[發明專利]一種基于成像策略的多傳感器多目標定位方法

有效

• 申請號: 201310452905.8
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103576137A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 張曉玲;師同彥;王輝
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/06
• 分類號: G01S13/06
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 曾磊

1.一種基于成像策略的多傳感器多目標定位方法，其特征是該方法包括如下步驟：

步驟1、相關參數的初始化

初始化的參數均已知，如下所示：雷達的空間距離分辨率為δ_r；雷達在距離向上的最大距離單元編號為L，由所有接收機的最大探測距離而定，L取值為整數；電磁波傳播速度記為v；以發射機位置為原點，在目標，發射機，接收機所在的地理空間建立三維笛卡爾坐標系，則所有位置坐標都是以直角坐標表示；發射機位置記為P_t;空中目標個數記為Ntar，目標的散射截面積記為σ，第i個空中目標的位置記為ptar(i)，i=1，2，…，Ntar，i為目標序號；地面接收機個數記為Nrec，第j個地面接收機位置記為prec(j)，j=1，２，…，Nrec，j為接收機序號；每個接收機的接收距離波門均為Rrec0;每個接收機通道的信噪比記為SNR;雷達發射信號為單載頻脈沖信號，其脈沖的載頻為f_c，脈沖寬度為T_p:單載頻信號由發射機發射經目標i散射，被第j個接收機接收，經過去載頻和離散采樣后的回波信號記為Echo(i，j)，此回波信號表示為Echo(i，j)=σ_i，j*exp(-pkR_i，j)，其中σ_i，j表示第i個目標對第j個接收機的雷過散射截面積（RCS），R_i，j=||P_t-ptar(i)||₂+||Pfar(i)-prec(j)||₂，表示發射信號經目標i散射到達接收機j的雙站距離，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，exp(·)為自然指數為底的指數函數，||·||₂表示向量的2-范數，*表示乘號，π為圓周率，v為光速，f_c為載頻，p為虛數單位，即p²=-1；

步驟2、創建回波存儲矩陣

由安裝在發射機和接收機上的全球定位系統(GPS)或者北斗定位系統，收集到空中目標對接收機的雙站延時τ_i，j及相應延時的回波信號Echo(i，j)，i=1，2，…，Ntar，j=1，２，…，Nrec，i為目標序號，j為接收機序號，τ_i，j表示第i個目標對第j個接收機的雙站延時，Echo(i，j)表示第i個目標對第j個接收機散射的回波信號；由收集的延時τ_i，j和對應的回波Echo(i，j)建立一個存儲目標回波的動態存儲矩陣;回波的動態存儲矩陣建立過程如下:

步驟2.1初始化矩陣

根據步驟1中的空中目標i(i=1，2，…Ntar)，地面接收機j，j=1，２，…Nrec以及距離向上的最大距離單元編號L，定義一個L行Nrec列的動態存儲矩陣，記為矩陣的每一單元記為l=1，２，…，L，c=1，2，…，Nrec其中l表示矩陣的行號，c表示矩陣的列號；下標L為最大的距離單元編號，由所有接收機的最大探測距離而定；上標Nrec表示Nrec個接收機通道，即用于存儲接收到的所有目標的回波，轉到步驟2.2；

步驟2.2存儲目標回波

針對步驟2.1中定義的動態存儲矩陣進行動態的回波存儲；由各個接收機所獲得的所有目標的雙站延時τ_i，j，計算所有目標的雙站延時τ_i，j的距離單元編號，將所有目標的延時τ_i，j所對應的目標回波Echo(i，j)存儲在動態存儲矩陣的相應單元中，i=1，2，…Ntor；j=1，2，…Nrec，其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nrec為接收機數目；具體存儲步驟見以下步驟2.2.1和步驟2.2.2；

步驟2.2.1根據延時信息計算相應回波的雙站距高

根據接收機j所獲得的目標i的延時τ_i，j及對應的目標回波信號Echo(i，j)，由雙站距離公式R_i，j=v*τ_i，j計算目標i對第j個接收機的雙站距離，v為光速，*表示乘號，R_i，j則表示第i個目標對第j個接收機的雙站距離，i=1，2，…Ntar；j=1，2，…Nrec，其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nr，ec為接收機數目，轉到步驟2.2.2;

步驟2.2.2根據雙站距離計算相應回波的距離單元編號

根據步驟2.2.1中所獲得的雙站距離R_i，j計算得到相應回波的距離單元編號，記為ID_i，j，計算公式其中Rrec0表示接收機的接收距離波門，ID_i，j表示目標i的回波在接收機j中的距離單元編號，1≤ID_i，j≤L，且ID_i，j取值為正整數；i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nrec為接收機數目，其中L為步驟1中已知的最大的距離單元編號，轉到步驟2.2.3；

步驟2.2.3根據距離單元編號將相應的回波進行存儲

根據步驟2.2.2中得到的目標i對接收機j的距離單元編號ID_i，j，將步驟1提供的去載頻和離散采樣后的回波信號Echo(i，j)，存儲于動態存儲矩陣中的單元EchoLNrec(l,c),l=IDi,j,c=j,]]>即EchoLNrec(l,c)=Echo,(i,j),l=IDi,j,c=j,]]>采用傳統的遍歷方法遍歷所有的目標序號i，i=1，2，…，Ntar，和接收機序號j，j=1，2，…，Nrec，得到Ntar個目標對Nrec個接收機的回波信號Echo(i，j)的距離單元編號ID_i，j，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，將去載頻和離散采樣后的回波信號Echo(i，j)根據編號ID_i，j存儲于動態存儲矩陣的相應單元中，得到完整的Nrec個接收機存儲Ntar個目標回波的動態存儲矩陣其中1≤ID_i，j≤L且ID_i，j取值為正整數，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec其中i為目標序號，j為接收機序號，Ntar為目標數目，Nrec為接收機數目，其中L為步驟1中已知的最大的距離單元編號；

步驟3、柵格劃分

在步驟１中所建立笛卡爾坐標系中，設定一個包含所有目標的三維長方體搜索區域Ω_Sear，長方體的長、寬、高分別平行于坐標系的x軸、y軸、Z軸；長方體的長為10×δ_r×Nx，長方體的寬為10×δ_r×Ny，長方體的高為10×δ_r×Nz，其中Nx，Ny，NZ分別為長方體沿x軸，y軸，z軸的采樣點數，長方體搜索區域Ω_Sear的中心記為P0，根據步驟1中初始的空間分辨率δ_r將長方體搜索區域劃分為一組微小的柵格，每一柵格大小為10δ_r×10δ_r×10δ_r，為每一個柵格單元分配一個代表點代表點坐標記為P_xyz=P0+[x-Nx/2，y-Ny/2，z-Nz/2]*10*δrx=1，2…Nx，y=1，2…Ny，z=1，2…Nz，x，y，z分別是長方體沿x軸，y軸，z軸的采樣點序號，即P_xyz表示采樣點序號為x，y，z的代表點的三維坐標，相鄰代表點之間相距10δ_r；

步驟4、信息投影

采用傳統的遍歷法在步驟3建立的整個搜索區域Ω_Sear中，尋找每一柵格代表點所對應各個接收機的回波，采用傳統的相參積累方法對每一柵格代表點所對應各個接收機的回波進行相參積累；具體步驟如下:

步驟4.1

初始化定義一個動態存儲目標成像信息的三維矩陣，記為Ima_Nx×Ny×Nz，矩陣的元素單元記為Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)，k1、k2和k3分別表示矩陣Ima_Nx×Ny×Nz行號、列號和層號，Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)表示矩陣的任一元素，k1=1，2，…Nx，k2=1，2，…Ny，k3=1，2，…Nz，Nx表示矩陣的行數，Ny表示矩陣的列數，Nz表示矩陣的層數，Nx×Ny×Nz表示矩陣的大小；初始化接收機序號j=1，長方體沿x軸，y軸，z軸的采樣點序號x=1，y=1，z=1，轉到步驟4.2；

步驟4.2

針對步驟3中提供的柵格代表點P_xyz=P0+[x-Nx/2，y-Ny/2，z-Nz/2]*10*δ_r和接收機j，計算從發射機P_t經柵格代表點P_xyz到達接收機j的雙站距離，記為R_xyzj，則R_xyz，j=||P_t-P_xyz||₂+||P_xyz-Prec(j)||₂，即R_xyz，j表示發射信號經采樣序號為x，y，z的代表點P_xyz散射回接收機j的雙站距離，其中||·||₂表示向量的2-范數，并由R_xyz，j計算代表點P_xyz對接收機j的距離單元編號，記為ID_xyz，j，則即ID_xyz，j表示采樣序號為x，y，z的代表點P_xyz對接收機j的距離單元編號，Rrec0和δ_r分別為步驟1中初始化已知的接收機的接收距離波門和雷達距離向分辨率，轉到步驟4.3；

步驟4.3

取出步驟2所建立的回波矩陣的第j列第ID_xyz，j行中的數據作為代表點P_xyz所對應的回波，記為Echo(xyz，j)，Echo(xyz，j)表示采樣點序號為x，y，z的代表點對接收機j的回波，并將回波Echo(xyz，j)在成像空間相參積累，即k1=x，k2=y，k3=z，R_xyz，j表示發射信號經采樣序號為x，y，z的代表點P_xyz散射回接收機j的雙站距離，*表示乘號，p為虛數單位，即p²=-1，exp(·)為自然指數為底的指數函數;接收機序號j增加1，并轉到步驟4.4，

步驟4.4

如果j≤Nrec，則轉到步驟4.2；

如果j＞Nrec，則j置1，x增加1，轉到步驟4.5；

步驟4.5

如果x≤Nx，則轉到步驟4.2；

如果x＞Nx，則x置1，y增加1，轉到步驟4.6；

步驟4.6

如果y≤Ny，則轉到步驟4.2;

如果y＞Ny，則y置1，z增加1，轉到步驟4.7；

步驟4.7

如果z≤Nz，則轉到步驟4.2；

如果z＞Nz，則遍歷結束，得到成像空間中一個完整的三維圖像矩陣Ima_Nx×Ny×Nz，轉到步驟5；

步驟5、提取目標位置

首先，在步驟4得到的三維圖像Ima_Nx×Ny×Nz中找出三維圖像Ima_Nx×Ny×Nz的Ntar個最大值，記錄找到的Ntar個最大值的序號為n，n=1，2…，Ntar；然后從三維圖像Ima_Nx×Ny×Nz中剔除Ntar個最大值對應的全部信息；具體步驟如下:

步驟5.1

找出步驟4中得到的三維成像矩陣Ima_Nx×Ny×Nz的最大值，記為Max_n，轉至步驟5.2；

步驟5.2

記錄下最大值Max_n對應的三維矩陣中的位置，記為(k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n})，即Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)=Max_n，k1=k1Max_n，k2=k2Max_n，k3=k3Max_n，k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n}分別為成像矩陣中最大值Max_n所對應的行號，列號，層號，則該三維矩陣位置)k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n})所對應的地理空間位置記為P_n=P0+[k1_{Max_n}-Nx/2，k2_{Max_n}-Ny/2，k3_{Max_n}-Nz/2]*10*δ_r，即P_n表示獲取的第n個目標的地理空間位置，初始化接收機序號j=1，轉到步驟5.3；

步驟5.3

選擇第n個位置P_n=P0+[k1_{Max_n}-Nx/2，k2_{Max_n}-Ny/2，k3_{Max_n}-Nz/2]*10*δ_r和接收機j，由雙站距離公式計算從發射機P_t經位置P_n到達接收機j的雙站距離，記為R_n，j，則R_n，j=||P_t-P_n||₂+||P_n-Prec(j)||₂，即R_n，j表示第n個目標對接收機j的雙站距離，||·||₂表示向量的2-范數，并由R_n，j計算目標n的回波距離單元編號ID_n，j表示目標n對接收機j的回波的距離單元編號，轉到步驟5.4；

步驟5.4

在步驟2建立的回波矩陣的第j列第ID_n，j個距離單元中找出目標n對應的回波，記為Echo(n，j)，即Echo(n,j)=EchoLNrec(l,c),l=IDn,j,c=j,,]]>Echo(n，j)表示目標n對接收機j的回波，并將此回波從圖像矩陣中剔除，即

Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)=Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)-Echo(n，j)*exp(pkR_n，j)其中k1=k1_{Max_n}，k2=k2_{Max_n}，k3=k3_{Max_n}，R_n，j表示第n個目標對接收機j的雙站距離，*表示乘號，p為虛數單位，即p²=-1，exp(·)為自然指數為底的指數函數，j增加1，并轉到步驟5.5；

步驟5.5

如果j≤Nrec，則轉到步驟5.3；

如果j＞Nrec，則得到消除第n個最大值信息后的三維矩陣Ima_Nx×Ny×Nz，n增加1，并轉到步驟5.6；

步驟5.6

如果n≤Ntar，則轉到步驟5.1；

如果n＞Ntar，則轉到步驟6；

步驟6

多目標定位結束，得到Ntar個目標在三維地理空間的位置P_n，n=1，2，…，Ntar。