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一种单源单站模式下空间无源定位新技术研究

更新时间 2011-9-14 10:49:44 点击数:

    王 卓,王立志(空军工程大学理学院,陕西西安 710051)摘 要:提出了一种利用单个外辐射源与单一接收设备协同工作对空中运动目标无源定位的新方法。将ICA技术用于直达波和反射波的分离中,对分离后信号进行时间特征提取,以确定来波的到达时间差。分析了信号独立观测器的构成,并依此提出球面阵列接收天线的设计方案。
     关键词:单源单站模式;信号盲源分离;独立观测器;球面阵列天线
    收稿日期:2011-02-210 引 言无源雷达(Passive Radar)利用目标辐射和转发的电磁信号对目标进行探测、定位与跟踪。对于外辐射源无源雷达而言,基于广播电视信号的无源雷达实用性非常强,适合在多种环境中应用。该类雷达的辐射信号分布范围广泛,定位方法具有作用距离远、宽带工作、低截获概率等优点,这对于提高系统在电子战环境下的生存和作战能力都具有重要作用;具有全天候和全天时有效工作的特点及较强的生命力和自隐身性;同时由于广播电视信号多属于米波段,所以该类雷达具有良好的反隐身能力。基于以上原因,近年来得到了很大的发展[1]。
    目前国际上已有一些成功的无源雷达,例如捷克的维拉-E(VERA-E)电子情报无源空中监视系统与美国洛克希德马丁公司的“静默哨兵”(Silent Sentry)外辐射源无源探测雷达等[2]。需指出的是,现有研究大都是基于多站址(两站及以上)或利用目标自身辐射信号对目标进行无源定位的。此类研究具有较大的局限性,例如多站址选择及其带来的设备庞大,机动性差问题,或因目标辐射源的存在时间不确定性导致无源接收信号不规则间歇等等。
    基于此,具有单站址且可利用无间断广播或电视信号等第三方辐射源对目标进行无源定位的技术研究成为亟待解决的问题。目前,对于这方面的研究较少,本文正是以解决该问题为目的而进行研究的。
    1 空间定位技术及其困难分析
    1.1 多接收站模式下定位技术及其困难分析现有的无源定位体制有时差定位体制[3]、相干测向体制[4]和波束相交体制[5]等多种。其中,利用目标自身辐射源或第三方辐射源时,时差定位体制稍有不同。多接收站虽然仅用直射波与反射波的到达时间差(TOA)就可以确定空间一点的坐标,但是多站将引起系统庞大和布站复杂的问题以及由此引起的误差和空间曲面的相交运算繁琐等。另外,利用第三方辐射源模式下各接收站必须严格区分直达波和反射波,因而接收反射波时必须极力抑制直达波,在抗干扰方面要抑制信号的多径反射。
    1.2 单接收站模式下定位技术及其困难分析传统的单接收站雷达具有单独的专用发射站,辐射信号为间歇脉冲波在其定位时采用测角和测距混合方式,前提是为使接收天线具有空间测向能力,也不必抑制直达波。然而利用第三方辐射源的单站无源雷达,则以FM广播信号为辐射源,且定位方法有多种。基本方法是通过测量到达时间差(TOA)和到达方向(DOA)来实现的,也可以利用广播信号的直达波(作为参考信号)与目标反射波作多普勒相关处理(模糊函数图)进行检测和定位[6]。文献[7]提出了一种优先估计慢变化参数的无源定位方法,利用角度、角度变化率及脉冲到达时间差等观测量,推导出了定位算法。文献[8]利用比幅测角原理和直达波与反射波的到达时间差确定空中目标的位置。
    FM信号是连续的模拟信号,因而利用此类信号的无源雷达存在的最大缺点是必须极大可能地抑制直达波和多径干扰,这也是系统实现的最大困难。另外,如果未配置像传统雷达的旋转式天线而要测量反射信号到达角也是困难的。
    2 一种典型的单源单站空间定位方法以第三方辐射源模式下单目标定位为例,讨论单源单站模式,如图1所示(取接收天线的几何中心为三维直角坐标原点)。由辐射源S(xS,yS,zS)发出的广播信号被接收器O(0,0,0)接收,同时该信号传到目标T(xT,yT,zT)后被反射,反射波的一部分也被接收器O收到。从图中可看出,空间目标T的位置由极坐标(β,ε,R)惟一确定。其中,ε为目标高低角;β为目标方位角;R为目标斜距。
    图1 单源单站模式示意图
    但确定这三个参数需要两个重要的前提。
    前提1:接收器O的天线具有很强的空间定向能力;或将天线采集到的数据经过某种处理后能确定空间波束的来向;
    前提2:接收器O仅收到较为纯净的直达波和反射波;或将接收到的混合信号经处理后至少能分离出直达波和反射波两个独立的信号。
    上述两个前提的前半部分为现有技术的研究目标,后半部分为本文提出的研究目标。若前提1成立,则能确定电磁波束SO的来向(β0,ε0)和电磁波束TO的来向(β,ε)。其中,ε0,ε分别是两个波束与xOy平面的夹角,β0,β分别是两个波束在xOy水平面上的投影线与x轴的夹角。在此基础上只要能确定目标T到测量天线O的斜距R即可对其定位。由两条波束的方向坐标(β0,ε0)和(β,ε)可以确定两条波束在空间SOT平面上的夹角θ。因为辐射源和接收天线坐标固定,由此从辐射源到天线的斜距A已知。同时若前提2成立,则可测得直达波和反射波到达天线O的时间差Δt,从而算出cΔt=L=B+R-A。可设L=B+R(即反射波折线距离),再通过解算空间三角形SOT,就能从L中分离出R。以上叙述用公式推导如下,以O为球心做单位球面,则线段SO和TO与单位球面的交点分别为Q0和Q1。其直角坐标为:Q0(cosε0cosβ0,cosε0sinβ0,sinε0)Q1(cosεcosβ,cosεsinβ,sinε)  设Q0与Q1两点连线的距离为d,则:d2=(cosεcosβ-cosε0cosβ0)2+       (cosεsinβ-cosε0sinβ0)2+(sinε-sinε0)2(1)  对三角形QOQ0利用余弦定理可以得到:d2=12+12-2×1×1×cosθ(2)2cosθ=2-d2(3)  对三角形SOT利用余弦定理可以得到:(L-R)2=A2+R2-2ARcosθ(4)  解得:R=L2-A22(L-Acosθ)(5)  从而:R=L2-A22(L-A)+Ad2(6)  这就是目标反射源到天线的斜距公式。
    3 系统实现关键技术研究
    3.1 波束到达时间差提取技术研究盲源分离(Blind Source Separation,BSS)技术是信号处理领域的国际前沿技术。它是指仅由若干必需的观测混合数据,通过特殊信号处理的手段分离出未知原始源信号的过程[9]。独立分量分析(Independent Com-ponent Analysis,ICA)是进行BSS的方向之一,其目标是使由混合系统分离的独立信号尽可能与各源信号逼近[10]。该技术非常适合用于无源雷达的信号处理,其中直达波是源信号的独立成分之一,因而不需对其进行抑制,这就解决了前述困难之一。
    根据ICA的使用有约束条件,且其结果具有不确定性的要求,在进行仿真实验之前,已通过建立源信号混合模型与噪声模型,充分论证了其可行性,为本方法提供了理论支持。在结果的不确定性方面也已通过有效方法将改进之处写入ICA算法仿真程序中,克服了不确定性对结果带来的影响。
    图2是调频直达波和反射波以及强随机噪声在空间线性混合而后经ICA算法分离的仿真波形。其中,图2(a)是期望的纯净信号(信号1为直达波、信号2为反射波、信号3为随机噪声),图2(b)是混合后信号(天线收到的信号),图2(c)是分离后信号。
    图2 混有强噪声的直达波和反射波的分离对分离后信号进行波形时间特征提取,可以获得直达波和反射波到达接收天线的时间差Δt(特征提取算法本文从略,但从图中可粗略看出反射波滞后直达波4 000个采样点),从而换算为空间距离L,再从式(6)算得斜距R。理论分析和仿真实验表明,反射波较之直达波很

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