基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，首先建立目标的状态转移模型以及包含外辐射源的直达波和回波的接收信号模型；通过计算接收信号的傅立叶系数将时域数据转化成频域数据，对频域接收数据构建高维最大似然估计，利用信息矩阵的最大特征值作为粒子滤波中粒子的后验概率加权，通过重采样获得权值较大的粒子，对所得粒子取平均得到对应时刻目标位置的估计。本发明专利技术相比于传统跟踪方法，综合考虑外辐射源的直达波信息与目标反射回波信息，构建包含时延与多普勒信息的多维信号模型，利用底层接收数据构建粒子后验概率加权，直接对目标位置状态进行估计，跟踪精度更高，且方法实现简单、高效，性能稳健、可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及外辐射源定位跟踪
，特别涉及一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法。
技术介绍
外辐射源无源定位与跟踪，指的是利用非合作的第三方辐射源(例如AM/FM信号、普通/数字电视信号等)作为目标的照射源，通过对直达波及反射回波进行处理，以得到时延、频率等相关参数信息，进而实现对目标的定位与跟踪。利用第三方的非合作照射源对目标进行探测，不仅能够实现对隐形目标和静默目标的探测、定位与跟踪，同样也可以用于对目标的成像与识别。是诸多军用和民用应用领域的重要组成部分，如电子对抗、雷达信号处理、空中交通管制、无线电监测、移动通信、遥测与导航等。目前外辐射源无源定位与跟踪采用的体制是传统的无源定位与跟踪体制，其处理流程为首先进行参数估计，如到达角度、到达时间、到达时间差、多普勒频差、接收信号强度或多种参数联合估计，再通过对获取的参数进行对非线性方程的求解获得目标的位置估计。若目标运动，除了需要考虑目标的坐标信息外，还需要考虑目标的速度信息及其带来的状态变化；目标运动中的参数信息及其变化率均是状态变量的的非线性函数，必须采用非线性滤波算法，如卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波算法等，否则定位系统的性能将急剧下降。寻找一种稳健且收敛速度快的跟踪滤波算法是辐射源目标跟踪中需要解决的首要问题，传统的目标跟踪处理方法为首先进行参数估计形成目标的点迹，再利用滤波算法对目标的航迹进行跟踪处理。由于参数估计与目标滤波跟踪相分离，无法保证测量的参数结果与真实目标航迹信息相匹配，同时参数估计的误差可能在后续的处理过程中被进一步放大且很难被消除从而导致整个数据处理过程中不可避免地存在信息损失，所以无法获得最优的估计性能。从信息论的角度来看，从原始接收数据到最终的处理结果，增加中间的处理环节将引入更多的不确定性，导致部分信息的损失，所以传统的目标跟踪处理方法很难取得最优的结果。为了克服传统目标跟踪方法的缺点，以色列学者A.J.Weiss和Alon Y.Sidi学者提出了单步跟踪(直接目标跟踪)方法，该方法直接从接收信号数据中获取目标的航迹信息，无需参数估计步骤，避免了误差的引入，提高了目标跟踪的精度，该方法仅考虑单根天线时的情况，未对阵列天线的情况进行研究。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，利用接收底层数据构造粒子后验概率权重，避免由参数估计误差引起权重与真实位置失配的问题，减少了目标跟踪信息的损失，跟踪精度明显提升，且对信噪比具有较强的鲁棒性。按照本专利技术所提供的设计方案，一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，具体包含如下步骤：步骤1.外辐射源场景下利用状态转移矩阵F构建目标运动状态方程为：xk＝Fxk-1+vk-1，其中，为状态向量，xk,yk与表分别示在第k次观测间隙内目标辐射源的位置坐标和相应的速度分量；Tr表示采样周期，状态转移矩阵F为： F = 1 T r 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T r 0 0 0 1 ]]>，并定义初始状态与跟踪状态时的条件概率密度函数；结合粒子滤波方法构建后验概率加权迭代方程为： w k ( i ) = w ~ k ( i ) / Σ i = 1 M w ~ k ( i ) , w ~ k ( i ) = w k - 1 ( i ) p ( z k | x k ( i ) ) ]]>，其中，zk表示k时刻的观测量；步骤2.对L个观测站的双通道接收系统进行时间同步，并根据Nyquist采样定理采集外辐射源的直达波信号以及经目标反射的回波信号，获得多站接收的信号时域模型；步骤3.针对信号时域模型，对各站双通道接收的时域数据分别计算其傅立叶系数，得到阵列信号频域模型；步骤4.针对阵列信号频域模型，每个观测站将所获得的阵列信号频域数据传输至中心站，中心站将每个站传输的阵列信号频域数据按照观测站的顺序进行堆栈排列，构造高维阵列信号频域模型；步骤5.针对高维阵列信号频域模型，在中心站对高维阵列信号频域数据构造高斯最大似然函数，并构造包含回波时延、多普勒信息以及直达波时延信息的数据信息矩阵；步骤6.数据信息矩阵的最大特征值作为粒子滤波的后验概率权重；根据粒子滤波理论，设定粒子数量及初始权重，通过迭代更新粒子的后验概率权本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，具体包含如下步骤：步骤1.外辐射源场景下利用状态转移矩阵F构建目标运动状态方程为：xk＝Fxk‑1+vk‑1，其中，为状态向量，xk,yk与表分别示在第k次观测间隙内目标辐射源的位置坐标和相应的速度分量；Tr表示采样周期，状态转移矩阵F为：F=1Tr000100001Tr0001]]>，并定义初始状态与跟踪状态时的条件概率密度函数；结合粒子滤波方法构建后验概率加权迭代方程为：wk(i)=w~k(i)/Σi=1Mw~k(i),w~k(i)=wk-1(i)p(zk|xk(i))]]>，其中，zk表示k时刻的观测量；步骤2.对L个观测站的双通道接收系统进行时间同步，并根据Nyquist采样定理采集外辐射源的直达波信号以及经目标反射的回波信号，获得多站接收的信号时域模型；步骤3.针对信号时域模型，对各站双通道接收的时域数据分别计算其傅立叶系数，得到阵列信号频域模型；步骤4.针对阵列信号频域模型，每个观测站将所获得的阵列信号频域数据传输至中心站，中心站将每个站传输的阵列信号频域数据按照观测站的顺序进行堆栈排列，构造高维阵列信号频域模型；步骤5.针对高维阵列信号频域模型，在中心站对高维阵列信号频域数据构造高斯最大似然函数，并构造包含回波时延、多普勒信息以及直达波时延信息的数据信息矩阵；步骤6.数据信息矩阵的最大特征值作为粒子滤波的后验概率权重；根据粒子滤波理论，设定粒子数量及初始权重，通过迭代更新粒子的后验概率权重并进行重采样，所得最终粒子的均值作为该时刻目标跟踪的结果。...

【技术特征摘要】
2015.12.05 CN 2015108879685;2015.12.26 CN 201510991.一种基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，具体包含如下步骤：步骤1.外辐射源场景下利用状态转移矩阵F构建目标运动状态方程为：xk＝Fxk-1+vk-1，其中，为状态向量，xk,yk与表分别示在第k次观测间隙内目标辐射源的位置坐标和相应的速度分量；Tr表示采样周期，状态转移矩阵F为： F = 1 T r 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T r 0 0 0 1 ]]>，并定义初始状态与跟踪状态时的条件概率密度函数；结合粒子滤波方法构建后验概率加权迭代方程为： w k ( i ) = w ~ k ( i ) / Σ i = 1 M w ~ k ( i ) , w ~ k ( i ) = w k - 1 ( i ) p ( z k | x k ( i ) ) ]]>，其中，zk表示k时刻的观测量；步骤2.对L个观测站的双通道接收系统进行时间同步，并根据Nyquist采样定理采集外辐射源的直达波信号以及经目标反射的回波信号，获得多站接收的信号时域模型；步骤3.针对信号时域模型，对各站双通道接收的时域数据分别计算其傅立叶系数，得到阵列信号频域模型；步骤4.针对阵列信号频域模型，每个观测站将所获得的阵列信号频域数据传输至中心站，中心站将每个站传输的阵列信号频域数据按照观测站的顺序进行堆栈排列，构造高维阵列信号频域模型；步骤5.针对高维阵列信号频域模型，在中心站对高维阵列信号频域数据构造高斯最大似然函数，并构造包含回波时延、多普勒信息以及直达波时延信息的数据信息矩阵；步骤6.数据信息矩阵的最大特征值作为粒子滤波的后验概率权重；根据粒子滤波理论，设定粒子数量及初始权重，通过迭代更新粒子的后验概率权重并进行重采样，所得最终粒子的均值作为该时刻目标跟踪的结果。2.根据权利要求1所述的基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，其特征在于：步骤2中，第l个k时刻观测站的所接收到的信号时域模型为： r l , k ( t ) = b d l s ( t - τ d l ) b l , k s ( t - τ l , k ) e j 2 πf l , k t + w d l ( t ) w l , k ( t ) , 0 ≤ t < T ; ]]>其中，表示外辐射源相对于第l个观测站的直达路径时延；τl,k＝(||pe-p0,k||+||pl-p0,k||)/c表示外辐射源照射k时刻的目标并反射至观测站产生的时延，c表示信号传播速度，||·||表示2范数；pe为外辐射源位置，发射信号带宽W，p0,k为目标在k时刻时的位置，速度为vk＝[vx,k,vy,k]T；与wl,k(t)分别表示均值为0，方差为与直达波通道与k时刻回波通道的加性平稳复高斯白噪声；bl,k与分别表示k时刻回波信道与直达波信道的衰减系数；fl,k表示目标与观测站之间的多普勒频率，其包含两部分，一部分为外辐射源照射至目标时信号的多普勒频率，另一部分是k时刻反射回波到达观测站时产生的多普勒频率，故fl,k表示为： f l , k = Δ f c c ( v k T ( p 0 , k - p l ) | | p 0 , k - p l | | + v k T ( p 0 , k - p e ) | | p 0 , k - p e | | ) ]]>，其中，pl＝[xl,yl]T(l＝1,2,…,L)为第l个观测站的位置坐标。3.根据权利要求2所述的基于外辐射源联合时延与多普勒频率的直接跟踪方法，其特征在于：步骤3中第l个观测站k时刻的所接收到的信号频域模型为： r ~ l , k ( f n ) = b d l s ~ ( f n ) e - j 2 πf n τ d l b l , k s ~ ( f n - f l ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云龙，王鼎，于宏毅，吴瑛，杨宾，唐涛，吴志东，吴江，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南;41