基于分數(shù)階傅里葉變換的單站無源快速定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術領域，特別涉及一種無源定位方法，可用于單站偵察。
【背景技術】
[0002] 無源定位是指單個偵察設備或者多個偵察設備在探測到散射源或者輻射源并獲 得有關定位參數(shù)的基礎上，利用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理手段，確定對散射源或輻射源在三維空間 中的位置。
[0003] 無源定位可以簡單分為多站定位和單站定位。多站定位通過部署在不同地理位置 的站點接收到的目標輻射信號進行信號級別或者數(shù)據(jù)級別的融合，從而達到定位的目的。 在通信設備定位中應用較廣；而雷達發(fā)射天線往往波束較窄，很難保證多個接收站能接收 到目標信號，同時多站的時間同步機制要求設備復雜，而單站定位由于幾乎沒有上述問題， 因而得到了廣泛的關注。
[0004] 單站無源定位通過單一觀測平臺被動接收輻射源信號完成目標定位，是獲取目標 位置信息的重要手段，已經(jīng)應用到重要目標位置監(jiān)視、緊急營救、智能交通以及反恐維穩(wěn)等 領域。單站定位與多站定位相比最大特點是只有一個觀測平臺，設備簡單、部署靈活、機動 性能強，因此在星載、機載、艦載等多種運動平臺目標定位方面發(fā)揮了重要作用。
[0005] 目前單站定位方法的研究，包括測向定位、到達時間差定位、多普勒頻率及其變化 率定位、相位差及其變化率定位以及上述的組合定位法等。其中，多普勒頻率變化率定位和 相位差變化率定位較為常用，這兩種方法為了提高目標定位跟蹤能力，采用了如包括牛頓 迭代方法、卡爾曼濾波及其擴展方法、貝葉斯估計理論的粒子濾波方法等。2004年開始，意 大利在直升機上采用雙天線實現(xiàn)多普勒變化率定位實驗。該方法在飛機兩側(cè)放置2個干涉 儀天線，利用其頻率差測量結(jié)果定位。實驗結(jié)果顯示該方法的最佳位置在兩側(cè)斜視角±45 度處，其他位置均將下降；在定位距離約5km，定位35秒時間條件下，目標定位誤差將超過 10%〇
[0006]上述的單站定位方法都是利用了目標與偵察設備位置變化的非線性變化特性，采 用了非相干的積累方法實現(xiàn)目標位置的估計。但是隨著現(xiàn)代雷達技術的發(fā)展，雷達的射頻 源穩(wěn)定度得到了明顯提高;雷達在成像、空時處理等模式下，都會有較長的信號穩(wěn)定期，偵 察獲取信號的相干性明顯增強。常規(guī)的單站定位方法不能有效的利用信號的相關性，需要 很長的積累時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于分數(shù)階傅里葉變換的 單站無源快速定位方法，以減小運算量，改善定位精度，實現(xiàn)快速定位。
[0008] 本發(fā)明技術思路是，將合成孔徑成像雷達的相關技術應用到偵察領域，利用輻射 源的相干性，將長時間積累信號虛擬合成長的天線陣列，使其不滿足遠場條件，即天線陣列 的二次相位無法忽略;利用分數(shù)階傅里葉變換對該不可忽略的二次相位進行估計，進而利 用二次相位與輻射源距離的反比關系實現(xiàn)對輻射源目標位置的估計。其實現(xiàn)步驟包括如 下：
[0009] (1)偵察設備做勻速直線運動，對接收信號進行瞬時測頻和測向，得到測頻結(jié)果/ 和測向結(jié)果I并利用測頻結(jié)果/進行混頻消除載頻，得到基帶信號ur(t);
[0010] (2)對基帶信號ur(t)進行積累，得到一組積累的基帶信號：
[0011] Url(t)，Ur2(t)，."Uri(t)."Urn(t)，i = l，2,3."n，
[0012]其中，n表示積累脈沖總個數(shù)；
[0013] (3)對積累的基帶信號進行匹配濾波：
[0014] (3a)在積累的基帶信號中選擇其中一個作為參考信號urQ(t);
[0015] (3b)將參考信號urQ(t)與所有積累脈沖信號進行卷積，得到一組卷積結(jié)果m(t)， U2(t)，???Ui(t)."Un(t);
[0016] (4)對每個卷積結(jié)果m(t)進行多倍插值，得到采樣信號^(〇,提取插值結(jié)果Vl(t) 峰值處的采樣復信號um(t)，得到峰值采樣復信號矩陣：
[0017] M= [UUl(t)，UU2(t)，???UUi(t) ???UUn(t)];
[0018] (5)對峰值采樣復信號矩陣M將進行分數(shù)階傅里葉變換，搜索最優(yōu)調(diào)頻率兵i
[0019] (5a)分數(shù)階傅里葉變換的階次a在[0，jt/2]范圍內(nèi)等間隔的選擇m個值:^，^… 〇k* * *ctm ? k - 1 ? 2 ? 3* * *ni ；
[0020] (5b)對峰值采樣復信號矩陣M分別進行^^^處…~階的分數(shù)階傅里葉變換"己 錄分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果的峰值Ai，Adk…Am;
[0021 ] (5c)比較分數(shù)階傅里葉變換的峰值Ai，A2…Aw Am，利用最大的峰值Amax所對應的 參數(shù)amax計算最優(yōu)調(diào)頻斜率A.:
[0022] //, - tan (a,^ )；
[0023] (6)根據(jù)最優(yōu)調(diào)頻率爲獲得補償后的信號矩陣M。：
[0024] (6a)利用最優(yōu)調(diào)頻率戎構(gòu)建補償信號矩陣H=[h(ni)，h(n2)…h(huán)(ru)-_h(n n)]，其 中，h(ru)為補償信號，rU = iTpri，ru表示輻射源脈沖到達時間，Tpri表示輻射源脈沖重復周 期；
[0025] (6b)將補償信號矩陣H與峰值采樣復信號矩陣M進行點乘，消除峰值采樣復信號關 于時間的二次相位，得到補償后的信號矩陣：
[0026] Mc= [uui(t)h(ni), ???uui(t)h(ni)---uun(t)h(nn)]；
[0027] (7)對補償后的信號矩陣M。進行傅里葉變換得到多普勒頻率，計算高精度的測 向結(jié)果#_;
[0028] (8)利用高精度的測向結(jié)果氣_，計算輻射源和偵察設備的距離幻
[0029] (9)結(jié)合高精度的測向結(jié)果^^和輻射源和偵察設備的距離h得到輻射源位置。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：
[0031] 第一，相對于傳統(tǒng)的定位方法，本發(fā)明利用了輻射源的相干性，縮短定位時間，可 以實現(xiàn)快速定位；
[0032] 第二，將合成孔徑雷達的原理應用在雷達定位中，將長時間積累的信號虛擬合成 長的天線陣列，實現(xiàn)對目標的精確角度測量；
[0033] 第三，利用虛擬長天線陣列不滿足遠場條件，即接收信號關于時間的二次相位無 法忽略的特性，通過分數(shù)階傅里葉變換進行時頻域匹配搜索，得到距離參數(shù)，提高定位精 度。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明的定位誤差圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明方法定位時間與相位差分法定位時間的對比圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述。
[0038] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0039]步驟1、獲取基帶信號。
[0040] 本發(fā)明采用做勻速直線運動的偵察設備，對接收信號進行瞬時測頻和測向，得到 測頻結(jié)果/和測向結(jié)果I并利用測頻結(jié)果/進行混頻消除載頻，得到基帶信號Ur(t)，測 頻誤差要求較低，小于1MHZ即可。
[0041] 步驟2、積累基帶信號。
[0042] 對基帶信號ur(t)進行積累，即每進行一次混頻得到的基帶信號進行儲存，累計得 到一組基帶信號：
[0043] Url(t)，Ur2(t)，???Uri(t)."Urn(t)，i = 1，2,3."n
[0044] 其中，n表示積累脈沖總個數(shù)。
[0045] 步驟3、對積累的基帶信號進行匹配濾波。
[0046] 在積累的基帶信號中選擇其中的任意一個作為參考信號urQ(t)，將該參考信號ur0 ⑴與所有積累的信號Url⑴，1!:2(〇，~11:辦卜_11" 1(〇分別做卷積，得到匹配濾波結(jié)果：
[0047] Ul(t) ,U2(t), ???Ui(t)---Un(t)
[0048] 步驟4、多倍插值，提取峰值采樣復信號。
[0049] (4a)對每個卷積結(jié)果m(t)分別進行傅里葉變換，將卷積結(jié)果m(t)轉(zhuǎn)換到頻域，并 在頻域中心插入(K-l)N f個零，得到插值后的頻域信號，其中，Nf為傅里葉變換后的數(shù)據(jù)個 數(shù)，K為插值倍數(shù)，取值為2的整數(shù)次冪，本實例K取8;
[0050] (4b)對插值后的頻域信號進行逆傅里葉變換，將信號恢復到時域，得到采樣信號 Vl(t);記錄采樣結(jié)果Vl(t)達到峰值時的時間tmax，提取時間t max對應的峰值采樣復信號um (t) - V i ( tmax )；
[0051 ] (4c)對所有的卷積結(jié)果ui(t)，U2(t)，…Ui(t)'"un(t)進行(4a)_(4b)處理，得到一 組峰值采樣復信號:UUl(t)，UU2(t)，???UUi(t)-_UUn(t)，形成峰值采樣復信號矩陣M= [uui (t) ,UU2(t) , ???UUiUh.UUr^t)]。
[0052]步驟5、對峰值采樣復信號矩陣M進行分數(shù)階傅里葉變換，搜索最優(yōu)調(diào)頻率允。
[0053] (5a)在[0，V2 ]范圍內(nèi)分數(shù)階傅里葉變換的階次a等間隔的選擇m個值：
[0054] ai,a2---ak-