用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法技术

本发明专利技术提出了一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，包括：步骤一、各雷达子站中各接收阵元的距离多普勒处理域数据快拍提取；步骤二、数据块稀疏表示建模和代价函数构造；步骤三、交替优化求解信号功率矢量；步骤四、获得二维坐标空间谱并利用谱峰位置实现目标定位；本发明专利技术提出的目标定位方法最少仅需单个距离多普勒域数据快拍，无需先验已知目标个数、无需人工调节参数，相比于传统雷达多站目标定位方法，所提方法能够处理的最大目标个数不受子站内阵元数限制，且有效利用了分布式多站阵列的孔径优势，目标定位精度更高。

Large Aperture Distributed Multi-Station Target Location Method for HF Ground Wave Radar

The invention proposes a large aperture distributed multi-station target location method for HF ground wave radar, which includes: step 1, data snapshot extraction in range Doppler processing domain of each receiving element in each radar sub-station; step 2, data block sparse representation modeling and cost function construction; step 3, alternately optimizing the solution of signal power vector; step 4, obtaining two-dimensional coordinate space. The target location method proposed in the present invention requires at least a single range Doppler domain data snapshot, no prior knowledge of the number of targets and no manual adjustment of parameters. Compared with the traditional radar multi-station target location method, the maximum number of targets that the proposed method can process is not limited by the number of array elements in the sub-station, and the distributed multi-element is effectively utilized. The aperture advantage of the station array makes the target location more accurate.

【技术实现步骤摘要】
用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法
本专利技术涉及雷达目标定位
，具体的说是一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法。
技术介绍
目标定位技术是阵列信号处理领域内近年来备受关注的热门问题。在高频地波雷达系统中，传统的目标定位主要利用单站数据联合测距和测角实现，但测距精度受限于发射信号带宽、测角精度受限于阵列孔径，由于其工作波段问题，两者都难以达到满意的精度，导致最终的定位性能较差。随着现代谱估计技术的发展，近年来基于角度信息的多站定位算法大量涌现，主要包括如下两类：第一类方法首先利用超分辨测向算法分别估计目标到达各站的角度，再利用几何关系解算位置信息，从而实现目标定位，但一方面，对于远距离目标来说，较小的角度偏差可能导致很大的定位误差，由于每次测向仅利用了各子站的较小孔径，此类算法往往不能得到较高的定位性能，另一方面，能够处理的最大目标个数受子阵阵元数的限制；另一类方法则利用多站构成的整个阵列信息直接进行目标定位，虽然精度有所提高，但其应用往往存在诸多限制，如需要较多的数据快拍、需要已知信源数、无法处理相干信号等，因此在高频地波雷达的特殊应用背景下仍存在很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高高频地波雷达系统的目标定位精度、改善传统多站定位方法的局限性，提供了一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，该方法直接联合多站距离多普勒域数据进行目标定位，从而有效利用了分布式阵列的超大孔径以提高定位精度；由于在进行定位前目标已经在距离多普勒域分离，该方法能够处理远超实际阵元个数的目标，即使对于同一距离多普勒单元，最大可处理的目标个数也不再受子阵阵元数约束；算法最少仅需距离多普勒域的单次快拍，能够处理强相关甚至相干信号，无需已知目标个数、无需人为调节参数。该方法适用于目标对于各子站满足远场假设、但对于整个分布式阵列不满足远场假设的条件下，各雷达子站之间无需严格的接收同步，实际处理中仅需各子站中各接收阵元的距离多普勒域数据，数据传输量小。一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，所述目标定位方法包括如下步骤：步骤一：针对由K(K＞1)个子站组成的大孔径分布式平面阵列(子站内部阵元间距不超过半波长，子站间距远大于子站孔径)，对各子站各接收通道的雷达回波进行距离多普勒处理，针对感兴趣的远距离目标，提取各子站相应距离多普勒单元上的L个数据快拍(L≥1)用于目标定位；步骤二：基于分布式阵列的距离多普勒域观测数据，建立块稀疏表示模型，将目标定位问题建模为块稀疏功率矢量重构问题，基于协方差匹配准则构造代价函数，优化求解各位置坐标网格上的信号功率；步骤三：引入中间变量将原优化问题转化为交替迭代优化问题，求得中间变量的闭式最优解，代入代价函数后求导并令导数为零，进一步得到信号功率和噪声方差的更新表达式；步骤四：重复上述步骤三，直至功率矢量估计值收敛或达到预设的最大迭代次数，最后利用最终得到的块稀疏功率矢量绘制目标二维位置坐标空间谱，根据其中谱峰位置实现目标定位。进一步地，步骤一所述多站距离多普勒域观测快拍提取包括：第一步：设置同一平面内的K(K＞1)个雷达子站，其中第k(k＝1,…,K)个子站由Mk个接收天线阵元组成，整个阵列共包含个阵元；由于高频地波雷达系统针对目标多来自于海面，其俯仰无需考虑，因此子站的阵列排布方式可采用最简单的线阵，子站内部阵元间距不超过半波长，雷达回波中的目标相对于小孔径子站来说满足远场入射条件；各子站之间间距远超子站阵列孔径以构建大孔径分布式阵列，目标相对于整个大孔径分布式阵列来说不满足远场入射条件，即目标到各子站之间的入射角度不同，因此，传统多站定位方法可以利用各站测得的方位角实现目标定位。记发射信号为s(t)，则t时刻第k个子站中第m(m＝1,2,…,Mk)个阵元接收到的第n(n＝1,2,…,N0，N0为总目标数)个目标回波为：skm,n(t)＝μk,ns(t-Δtk,n-τkm,n(ρn))其中，μk,n为第n个目标传播到第k个子站的衰减因子，由于不同目标到达不同子站的传播路径不同，该衰减因子也有所区别；Δtk,n为回波到达第k个子站中的参考阵元时相对于雷达发射信号的延迟，由目标到该子站的距离Rk,n和径向速度vk,n决定：Δtk,n＝2(Rk,n-vk,nt)/c，c为光速；τkm,n(ρn)为回波到达第k个子站内第m个阵元时相对于该子站内参考阵元的时间延迟，ρn＝(xn,yn)为目标在平面坐标系内的位置坐标。在高频地波雷达系统中，回波信号可视为窄带信号，因此第k个子站中第m个阵元的接收回波可表示为：其中，f0为发射信号载频。鉴于高频雷达系统中的回波距离多普勒处理操作满足线性性质，对skm(t)进行距离多普勒变换后，有：其中，表示距离多普勒变换后rk距离单元、dk多普勒单元上的数据；Γ表示该单元上大小为N(N≤N0)的目标编号索引集，即变化后(rk,dk)距离多普勒单元上仅存在N个目标。将高频雷达回波数据按时间划分为L(L≥1)个批次分别进行上述变换，该操作在子站各接收阵元内分别进行，对于第k个子站中某一感兴趣的(rk,dk)单元，提取距离多普勒域的L次快拍，构成子站接收数据：Xk＝AkSk+Nk其中，Xk＝[xk(1)…xk(L)]，其中各列为l为距离多普勒域数据快拍索引；N为M×L维观测噪声；Ak＝[ak,1…ak,N]为M×N维阵列流型矩阵，对各子站分别进行上述操作，经过配对提取感兴趣目标在各子站中所在的距离多普勒单元数据，可以得到整个分布式阵列的完整接收数据。进一步地，步骤二所述距离多普勒域数据的块稀疏表示建模包括：首先，为有效利用整个分布式阵列的大孔径优势，需联合各子站数据Xk(k＝1,…,K)进行直接定位。由于高频雷达目标回波多为强相关甚至相干信号，采用基于目标空域稀疏性的直接定位方法：将感兴趣的目标位置区域按二维平面坐标(x,y)划分为Z个网格，网格点数大于分布式阵列总阵元数(Z＞M)且远大于待处理的距离多普勒单元内的目标个数(Z＞＞N)，目标信号的真实位置包含在划定的网格中，由于真实目标仅存在于其中的少数网格点上，可以认为目标在空域上存在稀疏性。由于目标回波到达各站的衰减不同，考虑将该衰减因子合并入信号部分作为待估计变量，联合多站信息后，可将多站数据表示为如下块稀疏表示模型：X＝AS+N其中其中，位置坐标网格ρz＝(xz,yz)，z＝1,…,Z为坐标网格编号索引。显然，当第z个网格点数存在真实目标时，利用距离多普勒域数据X恢复出的目标信号分块Sz将非零，否则为零，从而将目标定位问题转化为了一个块稀疏信号重构问题，块的尺寸为子站个数K。其次，假设观测噪声N也服从高斯分布、信号S的协方差矩阵为对角矩阵，则上述距离多普勒域数据X的协方差矩阵可表示为：其中，IM为M维单位矩阵，p＝[p1…pZ+M]，pz＝[pz1…pzK](z＝1,2,…,Z)中各元素pzk为第z个位置坐标网格上第k个子站对应的衰减后信号sk,z的功率，pZ+M＝σm(m＝1,2,…,M)为分布式阵列各接收通道的噪声方差。显然，只要重构块稀疏功率矢量p，就能确定S中非零块的位置，从而实现目标定位。最后，考虑最小化如下基于协方差矩阵匹配准则的代价函数以求解块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：针对由K个子站组成的大孔径分布式平面阵列，K＞1，子站内部阵元间距不超过半波长，子站间距远大于子站孔径，对各子站各接收通道的雷达回波进行距离多普勒处理，针对感兴趣的远距离目标，提取各子站相应距离多普勒单元上的L个数据快拍，L≥1用于目标定位；步骤二：基于分布式阵列的距离多普勒域观测数据，建立块稀疏表示模型，将目标定位问题建模为块稀疏功率矢量重构问题，基于协方差匹配准则构造代价函数，优化求解各位置坐标网格上的信号功率；步骤三：引入中间变量将原优化问题转化为交替迭代优化问题，求得中间变量的闭式最优解，代入代价函数后求导并令导数为零，进一步得到信号功率和噪声方差的更新表达式；步骤四：重复上述步骤三，直至功率矢量估计值收敛或达到预设的最大迭代次数，最后利用最终得到的块稀疏功率矢量绘制目标二维位置坐标空间谱，根据其中谱峰位置实现目标定位。

【技术特征摘要】
1.一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：针对由K个子站组成的大孔径分布式平面阵列，K＞1，子站内部阵元间距不超过半波长，子站间距远大于子站孔径，对各子站各接收通道的雷达回波进行距离多普勒处理，针对感兴趣的远距离目标，提取各子站相应距离多普勒单元上的L个数据快拍，L≥1用于目标定位；步骤二：基于分布式阵列的距离多普勒域观测数据，建立块稀疏表示模型，将目标定位问题建模为块稀疏功率矢量重构问题，基于协方差匹配准则构造代价函数，优化求解各位置坐标网格上的信号功率；步骤三：引入中间变量将原优化问题转化为交替迭代优化问题，求得中间变量的闭式最优解，代入代价函数后求导并令导数为零，进一步得到信号功率和噪声方差的更新表达式；步骤四：重复上述步骤三，直至功率矢量估计值收敛或达到预设的最大迭代次数，最后利用最终得到的块稀疏功率矢量绘制目标二维位置坐标空间谱，根据其中谱峰位置实现目标定位。2.根据权利要求1所述一种用于高频地波雷达的大孔径分布式多站目标定位方法，其特征在于，步骤一中多站距离多普勒域观测快拍提取包括：第一步：设置同一平面内的K(K＞1)个雷达子站，其中第k(k＝1,…,K)个子站由Mk个接收天线阵元组成，整个阵列共包含个阵元；由于高频地波雷达系统针对目标多来自于海面，其俯仰无需考虑，因此子站的阵列排布方式可采用最简单的线阵，子站内部阵元间距不超过半波长，雷达回波中的目标相对于小孔径子站来说满足远场入射条件；各子站之间间距远超子站阵列孔径以构建大孔径分布式阵列，目标相对于整个大孔径分布式阵列来说不满足远场入射条件，即目标到各子站之间的入射角度不同，因此，传统多站定位方法可以利用各站测得的方位角实现目标定位；记发射信号为s(t)，则t时刻第k个子站中第m(m＝1,2,…,Mk)个阵元接收到的第n(n＝1,2,…,N0，N0为总目标数)个目标回波为：skm,n(t)＝μk,ns(t-Δtk,n-τkm,n(ρn))其中，μk,n为第n个目标传播到第k个子站的衰减因子，由于不同目标到达不同子站的传播路径不同，该衰减因子也有所区别；Δtk,n为回波到达第k个子站中的参考阵元时相对于雷达发射信号的延迟，由目标到该子站的距离Rk,n和径向速度vk,n决定：Δtk,n＝2(Rk,n-vk,nt)/c，c为光速；τkm,n(ρn)为回波到达第k个子站内第m个阵元时相对于该子站内参考阵元的时间延迟，ρn＝(xn,yn)为目标在平面坐标系内的位置坐标；在高频地波雷达系统中，回波信号可视为窄带信号，因此第k个子站中第m个阵元的接收回波可表示为：其中，f0为发射信号载频；鉴于高频雷达系统中的回波距离多普勒处理操作满足线性性质，对skm(t)进行距离多普勒变换后，有：其中，表示距离多普勒变换后rk距离单元、dk多普勒单元上的数据；Γ表示该单元上大小为N(N≤N0)的目标编号索引集，即变化后(rk,dk)距离多普勒单元上仅存在N个目标；将高频雷达回波数据按时间划分为L(L≥1)个批次分别进行上述变换，该操作在子站各接收阵元内分别进行，对于第k个子站中某一感兴趣的(rk,dk)单元，提取距离多普勒域的L次快拍，构成子站接收数据：Xk＝AkSk+Nk其中，Xk＝[xk(1)…xk(L)]，其中各列为l为距离多普勒域数据快拍索引；N为M×L维观测噪声；Ak＝[ak,1…ak,N]为M×N维阵列流型矩阵，对各子站分别进...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜丽蝉，马赫，赵春雷，毛兴鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23