基于時(shí)差的同類(lèi)輻射源信號(hào)分選定位方法

馬賢同 羅景青 孟祥豪

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基于時(shí)差的同類(lèi)輻射源信號(hào)分選定位方法

馬賢同*羅景青 孟祥豪

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

多站電子偵察系統(tǒng)中，多個(gè)觀測(cè)站接收到的脈沖信號(hào)的時(shí)差信息可用于信號(hào)分選和定位。但當(dāng)多個(gè)參數(shù)相近的同類(lèi)輻射源信號(hào)在時(shí)域和頻域都混疊在一起時(shí)，會(huì)得到大量虛假時(shí)差信息。該文結(jié)合目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法，提出基于時(shí)差的同類(lèi)輻射源信號(hào)分選定位方法。該方法首先利用時(shí)差窗先驗(yàn)信息，將主站與副站的脈沖進(jìn)行時(shí)差和參數(shù)匹配提取同類(lèi)輻射源的時(shí)差信息，然后對(duì)得到的所有時(shí)差利用目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法確定目標(biāo)數(shù)目和位置，最后利用定位結(jié)果確定真實(shí)時(shí)差，剔除虛假時(shí)差，完成信號(hào)分選和目標(biāo)精確定位。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

信號(hào)分選；多目標(biāo)定位；到達(dá)時(shí)間差；同類(lèi)輻射源；目標(biāo)位置信息場(chǎng)

1 引言

傳統(tǒng)的時(shí)差分選方法采用統(tǒng)計(jì)直方圖方法[6]實(shí)現(xiàn)，通過(guò)形成的超過(guò)一定門(mén)限的直方峰來(lái)判定分選的輻射源數(shù)目，但該方法會(huì)使高重頻輻射源累積出虛假直方峰而產(chǎn)生虛警，會(huì)使超低重頻輻射源直方峰難以被檢測(cè)而出現(xiàn)漏警。文獻(xiàn)[6]將時(shí)差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直方圖的結(jié)構(gòu)，序貫地對(duì)各個(gè)輻射源進(jìn)行檢測(cè)和分選，可以同步解決高重頻輻射源和超低重頻輻射源給時(shí)差分選帶來(lái)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]利用測(cè)向信息消除高重頻輻射源虛假直方峰的影響。文獻(xiàn)[8]利用時(shí)差相關(guān)性依據(jù)高重頻信息的配對(duì)表現(xiàn)剔除虛假時(shí)差對(duì)[9]。以上分選方法對(duì)時(shí)差分選都進(jìn)行了一定的研究和改進(jìn)，但是，目前對(duì)多個(gè)在時(shí)域頻域都混疊在一起的同類(lèi)輻射源時(shí)差分選方法的研究較少。同類(lèi)輻射源是指輻射源間的載頻(Radio Frequency, RF)、脈沖寬度(Pulse Width, PW)、脈沖幅度(Pulse Amplitude, PA)等[10,11]參數(shù)都相似，用這些參數(shù)無(wú)法區(qū)分輻射源，例如真實(shí)目標(biāo)與誘餌[12]、執(zhí)行相同任務(wù)的一組艦隊(duì)等情況。

針對(duì)同類(lèi)輻射源，雖然參數(shù)無(wú)法區(qū)分，但它們的位置一般相距一定的距離。基于這一前提，本文提出了基于時(shí)差的同類(lèi)輻射源信號(hào)分選定位方法。利用觀測(cè)站得到的關(guān)于輻射源的真實(shí)時(shí)差和虛假時(shí)差信息，先用目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法對(duì)多個(gè)同類(lèi)輻射源定位，再利用定位結(jié)果確定真實(shí)時(shí)差，剔除虛假時(shí)差，最終利用真實(shí)時(shí)差信息完成輻射源分選和定位。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 脈沖列模型

作為示意，主站接收到3個(gè)同類(lèi)輻射源信號(hào)脈沖列生成示意圖如圖1所示。脈沖的參數(shù)是不可區(qū)分的，用脈沖柱形的高度區(qū)別3個(gè)目標(biāo)信號(hào)的脈沖，漏脈沖的柱形用虛點(diǎn)填充，干擾脈沖用斜網(wǎng)格填充，漏脈沖不出現(xiàn)在混合脈沖中，干擾脈沖保留在混合脈沖中。由于是同類(lèi)輻射源，且各輻射源的脈沖是混疊在一起的，只通過(guò)一個(gè)觀測(cè)站接收的脈沖信號(hào)是無(wú)法將信號(hào)區(qū)分的。

3 同類(lèi)輻射源時(shí)差參數(shù)提取

3.1 脈沖參數(shù)匹配規(guī)則

由于復(fù)雜信號(hào)參數(shù)可能出現(xiàn)捷變、跳變或隨機(jī)變化，脈間信息關(guān)聯(lián)性弱，觀測(cè)站接收的同一輻射源的不同脈沖因參數(shù)變化差異較大，但多個(gè)觀測(cè)站接收到某一輻射源同一脈沖的參數(shù)差異較小。

圖1 主站脈沖列生成示意圖

3.2 時(shí)差提取數(shù)學(xué)模型

任選一組基準(zhǔn)脈沖，計(jì)算主站和副站相匹配脈沖間的時(shí)差：

圖2 基準(zhǔn)脈沖示意圖

4 目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法

4.1 定位時(shí)差確定

同類(lèi)輻射源時(shí)差提取過(guò)程雖然得到了關(guān)于目標(biāo)的所有時(shí)差，但對(duì)于多目標(biāo)或復(fù)雜信號(hào)情況，得到的時(shí)差數(shù)目可能很多。其中很多時(shí)差在時(shí)差測(cè)量誤差允許的范圍內(nèi)實(shí)際上可認(rèn)為是同一個(gè)時(shí)差，所以要進(jìn)行配對(duì)處理。

聚組后的時(shí)差中仍然包含真實(shí)時(shí)差和虛假時(shí)差，且真實(shí)時(shí)差與虛假時(shí)差無(wú)法區(qū)分。

4.2 目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位算法

對(duì)測(cè)量得到的每一個(gè)時(shí)差，計(jì)算

代價(jià)函數(shù)可定義為

4.3 虛假時(shí)差剔除

5 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真場(chǎng)景設(shè)置：設(shè)偵察系統(tǒng)包括5個(gè)觀測(cè)站，其中1個(gè)主站，4個(gè)副站，主站位置為[130; 130; 200] km；副站1的位置設(shè)置為[120; 150; 190] km；副站2的位置設(shè)置為[130; 160; 200] km；副站3的位置設(shè)置為[160; 130; 200] km；副站4的位置設(shè)置為[150; 120; 190] km。對(duì)地面3個(gè)同類(lèi)輻射源目標(biāo)進(jìn)行偵察定位，輻射源可能存在的區(qū)域設(shè)置為[200, 400; 300, 500; 0,0] km。根據(jù)觀測(cè)站和輻射源所在區(qū)域范圍可確定時(shí)差窗。3個(gè)同類(lèi)輻射源目標(biāo)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中ID為目標(biāo)序號(hào)，RF為頻率，PW為脈寬，A為脈沖幅度，TOA為到達(dá)時(shí)間，Tb為脈沖起始時(shí)間，PRI為脈沖重復(fù)間隔，Loc為目標(biāo)位置，PN為輻射源的脈沖數(shù)。從表1可以看出3個(gè)輻射源除Tb, PRI, Loc和PN不同外，其他參數(shù)均相同。

脈沖產(chǎn)生過(guò)程中，對(duì)RF, PW和A分別加上均值為零均方根為2 MHz, 0.2和0.2 dB的高斯噪聲并考慮脈沖存在一定丟失。丟失脈沖的情形有兩種，一是脈沖幅度小于一定的門(mén)限；二是兩脈沖在同一頻段落入同一信道，且同一信道的前一脈沖后沿與后一脈沖前沿到達(dá)時(shí)間小于一定門(mén)限，則后一脈沖視為丟失，若兩脈沖交疊，則后一脈沖丟失，前一脈沖的脈寬相應(yīng)展寬。以目標(biāo)E1和E2為例說(shuō)明同類(lèi)輻射源虛假時(shí)差的產(chǎn)生過(guò)程。設(shè)E1和E2的脈沖起始時(shí)間分別為和, E1的脈沖傳輸?shù)街髡舅钑r(shí)間為, E2的脈沖傳輸?shù)礁闭?所需時(shí)間為，若滿足

則E1和E2脈沖就能滿足在時(shí)差窗范圍內(nèi)，而產(chǎn)生虛假時(shí)差。仿真過(guò)程中，觀測(cè)站和輻射源設(shè)定后，和也已確定，只要合理控制脈沖起始時(shí)間就能產(chǎn)生虛假時(shí)差。

通過(guò)表2可以看出，主站與各副站測(cè)量得到的時(shí)差數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于理論時(shí)差，其中包含著大量的虛假時(shí)差，用測(cè)量時(shí)差畫(huà)出時(shí)差定位雙曲線如圖3所示。

對(duì)上述時(shí)差測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用位置信息定位法定位，得到的定位效果圖如圖4所示。

表1輻射源參數(shù)表

IDRF(MHz)PW()APRI類(lèi)型TOA()Loc(km)PN E13000111固定Tb: 0, PRI: 403(320,380)20 E23000111參差Tb: 61, PRI: [270, 386, 491](280,420)30 E33000111參差Tb: 63, PRI: [ 960, 1050, 1160, 1290](300,400)40

表2時(shí)差信息()

測(cè)量時(shí)差理論時(shí)差 33.11854.17437.25016.50343.748464.815447.932027.1579 64.04384.69546.494-0.45753.350273.966735.759715.7680 43.61364.69520.16043.42748.747369.650141.859721.4277 53.37973.91463.46726.995**** 48.71269.72947.81115.697**** **35.70521.426**** **41.905*****

注: * 表示沒(méi)有數(shù)據(jù)。

圖3 時(shí)差定位雙曲線

圖4 位置信息場(chǎng)定位圖

表3真實(shí)測(cè)量時(shí)差

目標(biāo) 143.61364.69547.81126.995 253.37973.91435.70515.697 348.71269.72941.90521.426

通過(guò)圖4可以確定目標(biāo)的數(shù)目以及各個(gè)目標(biāo)的位置，目標(biāo)1的位置為(320,381) km，目標(biāo)2的位置為(281,420) km，目標(biāo)3的位置為(299,399) km，對(duì)應(yīng)3個(gè)目標(biāo)的真實(shí)時(shí)差如表3所示。

通過(guò)位置信息場(chǎng)定位實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)數(shù)目未知不可區(qū)分多目標(biāo)定位，將虛假時(shí)差剔除，得到了各個(gè)目標(biāo)的真實(shí)時(shí)差。后續(xù)可以對(duì)各個(gè)目標(biāo)運(yùn)用牛頓迭代等方法得到目標(biāo)更精確的位置。

圖5 定位RMSE

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目標(biāo)數(shù)目未知的多個(gè)不可區(qū)分同類(lèi)輻射源分選定位問(wèn)題，結(jié)合目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法，提出了基于時(shí)差的同類(lèi)輻射源信號(hào)分選定位方法。該方法利用目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法定位初步確定目標(biāo)的數(shù)目和位置后，利用定位結(jié)果確定真實(shí)時(shí)差，剔除虛假時(shí)差，完成脈沖分選和目標(biāo)精確定位。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，且便于結(jié)合工程實(shí)用。不可區(qū)分同類(lèi)輻射源分選定位問(wèn)題是一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，文中仿真僅對(duì)觀測(cè)站間距和目標(biāo)間距都較遠(yuǎn)的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，當(dāng)觀測(cè)站間距或目標(biāo)間距較近，方法對(duì)多目標(biāo)的分辨能力值得進(jìn)一步探討，目標(biāo)位置信息場(chǎng)定位法在丟脈沖條件下的確定目標(biāo)初始數(shù)目和位置時(shí)的虛警和漏警問(wèn)題也值得進(jìn)一步研究，這將是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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Signal Sorting and Positioning Method for Similar Radiation Sources Based on Time Difference of Arrival

Ma Xian-tong Luo Jing-qing Meng Xiang-hao

(,230037,)

In multiple platform electronic reconnaissance system, Time Difference Of Arrival (TDOA) of the pulse signal received by multiple stations can be used for signal sorting and positioning. However, when multiple emitter signals with similar parameters are mixed together in time and frequency domain, a lot of false TDOA information will be obtained by stations. Combined with Position Information Field (PIF) location method, a signal sorting and positioning method for similar radiation sources based on TDOA is proposed. TDOA information about similar radiation sources is firstly extracted from the pulses of all stations and TDOA window information by matching TDOA and multi-parameter in the proposed method. Then, multi-target’s number and each target’s position are obtained by position information field for target location method based on the TDOA information. Finally, positioning results are used to determine the real TDOA, eliminate the false TDOA, and complete signal sorting and target accurate positioning. Simulation results demonstrate the effectiveness and the practicality of this method.

Signal sorting; Multi-target location; Time difference of arrival; Similar radiation sources; Position information field for target

TN971

A

1009-5896(2015)10-2363-06

10.11999/JEIT141480

2014-11-24；改回日期：2015-07-13；

2015-07-27

馬賢同 mxtzhy@foxmail.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(60801044)

The National Natural Sciece Foundation of China (60801044)

馬賢同： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)榭臻g信息處理理論與技術(shù).

羅景青： 男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g信息處理、陣列信號(hào)處理、電子對(duì)抗信息處理.

孟祥豪： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)與雷達(dá)對(duì)抗理論新技術(shù).