CN111352067B

CN111352067B - 一种多目标被动合成孔径的无源定位方法

Info

Publication number: CN111352067B
Application number: CN202010248215.0A
Authority: CN
Inventors: 郇浩; 陶然; 李昂; 张莉婷
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: CN111352067A

Abstract

本发明公开了一种多目标被动合成孔径的无源定位方法，其包括在去调制过程中对接收信号进行高阶谱运算，及对去调制后的信号进行霍夫变换的过程。本发明可在未知数据速率的情况下，通过高阶谱实现对MPSK信号的去调制，并通过霍夫变换对产生的交叉项进行去除，再通过合成孔径提高信号增益，可实现对多目标的高精度无源定位。

Description

一种多目标被动合成孔径的无源定位方法

技术领域

本发明涉及一种无源定位方法，特别涉及一种低轨单星多目标被动合成孔径的定位方法。

背景技术

传统低轨单星辐射源定位方法主要包括单天线测频定位和阵列天线测向定位两类。其中单天线测频定位法设备简单，载荷要求低，但测量精度差、多数只能达到几公里量级，例如采用单天线测频定位法的美俄等国研制的COSPAS-SARSAT系统，其定位精度仅在10～20公里以内；同时其无法对距离较近的多个辐射源信号进行定位，如舰队信息。另一方面，阵列天线测向定位法精度更高，但其天线尺寸较大，生产及维护成本高，例如采用阵列天线侧向定位法的美国的Mercury(水星)电子侦察系统，其通过长基线或大孔径来获得高精度定位性能，其卫星需搭载直径约100米的大型圆形天线；并且当侦察场景中出现多个辐射源信号时，其测向精度会显著下降。

可以看出，现有技术中的低轨单星辐射源定位系统在天线尺寸和定位精度上相互制约，无法同时具备较小的天线尺寸和较高的定位精度，同时无论哪种方法都难以解决对同一场景下多个辐射源的精确定位的问题。

发明内容

相对于现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于低轨单星系统的、能够实现小天线尺寸下高精度定位的、能够在未知数据速率下对多个辐射源进行高精度定位的无源定位方法。

本发明首先提供了如下的技术方案：

一种多目标被动合成孔径的无源定位方法，其包括在去调制过程中对数字化后的接收信号进行高阶谱运算，及对去调制后的信号进行霍夫变换(Hough变换)。

根据本发明的一些具体实施方式：所述数字化的过程包括：将接收到的地面辐射源信号进行模数转换，得到中频信号，其后将所述中频信号经数字下变频处理，得到零中频复信号。

根据本发明的一些具体实施方式：所述模数转换在射频端进行。

根据本发明的一些具体实施方式：所述数字下变频处理包括：对所述中频信号进行多通道并行的残余载波频率搜索，每个搜索组分别使用频率依次递增的载波对中频信号进行数字下变频，至残余载波频率消除。

根据本发明的一些具体实施方式：所述数字下变频后的信号存储于基带。

根据本发明的一些具体实施方式：所述高阶谱选自平方谱、四次方谱和八次方谱中的任一种。

在上述具体实施方式中，当MPSK信号为BPSK信号时，选用高阶谱中的平方谱进行去调制；当信号为QPSK时选用四次方谱；当信号为8PSK时选用八次方谱。

据此，可以理解的时，根据MPSK信号的不同，还可选择其他高阶谱。

根据本发明的一些具体实施方式：所述方法还包括在霍夫变换前，对所述去调制后的信号进行预处理，所述预处理包括对去调制后的信号进行短时傅立叶变换，得到时频矩阵图。

根据本发明的一些具体实施方式，所述时频矩阵为374×256的二维矩阵。

该时频矩阵的行列数和采样数量有关，其中每行的长度为方位向的采样间隔，行数和其后合成孔径的时间有关。

根据本发明的一些具体实施方式：所述预处理还包括第一图像变换，所述第一图像变换为将所述时频矩阵图变换为含多个像素点的灰度图。

根据本发明的一些具体实施方式：所述第一图像变换的变换比例为：

其中P(i,j)表示时频矩阵P在(i,j)位置处的幅值，变换完的P'(i,j)表示灰度图像P'在(i，j)位置处的像素值，max(P(:))表示求矩阵P的最大幅值，round()为四舍五入取整函数，255为灰度图像的最大表示量值。

根据本发明的一些具体实施方式：在所述第一图像变换完成后，通过所述霍夫变换将所述灰度图转换为霍夫空间图。

根据本发明的一些具体实施方式：所述方法还包括通过霍夫空间图中交点数量最多的峰值点的位置信息，获得灰度图中对应直线的位置信息，并通过所述直线的位置信息经所述第一图像变换的逆变换获得新的时频矩阵图，该时频图包含去掉交叉项的目标时频信息和分离后的目标时频信息。

根据本发明的一些具体实施方式：所述方法还包括根据新的时频矩阵图中分离后的单目标信号进行多普勒参数估计。

根据本发明的一些具体实施方式：所述多普勒参数估计通过匹配滤波器匹配滤波实现，其中所述匹配滤波器的计算结构为m(t)＝exp(iKt²)，K为匹配滤波器调频率。

根据本发明的一些具体实施方式：所述匹配过程包括：对K值的取值范围进行预估，其后依据定位误差确定搜索步进，依次将K的估计值带入匹配滤波器结构中生成若干组滤波器，与接收的多普勒信号进行匹配滤波，收集不同调频率下的匹配滤波结果，记录不同调频率、不同时延所对应的相关值，生成调频率—方位向时间二维搜索矩阵。

根据本发明的一些具体实施方式：所述方法还包括通过所述二维搜索矩阵中的最大相关值对应的时延位置对辐射源的方位向距离进行估计。

根据本发明的一些具体实施方式：所述方法还包括通过通过所述二维搜索矩阵中的最大相关值对应的数字下变频载波频率对辐射源的距离向距离进行估计。

本发明可在未知数据速率的情况下，通过高阶谱实现对MPSK信号的去调制，同时针对侦察场景中出现多目标载频接近而导致高阶谱去调制中出现的交叉项问题，通过Hough变换实现了对交叉项的去除，并可进一步通过合成孔径对分离后的信号进行显著的增益，可实现小天线尺寸下的对多个目标源的准确分离和高精度被动定位及测量。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的处理流程图；

图2为本发明具体实施方式中所述预处理得到的时频图；

图3为本发明具体实施方式中所述预处理得到的灰度图；

图4为本发明具体实施方式中所述x-y域下的灰度图；

图5为本发明具体实施方式中所述ρ-θ域下的霍夫空间图；

图6为本发明具体实施方式中所述霍夫空间图中交点累加数量统计图；

图7为本发明具体实施方式中所述目标一的STFT图；

图8为本发明具体实施方式中所述目标二的STFT图；

图9为本发明具体实施方式中所述目标一和二去除交叉项后的STFT图；

图10为本发明具体实施方式中所述匹配滤波器的二维搜索矩阵图。

图11为本发明仿真实验中所述匹配滤波器的二维搜索矩阵图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

本发明可通过如附图1所示的处理流程对多目标接收信号进行分离和定位，具体的，可包括以下步骤：

(1)地面多个辐射源发射信号；

假设辐射源信号有两个时，其在t时刻的信号可表示为：

s(t)＝a₁(t)cos(ω₁t)+a₂(t)cos(ω₂t)，

其中ω₁,ω₂表示发射辐射源的载频，a₁(t),a₂(t)代表t时刻的调制信息。

(2)星载接收机收到不同时刻地面辐射源信号

分别以t_p1,t_p2时刻靠近两个辐射源的匀速v的监测卫星在经过较短的时长后(即小斜视角场景下)，于t时刻飞过辐射源上空，其星载接收机的接收天线指向飞行轨迹的正侧方，此时地面辐射源(即监测目标)与监测卫星起始点的方位向距离可分别计算为v(t-t_p1),v(t-t_p1)，地面辐射源到监测卫星飞行轨迹上的最短距离，即距离向距离为R₁,R₂，在小斜视角场景下，卫星与辐射源的斜距R′₁,R′₂可以表示为：

星载接收机接收到的带有因相对运动而产生的多普勒分量的目标辐射源信号S_r(t)可计算为，

其中c为光速。

(3)对接收到信号进行多通道载频搜索并进行模数转换；

其包括首先在射频端对接收到的信号进行模拟下变频处理，得到中频信号，再对经模拟下变频处理后的信号进行数字下变频处理，处理过程包括对所述中频信号进行多通道并行的残余载波频率搜索，共搜索M组，其后每组分别用频率依次递增的载波对中频信号进行数字下变频处理，并将处理后的信号搬移至基带，消除残余载波频率，所得信号可表示为：

其中S′_r(t)为第一组数字下变频后的接收信号，ω′₁,ω′₂为数字下变频后的载波残余频偏，当ω′₁,ω′₂分别为0Hz的时候表明对应辐射源的载波频率搜索正确，对应辐射源的中频信号被成功搬移至基带。

(4)对信号进行平方谱去调制；

本实施方式中使用平方谱对基带接收到的BPSK信号去调制，信号变为：

可以看出，在第三项产生了交叉项信息，因为交叉项的调制信息并没有被去。

对平方谱后的接收信号再进行短时傅里叶变换(STFT)，得到一个374×256的二维时频矩阵P，将其绘制成如附图2所示的时频图；矩阵的行列数和采样数量有关，其中每行的长度是方位向采样间隔。

从图中可以发现，因为两个信号的频率较为接近，无法通过在频域滤波实现两个信号的分离，只能通过时频域中对信号初始频率和斜率的检测实现对信号的分离，分离后的单信号通过单目标合成孔径的原理，分别实现定位。

(5)进行霍夫变换预处理；

Hough变换通过在时频域中直线检测的方法，避免了频域中多个标的载频过于接近，无法通过滤波器进行滤波的缺陷；Hough变换的原理是将特定图形上的点变换到一组参数空间(ρ-θ域)上，根据参数空间点的累计结果找到一个极大值对应的解，这个解就对应着要寻找的几何形状的参数(如霍夫域中的一个点对应原始域中的一条直线)。

在本实施方式中，在Hough变换前，将经过STFT的二维时频矩阵图先转换为灰度图，每点的数值表示其幅值，将其对应变换为256×374像素点的灰度图像，变换比例为：

其中P(i,j)表示时频矩阵P在(i,j)位置处的幅值，变换完的P'(i,j)表示灰度图像P'在(i，j)位置处的像素值，max(P(:))表示求矩阵P的最大幅值，round()为四舍五入取整函数；所得灰度图如附图3所示。

(6)通过Hough变换提取直线信息；

如附图4所示，在灰度图像中有两条相交的明亮直线，在直角坐标系(即x-y域)中，设原点到这两条直线的垂直距离为ρ，垂线与x轴夹角为θ，那么每条直线是唯一的，直线的方程为ρ＝xcosθ+ysinθ。

可以看出，在霍夫空间的任一曲线可映射直角坐标系中的一个点，而在直角坐标系中同一直线上的点，在霍夫空间中会形成相交的曲线，因此在霍夫空间中相交的曲线越多(即交点越多)，说明其在直角坐标系中位于同一直线上的点越多，由此，在找到霍夫空间图中交点数量最多的曲线组的交点，即可对应回x-y域中最明亮的直线。

基于此，对附图5所示的变换后的ρ-θ域下的霍夫空间图中交点的数量进行统计，得到如附图6所示的统计图，其存在两个明显的峰值点，可对应回灰度图中两条直线。

(7)去交叉项和信号分离；

本实施方式所述灰度图像与所述经STFT的时频矩阵图均表示374×256的二维矩阵，同时其变换规则唯一确定，因此，灰度图像中的每一个点均可对应回时频矩阵图中的唯一的点。

据此，分别提取灰度图像中的两条直线上点的位置信息，其后找到该点在时频矩阵上的对应，并提取时频矩阵上对应的点的信息，进一步可绘制成如附图7所示的目标一的STFT图、附图8所示的目标二的STFT图和附图9所示的目标一和二去掉交叉项后的STFT图。

对比上述3图，可以发现通过Hough变换可以去除多目标BPSK信号平方谱冲产生的交叉项的影响，得到完全分离的两个信号。

(8)对分离后的单目标信号进行多普勒参数估计

分别提取步骤(7)中去除交叉项干扰的单目标信号，通过本地生成匹配滤波器匹配滤波的方法估计多普勒信号参数，所述匹配滤波器的计算结构为m(t)＝exp(iKt²)，其中K为匹配滤波器调频率；

所述匹配过程包括：对K值的取值范围进行预估，其后依据定位误差确定搜索步进，依次将K的估计值带入匹配滤波器结构中生成若干组滤波器，与接收的多普勒信号进行匹配滤波，收集不同调频率下的匹配滤波结果，记录不同调频率、不同时延所对应的相关值，生成调频率—方位向时间二维搜索矩阵，在正确的下变频频率下匹配滤波器的搜索情况如附图10所示。

该二维搜索矩阵中最大相关值所对应的匹配滤波器调频率a_i＝-ω_iv²/cR_i,i＝1,2，即为多普勒信号调频率的匹配参数。

该二维搜索矩阵中的最大相关值对应的时延位置即为方位向时间t_pi.i＝1,2，其可对辐射源的方位向距离进行估计。

该二维搜索矩阵中的最大相关值对应数字下变频载波频率，可对辐射源的距离向距离进行估计。

本发明进一步进行了如下的仿真实验：

其中辐射源发射信号的频率f₁,f₂为1GHz,1GHz+100Hz，调制方式为BPSK，星载接收机的轨道高度h为800km，景中心斜距R₁,R₂为850km,851km，等效星载接收机速度v为7.1km/s，合成孔径时间T＝2*tp为0.6s，辐射源方位向时间位置t_p1,t_p2为0.3s。在射频端对模拟信号进行下变频，残余频偏10MHz。以40MHz的采样率对模拟下变频后的接收信号进行采样，得到800000个采样点。

对接收信号进行预处理，基于平方谱的BPSK信号处理流程如图1所示。首先根据先验信息对残余频偏的范围进行估计，通过计算残余频偏的范围在0～50M，按照估计范围对接收信号一一进行下变频，得到50组数字下变频后的数据。接下来对多组数字下变频后的数据进行平方运算，根据实际场景设计的STFT变换参数，得到STFT的二维时频矩阵P，P为256×374的二维矩阵，其中256表示一个时间内的频率成分估计，374表示总共的处理时间，每点的数值表示其幅值，再将其对应变换为256×374像素点的灰度图像，经过Hough变换去除其交叉项进行信号分离，最终的到分离后的STFT信号。

再提取STFT矩阵零频所对应的列信号，利用本地生成匹配滤波器匹配滤波的方法估计接收信号中的多普勒参数。本示例中根据先验信息确定接收信号的调频率在742～1741，步进为1。实际的调频率为-1242.1，初始频率为4.9684。对每组下变频信号进行匹配滤波得到两个信号的相关值，最终得到正确的下变频频率下的最大相关值，即对应的调频率。在正确的下变频频率下,辐射源一的匹配滤波器的搜索情况如图11所示。其中x轴表示调频率的搜索范围，即匹配滤波器对应的参数K，y轴表示时间，其中峰值所对应的时间即为方位向时间t_p1。可以发现最高值点x＝1242,y＝1600取得对应实际的调频率和初始频率，通过公式就按得到R₁＝850070m,t_p1＝0.3s。实际景中心斜距R₁＝850km，辐射源方位向时间位置t_p1为0.3s。在正确的下变频频率下,辐射源二的匹配滤波器的搜索情况如图11所示。其中x轴表示调频率的搜索范围，即匹配滤波器对应的参数K，y轴表示时间，其中峰值所对应的时间即为方位向时间t_p2。可以发现最高值点x＝1240、y＝1600，取得对应实际的调频率和初始频率，通过公式就得到R₁＝851439m,t_p1＝0.3s。实际景中心斜距R₁＝851km，辐射源方位向时间位置t_p2为0.3s。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多目标被动合成孔径的无源定位方法，其特征在于：其包括在去调制过程中对接收信号进行高阶谱运算，及对去调制后的信号进行霍夫变换；其还包括在高阶谱运算前，对所述接收信号进行数字化，所述数字化的过程包括：将接收到的地面辐射源信号进行模数转换，得到中频信号，其后将所述中频信号经数字下变频处理，得到零中频复信号；其还包括在所述霍夫变换前，对所述去调制信号进行预处理；所述预处理包括对去调制后的信号进行短时傅里叶变换、得到时频矩阵图，及将所述时频矩阵图变换为含多个像素点的灰度图的第一图像变换，其中，所述变换的比例为：

其还包括通过所述霍夫变换将所述灰度图转换为霍夫空间图；

其还包括通过霍夫空间图中交点数量最多的峰值点的位置信息，获得灰度图中对应直线的位置信息，并通过所述直线的位置信息经所述第一图像变换的逆变换获得新的时频矩阵图；

其还包括根据新的时频矩阵图中的分离后的单目标信号进行多普勒参数估计，其中，所述多普勒参数估计通过匹配滤波器匹配滤波实现，其中所述匹配滤波器的计算结构为m(t)＝exp(iKt²)，K为匹配滤波器调频率，其中所述匹配过程包括：对K值的取值范围进行预估，其后依据定位误差确定搜索步进，依次将K的估计值带入匹配滤波器结构中生成若干组滤波器，与接收的多普勒信号进行匹配滤波，收集不同调频率下的匹配滤波结果，记录不同调频率、不同时延所对应的相关值，生成调频率—方位向时间二维搜索矩阵；

其还包括通过所述二维搜索矩阵中的最大相关值对应的时延位置对辐射源的方位向距离进行估计，和/或通过所述二维搜索矩阵中的最大相关值对应的数字下变频载波频率对辐射源的距离向距离进行估计。

2.根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于：所述模数转换在射频端进行。

3.根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于：所述数字下变频处理包括：对所述中频信号进行多通道并行的残余载波频率搜索，每个搜索组分别使用频率依次递增的载波对中频信号进行数字下变频，至残余载波频率消除。

4.根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于：所述数字下变频后的信号存储于基带。

5.根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于：所述高阶谱选自平方谱、四次方谱和八次方谱中的任一种。

6.根据权利要求1所述的无源定位方法，其特征在于：所述时频矩阵为374×256的二维矩阵。