CN113625273B - 混叠数字信号合成孔径定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混叠数字信号合成孔径定位方法，涉及雷达信号处理领域，包括：按照预设采样时间，接收辐射源发射的信号，得到多个回波信号；针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并获得第一回波信号；对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；在慢时间域对第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；根据预设距离构造匹配滤波器，并根据第三回波信号及匹配滤波器确定目标辐射源；获得目标辐射源的方位位置和距离位置。本发明从多个维度对时频耦合的回波信号进行分离，将多辐射源定位问题转化为单一辐射源的定位问题，通过引入合成孔径体制，提高了辐射源定位精度。

Description

混叠数字信号合成孔径定位方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及一种混叠数字信号合成孔径定位方法。
背景技术
定位技术在导航、目标检测及信号处理等多个领域有着重要的作用，常见的定位技术包括有源定位和无源定位，其中，无源定位是通过接收雷达、无线电通信设备等辐射源发出的电磁波信号对目标进行识别、分析和定位，它自带隐身性能的特点弥补了有源定位的不足，因而得到了越来越广泛的应用。
在对静止的多辐射源定位时，辐射源信号的分离以及定位参数的估计至关重要。相关技术中通常利用测向定位法、到达时间定位法、多普勒频率定位法或方位-到达时间联合定位法实现辐射源的定位。然而，当多个辐射源信号存在时频耦合时，各个信号分量之间相互影响，上述方法不能将各辐射源的信号有效分离，导致定位精度降低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种混叠数字信号合成孔径定位方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供一种混叠数字信号合成孔径定位方法，应用于合成孔径雷达，所述合成孔径雷达的监测区域内包括多个静止的辐射源；
所述混叠数字信号合成孔径定位方法包括：
按照预设采样时间，接收所述辐射源发射的信号，得到多个回波信号；
针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并将傅里叶变换后的回波信号作为第一回波信号；
对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；
在慢时间域对所述第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；
根据预设距离构造匹配滤波器，并根据所述第三回波信号及所述匹配滤波器确定目标辐射源；
确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置。
在本发明的一个实施例中，确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤之后，还包括：
根据所述目标辐射源的方位位置及发射频率，确定第一滤波器的中心；
根据所述中心构造第一滤波器；
利用所述第一滤波器分离出所述目标辐射源对应的信号分量，并计算得到所述目标辐射源对应的回波信号。
在本发明的一个实施例中，按照如下公式确定所述第一滤波器的中心：
tm＝Xi/v
式中，Xi表示第i个辐射源的方位坐标，v表示所述合成孔径雷达的运行速度，ti为所述第一滤波器的中心。
在本发明的一个实施例中，根据预设距离构造匹配滤波器的步骤，包括：
根据驻定相位原理和预设距离，在多普勒域构造匹配滤波器。
在本发明的一个实施例中，所述匹配滤波器为：
其中，fa表示多普勒频率，fi表示第i个辐射源的发射频率，Rk表示预设距离，j表示虚数单位，γm表示多普勒调频，且c表示光速。
在本发明的一个实施例中，根据所述第三回波信号及所述匹配滤波器确定目标辐射源的步骤，包括：
输入所述第三回波信号至所述匹配滤波器，将所述匹配滤波器的输出作为第四回波信号；
根据所述第四回波信号，将第一距离与所述预设距离相等的辐射源确定为目标辐射源；其中，所述第一距离为各辐射源与所述合成孔径雷达航线之间的垂直距离。
在本发明的一个实施例中，确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤，包括：
对所述第四回波信号进行峰值检测，确定峰值点；
根据所述峰值点确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置。
在本发明的一个实施例中，针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换的步骤之前，还包括：
利用预设带通滤波器对所述回波信号进行滤波。
在本发明的一个实施例中，所述第一回波信号为：
其中，Ai表示第i个辐射源对应的回波信号的载波幅度，表示第i个辐射源对应的回波信号的调制相位，δ(·)为冲激函数，Ri(tm)表示所述合成孔径雷达到第i个辐射源的瞬时斜距，c表示光速，f表示载频，fi表示第i个辐射源的发射频率，tm表示所述合成孔径雷达的方位慢时间，j表示虚数单位。
在本发明的一个实施例中，所述第二回波信号为：
其中，Ri表示第i个辐射源的第一距离，Xi表示第i个辐射源的方位坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的混叠数字信号合成孔径定位方法，包括：按照预设采样时间，接收辐射源发射的信号，得到多个回波信号；针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并将傅里叶变换后的回波信号作为第一回波信号；对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；在慢时间域对第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；根据预设距离构造匹配滤波器，并根据第三回波信号及匹配滤波器确定目标辐射源；确定目标辐射源的方位位置和距离位置。本发明从时域、频域、空域等维度对时频耦合的回波信号进行分离，将多辐射源定位问题转化为单一辐射源的定位问题，并且通过引入合成孔径体制，利用长的虚拟阵列实现无源定位，有效提高了辐射源的定位精度。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的混叠数字信号合成孔径定位方法的一种流程示意图；
图2是本发明实施例提供的回波信号的距离频谱示意图；
图3a是本发明实施例提供的一个ASK信号的多普勒谱示意图；
图3b是本发明实施例提供的一个ASK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图4a是本发明实施例提供的另一ASK信号的多普勒谱示意图；
图4b是本发明实施例提供的另一ASK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图5a是本发明实施例提供的另一ASK信号的多普勒谱示意图；
图5b是本发明实施例提供的另一ASK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图6a是本发明实施例提供的一个BPSK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图6b是本发明实施例提供的另一BPSK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图6c是本发明实施例提供的另一BPSK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图7a是本发明实施例提供的一个QPSK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图7b是本发明实施例提供的另一QPSK信号对应的辐射源定位结果示意图；
图7c是本发明实施例提供的另一QPSK信号对应的辐射源定位结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明实施例提供的混叠数字信号合成孔径定位方法，应用于合成孔径雷达，合成孔径雷达的监测区域内包括多个静止的辐射源；
上述混叠数字信号合成孔径定位方法包括：
S101、按照预设采样时间，接收辐射源发射的信号，得到多个回波信号；
S102、针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并将傅里叶变换后的回波信号作为第一回波信号；
S103、对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；
S104、在慢时间域对第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；
S105、根据预设距离构造匹配滤波器，并根据第三回波信号及匹配滤波器确定目标辐射源；
S106、确定目标辐射源的方位位置和距离位置。
本实施例中，合成孔径雷达的监测区域内包括多个静止的辐射源，各辐射源的坐标可表示为Pi＝[Xi,Ri]T，i＝1,2,...,N，其中，N为监测区域内的辐射源个数，Pi为第i个辐射源，Xi为辐射源Pi的方位坐标，Ri为辐射源Pi的距离坐标。
可选地，雷达的预设采样时间可用快时间tr和慢时间tm来表示，即(tr,tm)，雷达在预设采样时间(tr,tm)接收多个辐射源发射的信号，得到回波信号：
式中，si(t)表示合成孔径雷达接收辐射源Pi的发射信号所得到的回波信号。
上述步骤S102中，针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换后，得到第一回波信号：
其中，Ai表示第i个辐射源对应的回波信号的载波幅度，表示第i个辐射源对应的回波信号的调制相位，δ(·)为冲激函数，Ri(tm)表示合成孔径雷达到第i个辐射源的瞬时斜距，c表示光速，f表示载频，fi表示第i个辐射源的发射频率，tm表示合成孔径雷达的方位慢时间，j表示虚数单位。
本实施例中，针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换的步骤之前，还包括：
利用预设带通滤波器对回波信号进行滤波。
受到预设采样时间即采样频率的限制，当辐射源发射的信号的频带范围较大时，在快时间域对回波信号进行傅里叶变换时可能出现频率模糊的问题，进而造成较大的定位误差，本实施例先利用预设带通滤波器对回波信号进行滤波，能够解决频率模糊问题，有利于保证辐射源的定位精度。
上述步骤S103中，对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，也就是说，将各发射频率下的第一回波信号与exp{-j2fitm}相乘，得到第二回波信号：
其中，Ri表示第i个辐射源与合成孔径雷达航线之间的垂直距离，即第一距离，Xi表示第i个辐射源的方位坐标，v表示合成孔径雷达的运行速度，c表示光速。进一步地，/>
本实施例中，匹配滤波的构造在多普勒域完成。具体地，根据预设距离构造匹配滤波器的步骤，包括：
根据驻定相位原理和预设距离，在多普勒域构造匹配滤波器。
其中，匹配滤波器为：
其中，fa表示多普勒频率，fi表示第i个辐射源的发射频率，Rk表示预设距离，v表示合成孔径雷达的运行速度，j表示虚数单位，γm表示多普勒调频，且c表示光速。
可选地，根据第三回波信号及匹配滤波器确定目标辐射源的步骤，包括：
输入第三回波信号至匹配滤波器，将匹配滤波器的输出作为第四回波信号；
根据第四回波信号，将第一距离与预设距离相等的辐射源确定为目标辐射源；其中，第一距离为各辐射源与合成孔径雷达航线之间的垂直距离。
本实施例中，第三回波信号经过匹配滤波器后，输出为：
其中，psf(·)称为点散布函数(Pointspread function，PSF)，Rk表示预设距离。
可以理解的是，在经过匹配滤波处理后的第四回波信号中，只有当Rk＝Ri，即某个第四信号对应的辐射源与合成孔径雷达航线之间的垂直距离(第一距离)与预设距离相等时，第四信号才会完全聚焦，否则无法完全实现聚焦。显然，在某个第四信号完全聚焦时，该第四信号对应的辐射源即为目标辐射源。
进一步地，确定目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤，包括：
对第四回波信号进行峰值检测，确定峰值点；
根据峰值点确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置。
应当理解，实际上预设距离Rk为合成孔径雷达到目标辐射源的斜距，相当于是目标辐射源方位位置的平方加距离位置的平方，然后再开方，但由于目标辐射源的距离位置远大于其方位位置，本实施例中可以近似地把预设距离Rk认为是目标辐射源的距离位置。
为了进一步提高定位精度，在本发明的一些其他实施例中，还可以根据匹配滤波器输出的第四回波信号绘制二维图像，然后对二维图像进行峰值检测，并根据峰值点确定目标辐射源的距离位置和方位位置。
另外，由于合成孔径雷达的探测区域中包括多个辐射源，因此在完成对一个目标辐射源的定位之后，需要将该目标辐射源对应的回波信号加以分离，从而将多辐射源定位问题转化为单一辐射源的定位问题。
具体地，获得目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤之后，还包括：
根据目标辐射源的方位位置及发射频率，确定第一滤波器的中心；
根据中心构造第一滤波器；
利用第一滤波器分离出目标辐射源对应的信号分量，并计算得到目标辐射源对应的回波信号。
其中，按照如下公式确定第一滤波器的中心：
ti＝Xi/v
式中，Xi表示第i个辐射源的方位坐标，v表示合成孔径雷达的运行速度，ti为第一滤波器的中心。
本实施例中，对聚焦后的第四回波信号构造以ti＝Xi/v为中心的第一滤波器，从而分离出目标辐射源对应的信号分量，然后通过聚焦的逆过程来获得的回波信号。
可选地，聚焦的逆过程可以表示为
其中，H-1(fi,fa；Rk)是上述H(fi,fa；Rk)的逆函数。
需要说明的是，本实施例可采取先分离低次调制信号、后分离高次调制信号的方式逐一分离出不同辐射源的回波信号。应当理解，基带信号一般都是通过对高频载波进行调制、并加载到载波上进行传输，本实施例中的调制信号即为合成孔径雷达接收到的信号。
下面，通过仿真实验对上述混叠数字信号合成孔径定位方法做进一步说明。
设置合成孔径雷达的探测范围为6km*2.4km(距离*方位)，探测范围内的辐射源个数为9个，包括：3个ASK信号、3个BPSK信号和3个QPSK信号，且辐射源发射信号的频率范围为800MHz～5GHz，信号类型为编码信号，各辐射源所发射信号的参数如下表所示，其中，表1中各辐射源的位置包含辐射源的方位坐标和距离坐标。
表1
中心频率(GHz) 调制样式 带宽(MHz) 位置(m)
1 4.2317 QPSK 69.7428 (47000,-1200)
2 3.5532 QPSK 62.2221 (47000,-1200)
3 1.5307 2ASK 82.3934 (47000,-1200)
4 0.9567 2ASK 67.2725 (47000,-400)
5 3.3786 BPSK 24.0833 (50000,-400)
6 2.8025 2ASK 73.0462 (50000,-400)
7 3.4941 QPSK 42.1529 (50000,400)
8 2.7677 BPSK 99.6306 (53000,1200)
9 0.8266 BPSK 58.0173 (53000,1200)
表2
平台速度 800m/s
平台高度 12.6km
地面距离 50km
采样率 6GHz
方位采样率 3000Hz
合成时间 4s
图3a、图4a和图5a为仿真实验中3个ASK信号的多普勒示意图，图3b、图4b和图5b为上述3个ASK信号对应的辐射源定位结果示意图，可见，采用本发明混叠数字信号合成孔径定位方法计算得到的3个ASK信号对应的辐射源定位误差分别为50.0820m，20.0089m，10.0060m。
此外，图6a、图6b和图6c是本发明实施例提供的3个BPSK信号对应的辐射源定位结果示意图，图7a、图7b和图7c是本发明实施例提供的3个QPSK信号对应的辐射源定位结果示意图，采用上述混叠数字信号合成孔径定位方法计算得到的3个BPSK信号对应的辐射源定位误差分别为30.0123m，40.0048m，20.0034m，而3个QPSK信号对应的辐射源定位误差分别为30.0008m，20.0000m，40.0022m。
通过上述仿真结果可知，在合成孔径雷达与辐射源位置约为51km的情况下，与各辐射源的实际模拟位置相比，本发明提供的混叠数字信号合成孔径定位方法计算得到的多个辐射源信号的定位误差在10m-50m之间，与相关技术相比，该方法的定位精度得到显著提高。
基于上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
本发明提供的混叠数字信号合成孔径定位方法，包括：按照预设采样时间，接收辐射源发射的信号，得到多个回波信号；针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并将傅里叶变换后的回波信号作为第一回波信号；对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；在慢时间域对第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；根据预设距离构造匹配滤波器，并根据第三回波信号及匹配滤波器确定目标辐射源；获得目标辐射源的方位位置和距离位置。本发明从时域、频域、空域等维度对时频耦合的回波信号进行分离，将多辐射源定位问题转化为单一辐射源的定位问题，并且通过引入合成孔径体制，利用长的虚拟阵列实现无源定位，有效提高了辐射源的定位精度。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，应用于合成孔径雷达，所述合成孔径雷达的监测区域内包括多个静止的辐射源；
所述混叠数字信号合成孔径定位方法包括：
按照预设采样时间，接收所述辐射源发射的信号，得到多个回波信号；
针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换，确定每个回波信号对应的发射源的发射频率，并将傅里叶变换后的回波信号作为第一回波信号；
对各发射频率下的第一回波信号在方位向去载频，得到第二回波信号；
在慢时间域对所述第二回波信号进行傅里叶变换，得到第三回波信号；
根据预设距离构造匹配滤波器，并根据所述第三回波信号及所述匹配滤波器确定目标辐射源；
确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置；
确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤之后，还包括：
根据所述目标辐射源的方位位置及发射频率，确定第一滤波器的中心；
根据所述中心构造第一滤波器；
利用所述第一滤波器分离出所述目标辐射源对应的信号分量，并计算得到所述目标辐射源对应的回波信号；
按照如下公式确定所述第一滤波器的中心：
tm＝Xi/v
式中，Xi表示第i个辐射源的方位坐标，v表示所述合成孔径雷达的运行速度，ti为所述第一滤波器的中心；
根据所述第三回波信号及所述匹配滤波器确定目标辐射源的步骤，包括：
输入所述第三回波信号至所述匹配滤波器，将所述匹配滤波器的输出作为第四回波信号；
根据所述第四回波信号，将第一距离与所述预设距离相等的辐射源确定为目标辐射源；其中，所述第一距离为各辐射源与所述合成孔径雷达航线之间的垂直距离；
确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置的步骤，包括：
对所述第四回波信号进行峰值检测，确定峰值点；
根据所述峰值点确定所述目标辐射源的方位位置和距离位置。
2.根据权利要求1所述的混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，根据预设距离构造匹配滤波器的步骤，包括：
根据驻定相位原理和预设距离，在多普勒域构造匹配滤波器。
3.根据权利要求2所述的混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，所述匹配滤波器为：
其中，fa表示多普勒频率，fi表示第i个辐射源的发射频率，Rk表示预设距离，j表示虚数单位，γm表示多普勒调频，且c表示光速。
4.根据权利要求1所述的混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，针对各回波信号，在快时间域进行傅里叶变换的步骤之前，还包括：
利用预设带通滤波器对所述回波信号进行滤波。
5.根据权利要求1所述的混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，所述第一回波信号为：
其中，Ai表示第i个辐射源对应的回波信号的载波幅度，表示第i个辐射源对应的回波信号的调制相位，δ(·)为冲激函数，Ri(tm)表示所述合成孔径雷达到第i个辐射源的瞬时斜距，c表示光速，f表示载频，fi表示第i个辐射源的发射频率，tm表示所述合成孔径雷达的方位慢时间，j表示虚数单位。
6.根据权利要求5所述的混叠数字信号合成孔径定位方法，其特征在于，所述第二回波信号为：
其中，Ri表示第i个辐射源的第一距离，Xi表示第i个辐射源的方位坐标。
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