基于阵元辐射能的辐射源有噪无源定向方法与流程

本发明涉及空间物体定向技术，具体而言是关于辐射源的空间定向技术领域，特别涉及基于阵元辐射能的辐射源有噪无源定向方法。

背景技术：

辐射源无源定向技术在航海、航天、电子战等军民应用领域具有重要地位和作用。现有研究重点集中在阵列信号处理的空间谱估计和光学成像两方面。前者以辐射源的频率、幅度和相位特征实现对远场无线电信号源的定向，探测对象限于无线电；后者以辐射源的光学特征实现对光辐射源的定向，探测对象限于光辐射源。理论上，空间谱估计在系统处理带宽内对空间信号源角度及相关变量的估计在精度上具有极大优势，在雷达、移动通信和声纳等领域具有广阔前景。但其对信号源数目的估计、信号源的解相干以及阵元通道传输特性的一致性等问题的解决方法尚存不足，在实用化上尚面临不少难题。另外，对于宽带信号源的定向，空间谱估计采用将其分解为若干窄带信号源来定向实现，这些方法要求阵元的数目大于信号源的数目，因此，其定向带宽受限于阵元数。光学成像的定向技术因精度高，已被广泛应用于许多领域，如航天中卫星姿态控制或航天登陆设备辅助定位中的太阳角测量，军事中在地面或空中对激光等光辐射源的无源定向来实现预警等。近年来出现了许多大视场、高精度的光辐射源定向方法，尤其在航天领域，如基于CMOS APS面阵等图像传感器的太阳定向方法和利用游标卡尺等其它太阳定向方法。然而，因实现原理限制，这些方法的探测视场小于180°，因阵列探测器与光源入射孔的高度大于0，或因探测器与狭缝的高度大于0，它们的探测视场均小于180°。针对空间谱估计和光学成像定向技术中存在的不足，一些文献提出用阵元辐射能对辐射源球面全视场定向的新技术。与空间谱估计和光学成像的定向技术相比，它以辐射源的基本特征辐射能来实现定向，理论上满足所有辐射源的无源定向，因此，在应用范围上具有极大优势；同时，其定向仅要求阵元探测输出的辐射能与辐射源辐射在阵元探测面上的能量的比值为同一常数，而辐射能的测量又相对简单，因此，在系统实现上也具有优势。然而，现有研究均为用3个被直接辐射阵元探测输出的辐射能定向辐射源的方法，因实现方法限制，它们都不具备抗噪性能，导致它们在实际应用中的定向精度易受噪声干扰，通常在晴天空下的太阳地面定向精度为4.4°。对于噪声环境中的定向应用，该技术尚缺少有效的抗干扰方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于阵元辐射能的辐射源有噪无源定向方法，用任意m(m>3)个被直接辐射平面探测输出的辐射能定向空间辐射源。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于阵元辐射能的辐射源有噪无源定向方法，包括如下步骤：

A、在m个面上布置传感器，所述m个面中存在3个法线不共面的平面；其中，m为整数，m＞3；

B、使所述m个面接受同一辐射源照射，辐射源矢量为辐射源直接辐射在第i平面上的单位面积辐射能为ei，第i平面的单位法矢量为其中，αi，βi，γi为的方向角，i＝1,2,...,m；

C、建立定向矩阵和单位面积辐射能矩阵

D、测量辐射源在所述m个面上的辐射能以及噪声能量

E、根据公式求得辐射源的辐射源矢量根据公式求得辐射源的辐射源矢量的估计值其中：A^-1为A的逆矩阵，A^T为矩阵A的转置矩阵；

F、由所述辐射源矢量得到辐射源的方向角α、β、γ：其中，

G、以代表因噪声干扰产生的估计误差，根据求得

H、根据对定向误差进行估计。

进一步的，所述m个面为多面体上的m个面。

进一步的，所述步骤D包括：

D1、采集传感器输出的感应信号；

D2、根据感应信号强度与辐射能量的映射关系，得到辐射能

进一步的，所述辐射源为光源。

具体的，所述辐射能表示为传感器输出的电流或电压。

具有，所述噪声包括多径干扰噪声和/或传感器本底噪声。

本发明的有益效果是，通过多面体阵列实现对辐射源在噪声条件下的球面全视场定向，基于由矢量间几何关系建立辐射源定向误差关系式，可以根据系统信噪比来估计定向性能，对噪声进行抑制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1辐射源矢量与平面的关系示意图；

图2矢量和的几何关系示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明假定辐射源为远场辐射源，对空间某观测点，其辐射线近似满足相互平行的条件。定义辐射源矢量的方向为辐射能传输方向的反方向，其模为辐射源垂直辐射在平面上的单位面积辐射能。本发明中，字母上方带有箭头的符号都代表矢量，如等；其他涉及矢量、矩阵的符号还包括：代表矢量的模，A^-1代表A的逆矩阵，A^T代表矩阵A的转置矩阵，||…||2代表矩阵或矢量的范数等。

设辐射源矢量为空间平面P的单位法矢量为与的夹角为如图1所示。根据余弦定理，任意一个表面上的辐照度随该表面法线和辐射能传输方向之间夹角的余弦而变化。由图1中的几何关系可知，辐射源直接辐射在平面P上的单位面积辐射能为为辐射源矢量的模。结合内积定义，辐射源直接辐射在平面P上的单位面积辐射能等效为辐射源矢量与该面单位法矢量的内积，和间满足关系：

设辐射源直接辐射的平面数为m(m＞3)，这些平面中第i平面的单位法矢量为(i＝1,2,...,m)，辐射源直接辐射在第i平面上的单位面积辐射能为bi。在空间直角坐标系上，令辐射源矢量其中αi，βi，γi为的方向角。由与的内积关系，得：

xcosαi+ycosβi+zcosγi＝bi (2)

令m×3矩阵由式(2)可得将其两边左乘矩阵A^T，得：

假定辐射源直接辐射的平面中存在3个不共面的平面，因m＞3，可知矩阵A的秩为3，矩阵A^TA非奇异，此时，方程组(3)有唯一解:

通过式(4)求得的辐射源矢量得其方向余弦为:

其中，α，β，γ为辐射源矢量的方向角，也就是辐射源的空间方位角，

将被辐射对象变为多面体，对空间任意方向的辐射源，若多面体的几何结构满足：在多面体上存在3个以上法线不共面的辐射源直接照射平面，则辐射源矢量可由多面体上被直接辐射平面的单位法矢量与辐射在这些平面上的单位面积辐射能通过式(4)求得，而辐射源的空间方位角可通过式(5)求得。

设在辐射源直接辐射平面上探测得到的单位面积辐射能为η为常数，将其代入式(4)，得辐射源矢量为因与同向，可知η与辐射源空间方向的定向无关，由此，式(4)变为:

其中e1e2...em为被辐射源直接辐射的平面上探测得到的单位面积辐射能。

根据上述推导，若由阵元探测面构成的多面体阵列满足：空间任意方向的辐射源在该多面体上存在3个以上法线不共面的辐射源直接照射平面，同时，辐射源辐射在阵元探测面上的能量与阵元探测输出的辐射能的比值为同一常数，则可用被直接辐射的阵元探测面的单位法矢量与这些阵元探测输出的辐射能，通过式(6)和(5)来实现对辐射源的球面全视场定向。

理想条件下，阵元的输出中是没有噪声的，被直接辐射阵元探测输出的辐射能组成的矢量与辐射源矢量满足关系：

实际应用中，因阵元工作性能的非理想性、阵元探测面空间位置存在的几何偏差、多径传播以及其它干扰辐射源的影响，阵元的输出中存在噪声，包括多径干扰噪声、传感器本底噪声等。设由各阵元输出的噪声构成的噪声向量为由式(6)可得辐射源矢量的估计值为:

令其中为因噪声向量干扰产生的估计误差。将代入式(8)，得:

由式(9)可以根据噪声向量得到定向误差，从而实现噪声条件下的定向。

因定向矩阵A是m×3的列满秩矩阵，所以，它的列空间是m维实向量空间R^m的闭子空间。根据向量的正交分解定理，m维噪声向量在R^m空间存在唯一的分解向量和使得其中，是在定向矩阵A的列空间的投影向量，是在定向矩阵A的列空间的正交补空间的投影向量。将代入式(9)，得：

由于A^T的行向量与向量正交，即为0。由此，式(10)可简化为：

由式(11)可见，噪声向量投影在定向矩阵的列空间的正交补空间的分向量被有效去除，干扰定向的实际只剩下噪声向量投影在定向矩阵的列空间的分向量根据范数性质，由式(11)有:

由于向量和是噪声向量的正交分解向量，根据勾股定理，有：

将式(13)代入式(12)，得：

定义辐射源矢量与其估计值的夹角θ来描述辐射源的定向误差。假定辐射源矢量与其估计误差满足关系：辐射源矢量与它的估计值和估计误差的几何关系如图2所示。由图2可见，当辐射源矢量的估计值和估计误差相互垂直时，由噪声产生的定向误差为最大值，设其为辐射源的定向误差上界，标记为θsup。显然，在的条件下，辐射源的定向误差上界θsup随着估计误差向量的模的减小而减小。因由式(14)可知，只要噪声向量在定向矩阵的列空间的正交补空间的投影向量非零，则由噪声干扰产生的估计误差的模将被减小，相应地，因噪声干扰产生的定向误差上界也被减小。此时，噪声对定向的干扰作用将被有效抑制。特别地，当噪声向量完全投影在定向矩阵的列空间的正交补空间时，即与相等时，估计误差为0，相应地，定向误差上界也为0。此时，噪声对定向的干扰将被完全去除。

实际应用中，干扰辐射源定向的噪声向量通常由多径干扰噪声、传感器本底噪声等多种干扰噪声叠加产生，这使得它们在定向矩阵的列空间的正交补空间上的投影通常是非零的。由于本发明的技术方案中，布置传感器的阵元大于3(即m＞3)上述基于阵元辐射能的辐射源定向方法具有有效抑制定向噪声对辐射源定向的干扰，甚至完全去除干扰的性能。所有投影不在定向矩阵的列空间上的噪声将被本发明的定向方法有效去除。

辐射能可以通过采集布置在各个面上的传感器感应信号，如传感器输出的电流或电压得到。对于辐射源为光源的空间方位角测量，传感器可以采用光电池、光敏电阻等，通过测量其输出电流或电压得到。传感器输出感应信号强度与辐射能量的映射关系有器件厂商提供，通常可以根据器件供应商提供的产品手册得到。

测量在得到的辐射能其中噪声向量包括多径干扰噪声和传感器本底噪声，在传感器本底噪声可以忽略时，噪声向量就是多径干扰产生的噪声。