雷达组网系统的空间配准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种雷达组网系统的空间配准方法，可用 于目标检测中的信号融合。
【背景技术】
[0002] 雷达组网系统的信息融合是雷达领域的热点问题。雷达组网系统的信息融合分为 三个层次:航迹融合、判决融合和信号融合，信号融合的难度最大，但其能够提高雷达对目 标的检测性能。雷达组网系统进行信号融合的前提是雷达组网系统内各雷达的信号能够在 空间中配准，但由于各雷达观察警戒模式不同、位置不同、雷达参数不同以及所处环境不同 等因素，导致对雷达组网系统内各雷达接收信号成功进行空间配准有较大的难度。实际上， 空间配准问题几乎成了信号融合检测领域普遍回避的问题，大部分信号融合的研究都是在 假设各雷达站信号已经完成空间配准的条件下进行的。
[0003] 已有的空间配准方法主要分为两类：离线处理和在线处理。离线处理方法以解决 传感器系统偏差为主要目的。离线处理方法主要包括:最小二乘法、广义最小二乘法、最大 似然法和精确极大似然估计等。在线处理方法主要用于实时估计系统偏差，能较好的表现 复杂环境、噪声影响及特殊运动状态下的误差动态变化，具有更好的灵活性和适用性。在线 处理方法主要包括:基于卡尔曼滤波算法、改进的卡尔曼滤波算法以及序贯卡尔曼滤波算 法。
[0004] 上述已有的空间配准方法中，离线处理方法仅适用于固定误差因素，对非固定误 差因素无法给出有效评测；在线处理方法尽管灵活性强，但操作不够简便，不利于工程应 用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种雷达组网系统的空间配准方法，以解决上述现有技术 操作复杂和不能对非固定误差因素进行有效评测的不足，实现雷达组网系统内信号融合时 的空间配准。
[0006] 本发明对于一个包含多部雷达的雷达组网系统，其进行空间配准的技术方案包括 如下：
[0007] 1)设定雷达组网系统的监视区域，选定监视区域中心点作为初始栅格单元的中心 占.
[0008] 2)根据雷达组网系统内各雷达波束指向选出照射到监视区域的雷达；
[0009] 3)计算雷达组网系统内各雷达在监视区域中心点处形成的初始空间分辨单元信 息以及初始栅格单元中心点相对于指向监视区域的各雷达的方位角Θ4Ρ俯仰角其中 i <Ν，Ν表示所述指向监视区域的雷达总数；
[0010] 4)将每个雷达的初始空间分辨单元近似为椭球形状，计算该椭球区域的协方差矩 阵匕，其中1 < i <Ν，Ν表示所述指向监视区域的雷达总数；
[0011] 5)计算初始栅格单元的大小&和对应的旋转矩阵P;
[0012] 5a)根据各椭球区域的协方差矩阵匕，计算各椭球相交区域的协方差矩阵C:
[0013]
[0014] 其中，（· Γ1表示矩阵求逆运算，ki表示所述指向监视区域的第i部雷达对应的椭 球区域的协方差矩阵的权重系数，lu的取值依据行列式最小准则确定；
[0015] 5b)对各椭球相交区域的协方差矩阵C进行特征值分解，C^DV-1，得到特征值矩阵 D和特征向量矩阵V;
[0016] 根据特征值矩阵D得到初始栅格单元的大小5为：
[0017]
[0018] 其中，β的对角线元素表示初始栅格单元三维尺寸，m表示松弛因子，m的取值由雷 达参数和布站情形确定；
[0019] 5c)根据特征向量矩阵v的正交特性，将czVDr1变换为得到初始 栅格单元对应的旋转矩阵为:p=v4;
[0020] 6)根据初始栅格单元的大小5和对应的旋转矩阵P，将监视区域划分为E个格网单 元；
[0021] 7)完成空间配准：
[0022] 根据指向监视区域的每个雷达与E个格网单元的角度关系，将每个格网单元对应 到该雷达的接收通道；
[0023] 根据指向监视区域的每个雷达与E个格网单元的距离关系，将每个划分出的格网 单元对应到该雷达的距离单元；
[0024] 将雷达的回波信号放入对应的格网单元完成空间配准。
[0025] 本发明方法根据多源信息融合理论，对多部雷达在监视区域中心的初始分辨单元 的相交区域拟合得到初始栅格单元，并利用初始栅格单元对监视区域划分成格网，能够完 成组网雷达系统空间配准的要求，与传统航迹起始方法相比能够保证在监视区域中能量损 失较小。
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的实现流程不意图；
[0028] 图2是本发明仿真使用的雷达布站示意图；
[0029] 图3是在松弛因子m=2/3时，用本发明仿真4部雷达在栅格划分后的监视区域能量 损失不意图；
[0030] 图4是在松弛因子m=l时，用本发明仿真4部雷达在栅格划分后的监视区域能量损 失不意图；
[0031] 图5是在松弛因子m=3/4时，用本发明仿真4部雷达在栅格划分后的监视区域能量 损失不意图；
[0032] 图6是在松弛因子m=l/2,时用本发明仿真4部雷达在栅格划的分后监视区域能量 损失不意图。
【具体实施方式】
[0033]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述。
[0034]参照图1，本发明的实现步骤如下：
[0035] 步骤1，设定监视区域，并选取初始栅格单元中心点。
[0036] 设定雷达组网系统的监视区域，并选定所述监视区域的中心点作为初始栅格单元 的中心点，所述初始栅格单元用于对所述监视区域进行栅格化分，本实例中，取初始栅格单 元中心点坐标为(50,50) km。
[0037] 步骤2,初始化雷达参数，判断出指向监视区域的雷达。
[0038] 初始化雷达组网系统内的雷达参数，并根据雷达参数中当前时刻雷达发射波束的 方位角和俯仰角确定指向监视区域的雷达，其中，所述雷达参数至少包括雷达站的坐标，雷 达的距离分辨率，雷达的方位角分辨率，雷达的俯仰角分辨率，雷达接收通道的方位角和俯 仰角以及当前时刻雷达发射波束的方位角和俯仰角。
[0039] 步骤3,计算每部指向监视区域的雷达的初始空间分辨单元信息，及初始栅格单元 中心点相对于指向监视区域的各雷达的方位角和俯仰角。
[0040] 计算初始空间分辨单元信息具体表现为计算初始空间分辨单元的大小，为了简化 计算，将雷达在监视区域中心点处形成的初始空间分辨单元近似为长方体。
[0041] 3.1)设初始空间分辨单元的长方体中心与雷达站的距离为r，该长方体在距离维 上的长度为a= Ar，在方位维上的长度为b = r Δ Θ，在俯仰维上长度为<ι· = /'Δρ，其中，r通过 距离计算公式得到，A r、△ Θ和Δ炉分别为已知的雷达距离分辨率、方位角分辨率和俯仰角 分辨率，本实例中，采用二维雷达进行仿真，取距离分辨率Δ r= 150m，方位角分辨率Δ θ = jt/180；
[0042] 3.2)根据初始栅格单元中心点坐标和雷达位置坐标即可计算出初始栅格单元相 对于指向监视区域的各雷达的方位角和俯仰角。
[0043] 步骤4,计算各雷达在监视单元中心形成的初始空间分辨单元相交区域的协方差 矩阵。
[0044] 为了提取初始空间分辨单元的相交区域信息，本发明对初始空间分辨单元重新构 建计算模型：以初始空间分辨单元的中心点为球心，对指向监视区域的每部雷达构建一个 用以拟合初始空间分辨单元的椭球区域，即取初始空间分辨单元的内切椭球作为用于拟合 的椭球区域：
[0045] 4.1)记第i部指向监视区域的雷达对应的椭球区域的协方差矩阵为Q，其计算方 法为：
[0046]
[0047] 其中（·厂表示矩阵的转置运算，R表示由步骤3.2)中的初始栅格单元相对于指向 监视区域的第i部雷达的方位角和俯仰角构建的综合旋转矩阵， ai表示第i部雷达在监视区 域中心点处形成的初始空间分辨单元所代表的长方体在距离维上的长度，h表示该长方体 在方位维上的长度， Cl表示该长方体在俯仰维上的长度，1 < i < N，N表示所述指向监视区域 的雷达总数。
[0048] 4.2)根据行列式最小原则和步骤4.1)得到的椭球区域的协方差矩阵匕，计算包含 步骤4.1)所述椭球区域的相交区域的协方差矩阵C:
[0049]
[0050] 其中，（· Γ1表示矩阵求逆运算，N表示所述指向监视区域的雷达总数，1^表示所述 指向监视区域的第i部雷达对应的椭球区域的协方差矩阵的权重系数;1^的取值依据行列 式最小准则确定。
[0051 ]步骤5，计算初始栅格单元的大小5和对应的旋转矩阵P。
[0052]步骤4中所述的初始空间分辨单元的相交区域是一个椭球形的区域，直接在监视 区域无空隙生长比较困难;本发明以步骤4中得到的初始空间分辨单元的相交区域的信息 构建初始栅格单元，将所述相交区域重构为长方体，即取该椭球区域的外切长方体，以简化 栅格划分计算模型，具体方法如下：
[0053] 5.1)对各椭球相交区域的协方差矩阵C进行特征值分解，C = VDV'得到特征值矩 阵D和特征向量矩阵V;
[0054] 根据特征值矩阵D得到初始栅格单元的大小β为：
[0055]
[0056] 其中，D的对角线元素表示初始栅格单元三维尺寸，m表示松弛因子，m的取值由雷 达参数和布站情形确定，本实例中，取松弛因子m = 2/3;
[0057] 5.2)根据特征向量矩阵V的正交特性，将C = VDF1变换为:c = (r1)TDr1，得到初始 栅格单元对应的旋转矩阵为:Ρ=ν4。
[0058] 步骤6,对监视区域进行栅格划分。
[0059] 由步骤5得到的长方体是对相交椭球区域的近似，该长方体的边与该椭球的三个 长半轴方向相同，在大多数情况下与笛卡尔坐标系的轴不平行，故本发明中所述的栅格划 分即为从监视区域的中心开始对任意分布的长方体状初始栅格单元进行生长直至完成对 监视区域的无缝填充;长方体的生长存在两种方案：1、直接在以长方体的中心为原点，以与 长方体的边平行的三个方向为轴的坐标系上进行生长，2、先在在笛卡尔坐标系中进行生 长，而后根据旋转矩阵对坐标系进行旋转;方案2在实际操作中可以简化计算量，在本发明 中采取方案2的思想，具体步骤为：
[0060] 6.1)在笛卡尔坐标系中绘制一立方体，其中，立方体的中心位于坐标系原点，立方 体各边平行于坐标轴，且边长等于所述监视区域中心点到所述监视区域边缘的最大距离；
[0061] 6.2)设定基准长方体的中心在坐标系原点，各边平行于坐标轴，且各边在x，y，