CN111198369B - 一种基于距离约束的分块配对及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于距离约束的分布式MIMO雷达的目标配对及定位方法，包括步骤：配对块划分与配对域确定、逐一完成N个配对域的目标配对并输出各目标的距离组合、目标去重以及目标定位步骤；一方面，分块配对后单次配对的配对域内目标数目减少，整体上运算量会减小，而且由于配对范围小，在目标数目较多的情况下能有效减小配对出错的概率，提高配对成功率；又提出了(1)己路径约束、(2)己路径与他路径联合约束，需要两种同时满足的约束条件，约束关系强，配对错误的概率小，从另一个方面提高了配对成功率。

Description

一种基于距离约束的分块配对及定位方法

技术领域

本发明涉及雷达通信技术，尤其涉及雷达目标配对及定位技术。

背景技术

分布式MIMO雷达，是一种多站多路径雷达，相对传统相控阵雷达，由于能发挥多角度探测优势，获得空间分集增益，从而能有效提高探测性能，即意味着敌方侦测我方信号的作用范围大概率会小于我方探测范围，所以相对来说，有较好的抗截获性能及战场生存能力，是雷达技术发展的一个新方向。

在雷达组网体系中，需要解决目标信息关联问题，也就是目标配对问题，实现不同目标的航迹处理。现有的公开文献主要是采用航迹关联的方法完成目标配对(见文献：组网雷达系统中的一种模糊航迹关联方法，A fuzzy track correlation method nettedradar system，陈昌质，阮怀林，舰船电子对抗，2008；机载雷达中断航迹关联算法，Tracking Segment Association Algorithm for Airborne Radar，王朝辉，韩贺勤，现代雷达，2019等)，这些文献中的方法主要是针对单基地雷达目标航迹关联，对单站多目标有着较好的目标关联特性，并不适用于分布式MIMO雷达目标配对。

现有的针对分布式MIMO雷达的目标配对方法利用的是目标斜距信息和多路径信息冗余特性来实现多目标的配对(见文献：惯导误差下分布式雷达多目标空间配对算法，Multi-target pairing algorithm for distributed radar with INS error,方敏，程子扬，何子述，李军，系统工程与电子技术，2018等)，这些方法在目标数很多的情况下，配对计算量大，在距离域(探测范围)非常大的情况下，容易出现关联错误的情况，而某个目标关联错误，直接会影响到其他目标的关联情况，影响目标的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有目标配对、距离关联方法的不足，比如在目标数目较多、探测范围较大等场景下的缺陷，提供一种实现分布式MIMO雷达多个目标距离信息的分别关联的目标配对方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于距离约束的分布式MIMO雷达的目标配对及定位方法，包括以下步骤：

1)配对块划分与配对域确定步骤：对分布式MIMO雷达探测到的距离域进行配对块划分，划分为N个配对块，并确定保护块的长度；将一个配对块与其在距离上前后相邻的两个保护块共同构成一个配对域，距离域上共有N个配对域；

2)逐一完成N个配对域的目标配对，输出各目标的距离组合；其中每个配对域上进行目标配对的步骤为：

2-1)各雷达根据波形分级得到各路径的回波信号，再通过检测回波信号来提取当前配对域上各路径上各目标距离信息

表示第i个平台发射、第j个平台接收路径ij上第k个目标的距离，i＝1,…,M，j＝1,…,M，M为雷达个数；M最小为3，M为2的话可以使用约束关系，但是无法定位，M为1的话无法使用；

2-2)对当前配对域上各路径上各目标距离信息的所有距离组合进行穷举；

2-3)根据距离约束剔除全部不满足约束关系的距离组合，满足距离约束关系的距离组合为同一目标的距离组合；所述距离约束包括(1)己路径约束、(2)己路径与他路径联合约束；

(1)|R_i-R_j|≤R_ij；R_i、R_j分别为分布式MIMO雷达第i个、第j个雷达站与目标之间的距离，为自发自收的己路径的目标距离信息；R_ij为第i个雷达站与第j个雷达站的距离；(他路径)，

(2)|R_i+R_j-RR_ij|≤ε；ε为测距误差容限，RR_ij为第i个雷达站发射、第j个平台雷达站接收的经目标的路径距离，为他路径的目标距离信息；

3)目标去重步骤：去掉同一目标的距离组合中重复的目标距离信息得到配对成功的各目标的距离组合；

4)定位步骤：使用成功的目标的距离组合中己路径距离以及各雷达站的坐标求得雷达面对称的两个交点的坐标，再利用先验信息去掉一个交点的坐标，从而得到目标的坐标。

优选地，上述步骤1)根据各站之间的距离R_ij确定各路径目标所处距离单元的最大范围△R，△R满足△R≤2max{R_ij}，并△R作为保护块的长度。

优选地，步骤4)利用雷达站的坐标以及目标与各路径的距离求解坐标，并利用先验信息得到目标的正确坐标，具体为：利用z坐标的大小选取正确解。

本发明的有益效果为：一方面，分块配对后单次配对的配对域内目标数目减少，整体上运算量会减小，而且由于配对范围小，在目标数目较多的情况下能有效减小配对出错的概率，提高配对成功率；又提出了(1)己路径约束、(2)己路径与他路径联合约束，需要两种同时满足的约束条件，约束关系强，配对错误的概率小，从另一个方面提高了配对成功率。

附图说明

图1为本发明基于距离约束的目标配对及定位方法的流程图；

图2为本发明分块配对的单次配对域示意图；

图3为分布式MIMO雷达各路径距离约束关系示意图。

具体实施方式

为了更好地描述，首先进行如下定义：

己路径：自发自收路径，MIMO雷达第i个平台发射信号，第j各平台接收信号，i＝j。

他路径：自发他收路径，MIMO雷达第i个平台发射信号，第j各平台接收信号，i≠j。

配对块：根据整个距离域的大小划分的单次参与配对的距离范围。

保护块：利用距离约束得到的最大目标分布范围。

配对域：由配对块及于其前后相邻的保护块组成，为实际对配对块进行配对时的实际范围。

配对点：经探测得到的待配对的目标点。

配对单元：组成配对块的单元。

保护单元：组成保护块的单元。

下面进行本发明距离约束计算量说明：

记分布式MIMO雷达第i个平台与目标之间的距离为R_i(己路径，自发自收)，第i个平台发射、第j个平台接收路径距离为RR_ij(他路径)，第i个平台与第j个平台的距离为R_ij，则各距离需满足以下约束关系：

己路径约束：

|R_i-R_j|≤R_ij

己路径与他路径联合约束：

|R_i+R_j-RR_ij|≤ε

ε为引入的测距误差容限，当各路径距离完全没有误差时，则有：

R_i+R_j＝RR_ij

需要利用己路径约束关系来增强约束，且雷达之间的距离越小，约束关系越强，配对错误的概率越小。

记

由于目标在各路径上所处的最大距离单元R_max和最小距离单元R_min必然是处于己路径上，故己路径和他路径目标回波所处距离单元范围(双程)为：

[2R_min,2R_max]

根据三角关系有：

2R_max-2R_min≤2*max{R_ij}

即各路径目标所处距离单元的范围不会超过雷达之间最大距离的两倍，利用这个关系可以缩小空间配准范围，还减小分块配对的计算量。

根据以上约束，可以通过范围的划分只对一定数目的配对点进行配对操作，划分的范围称为配对块，同时设置前后两个保护块。1个配对块由N₁个配对单元组成，1个保护块由N₂个保护单元组成。配对单元的数目N₁可以根据实际情况设置，配对流程类似于CFAR的滑窗处理。

为了对比部分块配对与本发明分块配对的计算量，设配对次数为K：

其中，ceil()表示向上取整，W为单路径配对点总数。

粗略对计算量进行估计，不分块配对，只考虑己路径与他路径联合约束带来的加法和比较运算(实际上还有存取操作)，计算量约为：

C₁＝(KN₁)³

分块配对，计算量约为：

C₂＝K(N₁+2N₂)³

当单路径参与配对的点数较多时，分块配对对运算时间的改善是比较明显的，比如总距离域为100km，划分为5个配对单元，保护距离为10km，则

即不分块的计算量大约是分块的3倍。

下面结合说明书所附方法流程图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示本发明的一种基于距离约束的分块配对及定位方法，其具体包含以下步骤：

步骤1、利用各雷达站之间的距离R_ij确定目标在各路径上的最大分布范围，即保护块的长度△R，△R≤2max{R_ij}，利用△R确定保护单元数目

f_s为采样频率，一般为信号带宽的两倍，c为光速，|·|为取整符号；

步骤2、确定配对单元的大小，这个可以根据整个距离向的长度，即时域的长度来确定，比如探测总范围为L，则可以划分为N个配对单元，每个配对块的大小为

配对单元数目为/>

单次配对域即包括N₁个配对单元及其前后各N₂个保护单元，如图2所示，由于保护块的存在，会存在配对域交叉的情况，可能会有同一个目标在不同的配对域中被配对成功，所以最终的目标需要去重。

步骤3、提取当前配对域上各路径上各目标距离信息

在全部路径上均选择一个目标距离信息，即/>

个目标距离信息组成可能的距离组合，路径的个数为/>

M为雷达个数，P表示排列符号。以下举例均针对三站雷达，每条路径上对应的距离如图3所示，其它数目的雷达站类似，不一一说明。/>

表示第i个平台发射、第j个平台接收路径ij上第k个目标的距离，以三站雷达为例，1发1收路径1上的N_T个目标距离集合为/>

从每条路径选取一个目标，再将他们的距离组成一个距离组合，比如一个可能的组合为

k1,k2,…,k9分别表示9条路径上的选取的目标，穷举一共形成N_p个组合，所有距离组合组成一个集合U_pair＝{R_pair1,R_pair1,...R_pairNP}。以三站雷达为例，路径ij(i＝1,…,3，j＝1,…,3)与发射接收对应关系如下表：

步骤4、根据各路径距离信息以及己路径与他路径联合约束确定可能的各路径目标距离组合，比如某个配对组合，

其己路径和他路径目标距离关系满足/>

则此配对组合为一个可能的组合，对三站雷达来说，不满足以上任意一个条件都是一个不可能的距离配对，可以从距离组合集合U_pair中剔除，记剔除不可能距离配对后的距离组合集合为U'_pair。这里的|·|表示取绝对值，ε为误差容限；

步骤5、判断步骤4得到的距离组合是否满足己路径约束，对步骤4中剔除不可能组合后的配对组合集合U'_pair中的各配对组合进行判断，看是否满足己路径约束。比如某个配对组合，

其己路径目标距离关系满足/>

其中第i个雷达平台与第j雷达个平台的距离为R_ij，则此配对组合为一个目标的距离组合，这些组合组成一个目标距离组合集合U_T＝{R_pair1,R_pair1,...R_pairNT}；

步骤6、进行下一个配对块的配对操作，重复步骤3到步骤5，直至所有配对块配对完成，比如在步骤2时将整个距离域划分为N个配对块，则需要重复步骤3到步骤5的操作N次；

步骤7、目标去重，输出目标在各路径上的距离信息，由于保护单元的存在，可能会出现同一个目标在不同的配对单元中被配对成功，这样就需要去掉集合U_T中的重复的目标距离信息。

步骤8、由配对成功的目标的己路径距离以及各雷达站的坐标得到各目标的坐标，比如步骤7得到的目标距离组合集合中某个距离组合为

提取己路径目标距离，并记为R₁,R₂,R₃,记此目标对应的坐标为(x_T,y_T,z_T)，雷达站1,2,3对应的坐标分别为，(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，则有：

利用以上三式求解即可得到关于雷达面对称的两个点的坐标，即空间内三个球面的两个交点(关于球心坐标所在平面对称)，再结合一下先验信息，比如，一般来说，目标在地面惯性坐标系下的z坐标不会低于所有雷达站的z坐标，即可得到目标真实坐标。当雷达站大于3个，那么，目标距离组合集合中己路径距离也就大于3个，在计算目标坐标时，也只需要取3个己路径距离与相应的3个雷达站点的坐标即可，也可以多取己路径距离与相应的雷达站点的坐标按同样方法的计算坐标，计算得到的多个坐标位置进行平均以提高定位精度。

本发明的关键要素是基于距离约束进行分块配对，进而利用目标己路径距离及各雷达站坐标实现定位，并不局限于前述的具体实施方式；雷达站数目不局限于3个，雷达站数目大于3个距离约束关系不会发生改变，分块操作也可以应用。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种基于距离约束的分布式MIMO雷达的目标配对及定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配对块划分与配对域确定步骤：对分布式MIMO雷达探测到的距离域进行配对块划分，划分为N个配对块，并确定保护块的长度；将一个配对块与其在距离上前后相邻的两个保护块共同构成一个配对域，距离域上共有N个配对域；所述保护块为利用距离约束得到的最大目标分布范围；

2)逐一完成N个配对域的目标配对，输出各目标的距离组合；其中每个配对域上进行目标配对的步骤为：

2-1)各雷达根据波形分级得到各路径的回波信号，再通过检测回波信号来提取当前配对域上各路径上各目标距离信息

表示第i个平台发射、第j个平台接收路径ij上第k个目标的距离，i＝1,…,M，j＝1,…,M，M为雷达个数，M为大于等于3的整数；

2-2)对当前配对域上各路径上各目标距离信息的所有距离组合进行穷举；

2-3)根据距离约束剔除全部不满足约束关系的距离组合，满足距离约束关系的距离组合为同一目标的距离组合；所述距离约束包括(1)己路径约束、(2)己路径与他路径联合约束；

(1)|R_i-R_j|≤R_ij；R_i、R_j分别为分布式MIMO雷达第i个、第j个雷达站与目标之间的距离，为自发自收的己路径的目标距离信息；R_ij为第i个雷达站与第j个雷达站的距离；

(2)|R_i+R_j-RR_ij|≤ε；ε为测距误差容限，RR_ij为第i个雷达站发射、第j个平台雷达站接收的经目标的路径距离，为他路径的目标距离信息；

3)目标去重步骤：去掉同一目标的距离组合中重复的目标距离信息得到配对成功的各目标的距离组合；

4)定位步骤：使用成功的目标的距离组合中己路径距离以及各雷达站的坐标求得雷达面对称的两个交点的坐标，再利用先验信息去掉一个交点的坐标，从而得到目标的坐标。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中保护块的长度满足ΔR≤2max{R_ij}，其中R_ij为分布式MIMO雷达的各雷达站之间的距离。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1)的具体步骤为：

1-1)利用分布式MIMO雷达的各雷达站之间的距离R_ij确定保护块的长度ΔR，保护块的长度满足ΔR≤2max{R_ij}，保护块由N₂多个保护单元组成，根据ΔR确定保护单元的个数

f_s为采样频率，c为光速，·为取整符号；

1-2)根据距离域长度L确定配对块的长度

配对块由N₁多个配对单元组成，配对单元的个数为/>

N为设定的配对块的个数；

1-3)将一个配对块与其在时间上前后相邻的两个保护块共同构成一个配对域，距离域上共有N个配对域。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中利用先验信息去掉一个交点的坐标的具体方法为：去掉z坐标小于所有雷达站的坐标的交点坐标。

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