8.7 分数域辐射源定位技术在线视频

同学们好

这节课主要介绍

分数域辐射源定位技术

即基于分数傅里叶变换的

辐射源定位技术

这节课的主要内容分为三个部分

首先是研究背景

主要介绍辐射源高精度定位的需求

以及现有的定位方法

然后是研究方案

主要介绍基于分数傅里叶变换的

定位方法

最后是针对具体的问题

对基于分数傅里叶变换的定位方法

进行拓展研究

下面具体介绍

首先是研究背景

为了理解辐射源定位

首先需要明白什么是辐射源

辐射源是能够发射电磁波的装置

因此辐射源定位是利用接收机

接收辐射源发射的电磁信号

通过辐射源与接收机之间的

多普勒 时延等信息

实现对辐射源目标的精准定位

那么 辐射源定位有什么意义呢

首先 我们的周围

有很多高价值的辐射源信号

存在各种类型的辐射源目标

如海面舰船 雷达站

通信网、测控站等

但是如何实现高精度辐射源定位

一直是亟待解决的问题

此外 各种干扰源

对正常通信造成极大危害

如何定位这些干扰源

进而对干扰源进行处置

也是辐射源定位的需求之一

目前辐射源定位技术

主要分为三类

测频定位 测向定位和时差定位

测频定位方法是利用目标

与接收机之间存在相对运动

而产生的接收频率

与实际频率之间的偏差

来进行定位的

测向定位方法利用观测站的散布

通过多站各自测量目标的

视线方向前向交叉

得到目标位置

时差定位

方法通过处理多站接收到的

辐射源信号到达时间差数据

来对辐射源进行定位

上述定位方法都有各自特点

但都无法同时达到宽域覆盖

高精度和高灵敏度的要求

且星载设备的定位精度

最高仅为公里量级

因而如何进一步提高辐射源定位精度

成为关注的重点

下面进入第二部分 研究方案

通过分析不难发现

辐射源定位

本质上就是一个随机信号参数估计问题

考虑到信号是信息的载体

目标的位置信息蕴含在采样信号中

为充分挖掘

采样信号上承载的辐射源位置信息

需要充分运用信号的每个采样点

为此 可以借鉴SAR成像理论中

方位向匹配滤波的概念

引入被动合成孔径辐射源定位方法

简单来说

被动合成孔径辐射源定位

定位系统不主动辐射电磁信号

只是被动接收辐射源发射的信号

定位算法在方位向利用脉冲压缩技术

而距离向通过调频率搜索确定

下面具体介绍辐射源定位的思路

首先从天线阵列的角度

解释被动合成孔径辐射源定位原理

由于不同方向辐射源到达

阵列天线相邻阵元之间的

相位差不同

因此可以用来分辨不同方向的辐射源

上图展示了阵列天线方向图形成的原理

要使阵列天线方向图指向theta 0方向

需要构造一个长度为阵元数目的

等差相位复指数信号序列

相位差与波束指向theta 0

阵元间隔d以及波长lambda有关

将该信号与实际阵元接收的信号

进行共轭点乘并求和

可以得到

该阵列天线波束指向theta 0时

阵列天线接收到

theta方向辐射源的强度

在每个阵元都是全向的情况下

可以得到

红框内阵列天线的方向图

从方向图的数学表达式可以看出

阵列天线的波束宽度与阵列天线总长度成反比

介绍了阵列天线方向图形成的原理之后

我们以匀速直线运动的机载模式为例

通过天线阵列概念

来介绍被动合成孔径的定位过程

如图所示

考虑到实际信号是离散的采样信号

可以将采样时刻对应位置处的天线

作为一个虚拟天线阵列的阵元

整个采样的信号可以等效为

一个虚拟天线阵列的阵元接收的信号

虚拟天线的总长度为合成孔径长度

可利用不同方向辐射源

到达阵列天线相邻阵元之间的相位差

不同来分辨不同方向的辐射源

需要注意的是

这里的不同方向指的是不同方位向

此外 被动合成孔径辐射源定位原理的

另一种理解是基于相干累加的概念

图中展示了

被动合成孔径辐射源定位原理

可以看出该定位方法是

将目标对应的AB段多普勒信号

与搜索点对应的CD段多普勒信号

进行相关处理

当搜索点在目标上时

两段信号相干

信号相关处理模值最大

当搜索点不在目标上时

两段信号不相干

且目标与搜索点间距越远

信号相关性越弱

累加的模值越小

由此实现对目标的定位

因此 被动合成孔径定位算法的

关键是多普勒信号模型的分析

以机载模式下的多普勒信号模型为例

当合成孔径时间较短时

对瞬时距离做二阶近似

可以得到线性调频类型的多普勒信号

且调频率K只与最短距离R0有关

零多普勒时刻tp只与方位向距离有关

由此可将辐射源最短距离R0

方位向距离A0的参数估计问题

转化为多普勒信号

参数K tp的估计问题

考虑到线性调频信号

在分数域有很好的聚焦性

可以先在分数域上估计调频率K

然后利用估计的K值得到最短距离R0

同时设计调频率为K的匹配滤波器

估计零多普勒时刻

进而得到方位向距离A0

至此 分数域辐射源定位原理介绍完毕

之后需要对分数域辐射源定位方法

进行性能分析

为此来做一个机载模式下

辐射源定位的仿真

仿真得到的多普勒信号不加噪声

定位结果如图所示

可以看出定位结果与实际结果一致

紧接着我们

分析了搜索峰值沿距离向

和方位向的分布结果

从结果可以看出

该定位方法在距离向和方位向

有较好的分辨性能

现在 我们对多辐射源目标的

场景进行仿真

信号加噪声

可以看出该方法能够准确定位

多个辐射源目标

上述研究方案虽然有良好的定位性能

但是还存在一些问题

下面结合具体问题简单介绍

拓展研究部分

首先该研究方案遇到的第一个问题是

多普勒信号在合成孔径时间较长时

线性度下降

由此导致的近似误差增加

为此我们可以考虑

引入高阶频率变化率特征

采用高阶分数域方法

第二个问题是

下变频引入的频偏

对零多普勒时刻估计的影响较大

为此 我们需要寻找频偏估计的方法

去除频偏的影响

如何有效估计频偏

感兴趣的同学可以课下探索

今天的课就讲到这里

谢谢大家