整操作。利用公式M-II1OfT^( )Σεχρ(7+2;τΔ>^)，計算出第一個照射源所發射信號，記作「其中，t表示時m=0Sl V J，間變量，仏-⑴表示持續時間為Tpul的矩形窗函數，m為自然數，m = 0，1，. . .，(M-I)。同理，確定第2個照射源所發射信號、第3個照射源所發射信號、第4個照射源所發射信號、……，即，依次令照射源序號k = 1，2，. . .，K，利用公式M-ISk(O = Ulpui (t)Qxp(j^MAf(k-l)t)^ exp(72M>0，計算出第k個照射源所發射信號，記作W=Ogk(t) °步驟4、設計照射源系統分布式照射源被動定位系統的照射源系統由寬帶雷達發射系統、全球定位系統和電臺組成。根據步驟1提供的分布式照射源被動定位系統工作波段f。，確定K個工作波段為f。的寬帶雷達發射系統。依次令照射源序號k = 1，2，. . .，K，利用第k個工作波段為f。的寬帶雷達發射系統， 以分布式照射源被動定位系統脈衝重複周期PRT為周期，周期性地發射步驟3中確定的第k個照射源所發射信號Iit⑴。利用第k個照射源的全球定位系統，確定第k個照射源的位置，並利用第k個照射源的電臺將第k個照射源的位置進行廣播。 步驟5、確定接收系統分布式照射源被動定位系統的接收系統由寬帶雷達接收系統、全球定位系統和電臺接收機組成。根據步驟1確定的分布式照射源數目K和步驟3確定的單照射源發射信號帶寬B，利用公式fs = 2KB，計算寬帶雷達接收系統的採樣頻率，記作fs。根據寬帶雷達接收系統的採樣頻率，和步驟1確定的分布式照射源被動定位系統工作波段f。，確定寬帶雷達接收系統的量化比特數為32位、採樣頻率為fs、工作波段為f。。利用寬帶雷達接收系統接收包含K個照射源的發射信號和非合作目標對K個發射源散射信號的回波，得到分布式照射源被動定位系統回波數據，記作D1 (η)，其中，η為寬帶雷達接收系統採樣脈衝序號，η為自然數，η = 0，\1 j · · · ο採用分布式照射源被動定位系統的接收系統中的全球定位系統(GPS)，得到接收平臺的位置，記作ΡΚ。依次令照射源序號k = 1，2，. . .，K，採用分布式照射源被動定位系統的接收系統的電臺接收機，接收第k個發射源的電臺廣播，得到第k個發射源的位置，記作Pk。 步驟6、提取直達波信號依次令照射源序號k = 1，2，. . .，K，根據步驟3確定的第k個照射源所發射信號&(t) 和步驟5確定的寬帶雷達接收系統的採樣頻率fs，利用公式&( ) = §k(n/fs)，得到第k個照射源所發射信號的離散採樣信號，記作將步驟5得到的分布式照射源被動定位系統回波數據D1 (η)與第k個照射源所發射信號的離散採樣信號進行相關處理，得到相關處理後的第k個照射源回波數據，記作 K(η)。採用遍曆法，得到相關處理後的第k個照射源回波數據D〗(《)的最大值對應的寬帶雷達接收系統採樣脈衝序號，記作//^p。步驟7、提取第一個照射源非合作目標回波根據步驟1得到的發射信號持續時間Tpul和步驟5得到的寬帶雷達接收系統的採樣頻率fs，利用公式Npul = roimd[fsTpul]，計算發射信號的採樣點數，記作Npul。依次令照射源序號k = 1，. . .，K，根據步驟6得到的第k個照射源回波數據D〗(《)的最大值對應的寬帶雷達接收系統採樣脈衝序號//)&，將第一個照射源回波數據DU )中序號JAHp -Npul到/Z)^ 的回波數據置為零，得到消除直達波後的第一個照射源回波數據，記作1^( )。計算消除直達波後的第一個照射源回波數據的標準差，記作σ10利用公式Q1 = 3.5Χ σ工，得到第一個照射源回波數據檢測門限，記作Θ1 5採用遍曆法，得到消除直達波後的第一個照射源回波數據的最大值，記作<ax，和消除直達波後的第一個照射源回波數據的最大值對應的接收系統採樣脈衝序號，記作/輯。比較消除直達波後的第一個照射源回波數據的最大值<_和第一個照射源回波數據檢測門限Q1，如果消除直達波後的第一個照射源回波數據的最大值<_小於第一個照射源回波數據檢測門限Q1，則令消除直達波後的第一個照射源回波數據的最大值對應的接收系統採樣脈衝序號/輯等於_101(1。 步驟8、提取所有照射源的非合作目標回波同理，可得到第2個照射源的消除直達波後的回波數據，第3個照射源的消除直達波後的回波數據，……，即，將步驟7中的第一個照射源回波數據依次替換為第k個照射源回波數據D〗(《)，重複步驟7的操作，得到消除直達波後的第k個照射源回波數據的最大值對應的接收系統採樣脈衝序號/Di。 步驟9、計算非合作目標位置依次令照射源序號k = 1，2，. . .，K，根據步驟6得到的相關處理後的第k個照射源回波數據D〗(《)的最大值對應的寬帶雷達接收系統採樣脈衝序號/Z^、步驟7和步驟8得到的消除直達波後的第k個照射源回波數據的最大值對應的接收系統採樣脈衝序號k= 1，...，κ，利用公式圮= Oroi-7zD^T+IlPii-PitII2，計算非合作目標到第k個照射源距離和非合作目標到接收機距離之和，記作紀。選擇所有非合作目標到第k個照射源距離和非合作目標到接收機距離之和《大於零的非合作目標照射源序號，得到有效照射源序號集合，記作W。 選擇有效照射源序號集合W的元素，利用公式
全文摘要
本發明提出了一種基於分布式照射源的非合作目標被動定位方法。該方法通過在空間中分布的多個照射源對非合作目標進行探測，並在接收端利用多點測距定位技術，獲得非合作目標的三維位置信息。對於接收端而言，系統工作於被動模式，具有較好的隱身性能，同時也具有較高的目標定位精度。本發明克服了傳統被動定位技術定位精度受工作波段和接收天線尺寸限制的缺點，即使在較低的工作波段，也可獲得非合作目標較高精度三維位置，利於隱身目標的探測與跟蹤。另外，利用本發明提供的方法，可從非合作目標三維位置信息中可提取目標三維速度，相比傳統雷達只能獲得非合作目標的徑向速度，更利於目標識別。最後，本發明接收端系統結構簡單，以現有雷達系統為基礎，通過加裝信號處理模塊即可實現被動探測功能，系統實現成本較低，便於大批量升級改造。
文檔編號G01S13/06GK102253364SQ20111009947
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者師君, 張曉玲, 楊建宇 申請人:電子科技大學