馬賢同 羅景青 孟祥豪

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基于時差的同類輻射源信號分選定位方法

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，多個觀測站接收到的脈沖信號的時差信息可用于信號分選和定位。但當(dāng)多個參數(shù)相近的同類輻射源信號在時域和頻域都混疊在一起時，會得到大量虛假時差信息。該文結(jié)合目標(biāo)位置信息場定位法，提出基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。該方法首先利用時差窗先驗(yàn)信息，將主站與副站的脈沖進(jìn)行時差和參數(shù)匹配提取同類輻射源的時差信息，然后對得到的所有時差利用目標(biāo)位置信息場定位法確定目標(biāo)數(shù)目和位置，最后利用定位結(jié)果確定真實(shí)時差，剔除虛假時差，完成信號分選和目標(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。

信號分選；多目標(biāo)定位；到達(dá)時間差；同類輻射源；目標(biāo)位置信息場

1 引言

傳統(tǒng)的時差分選方法采用統(tǒng)計(jì)直方圖方法[6]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，但該方法會使高重頻輻射源累積出虛假直方峰而產(chǎn)生虛警，會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)[6]將時差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直方圖的結(jié)構(gòu)，序貫地對各個輻射源進(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差分選帶來的問題。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。文獻(xiàn)[8]利用時差相關(guān)性依據(jù)高重頻信息的配對表現(xiàn)剔除虛假時差對[9]。以上分選方法對時差分選都進(jìn)行了一定的研究和改進(jìn)，但是，目前對多個在時域頻域都混疊在一起的同類輻射源時差分選方法的研究較少。同類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。

針對同類輻射源，雖然參數(shù)無法區(qū)分，但它們的位置一般相距一定的距離?；谶@一前提，本文提出了基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。利用觀測站得到的關(guān)于輻射源的真實(shí)時差和虛假時差信息，先用目標(biāo)位置信息場定位法對多個同類輻射源定位，再利用定位結(jié)果確定真實(shí)時差，剔除虛假時差，最終利用真實(shí)時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個同類輻射源信號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個目標(biāo)信號的脈沖，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。由于是同類輻射源，且各輻射源的脈沖是混疊在一起的，只通過一個觀測站接收的脈沖信號是無法將信號區(qū)分的。

3 同類輻射源時差參數(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，但多個觀測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差：

圖2 基準(zhǔn)脈沖示意圖

4 目標(biāo)位置信息場定位法

4.1 定位時差確定

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

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

4.2 目標(biāo)位置信息場定位算法

對測量得到的每一個時差，計(jì)算

代價函數(shù)可定義為

4.3 虛假時差剔除

5 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真場景設(shè)置：設(shè)偵察系統(tǒng)包括5個觀測站，其中1個主站，4個副站，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。對地面3個同類輻射源目標(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)域范圍可確定時差窗。3個同類輻射源目標(biāo)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中ID為目標(biāo)序號，RF為頻率，PW為脈寬，A為脈沖幅度，TOA為到達(dá)時間，Tb為脈沖起始時間，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)生過程中，對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)時間小于一定門限，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為例說明同類輻射源虛假時差的產(chǎn)生過程。設(shè)E1和E2的脈沖起始時間分別為和, E1的脈沖傳輸?shù)街髡舅钑r間為, E2的脈沖傳輸?shù)礁闭?所需時間為，若滿足

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

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

對上述時差測量數(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時差信息()

測量時差理論時差 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: * 表示沒有數(shù)據(jù)。

圖3 時差定位雙曲線

圖4 位置信息場定位圖

表3真實(shí)測量時差

目標(biāo) 143.61364.69547.81126.995 253.37973.91435.70515.697 348.71269.72941.90521.426

通過圖4可以確定目標(biāo)的數(shù)目以及各個目標(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，對應(yīng)3個目標(biāo)的真實(shí)時差如表3所示。

通過位置信息場定位實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)數(shù)目未知不可區(qū)分多目標(biāo)定位，將虛假時差剔除，得到了各個目標(biāo)的真實(shí)時差。后續(xù)可以對各個目標(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

本文針對目標(biāo)數(shù)目未知的多個不可區(qū)分同類輻射源分選定位問題，結(jié)合目標(biāo)位置信息場定位法，提出了基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。該方法利用目標(biāo)位置信息場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)時差，剔除虛假時差，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)分同類輻射源分選定位問題是一個難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，文中仿真僅對觀測站間距和目標(biāo)間距都較遠(yuǎn)的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，當(dāng)觀測站間距或目標(biāo)間距較近，方法對多目標(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)目和位置時的虛警和漏警問題也值得進(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、陣列信號處理、電子對抗信息處理.

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