CN113848549B - 一种基于合成孔径技术的辐射源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于合成孔径技术的辐射源定位方法,本发明的定位方法通过控制电磁兼容测试设备进行复杂运动,合成具有二维空间结构的等效天线阵列,对辐射源进行成像,从而实现辐射源的精确定位;并结合后向投影技术,克服了传统频域分析方法只能用于直线运动轨迹信号分析的缺点,实现了任意运动轨迹下的辐射定位。由于合成了具有二维空间结构的天线孔径,本发明的定位方法具有更高的定位精度;由于采用了后向投影技术,本发明的方法可用于非直线运动的孔径合成,提高了辐射源定位方法的通用性。本发明的方法可显著提升电磁兼容测试设备对确知信号的定位精度,用于各种确知辐射源定位测量工作。
Description
技术领域
本发明属于电磁兼容测量技术领域,具体涉及一种辐射源定位方法。
背景技术
辐射源定位技术是电磁兼容测量领域的重要问题之一,辐射源定位对于提高电磁兼容测量设备的测试能力以及提升电磁兼容诊断水平具有重要意义。目前主要分离方法见,文献:王裕旗,孙光才,杨军,邢孟道,杨小牛,保铮,基于长合成孔径的辐射源成像定位算法”,雷达学报.2020,9(01)以及文献:张莉婷,郇浩,陶然,“基于被动合成孔径的单星无源高精度定位方法”,航天电子对抗.2020,36(06)。目前已经有研究人员将合成孔径技术用于通信基站、雷达等辐射源定位问题,但尚未见到有研究人员将该技术用于电磁兼容测量领域。
另外,目前基于合成孔径技术的定位方法主要采用频域分析方法,通过将信号分为快时间和慢时间,并设计一组频域滤波器,通过快速傅里叶变换、数据重排等技术,估计回波信号的多普勒调频率和多普勒中心频率,实现对辐射源的定位,但是该方法主要针对直线运动平台所建立的信号模型进行建模和算法设计,无法适用于复杂运动轨迹条件下的辐射源定位问题。
发明内容
为了将合成孔径技术用于电磁兼容测量技术,实现对确知辐射源的精确定位,提高电磁兼容测量仪器测试能力和精度,本发明提出了一种基于合成孔径技术的辐射源定位方法。
为了方便描述本发明的内容,首先作以下术语定义:
定义1:软件无线设采集设备
软件无线电采集设备是指具有射频前端、数字下变频、数据采集传输等功能的电子设备。该设备具有射频端口,如SMA型号接口,可以和射频天线连接,具有以太网口等通信接口,可以和数据处理设备连接,并将采集到的数据传递给数据处理设备。本发明中认为软件无线设采集设备采集到的数据为一维复数向量。软件无线设采集设备功能可通过通信端口配置,常见的配置参数包括,射频频率(或射频波长)、采样频率等。详见美国国家仪器(NI)有限公司产品手册“GETTING STARTED GUIDE USRP-2950/2952/2953/2954/2955USRPSoftware Defined Radio Reconfigurable Device”。
定义2:接收天线
接收天线是指用于接收空间中电磁波信号的设备。天线一般包括一个射频端口,如SMA型号接口等,可以和软件无线设采集设备连接。天线可以是无源天线,如全向天线等,也可以在天线的射频端口上增加射频滤波器、低噪声放大器、隔离器等射频器件,构成有源天线,提升天线的性能指标。详见:何业军,张龙著,天线技术,清华大学出版社,2021年。
定义3:数据处理设备
数据处理设备是指用于进行数据处理、分析和显示的设备,一般由电子计算机和配套数据处理与分析软件组成。数据处理设备具有以太网接口,可以和软件无线设采集设备连接,接收软件无线电采集到的数据,并可通过在数据处理设备上编写控制软件对软件无线设采集设备进行功能配置和参数设置。
定义4:测姿定位系统
测姿定位系统是指能够获得自身位置、姿态随时间变化关系的传感器,测姿定位系统包括卫星导航定位设备、惯性导航定位设备、无线室内定位设备等。测姿定位系统可以根据实际需要安装在其它设备、结构上,用于对设备、结构进行测姿定位。测姿定位系统输出为经过解算的位置、姿态信息,并通过各种接口协议传递给数据处理设备。
定义5:安装支架
安装支架是指用于容纳、固定各种设备而定制的金属、非金属支撑结构。如机柜、机架等。
定义6:运动车辆
运动车辆是指能够通过人力、助力或自主机构运动的车辆系统,如手推车、自动导引车(AGV)等。运动车辆除了能承载设备运动外,还具有供电接口,可为设备提供电源供应。
定义7:参考信号
参考信号是指在雷达、通信等系统中用于进行匹配滤波以获得距离向分辨率,并提高信噪比的已知信号。通过将参考信号与采集到的信号进行匹配滤波,即可得到脉冲压缩后的雷达信号,常见的参考信号包括线性调频信号、伪随机码信号等,详见:Ian,G.,Cumming等著,洪文等译,《合成孔径雷达成像算法与实现》,电子工业出版社,2019年。
定义7:标准的向量最大值寻找方法
标准的向量最大值寻找方法是指寻找一个向量中最大值的方法,如遍历法等,标准的向量最大值寻找方法可获得一个向量中的最大值和最大值对应的位置,详见MATLAB,“max”函数帮助文档。
定义8:复数的能量值
复数的能量值是指对复数取模平方后得到的实数值。
定义9:标准的插值重采样方法
标准的插值重采样方法是指利用一组自变量序列(本发明中称为“第一自变量”)和对应的因变量序列(本发明中称为“第一因变量”)获得另外一组自变量序列(本发明中成为“第二自变量”)所对应的因变量序列的技术。插值利用自变量-因变量序对获得特定的函数关系,重采样利用获得的函数关系和新的自变量序列计算对应的因变量序列。常见的插值重采样方法包括,分段线性插值、样条插值等,详见MATLAB“interp1”函数帮助文档。对于包含多个因变量分量的函数,如本发明中的“接收天线运动轨迹”,则需要对每个因变量分量分别进行插值和重采样。
定义10:标准的图像目标检测算法
标准的图像目标检测算法是图像处理中用于检测特定目标的方法,常见方法包括恒虚警检测法等,详见李岚、邓峰,、彭海良,“合成孔径雷达图像的恒虚警率目标检测”,华北工学院测试技术学报,2002年01期。
本发明的具体技术方案为:一种基于合成孔径技术的辐射源定位方法,包括如下步骤:
步骤1、初始化辐射源定位处理参数,
所述参数包括:测试频点波长,记作λ;参考信号,记作fref;系统采样频率,记作fs;数据预处理门限,记作Q,Q大于0且小于1;X轴方向投影栅格间隔,记作ρx;Y轴方向投影栅格间隔,记作ρy;投影空间起始位置x方向分量,记作x0;投影空间起始位置y方向分量,记作y0;投影空间起始位置z方向分量,记作z0;投影空间宽度,记作Lx;投影空间长度,记作Ly;
步骤2、测试系统构建,
将安装支架固定在运动车辆上,将软件无线电采集设备、接收天线、测姿定位系统、数据处理设备安装在安装支架上;
将软件无线电采集设备的电源接口、接收天线的电源接口、测姿定位系统的电源接口、数据处理设备的电源接口连接车辆的供电接口;
将软件无线电采集设备的射频端口连接到接收天线上,将软件无线电采集设备的以太网端口连接到数据处理设备上,将测姿定位系统的输出端口连接在数据处理设备上;
步骤3、采集测试数据,
根据步骤1中的测试频点波长λ、系统采样频率fs,利用数据处理设备上的控制软件设置软件无线电采集设备的射频波长参数和采样频率参数,通过手动或自动方式控制运动车辆围绕测试区域运动;
利用数据处理设备上的控制软件发出软件无线电采集设备控制指令和测姿定位系统查询指令,软件无线电采集设备根据软件无线电采集设备控制指令进行数据采集,得到电磁环境测量复向量,记作D1,并将电磁环境测量复向量D1通过以太网线传输到数据处理设备上,测姿定位系统根据测姿定位系统查询指令进行位置和姿态测量,得到接收天线运动轨迹向量,记作P,同时得到接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量,记作Timu;
步骤4、数据预处理,
利用参考信号fref对电磁环境测量复向量D1进行匹配滤波处理,得到匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2,利用标准的向量最大值寻找方法,寻找匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量最大值,记作M,选择匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量大于Q×M的复数分量,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量D3,记录最大值提取后的电磁环境测量复向量D3中每个分量在匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中的位置,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号,记作S3;
步骤5、电磁环境测量数据与接收天线运动轨迹对齐,
将最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号S3除以系统采样频率fs,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量,记作T3;
采用标准的插值重采样方法,以接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量Timu为第一自变量,以接收天线运动轨迹向量P为第一因变量,以最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量T3为第二因变量进行插值重采样,得到与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对齐后的接收天线运动轨迹P3;
步骤6、计算投影点位置,
定义投影空间像素序号为[idx,idy],利用公式x=idx×ρx+x0,y=idy×ρy+y0,z=z0,计算投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置,记作[x,y,z];
步骤7、计算投影点距离历史,
根据步骤6得到的投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置[x,y,z],利用公式计算得到投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量,记作R,其中,P3x(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的x分量,P3y(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的y分量,P3z(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的z分量;
步骤8、投影点能量累加,
根据步骤7得到的投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量R,利用公式S=exp(j×K×R),得到投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量,记作S,其中,exp为指数函数,j为虚数单位,K为测试频点波长λ对应的波数,K=2π/λ,将投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量S与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对应点相乘,得到相位补偿后的电磁环境测量复向量D4,对相位补偿后的电磁环境测量复向量D4求和,得到投影空间像素序号[idx,idy]处的辐射信号能量;
步骤9、遍历X方向所有投影点,
从1至投影空间宽度Lx遍历投影空间像素序号idx,重复步骤6~8,即可得到一维投影线内每个像素点的辐射信号能量;
步骤10、遍历Y方向所有投影点,
从1至投影空间宽度Ly遍历投影空间像素序号idy,重复步骤6~9,即可得到二维投影空间内每个像素点的辐射信号能量,即辐射源空间分布图;
步骤11、辐射源定位,
利用标准的图像目标检测算法,检测辐射源空间分布图中能量大于检测门限的辐射点,记录每个辐射点的位置,即可得到所有辐射源的位置。
本发明的有益效果:本发明的辐射源定位方法通过控制电磁兼容测试设备进行复杂运动,合成具有二维空间结构的等效天线阵列,对辐射源进行成像,从而实现辐射源的精确定位;并结合后向投影技术,克服了传统频域分析方法只能用于直线运动轨迹信号分析的缺点,实现了任意运动轨迹下的辐射定位。与现有技术相比,由于合成了具有二维空间结构的天线孔径,本发明的定位方法具有更高的定位精度;由于采用了后向投影技术,本发明的方法可用于非直线运动的孔径合成,提高了辐射源定位方法的通用性。本发明的方法可显著提升电磁兼容测试设备对确知信号的定位精度,可用于各种确知辐射源定位测量工作。
附图说明
图1为本发明实施例的定位方法流程示意图。
图2为本发明实施例的系统工作示意图。
图3为本发明实施例的系统连接关系图。
图4为本发明实施例的得到的仿真辐射源空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
为了验证本发明所提方法的可行性,申请人进行了仿真实验,验证了所提发明方法的有效性。
本发明实施例的定位方法流程如图1所示,具体包括如下步骤:
步骤1、初始化辐射源定位处理参数
为了实现辐射源定位,测试系统需提供如下初始化参数,包括测试频点波长λ=1.5m;参考信号fref;系统采样频率fs=10MHz;数据预处理门限Q=0.5;X轴方向投影栅格间隔ρx=1m;Y轴方向投影栅格间隔ρy=1m;投影空间起始位置x方向分量x0=-50m;投影空间起始位置y方向分量y0=-50m;投影空间起始位置z方向分量z0=0m;投影空间宽度Lx=100;投影空间长度Ly=100。
步骤2、测试系统构建
将安装支架固定在运动车辆上,将软件无线电采集设备安装在安装支架上,将接收天线安装在安装支架上,将测姿定位系统安装在安装支架上,将数据处理设备安装在安装支架上。
将软件无线电采集设备的电源接口连接车辆的供电接口,将接收天线的电源接口连接车辆的供电接口,将测姿定位系统的电源接口连接车辆的供电接口,将数据处理设备的电源接口连接车辆的供电接口。
将软件无线电采集设备的射频端口连接到接收天线上,将软件无线电采集设备的以太网端口连接到数据处理设备上,将测姿定位系统的输出端口连接在数据处理设备上。
图2为本发明实施例的系统工作示意图,其中,21为运动车辆及接收天线、软件无线电采集设备、数据处理设备和测姿定位设备;22为车辆运动轨迹;23为投影空间区域;24为第一个辐射源,25为第二个辐射源。
图3为本发明实施例的系统连接关系图,其中,31为电源线,32为以太网线,33为射频电缆。
步骤3、采集测试数据
根据步骤1中的测试频点波长λ、系统采样频率fs,利用数据处理设备上的控制软件设置软件无线电采集设备的射频波长参数和采样频率参数。通过手动或自动方式控制运动车辆围绕测试区域运动。
利用数据处理设备上的控制软件发出软件无线电采集设备控制指令和测姿定位系统查询指令。软件无线电采集设备根据软件无线电采集设备控制指令进行数据采集,得到电磁环境测量复向量,记作D1,并将电磁环境测量复向量D1通过以太网线传输到数据处理设备上。测姿定位系统根据测姿定位系统查询指令进行位置和姿态测量,得到接收天线运动轨迹向量,记作P,同时得到接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量,记作Timu。
步骤4、数据预处理
利用参考信号fref对电磁环境测量复向量D1进行匹配滤波处理,得到匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2。利用标准的向量最大值寻找方法,寻找匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量最大值,记作M,选择匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量大于0.5M的复数分量得到最大值提取后的电磁环境测量复向量D3,记录最大值提取后的电磁环境测量复向量D3中每个分量在匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中的位置,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号,记作S3。
步骤5、电磁环境测量数据与接收天线运动轨迹对齐
将最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号S3除以系统采样频率fs,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量,记作T3。
采用标准的插值重采样方法,以接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量Timu为第一自变量,以接收天线运动轨迹向量P为第一因变量,以最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量T3为第二因变量进行插值重采样,得到与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对齐后的接收天线运动轨迹P3。
步骤6、计算投影点位置
定义投影空间像素序号为[idx,idy],利用公式x=idx×ρx+x0,y=idy×ρy+y0,z=z0,计算投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置,记作[x,y,z]。
步骤7、计算投影点距离历史
根据步骤6得到的投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置[x,y,z],利用公式计算得到投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量,记作R,其中,P3x(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的x分量,P3y(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的y分量,P3z(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的z分量。
步骤8、投影点能量累加
根据步骤7得到的投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量R,利用公式S=exp(j×K×R),得到投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量,记作S,其中,exp为指数函数,j为虚数单位,K为测试频点波长λ对应的波数,K=4.1888。将投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量S与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对应点相乘,得到相位补偿后的电磁环境测量复向量D4,对相位补偿后的电磁环境测量复向量D4求和,得到投影空间像素序号[idx,idy]处的辐射信号能量。
步骤9、遍历X方向所有投影点
从1至投影空间宽度Lx遍历投影空间像素序号idx,重复步骤6~8,即可得到一维投影线内每个像素点的辐射信号能量。
步骤10、遍历Y方向所有投影点
从1至投影空间宽度Ly遍历投影空间像素序号idy,重复步骤6~9,即可得到二维投影空间内每个像素点的辐射信号能量,即辐射源空间分布图。
步骤11、辐射源定位
利用标准的图像目标检测算法,检测辐射源空间分布图中能量大于检测门限的辐射点,记录每个辐射点的位置,即可得到所有辐射源的位置。
通过上述步骤,即可实现辐射源定位。
需要说明的是,对单频辐射源信号定位时,在数据处理过程中,可跳过“步骤4、数据预处理”,电磁环境测量复向量D1即可作为本发明中最大值提取后的电磁环境测量复向量D3,接收天线运动轨迹向量P即可作为本发明中最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号S3。
另外,步骤3中“通过手动或自动方式控制运动车辆围绕测试区域运动”的运动轨迹可以为直线、环形、L型、复杂曲线等轨迹,不影响本发明方法的有效性。
图4给出来本发明实施例的得到的仿真辐射源空间分布图,其中,41为第一个辐射源,42为第二个辐射源,图中其它位置为辐射源之间的干扰能量。
可以看出,由于合成了具有二维空间结构的天线孔径,本发明的定位方法具有更高的定位精度;由于采用了后向投影技术,本发明的方法可用于非直线运动的孔径合成,提高了辐射源定位方法的通用性。
Claims (1)
1.一种基于合成孔径技术的辐射源定位方法,包括如下步骤:
步骤1、初始化辐射源定位处理参数,
所述参数包括:测试频点波长,记作λ;参考信号,记作fref;系统采样频率,记作fs;数据预处理门限,记作Q,Q大于0且小于1;X轴方向投影栅格间隔,记作ρx;Y轴方向投影栅格间隔,记作ρy;投影空间起始位置x方向分量,记作x0;投影空间起始位置y方向分量,记作y0;投影空间起始位置z方向分量,记作z0;投影空间宽度,记作Lx;投影空间长度,记作Ly;
步骤2、测试系统构建,
将安装支架固定在运动车辆上,将软件无线电采集设备、接收天线、测姿定位系统、数据处理设备安装在安装支架上;
将软件无线电采集设备的电源接口、接收天线的电源接口、测姿定位系统的电源接口、数据处理设备的电源接口连接车辆的供电接口;
将软件无线电采集设备的射频端口连接到接收天线上,将软件无线电采集设备的以太网端口连接到数据处理设备上,将测姿定位系统的输出端口连接在数据处理设备上;
步骤3、采集测试数据,
根据步骤1中的测试频点波长λ、系统采样频率fs,利用数据处理设备上的控制软件设置软件无线电采集设备的射频波长参数和采样频率参数,通过手动或自动方式控制运动车辆围绕测试区域运动;
利用数据处理设备上的控制软件发出软件无线电采集设备控制指令和测姿定位系统查询指令,软件无线电采集设备根据软件无线电采集设备控制指令进行数据采集,得到电磁环境测量复向量,记作D1,并将电磁环境测量复向量D1通过以太网线传输到数据处理设备上,测姿定位系统根据测姿定位系统查询指令进行位置和姿态测量,得到接收天线运动轨迹向量,记作P,同时得到接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量,记作Timu;
步骤4、数据预处理,
利用参考信号fref对电磁环境测量复向量D1进行匹配滤波处理,得到匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2,利用标准的向量最大值寻找方法,寻找匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量最大值,记作M,选择匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中能量大于Q×M的复数分量,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量D3,记录最大值提取后的电磁环境测量复向量D3中每个分量在匹配滤波后的电磁环境测量复向量D2中的位置,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号,记作S3;
步骤5、电磁环境测量数据与接收天线运动轨迹对齐,
将最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间序号S3除以系统采样频率fs,得到最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量,记作T3;
采用标准的插值重采样方法,以接收天线运动轨迹向量所对应的时间向量Timu为第一自变量,以接收天线运动轨迹向量P为第一因变量,以最大值提取后的电磁环境测量复向量对应的时间向量T3为第二因变量进行插值重采样,得到与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对齐后的接收天线运动轨迹P3;
步骤6、计算投影点位置,
定义投影空间像素序号为[idx,idy],利用公式x=idx×ρx+x0,y=idy×ρy+y0,z=z0,计算投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置,记作[x,y,z];
步骤7、计算投影点距离历史,
根据步骤6得到的投影空间像素序号[idx,idy]对应的像素点的像素位置[x,y,z],利用公式计算得到投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量,记作R,其中,P3x(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的x分量,P3y(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹P3的第i个时刻的y分量,P3z(i)为与最大值提取后的电磁环境测量复向量对齐后的接收天线运动轨迹F3的第i个时刻的z分量;
步骤8、投影点能量累加,
根据步骤7得到的投影空间像素序号[idx,idy]相对于接收天线的距离历史向量R,利用公式S=exp(j×K×R),得到投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量,记作S,其中,exp为指数函数,j为虚数单位,K为测试频点波长λ对应的波数,K=2π/λ,将投影空间像素序号[idx,idy]的相位补偿向量S与最大值提取后的电磁环境测量复向量D3对应点相乘,得到相位补偿后的电磁环境测量复向量D4,对相位补偿后的电磁环境测量复向量D4求和,得到投影空间像素序号[idx,idy]处的辐射信号能量;
步骤9、遍历X方向所有投影点,
从1至投影空间宽度Lx遍历投影空间像素序号idx,重复步骤6~8,即可得到一维投影线内每个像素点的辐射信号能量;
步骤10、遍历Y方向所有投影点,
从1至投影空间宽度Ly遍历投影空间像素序号idy,重复步骤6~9,即可得到二维投影空间内每个像素点的辐射信号能量,即辐射源空间分布图;
步骤11、辐射源定位,
利用标准的图像目标检测算法,检测辐射源空间分布图中能量大于检测门限的辐射点,记录每个辐射点的位置,即可得到所有辐射源的位置。
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