基于相位差分的单站无源快速定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种无源定位方法，可用于单站侦察。
【背景技术】
[0002] 无源定位是指由单个侦察设备或者多个侦察设备在探测到散射源或者辐射源并 获得有关定位参数的基础上，利用适当的数据处理手段，确定出散射源或辐射源在三维空 间中的位置。
[0003] 无源定位可以简单分为多站定位和单站定位。多站定位通过部署在不同地理位置 的站点接收到的目标辐射信号进行信号级别或者数据级别的融合，从而达到定位的目的。 在通信设备定位中应用较广；而雷达发射天线往往波束较窄，很难保证多个接收站能接收 到目标信号，同时多站的时间同步机制要求设备复杂，而单站定位由于几乎没有上述问题， 因而得到了广泛的关注。
[0004] 单站无源定位通过单一观测平台被动接收辐射源信号完成目标定位，是获取目标 位置信息的重要手段，已经应用到重要目标位置监视、紧急营救、智能交通以及反恐维稳等 领域。单站定位与多站定位相比最大特点是只有一个观测平台，设备简单、部署灵活、机动 性能强，因此在星载、机载、舰载等多种运动平台目标定位方面发挥了重要作用。
[0005] 目前单站定位方法的研究，包括测向定位、到达时间差定位、多普勒频率及其变化 率定位、相位差及其变化率定位以及上述的组合定位法等。其中，多普勒频率变化率定位和 相位差变化率定位较为常用，这两种方法为了提高目标定位跟踪能力，采用了如包括牛顿 迭代方法、卡尔曼滤波及其扩展方法、贝叶斯估计理论的粒子滤波方法等。2004年开始，意 大利在直升机上采用双天线实现多普勒变化率定位实验。该方法在飞机两侧放置2个干涉 仪天线，利用其频率差测量结果定位。实验结果显示该方法的最佳位置在两侧斜视角±45 度处，其他位置均将下降；在定位距离约5km，定位35秒时间条件下，目标定位误差将超过 10%〇
[0006]上述的单站定位方法都是利用了目标与侦察设备位置变化的非线性变化特性，采 用了非相干的积累方法实现目标位置的估计。但是随着现代雷达技术的发展，雷达的射频 源稳定度得到了明显提高;雷达在成像、空时处理等模式下，都会有较长的信号稳定期，侦 察获取信号的相干性明显增强。常规的单站定位方法不能有效的利用信号的相关性，需要 很长的积累时间。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于相位差分的单站无源 快速定位方法，以减小运算量，改善定位精度，实现快速定位。
[0008] 本发明技术思路是，将合成孔径成像雷达的相关技术应用到侦察领域，利用辐射 源的相干性，将长时间积累信号虚拟地合成长的天线阵列，使其不满足远场条件，即天线阵 列的二次相位无法忽略；利用相位差分对该不可忽略的二次相位进行估计，进而利用二次 相位与辐射源距离的反比关系实现对辐射源目标位置的估计。其实现步骤包括如下：
[0009] (1)侦察设备做匀速直线运动，对接收信号进行瞬时测频和测向，得到测频结果/ 和测向结果I，并利用测频结果/进行混频消除载频，得到基带信号Ur(t);
[0010] (2)对基带信号Ur(t)进行积累，得到一组积累的基带信号：
[0011] Url(t)，Ur2(t)，???Uri(t)...Urn(t)，i = 1，2,3...n，
[0012]其中，n表示积累脉冲总个数；
[0013] (3)对积累的基带信号进行匹配滤波：
[0014] (3a)在积累的基带信号中选择其中一个作为参考信号UrQ(t);
[0015] (3b)将参考信号urQ(t)与所有积累脉冲信号进行卷积，得到一组卷积结果m(t)， U2(t)，???Ui(t)."Un(t);
[0016] (4)对每个卷积结果m(t)进行多倍插值，得到采样信号^(〇,提取插值结果Vl(t) 峰值处的采样复信号um(t)，得到峰值采样复信号矩阵：
[0017] M= [uui(t) ,UU2(t) , ???UUi(t) ???UUn(t)];
[0018] (5)对峰值采样复信号矩阵M进行相位差分，估计最优调频率爲；
[0019] (5a)提取峰值采样复信号矩阵M的前n-m个元素构成峰值前矩阵％，提取峰值采样 复信号矩阵M的后n-m个元素构成峰值后矩阵M 2,其中，m表示峰值采样子矩阵M2相对峰值采 样子矩阵Ml延迟的脉冲周期个数，Ml = [UUl(t)，…UUi(t)…UUn-m(t) ]，M2 = [UUm+l(t)…UUi (t)…UUn( t)]，将Ml与M2共辄相乘，得到相位差分矩阵X ;
[0020] (5b)对相位差分矩阵X进行线性调频z变换得到相位差分频率fk，其中，线性调频z 变换的起始取样点的半径长度Ao取1，螺旋线的伸展率Wo取1;
[0021] (5c)利用相位差分频率fk和峰值后矩阵M2相对峰值前矩阵施延迟的脉冲周期个数 m，估计最优调频率奂；
[0023]其中，Tpri表示辐射源脉冲重复周期；
[0024] (6)根据最优调频率A获得补偿后的信号矩阵Mc:
[0025] (6a)利用最优调频率兵构建补偿信号矩阵H=[h(ru)，h(n2)…h(ni)'"h(n n)]，其 中，h(ru)为补偿信号，npiVniu表示辐射源脉冲到达时间；
[0026] (6b)将补偿信号矩阵H与峰值采样复信号矩阵M进行点乘，消除峰值采样复信号关 于时间的二次相位，得到补偿后的信号矩阵：
[0027] Mc= [uui(t)h(ni), ???uui(t)h(ni)---uun(t)h(nn)]；
[0028] (7)对补偿后的信号矩阵M。进行傅里叶变换得到多普勒频率尤，计算高精度的测 向结果
[0029] (8)利用高精度的测向结果，计算辐射源和侦察设备的距离幻
[0030] (9)结合高精度的测向结果和辐射源和侦察设备的距离f，得到辐射源位置。 [0031 ]本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0032] 第一，相对于传统的雷达定位方法，本发明利用了辐射源的相干性，缩短定位时 间，可以实现快速定位；
[0033] 第二，将合成孔径雷达的原理应用在雷达定位中，将长时间积累的信号虚拟合成 长的天线阵列，实现对目标的精确角度测量；
[0034] 第三，利用虚拟长天线阵列不满足远场条件，即天线阵列的二次相位无法忽略的 特性，通过相位差分的方法得到距离参数，提高定位精度。
【附图说明】
[0035]图1是本发明的实现流程图；
[0036] 图2是本发明的定位误差图；
[0037] 图3是本发明方法在不同基线条件下的定位时间。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
[0039] 参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
[0040] 步骤1、获取基带信号。
[0041] 本发明采用做匀速直线运动的侦察设备，对接收信号进行瞬时测频和测向，得到 测频结果/和测向结果|，并利用测频结果/进行混频消除载频，得到基带信号ur(t)，测频 误差要求较低，小于1MHz即可。
[0042]步骤2、积累基带信号。
[0043] 对基带信号ur(t)进行积累，即每进行一次混频得到的基带信号进行储存，累计得 到一组基带信号：
[0044] Url(t) ,Ur2(t) , ?''Uri ( t) ?''Urn (t ) , i = 1,2,3 ?' T1
[0045] 其中，n表示积累脉冲总个数。
[0046] 步骤3、对积累的基带信号进行匹配滤波。
[0047] 在积累的基带信号中选择其中的任意一个作为参考信号urQ(t)，将该参考信号ur0 ⑴与所有积累的信号Url⑴，1!:2(〇，~11:办卜_11" 1(〇分别做卷积，得到匹配滤波结果：
[0048] Ul(t) ,U2(t) , ???Ui(t)---Un(t)
[0049] 步骤4、多倍插值，提取峰值采样复信号。
[0050] (4a)对每个卷积结果m(t)分别进行傅里叶变换，将卷积结果m(t)转换到频域，并 在频域中心插入(K-l)Nf个零，得到插值后的频域信号，其中，Nf为傅里叶变换后的数据个 数，K为插值倍数，取值为2的整数次幂，本实例K取8;
[0051] (4b)对插值后的频域信号进行逆傅里叶变换，将信号恢复到时域，得到采样信号 Vl(t);记录采样结果Vl(t)达到峰值时的时间tmax，提取时间t max对应的峰值采样复信号um (t) - V i ( tmax )；
[0052] (4c)对所有的卷积结果ui(t)，U2(t)，…Ui(t)'"un(t)进行(4a)_(4b)处理，得到一 组峰值采样复信号:UUl(t)，UU2(t)，???UUi(t)-_UUn(t)，形成峰值采样复信号矩阵M= [UU1 (t) ,UU2(t) , ???UUiUh.UUrXt)]。
[0053]步骤5、对峰值采样复信号矩阵M进行相位差分，估计最优调频率兵。
[0054] (5a)构建峰值采样子矩阵％和此屬与此共辄相乘，得到相位差分矩阵X，其中，Mi =
[UUl(t)，???UUi(t)."UUn-m(t) ]，M2 = [UU