CN110488277B - 基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，应用于雷达定位技术领域，针对传统外辐射源雷达在复杂环境受噪声影响下以单一形式定位鲁棒性差、效率低的问题；本发明采用二元检测理论对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，当检测结果为低信噪比时，选择耦合级联模式，对外辐射源被动雷达定位的初步位置信息作为主动雷达的搜索区域，从而缩小主动雷达搜索范围；当检测结果为高信噪比时，选择分布式并行融合模式，对主被动雷达的测量信息直接上报至信息融合中心，经过位置级融合处理得到目标的更加精确的位置。

Description

基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法

技术领域

本发明属于雷达定位技术领域，特别涉及一种外辐射源雷达与主动雷达联合定位技术。

背景技术

随着现代军事科技的不断发展，通过传统雷达对超音速隐身飞机、导弹等目标难以进行有效的定位，在环境信噪比低的情況下，对雷达定位系统精度、效率提出了更高的要求。与传统雷达定位相比，基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位技术对于微弱目标的定位优势明显：隐蔽性高，外辐射源分布范围广而多；反隐身能力强，对监测区域的多个接收站进行合理布站，可超低空范围分布，适用于在低空盲区飞行的隐身目标探测；成本低，探测范围易扩展，为外辐射源雷达组网协同高精度探测提供可能。并且，主被动联合定位系统同时利用主动雷达可控性好、定位精度高、有目标特征识别能力的优势。因此，基于外辐射源分布式主被动联合定位技术在实际应用中有着很大的发展潜力。

在实际应用中，传统雷达定位只是以某种单一形式进行工作，在难以预测的背景噪声、杂波的影响下定位误差较大。近年来，有学者结合主、被动雷达各自的优势，已经对主被动雷达联合探测深入研究并实际部署，文献“Tadeusz Brenner,Leszek Lamentowski,Witold Dyszyński.Analysis of chosen results based on trials with distributedand collocated passive-active radars,2018International Conference on Radar,1-6,2018”根据主被动雷达不同通道的信噪比对权值进行衡量，并对各个通道的数据融合处理，将分布式和集中式处理的性能对比分析，但是在背景噪声较大时，其融合方法得到的各个权值逼近于0，此时目标探测性能较差。在文献“主/被动雷达复合制导设备模拟方法研究，舰船电子对抗，2016，39(2)：34～37”中，对主、被动雷达进行复合并作了简要的分析，包括数据关联、融合跟踪等，基于D-S证据理论进行信息融合，但该模型的融合机制中证据对命题具有一票否决权，没有较好的鲁棒性，因此该方法在实际应用中可靠性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，利用二元检测方法对实际噪声环境进行检测，根据信噪比水平自适应选择不同的定位模式。

本发明采用的技术方案为：基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，其特征在于，采用二元检测理论对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，当检测结果为低信噪比时，选择耦合级联模式，进行目标定位；当检测结果为高信噪比时，选择分布式并行融合模式，进行目标定位。

进一步地，所述耦合级联模式，进行目标定位，具体包括以下步骤：

A1、通过对被动雷达定位信号进行处理，得到定位信息；

A2、将步骤A1得到的定位信息作为主动雷达定位的搜索区域；

A3、将搜索区域划分为精细网格，计算各网格点的对数似然函数值，生成数据平面，并搜索得到该平面的最大值，得到目标位置的估计值。

进一步地，所述分布式并行融合模式，进行目标定位，具体包括以下步骤：

B1、主被动雷达同时工作；

B2、被动雷达定位计算，得到目标位置的第一估计值；

B3、主动雷达定位计算，得到目标位置的第二估计值；

B4、将目标位置的第一估计值、目标位置的第二估计值传送到数据融合中心，得到融合估计值。

更进一步地，步骤B2包括以下分步骤：

B21、通过对被动雷达定位信号进行处理，得到定位信息；

B22、根据步骤B21的定位信息确定被动雷达的监控区域；

B23、对步骤B22的监控区域划分栅格，求解栅格点最大特征值，遍历搜索最大值所在位置区域，得到目标位置的第一估计值。

进一步地，步骤B3包括以下分步骤：

B31、检测输出目标位置粗略信息，得到主动雷达的搜索区域；

B32、按照步骤B31的搜索区域划分网格；

B33、计算各网格点的对数似然函数值，生成数据平面，并搜索得到该平面的最大值，得到目标位置的第二估计值。

进一步地，所述采用二元检测理论分别对对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，具体为：

主动雷达向探测区域发射电磁波脉冲，被动雷达接收到回波信号，采用二元检测理论分别对各自通道进行干扰检测：

其中，x(t)为外辐射源被动雷达接收信号，n(t)为加性高斯白噪声，w(t)为监测区域环境杂波干扰信号，s(t)表示真实目标回波信号，H₀表示外辐射源信号的杂波干扰不存在，H₁表示外辐射源信号的杂波干扰存在；

外辐射源被动雷达对目标进行恒虚警检测，所述检测结果为低信噪比或高信噪比。

本发明的有益效果：本发明的方法利用外辐射源雷达和主动雷达定位信息进行融合。在低信噪比情况下，分布式主被动雷达系统采取耦合级联，通过借用外辐射源雷达被动定位的粗略定位信息，进一步细化主动雷达搜素区域，从而解决了主动雷达对全范围高维搜索的数据处理量的压力。在高信噪比的情况下，自适应切换分布式并行融合模式，求解加权因子后，对主、被动雷达信息直接融合，使主被动雷达融合估计值的最小均方误差不低于单一的外辐射源雷达或主动雷达。本发明的优点是建立的主被动雷达联合定位技术适用于实际复杂环境下噪声变化较大的情况下，主被动雷达联合定位系统在复杂噪声环境下自适应选择定位模式，低信噪比环境下通过外辐射源被动雷达和分布式主动雷达耦合级联，为主动雷达减轻数据处理负担，效率更快，高信噪比环境下使主被动雷达两者结合，可靠性好，定位精度高。本发明可以应用于低空探测、交通监视等领域。

附图说明

图1是本发明具体实施方式采用的主被动雷达联合定位场景示意图。

图2是本发明具体实施方式采用的主被动雷达联合定位自适应模式选择流程图。

图3是本发明具体实施方式采用的主被动雷达联合定位耦合级联模式流程图。

图4是本发明具体实施方式采用的主被动雷达联合定位分布式并行融合流程图。

图5是本发明具体实施方式中对图2耦合级联模式定位的时间与栅格数目关系图。

图6是本发明具体实施方式中对图3分布式并行融合定位的RMSE与SNR关系图。

具体实施方式

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在Matlab2017b上验证正确。下面就具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

步骤1：初始化参数包括：

本发明的主被动雷达联合定位场景如图1所示，设置采样周期为T_s，相关处理时间为T_r，采样点数为N_r＝T_r/T_s。给定单个外辐射源被动雷达发射站，设置L个位于(x_l,y_l),(l＝1,2,...,L)被动接收通道，未知参数向量p＝(x,y)。主动发射站数目为N，第k个发射站分布位置

接收站数目为M，分布位置

设定未知主动定位参数向量

(“'”是指对矩阵或向量的转置，α_lk为目标在第lk通道未知确定的反射强度)。

步骤2：如图2所示采用二元检测理论对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，根据干扰检测结果确定定位模式。

监控区域噪声检测：

主动雷达向探测区域发射电磁波脉冲，被动雷达接收到回波信号，采用二元检测理论分别对各自通道进行干扰检测：

其中，x(t)为外辐射源被动雷达接收信号，n(t)为加性高斯白噪声，w(t)为监测区域环境杂波干扰信号，s(t)表示真实目标回波信号。其中H₀、H₁分别表示外辐射源信号的杂波干扰不存在和存在两种假设检验结果。

外辐射源被动雷达对目标进行恒虚警检测，若结果判定为有干扰，则选择主被动耦合级联模式，进行步骤3；否则跳转步骤6进行分布式并行融合模式。

步骤3：主被动耦合级联模式，计算过程如图3所示：

首先通过外辐射源被动雷达定位，进行步骤4，得到的位置信息，根据这些位置信息集作为下一步主动雷达定位的搜索区域；再次对搜索区域划分精细栅格，从而缩小目标搜索范围，跳转步骤7计算似然函数并搜索目标精确位置。

步骤4：被动定位信号处理

设定外辐射源信号为s_l，发射时间为Δt，则被动接收雷达第l个通道接收到t时刻的回波信号为

其中，采样角频率为

b_l为信号衰减系数，w_survl为均值是0，方差是

的高斯白噪声，外辐射源的发射信号传输到第l个接收基站的延时定义为：

其中c为光速，假设发射信号s幅值

L个被动接收通道的回波数据为r＝[r_surv1(t),r_surv2(t),…,r_survL(t)]′，将对(14)式基于最小二乘估计求解目标函数，得到

和

分别表示第l通道的外辐射源发射信号和回波数据在第k个采样点的傅里叶系数。为使(14)式更简化，令

根据锐利熵性质，对目标函数特征化处理，则得到

其中，η为矩阵特征值，Ns为采样点数，[·]^H表示共轭转置处理。

步骤5：对被动监控区域划分栅格，求解栅格点最大特征值，遍历栅格并记录最大值所在位置区域，得到目标位置的估计值

步骤6：分布式并行融合模式，计算过程如图4所示：

主被动雷达同时工作，被动雷达定位进行步骤4-5，主动雷达定位进行步骤7-8，得到在k时刻主、被动雷达目标位置估计值分别为θ_p(k)、θ_a(k)，多次蒙特卡洛统计，主、被动雷达探测得到目标位置方差为

根据式(8)对目标进行位置信息融合。

其中ω_a、ω_p分别为主、被动雷达定位加权因子，需满足ω_a+ω_p＝1，计算加权因子：

主、被动雷达的目标位置信息传送到数据融合中心，得到k时刻融合式子：

步骤7：分布式多站主动雷达似然函数计算

主动雷达观测量r＝[r₁₁(t),r₁₂(t),…,r_MN(t)]′，截取的第lk收发通道回波信号为：

其中τ_lk是第lk通道的时延：

关于未知参数向量θ的联合概率密度函数为：

对数似然函数如下：

步骤8：计算各网格点的对数似然函数值，生成数据平面，并搜索得到该平面的最大值，得到目标位置的估计值。

雷达定位前一般都会有目标检测，首先检测到一片目标所在区域，然后会在这个区域内定位，具体的定位之前的目标检测属于现有技术，本发明此处不做详细阐述。步骤8这里主动雷达定位计算时，也是通过目标检测，获得粗略的搜索区域的，步骤8之前需要对这一搜索区域进行网格划分。

本实施方式采用的几何配置和对应的参数如表1所示。

表1几何配置及参数

图5是本发明实施例提供的对耦合级联模式定位的时间与栅格数目关系图；可以看出本发明的分布式主被动雷达联合定位方法在同等网格划分条件下，定位时间相比于主动雷达定位时间更短；图6是本发明实施例提供的对分布式并行融合定位的均方根误差RMSE与信噪比SNR关系图；可以看出本发明的分布式主被动雷达联合定位方法在相同信噪比条件下，定位精度远高于外源辐射定位；综上，可以看出相比于主动定位、外辐射源被动定位，本发明的方法可以很好的实现存在干扰情况下主被动雷达联合定位性能的提升。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，其特征在于，采用二元检测理论对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，当检测结果为低信噪比时，选择耦合级联模式，进行目标定位；当检测结果为高信噪比时，选择分布式并行融合模式，进行目标定位；所述采用二元检测理论分别对对实际背景噪声、杂波进行干扰检测，具体为：

主动雷达向探测区域发射电磁波脉冲，被动雷达接收到回波信号，采用二元检测理论分别对各自通道进行干扰检测：

其中，x(t)为外辐射源被动雷达接收信号，n(t)为加性高斯白噪声，w(t)为监测区域环境杂波干扰信号，s(t)表示真实目标回波信号，H₀表示外辐射源信号的杂波干扰不存在，H₁表示外辐射源信号的杂波干扰存在；

外辐射源被动雷达对目标进行恒虚警检测，所述检测结果为低信噪比或高信噪比；

所述耦合级联模式，进行目标定位，具体包括以下步骤：

A1、通过对被动雷达定位信号进行处理，得到定位信息；

A2、将步骤A1得到的定位信息作为主动雷达定位的搜索区域；

A3、将搜索区域划分为精细网格，计算各网格点的对数似然函数值，生成数据平面，并搜索得到该平面的最大值，得到目标位置的估计值。

2.根据权利要求1所述的基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，其特征在于，所述分布式并行融合模式，进行目标定位，具体包括以下步骤：

B1、主被动雷达同时工作；

B2、被动雷达定位计算，得到目标位置的第一估计值；

B3、主动雷达定位计算，得到目标位置的第二估计值；

B4、将目标位置的第一估计值、目标位置的第二估计值传送到数据融合中心，得到融合估计值。

3.根据权利要求2所述的基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，其特征在于，步骤B2包括以下分步骤：

B21、通过对被动雷达定位信号进行处理，得到定位信息；

B22、根据步骤B21的定位信息确定被动雷达的监控区域；

B23、对步骤B22的监控区域划分栅格，求解栅格点最大特征值，遍历搜索最大值所在位置区域，得到目标位置的第一估计值。

4.根据权利要求2所述的基于外辐射源的分布式主被动雷达联合定位方法，其特征在于，步骤B3包括以下分步骤：

B31、检测输出目标位置粗略信息，得到主动雷达的搜索区域；

B32、按照步骤B31的搜索区域划分网格；

B33、计算各网格点的对数似然函数值，生成数据平面，并搜索得到该平面的最大值，得到目标位置的第二估计值。

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