一种基于成像策略的多传感器多目标定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于成像策略的多传感器多目标的定位方法，它是通过将传感器网络建模为一个二维稀疏阵，把基于传感器网络的多目标定位问题转变为成像问题，采用像BP算法投影策略，用来解决繁杂的数据关联问题；通过贪婪算法搜寻三维图像的峰值，并利用剔除算法清除虚假目标定位多个目标。与传统多目标定位方法相比，本发明从成像的角度对目标的多个回波进行相参积累，从而能够更加提高目标信噪比，方便、准确的解算多目标；在成像空间方便的考虑多目标定位，从而提高多目标定位的概率。
【专利说明】一种基于成像策略的多传感器多目标定位方法【技术领域】
[0001]本发明属于雷达组网系统中的多目标定位的【技术领域】，它特别涉及到了传感器网络下的多目标定位的【技术领域】。【背景技术】
[0002]相比于传统的双站雷达，传感器网络能够在一个较大的空间范围获得目标的多个双站延时，这在军事侦察领域具有非常大的优势。利用这些延时，通过解算有关目标位置的非线性距离方程(原理上类似于GPS系统)，我们能够在一个脉冲周期中定位目标，非常有利于跟踪任务。但是由于多目标，噪声以及杂波的存在，传感器网络必须在定位前分配包括噪声和杂波在内的不同目标的混合的延时，即完成目标和传感器之间的数据关联问题，从而创建正确的距离方程，这在实际处理中是一个极其复杂的任务。围绕上述多目标的数据关联的问题，一些大量精密的工作如联合概率数据关联(详见“XU Can, Li Zh1.Studyon Joint Probability Denstiy Algorithm In Mult1-Sensor Data Fusion， ComputerScience and Automation Engineering (CSAE)，2012IEEE International Conference onvol.3, May.2012, pp.:32-37”)等，不断的被探索。然而当目标的监视环境变得复杂，目标个数增多时，通过传统的数据关联算法来解决问题在计算量方面是非常棘手的。
【发明内容】
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[0003]为了克服传感器网络中多目标的数据关联问题，本发明提出了一种基于成像策略的多传感器多目标的定位方法，其特点是通过将传感器网络建模为一个二维稀疏阵，从而把基于传感器网络的多目标定位问题转变为成像问题，其中基于成像角度的多目标定位的示意图如图1所示；采用像BP算法(即后向投影算法)投影策略，用来解决繁杂的数据关联问题，其中BP算法的示意图如图2所示；通过贪婪算法搜寻三维图像的峰值，并利用剔除算法清除虚假目标定位多个目标；相对传统多目标定位方法，本发明能够在成像空间实现多目标定位，对目标的回波进行相参积累以提高信噪比，从而提高多目标定位的概率。
[0004]为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义:
[0005]定义1、双站延时
[0006]由发射机发射信号开始计时，该信号经目标散射回接收机时终止计时，即发射机-目标-接收机，这段从发射到回波接收的时间即为该目标对此接收机的双站延时。双站延时可由安装在发射机和接收机上的GPS或者北斗定位系统同步得到。
[0007]定义2、双站距离
[0008]双站延时乘以光速所得到的距离差即为由发射机-目标-接收机的双站距离。
[0009]定义3、双站距离方程
[0010]假设附图1的原理图中目标位置为X，发射机位置为T接收机的数目为N，接收机的位置为Aa=I，2，…，N)，则信号从发射机经目标到达第i个接收机的距离为
[0011]I T-X I 12+ I I XTi I 12=ν* τ J[0012]其中，i=l,2,..., N, V表示光速，*表示乘号，τ i表示信号从发射机经目标到达第i个接收机的双站延时，I I.I I2表示向量的2-范数，上式即为关于目标位置的双站距离方程。
[0013]定义4、距离单元编号
[0014]在雷达系统中，将雷达测距的范围划分成若干小的区域并将其编号，雷达根据目标回波信号落入的区域编号计算目标与雷达之间的距离。在此定位系统中，根据接收机所测得的各个目标的双站距离，结合距离向分辨率可得到各目标回波的量化编号。
[0015]定义5、合成孔径雷达反向投影算法
[0016]反向投影算法是基于匹配滤波原理的合成孔径雷达成像算法，其主要通过相干累加实现合成孔径雷达数据的聚焦成像。详细内容可参考文献:“Research on A novel fastback projection algorithm for strip map bistatic SAR imaging”，Huang Yulib 等。
[0017]定义6、接收波门
[0018]接收的数据从起始时刻到终止时刻的最短时间长度，即发射信号从发射到接收的时间大于这一最短时间长度时才对数据进行接收，否则不接收数据，这一最短时间长度即为接收时间波门。与接收的时间波门对应的则有接收距离波门，即从发射到接收的路程大于某一最小的距离波门时接收数据，否则不接收数据，这一最小的距离波门即为接收距离波门。
[0019]定义7、地理空间
[0020]地理空间指目标及杂波、噪声等所在的实际的三维场景空间。
[0021]定义8、成像空间
[0022]雷达成像空间是指将地理空间中的散射点投影到距离向一方位向的二维空间坐标系，该空间由合成孔径雷达成像空间中的两个相互正交的坐标基确定。目前典型合成孔径雷达的成像空间包括距离向一方位向投影空间。
[0023]定义9、笛卡尔坐标系
[0024]在数学里，笛卡儿坐标系(Canesian坐标系)，也称百角坐标系，是一种正交坐标系。二维的直角坐标系是由两条相互垂直、O点重合的数轴构成的。在平面内，任何一点的坐标是根据数轴上对应的点的坐标设定的。在平面内，任何一点与坐标的对应关系，类似于数轴上点与坐标的对应关系。三维笛卡儿坐标系是在二维笛卡儿坐标系的基础上根据右手定则增加第三维坐标(即Z轴)而形成的。
[0025]定义10、数据关联
[0026]数据关联指针对多目标多雷达的定位，需要分清各个被动站的测量数据中那些是来源于同一目标的，并把属于同一目标的测量数据组合起来，即完成测量数据关联。详见“王成，李少洪，黄槐.多站被动雷达系统的多目标测量数据关联.电子学报.vol.30.N0.12.Dec.2002”。
[0027]定义11、信噪比
[0028]信噪比是指信号的功率与环境噪声功率的比值。详见文献“丁鹭飞，耿富录.雷达原理(第三版).西安电子科技大学出版社.2009.8”。
[0029]定义12、单载频脉冲信号
[0030]单一载频脉冲信号可以表示为矩形信号与余弦信号的乘积，即
【权利要求】
1.一种基于成像策略的多传感器多目标定位方法，其特征是该方法包括如下步骤: 步骤1、相关参数的初始化 初始化的参数均已知，如下所示:雷达的空间距离分辨率为\;雷达在距离向上的最大距离单元编号为L，由所有接收机的最大探测距离而定，L取值为整数；电磁波传播速度记为V ;以发射机位置为原点，在目标，发射机，接收机所在的地理空间建立三维笛卡尔坐标系，则所有位置坐标都是以直角坐标表示；发射机位置记为Pt;空中目标个数记为Ntar，目标的散射截面积记为σ，第i个空中目标的位置记为ptar(i), i=l,2,..., Ntar, i为目标序号；地面接收机个数记为Nrec,第j个地面接收机位置记为prec(j), j=l, 2 ,...,Nrec，j为接收机序号；每个接收机的接收距离波门均为RrecO;每个接收机通道的信噪比记为SNR;雷达发射信号为单载频脉冲信号，其脉冲的载频为f。，脉冲宽度为Tp:单载频信号由发射机发射经目标i散射，被第j个接收机接收，经过去载频和离散采样后的回波信号 记为Echo (i，j)，此回波信号表示为Echo (i，j) = σ i,产exp (-PkRij」)，其中Ir = —，σ ^」表示第i个目标对第j个接收机的雷过散射截面积(RCS), Ri,」=I |Pt-ptar⑴| |2+| Pfar(i)-prec(j) I |2,表示发射信号经目标i散射到达接收机j的双站距离，i=l,2,..., Ntar, j=l,.2,..., Nrec, exp (.)为自然指数为底的指数函数，I I.I I2表示向量的2_范数，*表示乘号，π为圆周率，V为光速，fc为载频，P为虚数单位，即P2=-1 ； 步骤2、创建回波存储矩阵 由安装在发射机和接收机上的全球定位系统(GPS)或者北斗定位系统，收集到空中目标对接收机的双站延时τ 」及相应延时的回波信号Echo (i, j), i=l,2,..., Ntar, j=l,.2，…，Nrec，i为目标序号，j为接收机序号，τ Μ表示第i个目标对第j个接收机的双站延时，Echo(i, j)表示第i个目标对第j个接收机散射的回波信号；由收集的延时τ 和对应的回波Echo(i，j)建立一个存储目标回波的动态存储矩阵；回波的动态存储矩阵建立过程如下: 步骤2.1初始化矩阵 根据步骤I中的空中目标i (i=l，2,…Ntar),地面接收机j, j=l, 2 ,…Nrec以及距离向上的最大距离单元编号L,定义一个L行Nrec列的动态存储矩阵，记为，矩阵的每一单元记为Ecfcofrec (I,C)，1=1，2，...，L，c=l，2，…，Nrec其中I表示矩阵的行号，c表示矩阵的列号；下标L为最大的距离单元编号，由所有接收机的最大探测距离而定；上标Nrec表示Nrec个接收机通道，即用于存储接收到的所有目标的回波，转到步骤2.2 ； 步骤2.2存储目标回波 针对步骤2.1中定义的动态存储矩阵进行动态的回波存储；由各个接收机所获得的所有目标的双站延时τ μ，计算所有目标的双站延时τ 」的距离单元编号，将所有目标的延时Ty所对应的目标回波Echo (i，j)存储在动态存储矩阵Ieiofvee的相应单元中，i=l,2,…Ntor;j=l,2,...Nrec,其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nrec为接收机数目；具体存储步骤见以下步骤2.2.1和步骤2.2.2 ; 步骤2.2.1根据延时信息计算相应回波的双站距高根据接收机j所获得的目标i的延时τ μ及对应的目标回波信号Echo (i，j)，由双站距离公式Ri, j=v* τ.j计算目标i对第j个接收机的双站距离，V为光速，*表示乘号，Ri, j则表示第i个目标对第j个接收机的双站距离，i=l，2,…Ntar ；j=l,2,…Nrec,其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nr, ec为接收机数目，转到步骤2.2.2; 步骤2.2.2根据双站距离计算相应回波的距离单元编号 根据步骤2.2.1中所获得的双站距离Rm计算得到相应回波的距离单元编号，记为IDi,j,计算公式
【文档编号】G01S13/06GK103576137SQ201310452905
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】张晓玲, 师同彦, 王辉 申请人:电子科技大学