CN113534144A - 基于时差约束残差的分布式信号分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其步骤为：计算主站和每个副站之间的时间窗；对落入时间窗内的所有到达时差，组成含有约束关系的候选时差组；利用候选时差组计算时差约束残差值组；通过判别门限判断时差约束残差的2范数，大于判别门限的判定为虚假时差组，否则判定为真实的时差组，将该时差组对应的脉冲信号作为正确的脉冲信号分选结果。本发明解决了现有技术利用脉冲描述字信息辅助匹配造成的信号错选、漏选，以及联合多参数信息筛选精脉冲对时多个辐射源的脉内参数信息非常相似造成的信号分选效果一般的问题，提高了信号分选的准确率。

Description

基于时差约束残差的分布式信号分选方法

技术领域

本发明属于电子侦察技术领域，更进一步涉及到分布式雷达信号分选技术领域中的一种基于时差约束残差的分布式信号分选方法。本发明可用于分布式雷达信号分选中根据时差约束关系的残差值进行信号分选。

背景技术

在分布式多站雷达信号分选中，时差信息反映了辐射源信号到达不同雷达接收机的时间差，时差信息只与辐射源位置有关，不受脉冲特征参数影响，可以规避在混合体制雷达辐射源等复杂多样的辐射源信号脉冲参数测量困难的问题，是分布式雷达信号分选中常用的参数信息。在提取时差信息时，会存在虚假时差，从而使信号分选的准确率降低，不利于后续的信号处理。时差信息可用于进行辐射源信号的时差约束，可以利用时差约束对虚假时差信息进行剔除，提高信号分选的准确率。分布式雷达信号分选是雷达信号侦察处理中的核心技术之一，信号分选结果影响后续的信号识别、危险等级判定。目前分布式雷达信号分选多采用两个雷达接收站接收时间信息，并使用时差直方图配对的分选方法，这种方法对虚假时差的剔除能力有限，影响分布式信号分选的准确率。因此，需要一种更稳健的信号分选方法。

陈涛，王天航等人在其发表的论文“基于时差多参分选的多层感知器网络脉间识别”(《电子与信息学报》，2018,v.40(07):48-55)中提出了一种多站获取脉冲时差参数联合其他脉冲描述字分选的方法。该方法通过时差参数与其他脉冲描述字去交错解决传统脉冲重复周期估计算法无法对复杂的脉间调制方式进行估计。利用雷达信号脉冲描述字对时差信息进行辅助匹配，减少信号分选的错批、漏批。但是，该方法仍然存在的不足之处在于，由于混合体制雷达辐射源中的信号参数快变、易变，雷侦系统对脉冲描述字参数测量难度较大，利用脉冲描述字信息辅助匹配，只有两接收站接收的时差信息缺乏约束关系，造成信号错选、漏选。

中国人民解放军战略支援部队信息工程大学拥有的专利技术“一种单脉冲信号的实时配对分选方法”(专利申请号CN202011448826.6，申请公布号CN112799053A)中公开了一种利用脉内参数剔除虚假时差实现脉冲信号的精匹配的方法。该方法的实现步骤为：1、确定主站和各副站之间的时差范围，并将其作为时差窗；2、利用确定的时差窗将主站实时接收的单个脉冲信号分别与位于时差窗内各副站接收的脉冲信号流进行粗匹配，得到主站单脉冲与各副站脉冲流匹配的粗脉冲对序列；3、基于主站和副站接收同一辐射源同一脉冲信号的脉内参数具有相似性的特点，联合多参数信息对各主站与副站之间的粗脉冲对序列进行筛选，剔除出虚假时差，得到主站与各副站的精脉冲对；4、计算主站与不同副站的精脉冲对之间的时差，并将与两个不同副站的精脉冲对的时差作为时差对，根据同一辐射源同一脉冲信号到达各站的时差具有不变性的特点，在误差容限内，利用时差对精脉冲对进行分选。该方法存在的不足之处在于，由于在进行联合多参数信息对各主站与副站之间的粗脉冲进行筛选，剔除出虚假时差，得到主站与各副站的精脉冲对时，待分选辐射源脉冲信号的脉内参数信息在一定程度上要可区分，当多个辐射源的脉内参数信息非常相似以致不可区分时，脉内参数信息失去作用，该方法的剔除虚假时差效果不好，信号的分选效果一般。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于时差约束残差的分布式信号分选方法，以解决现有技术利用脉冲描述字信息辅助匹配造成的信号错选、漏选的问题，以及联合多参数信息筛选精脉冲对时多个辐射源的脉内参数信息非常相似造成的信号分选效果一般的问题。

实现本发明目的的思路是：本发明利用N个接收站接收到达时间，N＞3，形成至少3个时差值，比现有技术由两站或三站接收到达时间组成的候选时差组，形成时差之间的约束关系，可以利用这种约束关系去除虚假时差，利用含有约束关系的候选时差组计算候选时差组的时差约束残差值组，避免现有技术通过脉内参数信息做脉冲匹配导致脉冲描述字信息辅助匹配造成的信号错选、漏选的问题，以及避免现有技术通过脉内参数信息筛选精脉冲对导致的多个辐射源的脉内参数信息非常相似造成的信号分选效果一般的问题。

本发明的具体步骤如下：

步骤1，计算主站和每个副站之间的时间窗：

(1a)按照下式，计算辐射源信号到达主站和第i个副站的最大时间差：

其中，t_i表示辐射源信号在一个脉冲发射周期中到达主站与第i个副站的最大时差值，l_0,i表示主站S₀与第i个副站之间的空间距离，i表示副站的序号，i＝1,2,...,N-1，N表示雷达接收站的总数，且N＞3，c表示电磁波的传播速度，c＝3×10⁸米/秒，D表示时差测量误差的均方根误差；

(1b)将主站与第i个副站的时间窗设定为[-t_i,t_i]，其中，-t_i表示t_i的负数；

步骤2，形成含有约束关系的候选时差组：

(2a)统计到达主站的脉冲信号与到达第i个副站的脉冲信号的到达时差落入时间窗内的所有时差，并绘制主站与第i个副站的时差统计直方图；

(2b)选取N-1个时差统计直方图中峰值满足门限值的所有时差，将所有时差中与i不同的所有时差值组成含有约束关系候选时差组；

步骤3，按照下式，计算候选时差组的时差约束残差值组：

其中，

表示以列矩阵表达的候选时差组的时差约束残差值组，b表示以列矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差与主站和每个副站距离的关系，A表示以矩阵表达的主站坐标值和每个副站坐标值之间差值，Δt表示以矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差，

表示辐射源位置的坐标值与主站坐标值之差β的估计值，

表示辐射源到达主站的距离d的估计值；

步骤4，判断

是否大于判别门限μ+σ，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6，其中，

表示候选时差组的时差约束残差值组

的l₂范数，μ表示时差测量误差的均值，σ表示时差测量误差的标准差；

步骤5，将候选时差组判定为虚假候选时差组，丢弃该候选时差组；

步骤6，将候选时差组判定为真实的脉冲信号分选的时差组，将该时差组对应的脉冲信号作为正确的脉冲信号分选结果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明利用不少于3个接收站接收到达时间，可以得到至少3个到达时间差信息，克服了现有技术只利用两接收站或三接收站接收的时间信息，可利用的时差信息较少，没有形成时差之间的约束关系，造成的信号错批、漏批的问题，使得本发明可以利用更丰富的时差信息进行信号分选，提高信号分选的准确率。

第二，由于本发明利用时差约束残差值进行分布式信号分选，没有使用脉内参数信息，避免了现有技术中混合体制雷达辐射源中的信号参数快变、易变，雷侦系统对脉冲描述字参数测量难度较大导致的利用脉冲描述字信息辅助匹配造成的信号错选、漏选的问题，同时，避免了利用脉内参数信息进行辅助匹配时当多个辐射源的脉内参数信息非常相似造成的信号分选效果一般的问题，使得本发明能够提高信号分选的准确率。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是利用本发明得到的辐射源分别到达主站和3个副站的时差分布图；

图3是本发明时差约束残差的三维分布图；

图4是本发明时差残差值的2范数分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的具体实现步骤做进一步的描述。

步骤1，计算主站和每个副站之间的时间窗。

按照下式，计算辐射源信号到达主站和第i个副站的最大时间差：

其中，t_i表示辐射源信号在一个脉冲发射周期中到达主站与第i个副站的最大时差值，l_0,i表示主站S₀与第i个副站之间的空间距离，i表示副站的序号，i＝1,2,...,N-1，N表示雷达接收站的总数，且N＞3，c表示电磁波的传播速度，c＝3×10⁸米/秒，D表示时差测量误差的均方根误差。

将主站与第i个副站的时间窗设定为[-t_i,t_i]，其中，-t_i表示t_i的负数。

步骤2，形成含有约束关系的候选时差组。

统计到达主站的脉冲信号与到达第i个副站的脉冲信号的到达时差落入时间窗内的所有时差，并绘制主站与第i个副站的时差统计直方图。

选取N-1个时差统计直方图中峰值满足门限值的所有时差，将所有时差中与i不同的所有时差值组成含有约束关系候选时差组。

所述门限值是在[3,5]之间根据经验选取的一个整数。

步骤3，按照下式，计算候选时差组的时差约束残差值组。

其中，

表示以列矩阵表达的候选时差组的时差约束残差值组，b表示以列矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差与主站和每个副站距离的关系，A表示以矩阵表达的主站坐标值和每个副站坐标值之间差值，Δt表示以矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差，

表示辐射源位置的坐标值与主站坐标值之差β的估计值，

表示辐射源到达主站的距离d的估计值。

所述的以列矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差与主站和每个副站距离的关系b如下：

其中，Δt₁表示辐射源到达主站和第一个副站的时差，Δt_i表示辐射源到达主站和第i个副站的时差，Δt_N-1表示辐射源到达主站和第N-1个副站的时差，²表示平方操作，x₀表示主站的横坐标值，x₁表示第一个副站的横坐标值，x_i表示第i个副站的横坐标值，x_N-1表示第N-1个副站的横坐标值，y₀表示主站的纵坐标值，y₁表示第一个副站的纵坐标值，y_i表示第i个副站的纵坐标值，y_N-1表示第N-1个副站的纵坐标值。

所述的以矩阵表达的主站坐标值和每个副站坐标值之间差值A如下：

所述的辐射源位置的坐标值与主站坐标值之差β的估计值

是由下式得到的：

其中，T表示转置操作，-1表示求逆操作。

步骤4，判断

是否大于判别门限μ+σ，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6，其中，

表示候选时差组的时差约束残差值组

的l₂范数，μ表示时差测量误差的均值，σ表示时差测量误差的标准差。

所述的候选时差组的时差约束残差值组

的l₂范数

是由下式得到的：

其中，Σ表示求和操作，

表示辐射源到达主站和第i个副站的时差约束残差值。

步骤5，将候选时差组判定为虚假候选时差组，丢弃该候选时差组。

步骤6，将候选时差组判定为真实的脉冲信号分选的时差组，将该时差组对应的脉冲信号作为正确的脉冲信号分选结果。

以下结合仿真实验，对本发明的效果进行进一步说明。

1.仿真条件：

本发明在

Core^TM i5-3470CPU 3.20GHz处理器，windows7操作系统上，用matlab2016a软件进行仿真。

仿真场景设置：为了验证本发明提出的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，本发明的仿真实验场景为在空间中设置6部辐射源，编号为1的辐射源重频信号类型为固定类型，信号频率为100Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(3.2427，2.2726，-1.0096)，编号为2的辐射源重频信号类型为固定类型，信号频率为125Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(-2.2625，-3.2126，-5.1442)，编号为3的辐射源重频信号类型为固定类型，信号频率为140Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(1.7422，3.9821，1.0536)，编号为4的辐射源重频信号类型为参差类型，信号频率为130Hz、160Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(-3.8824，5.6234，-3.1542)，编号为5的辐射源重频信号类型为参差类型，信号频率为110Hz、150Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(0.5335，-1.7352，-4.2378)，编号为6的辐射源重频信号类型为组变类型，信号频率为200Hz、210Hz、220Hz，辐射源信号到达主站与3个副站的时差组为(2.7823，0.4735，1.2513)。

设置仿真参数：主站1与从站2距离1km，主站1与从站3距离1.5km，主站1与从站4距离2km。通过本发明步骤1计算主站和每个副站的时间窗，设定主站1和副站2的时差窗范围为[-4,4]μs，主站1和副站3的时差窗范围为[-6,6]μs，主站1和副站4的时差窗范围为[-7,7]μs。时差统计直方图的峰值门限设置为3，时差约束残差的门限值设定为21。

2.仿真内容与结果分析：

本发明的仿真实验是使用本发明的方法对上述所述的6种类型辐射源信号分别进行信号分选。图2是主站分别与三个副站的到达时差分组示意图，其中，纵轴表示到达时差，单位是微秒，横轴表示到达时差的序号，图2中数值相等的到达时差值作为一种到达时差，将满足峰值门限的每种到达时差以一条横线作为一个到达时差分组，每条横线分别代表一种不同类型辐射源信号的到达时差。图2(a)是主站1与副站2到达时差分组示意图，图2(b)是主站1与副站3到达时差分组示意图，图2(c)是主站1与副站4到达时差分组示意图。图2(a)中有七条横线分别代表辐射源信号到达主站1与副站2之间七种满足峰值门限的落入时间窗的到达时差。图2(b)中有八条横线分别代表辐射源信号到达主站1与副站3之间八种满足峰值门限的落入时间窗的到达时差。图2(c)中有八条横线分别代表辐射源信号到达主站1与副站4之间八种满足峰值门限的落入时间窗的到达时差。

图3是本发明仿真实验的时差约束残差三维分布图，其中，横轴表示辐射源到达主站1和副站2的时差约束残差，纵轴表示辐射源到达主站1和副站3的时差约束残差，竖轴表示辐射源到达主站1和副站4的时差约束残差。从图3中时差约束残差的三个维度的坐标值可以看出有6组时差组的时差约束残差值比较小，可以分选出6个时差组。

图4是本发明仿真实验的时差残差值的2范数分布图，其中，横轴表示候选时差组的序号，纵轴表示残差2范数值，图中横线表示上述所述的时差约束残差门限值，根据门限值分选出6个残差2范数的值，对应6组真实时差组，完成6部辐射源的信号分选。

综上所述，从仿真效果图的分析可知，本发明提出的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，实现了在复杂信号下的分布式信号分选。仿真表明，本发明能够应用在复杂信号下识别多种类型的信号，分选效果良好，提高了信号分选的准确率。

Claims (6)

1.一种基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，利用不少于3个接收站接收到达时间，利用含有时差约束关系的候选时差组，带入时差约束伪线性方程组得到残差值；该分选方法的步骤包括如下：

步骤1，计算主站和每个副站之间的时间窗：

(1a)按照下式，计算辐射源信号到达主站和第i个副站的最大时间差：

其中，t_i表示辐射源信号在一个脉冲发射周期中到达主站与第i个副站的最大时差值，l_0,i表示主站S₀与第i个副站之间的空间距离，i表示副站的序号，i＝1,2,...,N-1，N表示雷达接收站的总数，且N＞3，c表示电磁波的传播速度，c＝3×10⁸米/秒，D表示时差测量误差的均方根误差；

(1b)将主站与第i个副站的时间窗设定为[-t_i,t_i]，其中，-t_i表示t_i的负数；

步骤2，形成含有约束关系的候选时差组：

(2a)统计到达主站的脉冲信号与到达第i个副站的脉冲信号的到达时差落入时间窗内的所有时差，并绘制主站与第i个副站的时差统计直方图；

(2b)选取N-1个时差统计直方图中峰值满足门限值的所有时差，将所有时差中与i不同的所有时差值组成含有约束关系候选时差组；

步骤3，按照下式，计算候选时差组的时差约束残差值组：

其中，

表示以列矩阵表达的候选时差组的时差约束残差值组，b表示以列矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差与主站和每个副站距离的关系，A表示以矩阵表达的主站坐标值和每个副站坐标值之间差值，Δt表示以矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差，

表示辐射源位置的坐标值与主站坐标值之差β的估计值，

表示辐射源到达主站的距离d的估计值；

步骤4，判断

是否大于判别门限μ+σ，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6，其中，

表示候选时差组的时差约束残差值组

的l₂范数，μ表示时差测量误差的均值，σ表示时差测量误差的标准差；

步骤5，将候选时差组判定为虚假候选时差组，丢弃该候选时差组；

步骤6，将候选时差组判定为真实的脉冲信号分选的时差组，将该时差组对应的脉冲信号作为正确的脉冲信号分选结果。

2.根据权利要求1所述的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，步骤(2b)中所述门限值是在[3,5]之间根据经验选取的一个整数。

3.根据权利要求1所述的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，步骤3中所述的以列矩阵表达的辐射源到达主站和每个副站的时差与主站和每个副站距离的关系b如下：

其中，Δt₁表示辐射源到达主站和第一个副站的时差，Δt_i表示辐射源到达主站和第i个副站的时差，Δt_N-1表示辐射源到达主站和第N-1个副站的时差，²表示平方操作，x₀表示主站的横坐标值，x₁表示第一个副站的横坐标值，x_i表示第i个副站的横坐标值，x_N-1表示第N-1个副站的横坐标值，y₀表示主站的纵坐标值，y₁表示第一个副站的纵坐标值，y_i表示第i个副站的纵坐标值，y_N-1表示第N-1个副站的纵坐标值。

4.根据权利要求1所述的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，步骤3中所述的以矩阵表达的主站坐标值和每个副站坐标值之间差值A如下：

5.根据权利要求1所述的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，步骤3中所述的辐射源位置的坐标值与主站坐标值之差β的估计值

是由下式得到的：

其中，T表示转置操作，-1表示求逆操作。

6.根据权利要求1所述的基于时差约束残差的分布式信号分选方法，其特征在于，步骤4中所述的候选时差组的时差约束残差值组

的l₂范数

是由下式得到的：

其中，Σ表示求和操作，

表示辐射源到达主站和第ⁱ个副站的时差约束残差值。

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