馬賢同,羅景青,吳世龍
(電子工程學(xué)院雷達(dá)對(duì)抗系,安徽合肥 230037)
在多站電子偵察系統(tǒng)[1-2]中,利用脈沖到達(dá)多個(gè)觀測站的時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)信息[3-4]進(jìn)行信號(hào)分選的方法稱為時(shí)差分選[5]。輻射源信號(hào)參數(shù)變化方式復(fù)雜多樣,而輻射源的位置參數(shù)較為穩(wěn)定,所以時(shí)差分選可靠性高,是首選的信號(hào)分選方法[6]。
傳統(tǒng)的時(shí)差分選方法采用統(tǒng)計(jì)直方圖方法[5]實(shí)現(xiàn),通過形成的超過一定門限的直方峰來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,從而使超低重頻輻射源直方峰難以被檢測而出現(xiàn)漏警。文獻(xiàn)[5]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)差分選帶來的問題,但該方法受直方圖噪聲影響較大,誤選脈沖數(shù)和漏選脈沖數(shù)較多。文獻(xiàn)[7]利用測向信息消除高重頻輻射源虛假直方峰的影響,但測向信息一般不容易獲得。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),但并不能剔除所有虛假時(shí)差,且對(duì)低重頻信號(hào)難以達(dá)到理想效果。
事實(shí)上,觀測站除了得到脈沖的到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)信息外,一般還能得到載頻(Radio Frequency,RF)、脈沖寬度(Pulse Width,PW)、脈沖幅度(Pulse Amplitude,PA)等[9-10]其他信息。由于復(fù)雜信號(hào)脈間信息關(guān)聯(lián)性弱,觀測站接收的同一輻射源的不同脈沖參數(shù)變化差異往往較大,但多個(gè)觀測站接收到某一輻射源同一脈沖的參數(shù)差異較小。因此,將主站和所有副站脈沖同時(shí)進(jìn)行時(shí)差和多參數(shù)聯(lián)合預(yù)分選,并將預(yù)分選結(jié)果按位置進(jìn)行融合,最終得到精確的分選和定位結(jié)果?;谶@一思想,提出了多站時(shí)差與多參數(shù)聯(lián)合分選定位方法。若某輻射源的一個(gè)脈沖被多個(gè)觀測站同時(shí)接收到,可以實(shí)現(xiàn)單脈沖分選定位。
假定多站電子偵察系統(tǒng)包括一個(gè)主站和I個(gè)副站,各站分別測得各自脈沖列的脈沖描述字(Pulse Description Word,PDW),且經(jīng)過了頻率、脈沖類型等預(yù)處理。主站得到N0個(gè)脈沖,參與分選和時(shí)差計(jì)算的PDW為:
其中,t0,n0(n0=1,2,…,N0)為主站脈沖的到達(dá)時(shí)間,并按到達(dá)時(shí)間的先后順序排列,n0為主站脈沖序號(hào),P0,n0為主站第 n0個(gè)脈沖的PDW中除到達(dá)時(shí)間外的其他參數(shù)矢量,它一般包括載頻、脈沖幅度和脈沖寬度等參數(shù)。
副站i(i=1,…,I)共得到Ni個(gè)脈沖,參與分選和時(shí)差計(jì)算的PDW為:
其中,ti,ni,Pi,ni(i=1,…,I;ni=1,2,…,Ni)分別為副站i中第ni個(gè)脈沖的PDW中的到達(dá)時(shí)間和除到達(dá)時(shí)間外的其他參數(shù)矢量,ni為副站i脈沖序號(hào)。
假設(shè)偵察區(qū)域內(nèi)有三個(gè)目標(biāo),以主站為例,主站接收到三個(gè)目標(biāo)信號(hào)的脈沖列及混合后的脈沖列示意圖如圖1所示。作為示意,每個(gè)脈沖是一個(gè)柱形,并用柱形的高度區(qū)別三個(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,干擾脈沖則保留在混合脈沖中。
圖1 主站得到的脈沖列示意圖Fig.1 Pulse train of the main station
當(dāng)多個(gè)觀測站接收到脈沖列后,需要判斷不同觀測站接收到的兩個(gè)脈沖是否屬于同一個(gè)輻射源,也需要判斷同一觀測站接收到的不同脈沖是否屬于同一個(gè)輻射源,判斷的標(biāo)準(zhǔn)是脈沖內(nèi)部參數(shù)(載頻、脈沖幅度和脈沖寬度等)是否匹配,并用匹配因子衡量兩脈沖的匹配程度。根據(jù)待匹配脈沖是否屬于同一個(gè)觀測站的脈沖列,可以將脈沖參數(shù)匹配分為脈沖列內(nèi)部脈沖的參數(shù)匹配和脈沖列間脈沖的參數(shù)匹配,其匹配因子分別設(shè)為β0和 β1。
1)β0的計(jì)算方法。以主站脈沖為例,脈沖列內(nèi)部脈沖的參數(shù)匹配因子 β0,即為 P0,n0和 P0,n'0的參數(shù)匹配因子。其中,n0=1,2,…,N0;n'0=1,2,…,N0,且 n0≠n'0。P0,n0,P0,n'0的歐式距離為:
其中,W在此為加權(quán)矩陣,W一般為對(duì)稱矩陣。若脈沖的PDW矢量P0,n0中各參數(shù)相互獨(dú)立,則W為對(duì)角陣,對(duì)角元素取值的大小與測量誤差的方差成反比。由于參數(shù)矢量P0,n0包括載頻、脈內(nèi)調(diào)制描述代碼、脈沖幅度和脈沖寬度等參量,則W對(duì)角元素取值為對(duì)應(yīng)參數(shù)測量誤差方差量綱的倒數(shù)。脈沖列內(nèi)部參數(shù)匹配因子β0可計(jì)算為:
其中,r0為參考距離,r0表示脈沖列內(nèi)部兩脈沖不匹配時(shí)的最小歐式距離,即認(rèn)為r1達(dá)到多大時(shí)脈沖列內(nèi)部兩脈沖不匹配,在實(shí)際應(yīng)用中,r0可根據(jù)脈沖接收的可靠性進(jìn)行設(shè)定。
2)β1的計(jì)算方法。主站與副站i的脈沖列間脈沖的參數(shù)匹配因子 β1,即 P0,n0和 Pi,ni的參數(shù)匹配因子,其中 n0=1,2,…,N0,ni=1,2,…,Ni。β1的計(jì)算方法與β0的計(jì)算方法類似,只是把脈沖對(duì)P0,n0,P0,n'0換成脈沖對(duì) P0,n0,Pi,ni。
其中,r'0為參考距離,r'0表示脈沖列間兩脈沖不匹配時(shí)的最小歐式距離,同樣,r'0反映了脈沖列間兩脈沖的r2達(dá)到多大時(shí)兩脈沖不匹配并可提前設(shè)定。
3)脈沖參數(shù)匹配規(guī)則設(shè)定。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)觀測站接收到某一輻射源同一脈沖的參數(shù)差異較小。因此,設(shè)置兩個(gè)匹配門限,一個(gè)是脈沖列內(nèi)不同脈沖的匹配門限γ0,用來判別脈沖是否是同一個(gè)輻射源在不同時(shí)間發(fā)射的;另一個(gè)是兩脈沖列間的單個(gè)脈沖匹配門限γ1,用來判別同一個(gè)脈沖是否被兩個(gè)接收機(jī)接收。由于多個(gè)觀測站接收到某一輻射源同一脈沖的參數(shù)差異較小,考慮到頻率捷變、脈沖內(nèi)部編碼變化等情況,通常 γ0< γ1,如 γ0=0.3,γ1=0.7。對(duì)于脈沖列內(nèi)部脈沖的參數(shù)匹配,若β0≥γ0,參數(shù)匹配成功;否則,參數(shù)匹配不成功。對(duì)于脈沖列間脈沖的參數(shù)匹配,若β1≥γ1,參數(shù)匹配成功;否則,參數(shù)匹配不成功。
取主站第n0個(gè)脈沖,計(jì)算該脈沖到達(dá)時(shí)間t0,n0與副站 i第 ni個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間 ti,ni之差:
定義主站第n0個(gè)脈沖與副站i第ni個(gè)脈沖的相似度為:
通過式(9)可以看出,若存在副站i某個(gè)脈沖與主站第n0個(gè)脈沖相匹配,ri=1,并記副站i與主站第n0個(gè)脈沖相匹配的脈沖序號(hào)為ki;否則,ri=0。I個(gè)副站中滿足相似度為1的副站個(gè)數(shù)為:
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)定位,一般需要兩個(gè)時(shí)差值,則Im≥2才能滿足定位條件;若對(duì)空中目標(biāo)定位,則需要Im≥3。不失一般性,以對(duì)地面目標(biāo)定位為例進(jìn)行分析,若Im<2,令n0=n0+1,重復(fù)計(jì)算式(7)~(10);若滿足Im≥2,則確定主站和副站相匹配脈沖序號(hào)為:[n0,r1k1,…,riki,…,rIkI],其中序號(hào)為0的列表示該副站沒有脈沖與主站第n0個(gè)脈沖相匹配,這是由于漏脈沖現(xiàn)象引起的。稱該脈沖序號(hào)描述的一組脈沖為基準(zhǔn)脈沖。找到的基準(zhǔn)脈沖示意圖如圖2所示。圖2中主站的1號(hào)脈沖與副站1的2號(hào)脈沖和副站2的1號(hào)脈沖是一組基準(zhǔn)脈沖。
圖2 基準(zhǔn)脈沖示意圖Fig.2 Diagram of benchmark pulse
計(jì)算主站和副站相匹配脈沖間的時(shí)差:
稱這一時(shí)差為基準(zhǔn)脈沖預(yù)選時(shí)差。計(jì)算主站第n'0個(gè)脈沖與第n0個(gè)脈沖的脈沖列內(nèi)部參數(shù)匹配因子 β0,n'0=1,2,…,N0,且 n'0≠n0。若 β0≥γ0,I個(gè)副站中存在與主站第n'0個(gè)脈沖相匹配的副站個(gè)數(shù)為:
其中,Δτ'0,i=t0,n'0- ti,ni,στ為時(shí)差測量誤差估計(jì)值。若I'm< 2,令n'0=n'0+1,重復(fù)式(12);若I'm≥2,則該主站第n'0個(gè)脈沖與第n0個(gè)脈沖屬于同一個(gè)目標(biāo),找到主站中其他與第n0個(gè)脈沖屬于同一個(gè)目標(biāo)的脈沖,并將屬于同一目標(biāo)的脈沖取走另存儲(chǔ),完成第一次預(yù)分選。然后對(duì)未分選的脈沖重復(fù)式(7)~(12),直到主站所有脈沖都分選完為止。
在整個(gè)預(yù)分選過程中,需要多次重新確定基準(zhǔn)脈沖以完成不同輻射源信號(hào)脈沖的分選,同一輻射源可能脈間參數(shù)變化,也可能需要多次重新確定基準(zhǔn)脈沖。多站時(shí)差與多參數(shù)聯(lián)合預(yù)分選具體包括以下步驟:
步驟1:參數(shù)設(shè)定與初始化。按先驗(yàn)信息確定時(shí)差窗范圍和時(shí)差測量誤差στ,并設(shè)定脈沖列內(nèi)部脈沖參數(shù)匹配門限γ0,脈沖列間脈沖參數(shù)匹配門限γ1,以及加權(quán)矩陣W等參數(shù)。
步驟2:基準(zhǔn)脈沖選擇與匹配。根據(jù)初始化確定主站脈沖列的基準(zhǔn)脈沖序號(hào),在第i(i=1,…,I)個(gè)副站脈沖列中尋找匹配脈沖。對(duì)于匹配成功的副站,計(jì)算預(yù)選時(shí)差;若匹配成功的副站數(shù)少于2個(gè),則匹配失敗,重新找基準(zhǔn)脈沖。
步驟3:完成第一次預(yù)分選。找到基準(zhǔn)脈沖后,先在主站脈沖列中找同列匹配脈沖作為新的參考脈沖,再在副站脈沖列中找時(shí)差與基準(zhǔn)脈沖預(yù)選時(shí)差匹配,而且參數(shù)與新的參考脈沖也匹配的脈沖,將所有成功匹配的脈沖分選出來,完成第一次預(yù)分選。
步驟4:完成預(yù)分選。對(duì)未分選的脈沖重復(fù)第二步和第三步,直到主站所有脈沖都分選完畢完成預(yù)分選。
預(yù)分選完成了雙路脈沖列時(shí)差和多參數(shù)聯(lián)合分選,對(duì)于多目標(biāo)或復(fù)雜信號(hào)情況,分選的結(jié)果可能很多。一是同一輻射源脈間參數(shù)可能發(fā)生變化,只要脈沖參數(shù)發(fā)生了變化,均產(chǎn)生新的分選結(jié)果。二是主站和每一個(gè)副站都要進(jìn)行雙路分選,分選的結(jié)果更多,要進(jìn)行配對(duì)處理。設(shè)預(yù)分選后總共產(chǎn)生Q組時(shí)差,Q組時(shí)差中包含真實(shí)時(shí)差。每組時(shí)差至少含有兩個(gè)時(shí)差值,表示至少有兩個(gè)副站和主站接收到輻射源的某個(gè)“同一”脈沖,最多含有與副站數(shù)I相同個(gè)數(shù)的時(shí)差。比較每一組時(shí)差(未獲得時(shí)差的副站不參與比較),Q組時(shí)差中任一時(shí)差與其他時(shí)差明顯不同的均為不同的組,對(duì)兩組時(shí)差值在時(shí)差誤差容差范圍內(nèi)近似相等的時(shí)差組采用統(tǒng)計(jì)平均的方法合并,完成時(shí)差聚組,聚組后的時(shí)差組數(shù)記為Q',表示最終獲得Q'組真實(shí)時(shí)差,記為:
其中,Iq表示第 q組時(shí)差的時(shí)差個(gè)數(shù),Iq≤I,zq,iq(iq=1,…,Iq)表示第q組時(shí)差中副站iq和主站得到的時(shí)差值。
最終確定的時(shí)差組數(shù)為分選出目標(biāo)的個(gè)數(shù),根據(jù)每組時(shí)差可以用牛頓迭代法對(duì)各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行定位,并根據(jù)定位結(jié)果將預(yù)分選結(jié)果進(jìn)一步合并,確定各個(gè)目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的脈沖列,完成分選。
仿真場景設(shè)置:設(shè)偵察系統(tǒng)包括五個(gè)觀測站,其中一個(gè)主站,四個(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)觀測站和輻射源所在區(qū)域范圍可確定時(shí)差窗τL=-4.68μs和τU=85.85μs。偵察范圍內(nèi)有5個(gè)輻射源E1~E5,參數(shù)如表1所示。其中ID為目標(biāo)序號(hào),f為頻率,W為脈寬,A為脈沖幅度,t為到達(dá)時(shí)間,b為脈沖起始時(shí)間,Δt為脈沖重復(fù)間隔,L為目標(biāo)位置,N為輻射源的脈沖數(shù)。
表1 輻射源參數(shù)表Tab.1 Parameters of emitters
脈沖產(chǎn)生過程中,對(duì)f,W和A分別加上均方根為2MHz,0.2μs和0.2的隨機(jī)誤差,對(duì)t加上均方根σt為50ns的隨機(jī)誤差。由于外部環(huán)境的影響,觀測站可能由于脈沖幅度較低或兩脈沖的后沿與前沿靠得太近甚至存在交疊而丟失脈沖。仿真中,丟失脈沖的幅度門限設(shè)為0.8,即認(rèn)為脈沖幅度小于0.8的視為丟失脈沖。兩脈沖頻率間隔小于50MHz即認(rèn)為兩脈沖落入同一信道,若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2μs,則后一脈沖視為丟失;若兩脈沖交疊,則后一脈沖丟失,并改變前一脈沖的脈寬。丟失脈沖在分選處理時(shí)不參與處理。將每個(gè)輻射源預(yù)分選出的脈沖列與實(shí)際脈沖列相比較,得到的預(yù)分選結(jié)果如表2所示。
表2 σt=50ns時(shí)輻射源脈沖預(yù)分選結(jié)果Tab.2 Results of TDOA presorting with σt=50ns
從表2可以看出,在TOA均方根誤差為50ns時(shí),分選正確率可以達(dá)到100%,以上是一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,進(jìn)行多次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)均可得到相同的分選結(jié)果。需要說明的是:輻射源E2漏選脈沖數(shù)為3是在脈沖產(chǎn)生時(shí)就已經(jīng)丟失,參與分選的脈沖數(shù)為97。增加TOA均方根誤差到100ns,得到的輻射源預(yù)分選結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出,輻射源E2漏選了一個(gè)脈沖,這個(gè)脈沖被判為一個(gè)輻射源E6,產(chǎn)生虛警現(xiàn)象,經(jīng)過預(yù)分選后處理技術(shù)中的時(shí)差聚組后可將輻射源E6并入E2,消除虛警。
表3 σt=100ns時(shí)輻射源脈沖預(yù)分選結(jié)果Tab.3 Results of TDOA presorting with σt=100ns
利用時(shí)差信息運(yùn)用牛頓迭代法定位,迭代初始點(diǎn)選為偵察區(qū)域的中心點(diǎn),k次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)的均方根誤差為:
其中,(^xq,k,^yq,k)為目標(biāo) q 第 k 次實(shí)驗(yàn)得到的估計(jì)位置,(xq,yq)為目標(biāo) q的真實(shí)位置。圖3為500次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的均方根誤差。從圖中可以看出,隨著TOA測量誤差的增大,定位誤差也隨之增大;當(dāng)TOA測量誤差較小時(shí),RMSE曲線接近克拉美羅下界(Cramer Rao Lower Bound,CRLB);隨著TOA測量誤差的增大,RMSE曲線越偏離CRLB。通過輻射源的脈沖數(shù)目可以看出,本文方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)極少數(shù)量脈沖的分選,甚至可以對(duì)單脈沖分選定位。
圖3 定位RMSEFig.3 Location of RMSE
針對(duì)傳統(tǒng)分選方法不能對(duì)脈沖數(shù)極少的信號(hào)進(jìn)行分選的問題,提出了多站時(shí)差與多參數(shù)聯(lián)合分選定位新方法。該方法綜合利用了脈沖到達(dá)多個(gè)觀測站的時(shí)差信息和其自身參數(shù)信息,首先進(jìn)行預(yù)分選;然后對(duì)預(yù)分選結(jié)果按位置進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)定位輔助分選;最終得到精確的分選和定位結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法是有效的,且能對(duì)脈沖數(shù)極少的信號(hào)進(jìn)行分選定位,甚至可實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖的分選定位。該方法的適用條件是多個(gè)待分選輻射源參數(shù)信息在一定程度上是可以區(qū)分的,當(dāng)多個(gè)輻射源參數(shù)非常相似以致不可區(qū)分時(shí),參數(shù)信息則失去作用。全部依靠時(shí)差信息進(jìn)行分選定位的方法是下一步研究的重點(diǎn)。
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