CN114460539A - 基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，利用干涉仪天线(两副并排放置的接收天线)接收辐射源信号，将两路接收信号进行相位差分，低通滤波后提取差分信号相位进行线性拟合，记录零相位所对应的时刻，结合定位平台飞行速度获得方位向距离；提取干涉仪中一副天线的接收信号零相位时刻所对频率，即为残余频偏。将单个天线的接收信号去调制，利用不同调频率的匹配滤波器搜索，估计多普勒调频率，获得距离向距离，结合方位向距离，实现最终定位。本发明能够精确估计出残余频偏与方位向距离，且能够将被动合成孔径辐射源定位由二维搜索减至一维搜索，大大降低运算复杂度。

Description

基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，属于被动辐射源侦察定位领域。
背景技术
经典被动合成孔径辐射源定位方法通过设置不同调频率与初始频偏的匹配滤波器进行相关运算完成二维搜索，提取最大相关值所对应的调频率与频偏解算距离向与方位向距离实现辐射源定位。由于多普勒信号近似为线性调频信号，模糊函数为山脊形，对频偏不敏感。因此在定位过程中，接收信号残余频偏难以准确估计，导致方位向定位误差较大，限制了被动合成孔径辐射源定位系统的实际应用性能。
发明内容
为解决经典被动合成孔径辐射源定位方法在实际应用过程中所面临的接收信号残余频偏难以准确估计，方位向定位误差过大的问题，本发明公开了基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法。利用干涉仪天线与相位差分运算消除接收信号中的残余频偏，提取相位差分信号的0相位时刻及对应多普勒信号频率实现残余频偏的精确估计与方位向高精度定位。
本发明的技术方案具体包括如下步骤：
基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，包括以下步骤：
步骤一：接收天线为两规格相同、平行于飞行轨迹放置的干涉仪天线；
步骤二：定位平台以v匀速直线飞越目标辐射源上空，两接收天线均为正侧视，持续接收信号，分别记为x1(t)与x2(t)：
Figure BDA0003504181620000011
Figure BDA0003504181620000012
其中，A(t)为调制信号；ω0为信号载频；c为光速；
Figure BDA0003504181620000013
为发射信号的起始相位；R0为距离向距离；tp为方位向时刻；l为接收天线间距；
步骤三：计算两通道接收信号x1(t)与x2(t)间的相位差值：
Figure BDA0003504181620000021
步骤四：对相位差分运算后的信号x(t)低通滤波、计算相位、进行线性拟合，提取0相位时刻tp，获得方位向距离Ra的精确估计值；
Ra＝vtp (4)
步骤五：提取单通道接收信号xs(t)tp时刻的信号频率f1，为残余频偏的精确估计值；
步骤六：提取[tp-Ts/2,tp+Ts/2]内定位平台的三维坐标(px(t),py(t),pz(t))，Ts为合成孔径时间，px(t)、py(t)、pz(t)分别为x、y、z轴的定位平台瞬时位置坐标；设置距离向距离搜索范围r1,r2,r3,…,rL，并生成距离向距离搜索匹配滤波器mi(t),i＝1...L，L为匹配滤波器的个数；
步骤七：对xs(t)进行去调制预处理，截取[tp-Ts/2,tp+Ts/2]时段内的信号xa(t)，与本地匹配滤波器m1(t),m2(t),m3(t),…,mL(t)相乘后进行求和运算；
Mi＝∫xa(t)×mi(t),i＝1,2,3,…,L (5)
步骤八：搜索匹配滤波运算结果M1,M1,…,ML中的最大值Mb，其对应距离rb即为距离向距离估计值R0，结合前文所得方位向距离估计值Ra实现目标辐射源定位。
其中，所述步骤五中单通道接收信号xs(t)的获取方法为从接收信号x1(t)与x2(t)中任选一信号作为xs(t)：
xs(t)＝x1(t)或xs(t)＝x2(t) (6)。
进一步，所述步骤六中距离向距离搜索匹配滤波器m1(t),m2(t),m3(t),…,mL(t)的生成方法为利用距离向距离搜索值r1,r2,r3,…,rL与定位平台的三维坐标(px(t),py(t),pz(t))，计算过顶时段[tp-Ts/2,tp+Ts/2]内的斜距，除以光速获得时延，依据几何关系与残余频偏f1生成本地距离搜索匹配滤波器组：
Figure BDA0003504181620000022
其中，fr为接收机下变频频率；h为无人机飞行高度。
本发明公开了基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，用于接收信号残余频偏的精确估计与方位向高精度定位。本发明解决了现有被动合成孔径辐射源定位方法难以精准估计接收信号残余频偏从而导致定位失准的问题。
本发明利用干涉仪天线(两副并排放置的接收天线)接收辐射源信号，将两路接收信号进行相位差分，低通滤波后提取差分信号相位进行线性拟合，记录零相位所对应的时刻，结合定位平台飞行速度获得方位向距离；提取干涉仪中一副天线的接收信号零相位时刻所对频率，即为残余频偏。将单个天线的接收信号去调制，利用不同调频率的匹配滤波器搜索，估计多普勒调频率，获得距离向距离，结合方位向距离，实现最终定位。与传统被动合成孔径辐射源定位方法相比，基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法能够精确估计出残余频偏与方位向距离，且能够将被动合成孔径辐射源定位由二维搜索减至一维搜索，大大降低运算复杂度。本发明可应用于被动辐射源定位领域。
附图说明
图1为现有技术残余频偏对方位向定位结果影响示意图；
图2为现有技术线性调频信号模糊函数示意图；
图3为本发明基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法处理流程示意图；
图4为实施例定位过程简化几何模型示意图；
图5为实施例干涉仪接收天线结构示意图；
图6为实施例相位差分结果幅度/相位曲线示意图；
图7为实施例噪声环境下，相位差分结果线性拟合示意图；
图8为实施例距离向距离搜索示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
参照图1，在传统被动合成孔径通信辐射源定位方法中，残余频偏会影响方位向定位结果，即方位向匹配时刻会随残余频偏变化而变化。载波多普勒信号为线性调频信号，模糊函数为山脊形(如图2)，对残余不敏感，导致接收信号中的残余频偏难以精确估计，进而影响方位向定位精度。
针对该问题，本发明提供了一种残余频偏与方位向距离精确估计的方法及系统，其流程示意图如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：为验证方法的可行性，选择无人机作为定位平台，定位过程的简化几何模型如图4所示。地面目标辐射源为通信辐射源，载频f0为5GHz，调制方式为BPSK。无人机所携带的接收机采样率为2MHz，接收天线为干涉仪天线(如图5所示)，即两规格相同、平行于飞行轨迹的正侧视接收天线，间距l为0.4m，景中心斜距即距离向距离R0为10km，合成孔径时间为1s。
步骤二：无人机定位平台以v＝15m/s匀速直线飞越目标辐射源上空，两通道的接收信号x1(t)与x2(t)可以表示为：
Figure BDA0003504181620000041
Figure BDA0003504181620000042
其中，A(t)为调制信号；ω0＝2πf0为信号载频；c为光速；
Figure BDA0003504181620000043
为发射信号的起始相位；tp为方位向时刻。
步骤三：计算两通道接收信号x1(t)与x2(t)间的相位差值，如公式(3)所示。
Figure BDA0003504181620000044
步骤四：相位差分信号x(t)近似为一个正弦信号。本场景中该信号频率近似为0.01Hz，幅度/相位曲线如图6所示。定位平台过顶时，辐射源到两接收天线距离相同，差分信号x(t)相位为0。可以此为依据，对相位差分信号x(t)低通滤波、计算相位、进行线性拟合(如图7所示)，提取0相位时刻tp估计方位向距离Ra。
Ra＝vtp (4)
步骤五：相位差分信号x(t)的0相位时刻tp对应的载波多普勒信号频率为0Hz，此时提取两接收通道中的一路接收信号(x1(t)或x2(t))的频率f1，即为残余频偏的精确估计值。
步骤六：提取[tp-0.5,tp+0.5]间无人机定位平台的三维坐标(px(t),py(t),pz(t))，px(t)、py(t)、pz(t)分别为x、y、z轴的定位平台瞬时位置坐标。并生成距离向距离搜索匹配滤波器mi(t),i＝1...L，L为匹配滤波器的个数；
Figure BDA0003504181620000051
其中，fr为接收机下变频频率；h为无人机飞行高度。
步骤七：提取两接收通道中的一路接收信号(x1(t)或x2(t))的载波多普勒信号进行匹配滤波处理搜索距离向距离。以目标辐射源信号为BPSK调制信号为例，利用平方谱去除数据调制，截取[tp-0.5,tp+0.5]时段内的信号xa(t)(xa(t)＝x1 2(t)或x2 2(t)，t∈[tp-0.5tp+0.5])，与本地匹配滤波器m1(t),m2(t),m3(t),…,mL(t)相乘后进行求和运算。
Mi＝∫xa(t)×mi(t),i＝1,2,3,…,L (6)
步骤八：搜索匹配滤波运算结果M1,M1,…,ML中的最大值Mb，其对应距离rb即为距离向距离估计值R0，结合前文所得方位向距离估计值Ra实现目标辐射源定位(距离向距离搜索如图7所示)。

Claims (3)

1.基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：接收天线为两规格相同、平行于飞行轨迹放置的干涉仪天线；
步骤二：定位平台以v匀速直线飞越目标辐射源上空，两接收天线均为正侧视，持续接收信号，分别记为x1(t)与x2(t)：
Figure FDA0003504181610000011
Figure FDA0003504181610000012
其中，A(t)为调制信号；ω0为信号载频；c为光速；
Figure FDA0003504181610000014
为发射信号的起始相位；R0为距离向距离；tp为方位向时刻；l为接收天线间距；
步骤三：计算两通道接收信号x1(t)与x2(t)间的相位差值：
Figure FDA0003504181610000013
步骤四：对相位差分运算后的信号x(t)低通滤波、计算相位、进行线性拟合，提取0相位时刻tp，获得方位向距离Ra的精确估计值；
Ra＝vtp (4)
步骤五：提取单通道接收信号xs(t)tp时刻的信号频率f1，为残余频偏的精确估计值；
步骤六：提取[tp-Ts/2,tp+Ts/2]内定位平台的三维坐标(px(t),py(t),pz(t))，Ts为合成孔径时间，px(t)、py(t)、pz(t)分别为x、y、z轴的定位平台瞬时位置坐标；设置距离向距离搜索范围，并生成距离向距离搜索匹配滤波器mi(t),i＝1...L，L为匹配滤波器的个数；
步骤七：对xs(t)进行去调制预处理，截取[tp-Ts/2,tp+Ts/2]时段内的信号xa(t)，与本地匹配滤波器mi(t)相乘后进行求和运算；
Mi＝∫xa(t)×mi(t),i＝1,2,3,…,L (5)
步骤八：搜索匹配滤波运算结果Mi中的最大值Mb，其对应距离rb即为距离向距离估计值R0，结合前文所得方位向距离估计值Ra实现目标辐射源定位。
2.根据权利要求1所述的基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，其特征在于，所述步骤五中单通道接收信号xs(t)的获取方法为从接收信号x1(t)与x2(t)中任选一信号作为xs(t)：
xs(t)＝x1(t)或xs(t)＝x2(t) (6)。
3.根据权利要求1所述的基于相位差分干涉处理的被动合成孔径辐射源定位方法，其特征在于，所述步骤六中距离向距离搜索匹配滤波器m1(t),m2(t),m3(t),…,mL(t)的生成方法为利用距离向距离搜索值r1,r2,r3,…,rL与定位平台的三维坐标(px(t),py(t),pz(t))，计算过顶时段[tp-Ts/2,tp+Ts/2]内的斜距，除以光速获得时延，依据几何关系与残余频偏f1生成本地距离搜索匹配滤波器组：
Figure FDA0003504181610000021
其中，fr为接收机下变频频率；h为无人机飞行高度。
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