雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)方法，可用 于目標(biāo)檢測(cè)中的信號(hào)融合。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的信息融合是雷達(dá)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的信息融合分為 三個(gè)層次:航跡融合、判決融合和信號(hào)融合，信號(hào)融合的難度最大，但其能夠提高雷達(dá)對(duì)目 標(biāo)的檢測(cè)性能。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)融合的前提是雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)的信號(hào)能夠在 空間中配準(zhǔn)，但由于各雷達(dá)觀察警戒模式不同、位置不同、雷達(dá)參數(shù)不同以及所處環(huán)境不同 等因素，導(dǎo)致對(duì)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)接收信號(hào)成功進(jìn)行空間配準(zhǔn)有較大的難度。實(shí)際上， 空間配準(zhǔn)問(wèn)題幾乎成了信號(hào)融合檢測(cè)領(lǐng)域普遍回避的問(wèn)題，大部分信號(hào)融合的研究都是在 假設(shè)各雷達(dá)站信號(hào)已經(jīng)完成空間配準(zhǔn)的條件下進(jìn)行的。
[0003] 已有的空間配準(zhǔn)方法主要分為兩類(lèi)：離線處理和在線處理。離線處理方法以解決 傳感器系統(tǒng)偏差為主要目的。離線處理方法主要包括:最小二乘法、廣義最小二乘法、最大 似然法和精確極大似然估計(jì)等。在線處理方法主要用于實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)偏差，能較好的表現(xiàn) 復(fù)雜環(huán)境、噪聲影響及特殊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的誤差動(dòng)態(tài)變化，具有更好的靈活性和適用性。在線 處理方法主要包括:基于卡爾曼濾波算法、改進(jìn)的卡爾曼濾波算法以及序貫卡爾曼濾波算 法。
[0004] 上述已有的空間配準(zhǔn)方法中，離線處理方法僅適用于固定誤差因素，對(duì)非固定誤 差因素?zé)o法給出有效評(píng)測(cè)；在線處理方法盡管靈活性強(qiáng)，但操作不夠簡(jiǎn)便，不利于工程應(yīng) 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù) 操作復(fù)雜和不能對(duì)非固定誤差因素進(jìn)行有效評(píng)測(cè)的不足，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)融合時(shí) 的空間配準(zhǔn)。
[0006] 本發(fā)明對(duì)于一個(gè)包含多部雷達(dá)的雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)，其進(jìn)行空間配準(zhǔn)的技術(shù)方案包括 如下：
[0007] 1)設(shè)定雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)視區(qū)域，選定監(jiān)視區(qū)域中心點(diǎn)作為初始柵格單元的中心 占.
[0008] 2)根據(jù)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)波束指向選出照射到監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)；
[0009] 3)計(jì)算雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)在監(jiān)視區(qū)域中心點(diǎn)處形成的初始空間分辨單元信 息以及初始柵格單元中心點(diǎn)相對(duì)于指向監(jiān)視區(qū)域的各雷達(dá)的方位角Θ4Ρ俯仰角其中 i <Ν，Ν表示所述指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)總數(shù)；
[0010] 4)將每個(gè)雷達(dá)的初始空間分辨單元近似為橢球形狀，計(jì)算該橢球區(qū)域的協(xié)方差矩 陣匕，其中1 < i <Ν，Ν表示所述指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)總數(shù)；
[0011] 5)計(jì)算初始柵格單元的大小&和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣P;
[0012] 5a)根據(jù)各橢球區(qū)域的協(xié)方差矩陣匕，計(jì)算各橢球相交區(qū)域的協(xié)方差矩陣C:
[0013]
[0014] 其中，（· Γ1表示矩陣求逆運(yùn)算，ki表示所述指向監(jiān)視區(qū)域的第i部雷達(dá)對(duì)應(yīng)的橢 球區(qū)域的協(xié)方差矩陣的權(quán)重系數(shù)，lu的取值依據(jù)行列式最小準(zhǔn)則確定；
[0015] 5b)對(duì)各橢球相交區(qū)域的協(xié)方差矩陣C進(jìn)行特征值分解，C^DV-1，得到特征值矩陣 D和特征向量矩陣V;
[0016] 根據(jù)特征值矩陣D得到初始柵格單元的大小5為：
[0017]
[0018] 其中，β的對(duì)角線元素表示初始柵格單元三維尺寸，m表示松弛因子，m的取值由雷 達(dá)參數(shù)和布站情形確定；
[0019] 5c)根據(jù)特征向量矩陣v的正交特性，將czVDr1變換為得到初始 柵格單元對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為:p=v4;
[0020] 6)根據(jù)初始柵格單元的大小5和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣P，將監(jiān)視區(qū)域劃分為E個(gè)格網(wǎng)單 元；
[0021] 7)完成空間配準(zhǔn)：
[0022] 根據(jù)指向監(jiān)視區(qū)域的每個(gè)雷達(dá)與E個(gè)格網(wǎng)單元的角度關(guān)系，將每個(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng) 到該雷達(dá)的接收通道；
[0023] 根據(jù)指向監(jiān)視區(qū)域的每個(gè)雷達(dá)與E個(gè)格網(wǎng)單元的距離關(guān)系，將每個(gè)劃分出的格網(wǎng) 單元對(duì)應(yīng)到該雷達(dá)的距離單元；
[0024] 將雷達(dá)的回波信號(hào)放入對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)單元完成空間配準(zhǔn)。
[0025] 本發(fā)明方法根據(jù)多源信息融合理論，對(duì)多部雷達(dá)在監(jiān)視區(qū)域中心的初始分辨單元 的相交區(qū)域擬合得到初始柵格單元，并利用初始柵格單元對(duì)監(jiān)視區(qū)域劃分成格網(wǎng)，能夠完 成組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)空間配準(zhǔn)的要求，與傳統(tǒng)航跡起始方法相比能夠保證在監(jiān)視區(qū)域中能量損 失較小。
[0026] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程不意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明仿真使用的雷達(dá)布站示意圖；
[0029] 圖3是在松弛因子m=2/3時(shí)，用本發(fā)明仿真4部雷達(dá)在柵格劃分后的監(jiān)視區(qū)域能量 損失不意圖；
[0030] 圖4是在松弛因子m=l時(shí)，用本發(fā)明仿真4部雷達(dá)在柵格劃分后的監(jiān)視區(qū)域能量損 失不意圖；
[0031] 圖5是在松弛因子m=3/4時(shí)，用本發(fā)明仿真4部雷達(dá)在柵格劃分后的監(jiān)視區(qū)域能量 損失不意圖；
[0032] 圖6是在松弛因子m=l/2,時(shí)用本發(fā)明仿真4部雷達(dá)在柵格劃的分后監(jiān)視區(qū)域能量 損失不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述。
[0034]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0035] 步驟1，設(shè)定監(jiān)視區(qū)域，并選取初始柵格單元中心點(diǎn)。
[0036] 設(shè)定雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)視區(qū)域，并選定所述監(jiān)視區(qū)域的中心點(diǎn)作為初始柵格單元 的中心點(diǎn)，所述初始柵格單元用于對(duì)所述監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行柵格化分，本實(shí)例中，取初始柵格單 元中心點(diǎn)坐標(biāo)為(50,50) km。
[0037] 步驟2,初始化雷達(dá)參數(shù)，判斷出指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)。
[0038] 初始化雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的雷達(dá)參數(shù)，并根據(jù)雷達(dá)參數(shù)中當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)發(fā)射波束的 方位角和俯仰角確定指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)，其中，所述雷達(dá)參數(shù)至少包括雷達(dá)站的坐標(biāo)，雷 達(dá)的距離分辨率，雷達(dá)的方位角分辨率，雷達(dá)的俯仰角分辨率，雷達(dá)接收通道的方位角和俯 仰角以及當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)發(fā)射波束的方位角和俯仰角。
[0039] 步驟3,計(jì)算每部指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)的初始空間分辨單元信息，及初始柵格單元 中心點(diǎn)相對(duì)于指向監(jiān)視區(qū)域的各雷達(dá)的方位角和俯仰角。
[0040] 計(jì)算初始空間分辨單元信息具體表現(xiàn)為計(jì)算初始空間分辨單元的大小，為了簡(jiǎn)化 計(jì)算，將雷達(dá)在監(jiān)視區(qū)域中心點(diǎn)處形成的初始空間分辨單元近似為長(zhǎng)方體。
[0041] 3.1)設(shè)初始空間分辨單元的長(zhǎng)方體中心與雷達(dá)站的距離為r，該長(zhǎng)方體在距離維 上的長(zhǎng)度為a= Ar，在方位維上的長(zhǎng)度為b = r Δ Θ，在俯仰維上長(zhǎng)度為<ι· = /'Δρ，其中，r通過(guò) 距離計(jì)算公式得到，A r、△ Θ和Δ爐分別為已知的雷達(dá)距離分辨率、方位角分辨率和俯仰角 分辨率，本實(shí)例中，采用二維雷達(dá)進(jìn)行仿真，取距離分辨率Δ r= 150m，方位角分辨率Δ θ = jt/180；
[0042] 3.2)根據(jù)初始柵格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)和雷達(dá)位置坐標(biāo)即可計(jì)算出初始柵格單元相 對(duì)于指向監(jiān)視區(qū)域的各雷達(dá)的方位角和俯仰角。
[0043] 步驟4,計(jì)算各雷達(dá)在監(jiān)視單元中心形成的初始空間分辨單元相交區(qū)域的協(xié)方差 矩陣。
[0044] 為了提取初始空間分辨單元的相交區(qū)域信息，本發(fā)明對(duì)初始空間分辨單元重新構(gòu) 建計(jì)算模型：以初始空間分辨單元的中心點(diǎn)為球心，對(duì)指向監(jiān)視區(qū)域的每部雷達(dá)構(gòu)建一個(gè) 用以擬合初始空間分辨單元的橢球區(qū)域，即取初始空間分辨單元的內(nèi)切橢球作為用于擬合 的橢球區(qū)域：
[0045] 4.1)記第i部指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)對(duì)應(yīng)的橢球區(qū)域的協(xié)方差矩陣為Q，其計(jì)算方 法為：
[0046]
[0047] 其中（·廠表示矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算，R表示由步驟3.2)中的初始柵格單元相對(duì)于指向 監(jiān)視區(qū)域的第i部雷達(dá)的方位角和俯仰角構(gòu)建的綜合旋轉(zhuǎn)矩陣， ai表示第i部雷達(dá)在監(jiān)視區(qū) 域中心點(diǎn)處形成的初始空間分辨單元所代表的長(zhǎng)方體在距離維上的長(zhǎng)度，h表示該長(zhǎng)方體 在方位維上的長(zhǎng)度， Cl表示該長(zhǎng)方體在俯仰維上的長(zhǎng)度，1 < i < N，N表示所述指向監(jiān)視區(qū)域 的雷達(dá)總數(shù)。
[0048] 4.2)根據(jù)行列式最小原則和步驟4.1)得到的橢球區(qū)域的協(xié)方差矩陣匕，計(jì)算包含 步驟4.1)所述橢球區(qū)域的相交區(qū)域的協(xié)方差矩陣C:
[0049]
[0050] 其中，（· Γ1表示矩陣求逆運(yùn)算，N表示所述指向監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)總數(shù)，1^表示所述 指向監(jiān)視區(qū)域的第i部雷達(dá)對(duì)應(yīng)的橢球區(qū)域的協(xié)方差矩陣的權(quán)重系數(shù);1^的取值依據(jù)行列 式最小準(zhǔn)則確定。
[0051 ]步驟5，計(jì)算初始柵格單元的大小5和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣P。
[0052]步驟4中所述的初始空間分辨單元的相交區(qū)域是一個(gè)橢球形的區(qū)域，直接在監(jiān)視 區(qū)域無(wú)空隙生長(zhǎng)比較困難;本發(fā)明以步驟4中得到的初始空間分辨單元的相交區(qū)域的信息 構(gòu)建初始柵格單元，將所述相交區(qū)域重構(gòu)為長(zhǎng)方體，即取該橢球區(qū)域的外切長(zhǎng)方體，以簡(jiǎn)化 柵格劃分計(jì)算模型，具體方法如下：
[0053] 5.1)對(duì)各橢球相交區(qū)域的協(xié)方差矩陣C進(jìn)行特征值分解，C = VDV'得到特征值矩 陣D和特征向量矩陣V;
[0054] 根據(jù)特征值矩陣D得到初始柵格單元的大小β為：
[0055]
[0056] 其中，D的對(duì)角線元素表示初始柵格單元三維尺寸，m表示松弛因子，m的取值由雷 達(dá)參數(shù)和布站情形確定，本實(shí)例中，取松弛因子m = 2/3;
[0057] 5.2)根據(jù)特征向量矩陣V的正交特性，將C = VDF1變換為:c = (r1)TDr1，得到初始 柵格單元對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為:Ρ=ν4。
[0058] 步驟6,對(duì)監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行柵格劃分。
[0059] 由步驟5得到的長(zhǎng)方體是對(duì)相交橢球區(qū)域的近似，該長(zhǎng)方體的邊與該橢球的三個(gè) 長(zhǎng)半軸方向相同，在大多數(shù)情況下與笛卡爾坐標(biāo)系的軸不平行，故本發(fā)明中所述的柵格劃 分即為從監(jiān)視區(qū)域的中心開(kāi)始對(duì)任意分布的長(zhǎng)方體狀初始柵格單元進(jìn)行生長(zhǎng)直至完成對(duì) 監(jiān)視區(qū)域的無(wú)縫填充;長(zhǎng)方體的生長(zhǎng)存在兩種方案：1、直接在以長(zhǎng)方體的中心為原點(diǎn)，以與 長(zhǎng)方體的邊平行的三個(gè)方向?yàn)檩S的坐標(biāo)系上進(jìn)行生長(zhǎng)，2、先在在笛卡爾坐標(biāo)系中進(jìn)行生 長(zhǎng)，而后根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn);方案2在實(shí)際操作中可以簡(jiǎn)化計(jì)算量，在本發(fā)明 中采取方案2的思想，具體步驟為：
[0060] 6.1)在笛卡爾坐標(biāo)系中繪制一立方體，其中，立方體的中心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，立方 體各邊平行于坐標(biāo)軸，且邊長(zhǎng)等于所述監(jiān)視區(qū)域中心點(diǎn)到所述監(jiān)視區(qū)域邊緣的最大距離；
[0061] 6.2)設(shè)定基準(zhǔn)長(zhǎng)方體的中心在坐標(biāo)系原點(diǎn)，各邊平行于坐標(biāo)軸，且各邊在x，y，