CN111929669B - 基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统 - Google Patents

基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统，该方法包括：采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度；将各接收通道的信号幅度解算成信源距离；根据信源距离，划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间；结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子；根据各衰减区间对应的两个校正因子，对各衰减区间对应的距离段的实际衰减曲线进行最小二乘拟合，修正信号幅度。本发明能消除多径效应影响。

Description

基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电侦测领域，尤其涉及一种基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统。
背景技术
随着无线电侦测技术快速发展，单一测向技术不再满足战时无线电侦测需求，无源定位技术成为目前无线电侦测技术研究热点，无线电侦测测距技术成为定位关键。
传统无线电侦测通常采用比幅法或干涉法进行测向，现实场景中比幅测向技术对多通道天线一致性要求较高，干涉测向技术对交叉基线长度和多通道相位同步要求较高，因此在测向技术上，利用幅相关系的无线电侦测测距技术设计难度进一步加大，一般在设计难度、研制成本和架设合理性等方面综合考虑，采用比幅法测向技术成为当前无线电测向主流，结合Friis大气衰减公式可推衍出基于信号源辐射强度检测的无线电侦测测距技术。
但现有的基于信号源辐射强度检测的无线电侦测测距技术在测距精度、测距分辨率、环境适应性等方面存在较大缺陷，如实际测量天线接收天线的方向性系数、极化损耗、多径效应和空域强干扰等多方面影响，从而造成无线电侦测测距的误差较大。特别是，由于实际环境中，存在电磁波多径效应，衰减量变大，实际大气衰减公式无法真实反映大气衰减情况，采用无线信道理想状态下路径损耗以Friis大气衰减损耗代替进行幅度-距离解算时，会产生距离解算误差。
发明内容
本发明提供了一种基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统，用以解决由于接收天线的电磁波多径效应的造成无线电侦测测距的误差较大技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，包括以下步骤：
S1、采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度；将各接收通道的信号幅度解算成信源距离；
S2、根据信源距离，划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间；结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子；
S3、根据各衰减区间对应的两个校正因子，对各衰减区间对应的距离段的实际衰减曲线进行最小二乘拟合，修正信号幅度。
作为本发明的方法的进一步改进：
优选地，划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间，如下：
近距离段区间
Figure GDA0003259578190000021
中距离段区间
Figure GDA0003259578190000022
eps＝0.1；
远距离段区间
Figure GDA0003259578190000023
eps＝0.1；
其中，λ为通信波长，l0为理论衰减值，l为实际衰减值，△l＝|l-l0|为衰减差，
Figure GDA0003259578190000024
表示最大斜率差对应的距离；d△l<eps表示衰减差小于eps时对应的距离；eps为一个小的正数。
优选地，结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子，大气衰减公式为：
Atten_dB＝32.45+lg(fMHz)+(20+F1)lg(F2*dkm)
其中，F1和F2为两个校正因子，Atten_dB为大气衰减损耗，单位为dB，32.45为近场衰减常数，是辐射场测量数据拟合得出经验值，fMHz为无线电载波频率，单位为MHz，dkm为接收机与信源距离，单位为km。
优选地，方法还包括，在解算成信源距离后，查询构建杂波系数曲线系数，进行二次计算修正；杂波系数曲线系数通过测量得到的天线静态杂波图，通过分段拟合构建，以用于进行路径补偿。
优选地，方法还包括：
采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度之前，对测量得到的天线的方向性系数仿真建模，得到天线的三维方向性系数，通过暗室接收机整机测量得到的三维方向性系数的补偿值；
采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度后，通过查询三维方向性系数的补偿值进行二次补偿，修正多方向的接收的信号幅度。
优选地，方法还包括：通过各个通道权重因子Wi以及俯仰权重因子Wθ对信源距离进行补偿，补偿公式如下：
dcorr＝WiWθd；
其中，d为解算的信源距离，dcorr为补偿后的信源距离；
Figure GDA0003259578190000025
Figure GDA0003259578190000031
其中，Ni为量化估计的各通道的噪声功率；M为通道数；θ为新原来向的俯仰角；F(θ)为俯仰角θ的函数，由该函数可以画出对应的天线俯仰方向图。
优选地，方法还包括：
在采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度之前，标定各影响因素的改善因子，生成对应的状态查找表；并将所有影响因素对应的状态查找表进行交织压缩得到交织补偿系数表；
在解算得到信源距离后，查找交织补偿系数表获取对应的通道的补偿系数，对信源距离进行补偿。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统，采用分段衰减拟合，减少多径效应影响，引入雷达杂波图理论进行传输空域补偿，消除多径效应影响。
2、在优选方案中，本发明的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统，通过多维拟合得到拟合系数，对测量系统进行修正，尽可能改善距离误差。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的理论大气衰减和实际大气衰减示意图；
图3是本发明优选实施例的侦测测距特性图；
图4是本发明优选实施例的测量天线组阵模型方向图；
图5是本发明优选实施例的暗室整机测量结果图；
图6是本发明优选实施例的幅度拟合修正结果图；
图7是本发明优选实施例的综合补偿流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
由于实际环境中，存在电磁波多径效应，衰减量变大，实际大气衰减公式无法真实反映大气衰减情况，进而产生距离解算误差。根据实际情况，需要分段衰减拟合，减少多径效应影响。
本实施例基于如下无线电侦测测距模型进行侦测，无线电侦测测距模型由信源(入射)和多通道接收机(采集系统)以及无线信道路径损耗等组成。在ENU坐标系下，M通道接收机架设在坐标原点，测量天线尺寸R＜＜d，d为接收机与信源距离；信源来向为方位角
Figure GDA0003259578190000047
俯仰角θ；无线信道理想状态下路径损耗以Friis大气衰减损耗代替。
参见图1，本发明的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，包括进行多径效应补偿的步骤：
S1、采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度；将各接收通道的信号幅度解算成信源距离。
S2、根据信源距离，划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间；结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子。
图2表示理论大气衰减和实际大气衰减，模拟了多径效应影响，近距离段衰减斜率变大，中距离段衰减斜率减小，远距离段衰减值近似一致，因此按照实际测量结果(即侦测幅度后解算得到的距离经校正因子修正后的距离值)划分衰减区间进行通道幅度补偿比较合理。
本实施例中，假设通信波长为λ，理论衰减值为l0，实际衰减值为l，距离为r，则实际衰减斜率为
Figure GDA0003259578190000041
理论衰减斜率为
Figure GDA0003259578190000042
衰减差为△l＝|l-l0|，斜率差为△k＝|k-k0|。划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间，如下：
近距离段区间
Figure GDA0003259578190000043
中距离段区间
Figure GDA0003259578190000044
eps＝0.1；
远距离段区间
Figure GDA0003259578190000045
eps＝0.1；
其中，
Figure GDA0003259578190000046
表示最大斜率差对应的距离；d△l<eps表示衰减差小于eps时对应的距离；eps为一个小的正数，通常取0.1。
根据上述区间段划分规则，近距离段为[0.01,0.926]，中距离段为[0.926,10.93]，远距离段为[10.93,∞]。
结合Friis大气衰减公式修正可得：
Atten_dB＝32.45+lg(fMHz)+(20+F1)lg(F2*dkm)
其中，Atten_dB为大气衰减损耗，单位为dB，32.45为近场衰减常数，是辐射场测量数据拟合得出经验值，fMHz为无线电载波频率，单位为MHz，dkm为接收机与信源距离，单位为km；F1和F2为校正因子。
S3、根据各衰减区间对应的两个校正因子，对各衰减区间对应的距离段的实际衰减曲线进行最小二乘拟合，修正信号幅度。通过两个校正因子对各距离段实际衰减曲线进行最小二乘拟合，可进行修正。
近距离段：F1＝-4.605F2＝2.085；
中距离段：F1＝-4.600F2＝2.085；
远距离段：F1＝-4.605F2＝2.087。
多通道多径效应补偿可参考，对于每个测量天线静态杂波图，得到各向的大气衰减曲线，通过分段拟合技术进行传输路径补偿。该补偿过程还可以在系统估算距离后确认距离段，查询构建杂波系数曲线系数，进行二次计算修正，即引入雷达杂波图理论进行传输空域补偿，消除多径效应影响。
通过上述步骤，能采用分段衰减拟合，减少多径效应影响，引入雷达杂波图理论进行传输空域补偿，可消除多径效应影响。
由于实际测量天线接收天线的受多方面的因素影响，上述步骤主要针对电磁波多径效应进行补偿，实际实施时，还可以进行天线方向性补偿，包括：对测量天线的方向性系数仿真建模，得到天线的三维方向性系数，通过暗室接收机整机测量对方向图进行二次补偿，修正多方向的接收幅度。以6通道水平方向图补偿为例，图4为将所有天线装好后，测量得到的天线组阵模型方向图，图5为将接收机置于暗室内测得的暗室整机测量结果，图6为将图4和图5的差异进行拟合修正后的幅度拟合修正结果，补偿系数如表1所示。
表1补偿系数表
Figure GDA0003259578190000061
Figure GDA0003259578190000071
上述步骤主要针对天线方向性补偿进行补偿。实际实施时，无线电环境由于存在空域分集情况，各方向信噪比均不一致，当方向产生猝发型干扰源，导致该区域侦测距离明显变短，因此针对这种强噪声源须提供相关干扰抑制技术，对该类噪声屏蔽。本实施例通过进行强噪声源干扰屏蔽实现。
如图3所示，考虑俯仰角及接收机量化误差对侦测最远距离影响，图形包络表示侦测最远距离，按照距离段均匀分布，俯仰密度不同，导致远近端的分辨率存在明显差异，该类强噪声源对距离近、俯仰角大位置影响较大。因此，需要构建空域滤波器对该类噪声进行屏蔽，从而减小测距误差。
空域滤波器对实际测向天线测向精度要求较高，直接滤波方式效果较差，这里可以采用多通道接收，通道数为M，利用量化估计各通道的噪声功率Ni，改变各个通道权重因子Wi，实现对各通道进行空域滤波，对于三维定位系统须考虑俯仰角θ产生归一化天线方向图F(θ)引入测距误差，引入俯仰权重因子Wθ，以下给出了这两种权重因子计算公式
Figure GDA0003259578190000081
Figure GDA0003259578190000082
通过实际噪声功率Ni计算及天线俯仰方向图F(θ)测量，可以获得各个通道权重因子，对测算距离d进行补偿，补偿距离dcorr＝WiWθd。
由于实际测量天线接收天线的受多方面的因素影响，导致测距误差变大诱因很多。针对每种影响因素采用不同的补偿方法提高了计算复杂度，因此，在其他次要影响因素，可以在采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度之前，需要将各级影响因素进行逐步分析得出改善因子(标定阶段)，生成状态查找表(类似表1的格式)。各通道补偿系数繁多，为了节省参数存储空间，提升查找速度，因此应对相关系数进行交织压缩得到交织补偿系数表，简化该查找表规模。在解算得到信源距离后，查找交织补偿系数表获取对应的通道的补偿系数，对信源距离进行补偿。
在实施时，根据实际系统侦测先后次序，同时考虑技术实现难易程度，通常采用多种补偿方法进行补偿，图7给出了实际综合补偿流程图，结合实际外场接收处理结果，构建俯仰、方位、多径效应等多维拟合曲线，实现不同俯仰角不同方位下距离补偿，进一步提升测距精度；同时采用空域分集滤波技术，引入通道权重因子和俯仰权重因子，实现对强干扰源下距离补偿。并通过交织补偿系数表对多种影响因素进行综合查找和快速补偿，以降低补偿过程复杂度。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法实施例的步骤。
综上所述，本发明的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法及系统，采用分段衰减拟合，减少多径效应影响，引入雷达杂波图理论进行传输空域补偿，消除多径效应影响。通过多维拟合得到拟合系数，对测量系统进行修正，尽可能改善距离误差。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度；将各接收通道的所述信号幅度解算成信源距离；
根据所述信源距离，划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间；结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子；
根据所述各衰减区间对应的两个校正因子，对各衰减区间对应的距离段的实际衰减曲线进行最小二乘拟合，修正所述信号幅度；
其中，所述划分衰减区间为近距离段区间、中距离段区间以及远距离段区间，如下：
近距离段区间
Figure FDA0003259578180000012
中距离段区间
Figure FDA0003259578180000013
远距离段区间[d△l<eps,∞],eps＝0.1；
其中，λ为通信波长，l0为理论衰减值，l为实际衰减值，△l＝|l-l0|为衰减差，
Figure FDA0003259578180000011
表示最大斜率差对应的距离；d△l<eps表示衰减差小于eps时对应的距离；eps为一个小的正数；
所述结合大气衰减公式算得各衰减区间对应的两个校正因子，所述大气衰减公式为：
Atten_dB＝32.45+lg(fMHz)+(20+F1)lg(F2*dkm)
其中，F1和F2为两个校正因子，Atten_dB为大气衰减损耗，单位为dB，32.45为近场衰减常数，是辐射场测量数据拟合得出经验值，fMHz为无线电载波频率，单位为MHz，dkm为接收机与信源距离，单位为km。
2.根据权利要求1所述的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，其特征在于，所述方法还包括，在解算成信源距离后，查询构建杂波系数曲线系数，进行二次计算修正；所述杂波系数曲线系数通过测量得到的天线静态杂波图，通过分段拟合构建，以用于进行路径补偿。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，其特征在于，所述方法还包括：采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度之前，对测量得到的天线的方向性系数仿真建模，得到天线的三维方向性系数，通过暗室接收机整机测量得到的三维方向性系数的补偿值；
采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度后，通过查询所述三维方向性系数的补偿值进行二次补偿，修正多方向的接收的信号幅度。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，其特征在于，所述方法还包括：通过各个通道权重因子Wi以及俯仰权重因子Wθ对信源距离进行补偿，补偿公式如下：
dcorr＝WiWθd；
其中，d为解算的信源距离，dcorr为补偿后的信源距离；
Figure FDA0003259578180000021
Figure FDA0003259578180000022
其中，Ni为量化估计的各通道的噪声功率；M为通道数；θ为新原来向的俯仰角；F(θ)为天线俯仰角函数。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的基于距离补偿的无线电侦测测距的修正方法，其特征在于，所述方法还包括：
在采用多通道接收机侦测各接收通道的来自信源的信号幅度之前，标定各影响因素的改善因子，生成对应的状态查找表；并将所有影响因素对应的状态查找表进行交织压缩得到交织补偿系数表；
在解算得到信源距离后，查找交织补偿系数表获取对应的通道的补偿系数，对信源距离进行补偿。
6.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法的步骤。
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