[發明專利]基于外輻射源聯合時延與多普勒頻率的直接跟蹤方法

有效

• 申請號: 201610257109.2
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN105929378B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 王云龍;王鼎;于宏毅;吳瑛;楊賓;唐濤;吳志東;吳江
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍信息工程大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G06T7/20
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司41111
• 代理人: 陳大通

技術領域

本發明涉及外輻射源定位跟蹤技術領域，特別涉及一種基于外輻射源聯合時延與多普勒頻率的直接跟蹤方法。

背景技術

外輻射源無源定位與跟蹤，指的是利用非合作的第三方輻射源(例如AM/FM信號、普通/數字電視信號等)作為目標的照射源，通過對直達波及反射回波進行處理，以得到時延、頻率等相關參數信息，進而實現對目標的定位與跟蹤。利用第三方的非合作照射源對目標進行探測，不僅能夠實現對隱形目標和靜默目標的探測、定位與跟蹤，同樣也可以用于對目標的成像與識別。是諸多軍用和民用應用領域的重要組成部分，如電子對抗、雷達信號處理、空中交通管制、無線電監測、移動通信、遙測與導航等。

目前外輻射源無源定位與跟蹤采用的體制是傳統的無源定位與跟蹤體制，其處理流程為首先進行參數估計，如到達角度、到達時間、到達時間差、多普勒頻差、接收信號強度或多種參數聯合估計，再通過對獲取的參數進行對非線性方程的求解獲得目標的位置估計。若目標運動，除了需要考慮目標的坐標信息外，還需要考慮目標的速度信息及其帶來的狀態變化；目標運動中的參數信息及其變化率均是狀態變量的的非線性函數，必須采用非線性濾波算法，如卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波算法等，否則定位系統的性能將急劇下降。尋找一種穩健且收斂速度快的跟蹤濾波算法是輻射源目標跟蹤中需要解決的首要問題，傳統的目標跟蹤處理方法為首先進行參數估計形成目標的點跡，再利用濾波算法對目標的航跡進行跟蹤處理。由于參數估計與目標濾波跟蹤相分離，無法保證測量的參數結果與真實目標航跡信息相匹配，同時參數估計的誤差可能在后續的處理過程中被進一步放大且很難被消除從而導致整個數據處理過程中不可避免地存在信息損失，所以無法獲得最優的估計性能。從信息論的角度來看，從原始接收數據到最終的處理結果，增加中間的處理環節將引入更多的不確定性，導致部分信息的損失，所以傳統的目標跟蹤處理方法很難取得最優的結果。為了克服傳統目標跟蹤方法的缺點，以色列學者A.J.Weiss和Alon Y.Sidi學者提出了單步跟蹤(直接目標跟蹤)方法，該方法直接從接收信號數據中獲取目標的航跡信息，無需參數估計步驟，避免了誤差的引入，提高了目標跟蹤的精度，該方法僅考慮單根天線時的情況，未對陣列天線的情況進行研究。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明提供一種基于外輻射源聯合時延與多普勒頻率的直接跟蹤方法，利用接收底層數據構造粒子后驗概率權重，避免由參數估計誤差引起權重與真實位置失配的問題，減少了目標跟蹤信息的損失，跟蹤精度明顯提升，且對信噪比具有較強的魯棒性。

按照本發明所提供的設計方案，一種基于外輻射源聯合時延與多普勒頻率的直接跟蹤方法，具體包含如下步驟：

步驟1.外輻射源場景下利用狀態轉移矩陣F構建目標運動狀態方程為：

x_k＝Fx_k-1+v_k-1，

其中，為狀態向量，x_k,y_k與表分別示在第k次觀測間隙內目標輻射源的位置坐標和相應的速度分量；T_r表示采樣周期，狀態轉移矩陣F為：

，

并定義初始狀態與跟蹤狀態時的條件概率密度函數；結合粒子濾波方法構建后驗概率加權迭代方程為：

，

其中，z_k表示k時刻的觀測量；

步驟2.對L個觀測站的雙通道接收系統進行時間同步，并根據Nyquist采樣定理采集外輻射源的直達波信號以及經目標反射的回波信號，獲得多站接收的信號時域模型；

步驟3.針對信號時域模型，對各站雙通道接收的時域數據分別計算其傅立葉系數，得到陣列信號頻域模型；

步驟4.針對陣列信號頻域模型，每個觀測站將所獲得的陣列信號頻域數據傳輸至中心站，中心站將每個站傳輸的陣列信號頻域數據按照觀測站的順序進行堆棧排列，構造高維陣列信號頻域模型；

步驟5.針對高維陣列信號頻域模型，在中心站對高維陣列信號頻域數據構造高斯最大似然函數，并構造包含回波時延、多普勒信息以及直達波時延信息的數據信息矩陣；

步驟6.數據信息矩陣的最大特征值作為粒子濾波的后驗概率權重；根據粒子濾波理論，設定粒子數量及初始權重，通過迭代更新粒子的后驗概率權重并進行重采樣，所得最終粒子的均值作為該時刻目標跟蹤的結果。

上述的，步驟2中，第l個k時刻觀測站的所接收到的信號時域模型為：