一种辐射源目标定位参数相参估计方法及装置

本发明涉及无源定位中信号参数估计，尤其涉及一种辐射源目标定位参数相参估计方法及装置。

背景技术：

1、在电子战系统中，辐射源定位对于监视和规划军事战略非常重要，通过测量时差(time difference of arrival，tdoa)和频差(frequency difference of arrival，fdoa)来确定目标的位置和速度。

2、近年来，跳频信号由于其优越的抗干扰性能和较低的截获率在军事领域得到了广泛的应用。此外，非合作跳频辐射源信号的tdoa和fdoa估计十分困难。由于各脉冲的载波频率变化灵活，因此各脉冲之间的fdoa不同。在这种情况下，传统的方法只能用单个脉冲估计tdoa和fdoa，观测时间不能像传统的连续时间信号那样延长。因此，跳频信号的定位参数估计精度有限，直接影响目标定位测速精度。为解决这一问题，有学者提出了一种改进的互模糊函数(modified cross ambiguity function，mcaf)。该方法对fdoa进行归一化处理后，无论接收到的脉冲载波频率如何变化，都可以使用该方法，从而扩大了观测时间长度，提高了估计精度。但这些方法均假设辐射源目标在信号观测时间内所移动的距离可以忽略。为了提高接收信号的处理增益，从而进一步提升估计精度，需要延长信号观测时间。在这种情况下，对于高速运动的目标，必然会发生距离徙动(range migration，rm)，而且跳频还会引起随机相位(random phase，rp)。为了消除这种影响，最大似然估计(maximum likelihoodestimator，mle)通过补偿随机相位和搜索参数来实现相干估计，但计算复杂度高。雷达目标检测领域中的keystone变换方法(keystone transform method，ktm)可以消除rm，但上述方法仅适用于传统的定频信号。

3、另外，我们发现真正用于定位解算的不是tdoa和fdoa，其实是距离差(rangedifference，rd)和距离差变化率(range rate difference，rrd)。而且，根据信号模型发现fdoa会随调频信号的载波频率变化而改变，但是rrd是仍然保持不变的。如果可以从非合作跳频信号中直接估计出rd和rrd，将有以下优点：(1)可以有效地避免跳频信号中fdoa随机变化的问题。(2)所有接收到的脉冲都可以使用，进行相参积累，从而提高了估计精度。(3)估计结果可直接用于构造非线性定位方程组。因此，如何在不增加任何额外计算成本和严重损失估计性能的情况下，实现非合作跳频信号的相参rd和rrd估计，是急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种辐射源目标定位参数相参估计方法及装置，基于频域对称自相关函数(symmetric autocorrelation function，fsaf)和尺度傅里叶变换(scaled fourier transform，sft)(fsaf-sft)进行距离差和距离差变化率的联合估计，有效消除距离徙动和随机相位现象。整个估计过程无需任何搜索过程。本发明针对的是无复杂运动特性的辐射源目标，仅考虑目标的距离和速度参数，主要面向常规地方移动场景，如固定站、车载站、小型移动终端等，本发明的场景更具有普适性，使用场景面向人类日常。本发明方法进行扩展之后，如加上二阶加速度信息，可以应用于特殊的场景，如天基、空基等大动态场景，包括战斗机、天基飞行器、通信卫星、遥感卫星等。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面公开了一种辐射源目标定位参数相参估计方法，所述方法包括：

3、s1，利用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，得到第一路接收信号和第二路接收信号；

4、s2，对所述第一路接收信号和第二路接收信号进行脉冲压缩，得到脉冲压缩信号；

5、s3，对所述脉冲压缩信号沿快时间t维进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换信号；

6、s4，对所述快速傅里叶变换信号进行频域对称自相关运算，得到频域对称自相关信号；

7、s5，对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号；

8、s6，对所述尺度傅里叶变换信号进行快速傅里叶逆变换，得到快速傅里叶逆变换信号；

9、s7，对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值和距离差变化率估计值。

10、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述第一路接收信号为：

11、r1(t,tm)＝s(t)+n1(t)

12、所述第二路接收信号为：

13、

14、式中，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔；δfc为平均载频；δf为跳频带宽；α(m)为对应的跳频规则；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，fc为信号中心频率；n1(t)和n2(t)代表高斯白噪声；a为信号幅度；s()为接收信号包络；exp()为指数函数；r为目标相对两观测站的距离差，r为目标相对两观测站的距离差变化率差。

15、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述脉冲压缩信号为：

16、

17、其中，sm(t,tm)为脉冲压缩信号，a为信号幅度；p[]为脉冲压缩后的信号包络；t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔；r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数；δfc为平均载频；fc为信号中心频率；α(m)为对应的跳频规则。

18、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述快速傅里叶变换信号为：

19、

20、式中，sm(f,tm)为快速傅里叶变换信号，fftt[]代表沿着快时间维t做fft，sm(t,tm)为脉冲压缩信号，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a1表示fft后的信号幅值，p(f)表示p(t)的频谱，r为目标相对两观测站的距离差，r为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数；δfc为平均载频；fc为信号中心频率；α(m)为对应的跳频规则。

21、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述快速傅里叶变换信号进行频域对称自相关运算，得到频域对称自相关信号，包括：

22、利用频域对称自相关运算模型，对所述快速傅里叶变换信号进行处理，得到频域对称自相关信号；

23、所述频域对称自相关运算模型为：

24、

25、式中，r(fr,tm)为频域对称自相关信号，fr表示f对应的偏移频率变量；*表示共轭操作，sm(f,tm)为快速傅里叶变换信号，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a2表示频域对称自相关运算后的幅值，|p(fr)|2表示计算频域对称自相关函数后的信号包络，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数。

26、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号，包括：

27、利用尺度傅里叶变换模型，对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号；

28、所述尺度傅里叶变换模型为：

29、

30、式中，d(fr,fm)为尺度傅里叶变换信号，表示沿慢时间tm维做尺度傅里叶变换，r(fr,tm)为频域对称自相关信号，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a2表示频域对称自相关运算后的幅值，|p(fr)|2表示计算频域对称自相关函数后的信号包络，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数，δ(·)表示狄拉克函数，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

31、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述快速傅里叶逆变换信号为：

32、

33、式中，x(tr,fm)为快速傅里叶逆变换信号，tr表示对应于频率偏移fr的伪快时间，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，d(fr,fm)为尺度傅里叶变换信号，ifftfr[·]表示沿fr维做ifft，a3表示ifft后的信号幅度，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速，δ(·)表示狄拉克函数，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

34、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第一方面中，所述对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值和距离差变化率估计值，包括：

35、利用距离差估计模型，对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值；

36、所述距离差估计模型为：

37、

38、利用距离差变化率估计模型，对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差变化率估计值；

39、所述距离差变化率估计模型为：

40、

41、式中，tr,max表示x(tr,fm)峰值所在位置在tr维度上的取值，fm,max表示x(tr,fm)峰值所在位置在fr维度上的取值，为距离差估计值，为距离差变化率估计值，x(tr,fm)为快速傅里叶逆变换信号，tr表示对应于频率偏移fr的伪快时间，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

42、本发明实施例第二方面公开了一种辐射源目标定位参数相参估计装置，所述装置包括：

43、信号采集模块，用于利用两路接收机对目标辐射源信号进行时间同步采集，得到第一路接收信号和第二路接收信号；

44、脉冲压缩模块，用于对所述第一路接收信号和第二路接收信号进行脉冲压缩，得到脉冲压缩信号；

45、快速傅里叶变换模块，用于对所述脉冲压缩信号沿快时间t维进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换信号；

46、频域对称自相关模块，用于对所述快速傅里叶变换信号进行频域对称自相关运算，得到频域对称自相关信号；

47、尺度傅里叶变换模块，用于对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号；

48、快速傅里叶逆变换模块，用于对所述尺度傅里叶变换信号进行快速傅里叶逆变换，得到快速傅里叶逆变换信号；

49、峰值检测模块，用于对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值和距离差变化率估计值。

50、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述第一路接收信号为：

51、r1(t,tm)＝s(t)+n1(t)

52、所述第二路接收信号为：

53、

54、式中，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔；δfc为平均载频；δf为跳频带宽；α(m)为对应的跳频规则；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，fc为信号中心频率；n1(t)和n2(t)代表高斯白噪声；a为信号幅度；s()为接收信号包络；exp()为指数函数；r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差。

55、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述脉冲压缩信号为：

56、

57、其中，sm(t,tm)为脉冲压缩信号，a为信号幅度；p[]为脉冲压缩后的信号包络；t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔；r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数；δfc为平均载频；fc为信号中心频率；α(m)为对应的跳频规则。

58、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述快速傅里叶变换信号为：

59、

60、式中，sm(f,tm)为快速傅里叶变换信号，fftt[]代表沿着快时间维t做fft，sm(t,tm)为脉冲压缩信号，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a1表示fft后的信号幅值，p(f)表示p(t)的频谱，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数；δfc为平均载频；fc为信号中心频率；α(m)为对应的跳频规则。

61、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述对所述快速傅里叶变换信号进行频域对称自相关运算，得到频域对称自相关信号，包括：

62、利用频域对称自相关运算模型，对所述快速傅里叶变换信号进行处理，得到频域对称自相关信号；

63、所述频域对称自相关运算模型为：

64、

65、式中，r(fr,tm)为频域对称自相关信号，fr表示f对应的偏移频率变量；*表示共轭操作，sm(f,tm)为快速傅里叶变换信号，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a2表示频域对称自相关运算后的幅值，|p(fr)|2表示计算频域对称自相关函数后的信号包络，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数。

66、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号，包括：

67、利用尺度傅里叶变换模型，对所述频域对称自相关信号沿慢时间tm维进行尺度傅里叶变换，得到尺度傅里叶变换信号；

68、所述尺度傅里叶变换模型为：

69、

70、式中，d(fr,fm)为尺度傅里叶变换信号，表示沿慢时间tm维做尺度傅里叶变换，r(fr,tm)为频域对称自相关信号，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，a2表示频域对称自相关运算后的幅值，|p(fr)|2表示计算频域对称自相关函数后的信号包络，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速；j为虚数单位(j2＝-1)，π为圆周率，exp()为指数函数，δ(·)表示狄拉克函数，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

71、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述快速傅里叶逆变换信号为：

72、

73、式中，x(tr,fm)为快速傅里叶逆变换信号，tr表示对应于频率偏移fr的伪快时间，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，d(fr,fm)为尺度傅里叶变换信号，ifftfr[·]表示沿fr维做ifft，a3表示ifft后的信号幅度，r为目标相对两观测站的距离差，为目标相对两观测站的距离差变化率差；c为光速，δ(·)表示狄拉克函数，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

74、作为一种可选的实施方式，本发明实施例第二方面中，所述对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值和距离差变化率估计值，包括：

75、利用距离差估计模型，对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差估计值；

76、所述距离差估计模型为：

77、

78、利用距离差变化率估计模型，对所述快速傅里叶逆变换信号进行峰值检测，得到距离差变化率估计值；

79、所述距离差变化率估计模型为：

80、

81、式中，tr,max表示x(tr,fm)峰值所在位置在tr维度上的取值，fm,max表示x(tr,fm)峰值所在位置在fr维度上的取值，为距离差估计值，为距离差变化率估计值，x(tr,fm)为快速傅里叶逆变换信号，tr表示对应于频率偏移fr的伪快时间，fm为慢时间tm对应的频率变量，fr表示f对应的偏移频率变量，f表示快时间t的频域变量，t＝nts(n＝0,1,…,n-1)为快时间；tm＝mpri(m＝0,1,…,m-1)为慢时间；n和m分别代表快时间采样点数和脉冲个数；ts和pri分别表示信号采样间隔和脉冲重复间隔，ξ1为避免频谱混叠的折叠因子。

82、本发明第三方面公开了另一种辐射源目标定位参数相参估计装置，所述装置包括：

83、存储有可执行程序代码的存储器；

84、与所述存储器耦合的处理器；

85、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行本发明实施例第一方面公开的辐射源目标定位参数相参估计方法中的部分或全部步骤。

86、与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

87、本发明通过使用频域对称自相关和尺度傅里叶变换操作可以有效地去除距离徙动和随机相位。整个估计过程可以通过复数乘法运算结合fft和ifft运算实现，无需任何搜索过程；本发明中的方法能够实现非合作跳频信号距离差和距离差变化率的相参估计，且具有较好的抗噪性能和较低的计算量。