CN108415005A - 一种无源定位时延估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源定位时延估计方法及装置，该方法包括：采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，并对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数变换，得到时差初始估计；利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点；利用逼近曲线，将时差初始估计点分配至插值组，将设定数目的采样点分配至拟合组，构造关于逼近曲线的规划函数；借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型，并求解逼近曲线待定系数，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计。本发明显著提升了对目标辐射源的定位精度，有效解决了现有估计方法偏差大、计算复杂度高的问题。

Description

一种无源定位时延估计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种无源定位时延估计方法及装置，属于无源定位技术领域。

背景技术

无源定位是指侦查方不辐射电磁波，只通过接受目标辐射、转发或反射的电磁波信号对目标进行监视、定位以及跟踪的技术。由于其抗干扰能力强、隐蔽性好、频率覆盖范围广、设备轻巧等优势，受到越来越多的关注与重视。无源定位常用的方法是利用目标辐射源到达观测点的时间差(时差)信息来实现监视与定位。

现有的时差估计方法本质上仍然是利用接收信号之间的相关性，估计精度在一定程度上受限于接收信号采样率。在此条件下，为了提高参数的估计精度，一种方法是需要对接收信号升采样。当采样率提高信号点数增多时，不仅加重了各观测点尤其是参考节点的数据传输和运算负担，而且估计精度仍然受限；另一种方法是对互相关函数拟合或插值，提高真值采样概率，然而现有方法偏差大，精度不高。因此，为了保证在不增加运算量的同时提高估计精度，需要解决现有估计方法偏差大，且计算复杂度高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无源定位时延估计方法及装置，用于解决无源定位中的现有估计方法偏差大计算复杂度高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无源定位时延估计方法，包括以下方案：

方法方案一：步骤如下：

采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，并对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数R(x)变换，选取使R(x)变换达到最大时的采样时间作为时差初始估计

利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点；

利用逼近曲线，将时差初始估计点分配至插值组，将设定数目的采样点分配至拟合组，构造关于逼近曲线的规划函数；

借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型，并求解逼近曲线待定系数，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计。

方法方案二：在方法方案一的基础上，两路目标辐射源信号采样值的表达式为：

其中，r₁(n)和r₂(n)分别表示两路目标辐射源信号采样值，s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示两路接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，-N/2≤n≤N/2，N表示信号快拍数，A为接收信号幅度。

方法方案三：在方法方案二的基础上，对目标辐射源信号进行互相关函数R(x)变换的计算公式为：

时差初始估计的计算公式为：

其中，T_s为信号采样间隔。

方法方案四：在方法方案一、二或三的基础上，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目至少为3。

方法方案五：在方法方案四的基础上，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目为3，构造关于逼近曲线的规划函数的步骤包括：

利用二次抛物线作为互相关峰值处的逼近曲线，所构造的关于逼近曲线的规划函数的表达式为：

其中，U(x)＝ax²+bx+c为逼近曲线，a,b,c为逼近曲线待定系数，[x₂,y₂]为时差初始估计点，[x_i,y_i]为时差初始估计点或采样点，i＝1,2,3,4。

方法方案六：在方法方案五的基础上，借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型的步骤如下：

将拟合组作为目标函数，将插值组作为限制条件，将目标函数转化成线性表达式，并且在限制条件中增加不等式约束，得到其初步变形表达式：

利用二阶锥模型的标准形式，对初步变形表达式进行转化，得到：

其中，η₁,η₂,η₃,η₄为辅助参量，q＝[1 0 1_1×2 1_1×3]^T，y＝[η^T a^T]^T，η＝[η₁ η₂ η₃η₄]^T，a＝[a b c]^T，0_1×i和1_1×i分别为1×i维的全0和全1向量，为第i个元素为1，其余元素为0的4×i维向量，

方法方案七：在方法方案一、二或三的基础上，采用凸优化中内点法工具箱SeDuMi或CVX求解逼近曲线待定系数。

方法方案八：在方法方案六的基础上，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计

本发明还提供了一种无源定位时延估计装置，包括以下方案：

装置方案一：包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，并对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数R(x)变换，选取使R(x)变换达到最大时的采样时间作为时差初始估计

利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点；

利用逼近曲线，将时差初始估计点分配至插值组，将设定数目的采样点分配至拟合组，构造关于逼近曲线的规划函数；

借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型，并求解逼近曲线待定系数，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计。

装置方案二：在装置方案一的基础上，两路目标辐射源信号采样值的表达式为：

其中，r₁(n)和r₂(n)分别表示两路目标辐射源信号采样值，s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示两路接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，-N/2≤n≤N/2，N表示信号快拍数，A为接收信号幅度。

装置方案三：在装置方案二的基础上，对目标辐射源信号进行互相关函数R(x)变换的计算公式为：

时差初始估计的计算公式为：

其中，T_s为信号采样间隔。

装置方案四：在装置方案一、二或三的基础上，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目至少为3。

装置方案五：在装置方案四的基础上，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目为3，构造关于逼近曲线的规划函数的步骤包括：

利用二次抛物线作为互相关峰值处的逼近曲线，所构造的关于逼近曲线的规划函数的表达式为：

其中，U(x)＝ax²+bx+c为逼近曲线，a,b,c为逼近曲线待定系数，[x₂,y₂]为时差初始估计点，[x_i,y_i]为时差初始估计点或采样点，i＝1,2,3,4。

装置方案六：在装置方案五的基础上，借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型的步骤如下：

将拟合组作为目标函数，将插值组作为限制条件，将目标函数转化成线性表达式，并且在限制条件中增加不等式约束，得到其初步变形表达式：

利用二阶锥模型的标准形式，对初步变形表达式进行转化，得到：

其中，η₁,η₂,η₃,η₄为辅助参量，q＝[1 0 1_1×2 1_1×3]^T，y＝[η^T a^T]^T，η＝[η₁ η₂ η₃η₄]^T，a＝[a b c]^T，0_1×i和1_1×i分别为1×i维的全0和全1向量，为第i个元素为1，其余元素为0的4×i维向量，

装置方案七：在装置方案一、二或三的基础上，采用凸优化中内点法工具箱SeDuMi或CVX求解逼近曲线待定系数。

装置方案八：在装置方案六的基础上，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计

本发明的有益效果是：通过对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数变换，得到时差初始估计，根据时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点，构造逼近曲线，并通过引入拟合和插值的思想，构造标准的二阶锥模型来求该解逼近曲线，最终得到时差精细估计；本发明可以在接收信号信噪比较低或快拍数较少的情况下，得到精度较高、偏差较小的时差估计结果，为后续的目标定位提供更精确的定位参数，从而显著提升对目标辐射源的定位精度，有效解决了现有估计方法偏差大、计算复杂度高的问题。

附图说明

图1是无源定位时延估计方法的流程图；

图2是广义互相关结果以及采样点选取示意图；

图3是随接收信号信噪比变化时本发明与现有时差估计性能仿真对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种无源定位时延估计装置，该装置包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现一种无源定位时延估计方法，该方法的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，采集的数字信号分别为r₁(n)和r₂(n)。

具体的，数字信号r₁(n)和r₂(n)的数学表达式为：

r₁(n)＝s(n)+n₁(n)

r₂(n)＝As(n-τ)+n₂(n)

其中，s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示两路接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，n为整数，且有-N/2≤n≤N/2，N表示信号快拍数，A为接收信号幅度。

(2)对采集到的目标辐射源信号进行互相关函数R(x)变换，得到时差初始估计

其中，对目标辐射源信号进行互相关函数R(x)变换，此时有：

图2给出了广义互相关结果示意图，选取使R(x)变换达到最大时的采样时间作为时差初始估计时差初始估计的计算公式为：

其中，x₂为使R(x)变换即达到最大时的采样时间，T_s为信号采样间隔。

(3)利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点。

其中，选取的采样点的数目至少为3个。在本实施例中，距离互相关峰值点最近的采样点的数目设定为3，图2给出了采集点选点示意图，分别为[x₁,y₁]、[x₃,y₃]和[x₄,y₄]，图2中的[x₂,y₂]为时差初始估计点

(4)借助逼近曲线U(x)，同时引入拟合和插值的思想，将时差初始估计点以及选取的设定数目的采样点分配至拟合组或者插值组，具体包括以下步骤：

(4-1)利用二次抛物线作为互相关峰值附近的逼近曲线，该逼近曲线的表达式为：

U(x)＝ax²+bx+c

式中，a,b,c为逼近曲线待定系数。

(4-2)将时差初始估计点分配至插值组，将其余的采样点分配至拟合组。

在本实施例中，将图2中时差初始估计点[x₂,y₂]分配至插值组，满足U(x₂)＝y₂；将图2中采样点[x₁,y₁]，[x₃,y₃]和[x₄,y₄]分配至拟合组，满足min∑||U(x_i)-y_i||。

(5)利用步骤(4)中点的分配原则，将拟合组定义为目标函数，将插值组定义为限制条件，构成关于逼近曲线的规划函数，该规划函数的表达式为：

其中，[x₂,y₂]为时差初始估计点，[x_i,y_i]为时差初始估计点或采样点，i＝1,2,3,4。

(6)借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型。

在本实施例中，当选取的距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目为3时，标准二阶锥模型的具体计算过程如下：

(6-1)借助辅助参量η₁,η₂,η₃,η₄，将目标函数转化成线性表达式，并且在限制条件中增加不等式约束，得到其初步变形表达式，即：

(6-2)利用二阶锥模型的标准形式，对初步变形表达式进行转化，得到：

其中，η₁,η₂,η₃,η₄为辅助参量，q＝[1 0 1_1×2 1_1×3]^T，y＝[η^T a^T]^T，η＝[η₁ η₂ η₃η₄]^T，a＝[a b c]^T，0_1×i和1_1×i分别为1×i维的全0和全1向量，为第i个元素为1，其余元素为0的4×i维向量，

(7)借助凸优化工具箱求解逼近曲线待定系数。

在本实施例中，通过采用凸优化中内点法工具箱SeDuMi或CVX求解逼近曲线待定系数。

(8)利用逼近曲线待定系数与时差的关系，从而得到时差精细估计。

在本实施例中，所获取的时差精细估计：

需要说明的是，在上述无源定位时延估计方法中，|·|表示表达式·的绝对值，||·||表示表达式·为标量时的绝对值，表达式·为矢量时的模。

利用图2的选点规则，对本发明进行模拟实验仿真。图3给出了随接收信号信噪比(SNR)变化时，本发明与现有时差估计方法中时差估计值均方根误差(RMSE)的变换情况的性能仿真对比结果，仿真实验表明随着信噪比的增加，各类插值方法的时延估计精度均有提高。但是本发明无论是在接收信号信噪比较低或较高时，都能够保证一个良好的时差估计精度，具有较强的稳健性。

本发明可以在接收信号采样率较低的条件下，提升时差参数估计的精度；而且通过仿真验证，本发明还可以在接收信号信噪比较低或快拍数较少的情况下，得到精度较高，偏差较小的时差估计结果，为后续的目标定位提供更精确的定位参数，从而显著提升对目标辐射源的定位精度。

Claims (10)

1.一种无源定位时延估计方法，其特征在于，步骤如下：

采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，并对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数R(x)变换，选取使R(x)变换达到最大时的采样时间作为时差初始估计

利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点；

利用逼近曲线，将时差初始估计点分配至插值组，将设定数目的采样点分配至拟合组，构造关于逼近曲线的规划函数；

借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型，并求解逼近曲线待定系数，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计。

2.根据权利要求1所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，两路目标辐射源信号采样值的表达式为：

其中，r₁(n)和r₂(n)分别表示两路目标辐射源信号采样值，s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示两路接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，-N/2≤n≤N/2，N表示信号快拍数，A为接收信号幅度。

3.根据权利要求2所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，对目标辐射源信号进行互相关函数R(x)变换的计算公式为：

时差初始估计的计算公式为：

其中，T_s为信号采样间隔。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目至少为3。

5.根据权利要求4所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，距离互相关峰值点最近的采样点的设定数目为3，构造关于逼近曲线的规划函数的步骤包括：

利用二次抛物线作为互相关峰值处的逼近曲线，所构造的关于逼近曲线的规划函数的表达式为：

其中，U(x)＝ax²+bx+c为逼近曲线，a,b,c为逼近曲线待定系数，[x₂,y₂]为时差初始估计点，[x_i,y_i]为时差初始估计点或采样点，i＝1,2,3,4。

6.根据权利要求5所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型的步骤如下：

将拟合组作为目标函数，将插值组作为限制条件，将目标函数转化成线性表达式，并且在限制条件中增加不等式约束，得到其初步变形表达式：

利用二阶锥模型的标准形式，对初步变形表达式进行转化，得到：

其中，η₁,η₂,η₃,η₄为辅助参量，q＝[1 0 1_1×2 1_1×3]^T，y＝[η^T a^T]^T，η＝[η₁ η₂ η₃ η₄]^T，a＝[a b c]^T，0_1×i和1_1×i分别为1×i维的全0和全1向量，为第i个元素为1，其余元素为0的4×i维向量，

7.根据权利要求1-3中任一项所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，采用凸优化中内点法工具箱SeDuMi或CVX求解逼近曲线待定系数。

8.根据权利要求6所述的无源定位时延估计方法，其特征在于，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计

9.一种无源定位时延估计装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

采用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，并对两路目标辐射源信号采样值进行互相关函数R(x)变换，选取使R(x)变换达到最大时的采样时间作为时差初始估计

利用互相关结果，选取时差初始估计点以及距离互相关峰值点最近的设定数目的采样点；

利用逼近曲线，将时差初始估计点分配至插值组，将设定数目的采样点分配至拟合组，构造关于逼近曲线的规划函数；

借助辅助参量，将规划函数转化为标准的二阶锥模型，并求解逼近曲线待定系数，利用逼近曲线待定系数与时差的关系，得到时差估计。

10.根据权利要求9所述的无源定位时延估计装置，其特征在于，两路目标辐射源信号采样值的表达式为：

其中，r₁(n)和r₂(n)分别表示两路目标辐射源信号采样值，s(n)表示目标辐射源信号，n₁(n)和n₂(n)分别表示两路接收机噪声信号，τ表示两路接收机采集到信号的到达时间差，-N/2≤n≤N/2，N表示信号快拍数，A为接收信号幅度。