基于時差的同類輻射源信號分選定位方法

馬賢同 羅景青 孟祥豪

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基于時差的同類輻射源信號分選定位方法

馬賢同*羅景青 孟祥豪

(電子工程學院 合肥 230037)

多站電子偵察系統中，多個觀測站接收到的脈沖信號的時差信息可用于信號分選和定位。但當多個參數相近的同類輻射源信號在時域和頻域都混疊在一起時，會得到大量虛假時差信息。該文結合目標位置信息場定位法，提出基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。該方法首先利用時差窗先驗信息，將主站與副站的脈沖進行時差和參數匹配提取同類輻射源的時差信息，然后對得到的所有時差利用目標位置信息場定位法確定目標數目和位置，最后利用定位結果確定真實時差，剔除虛假時差，完成信號分選和目標精確定位。仿真實驗驗證了該方法的有效性和實用性。

信號分選；多目標定位；到達時間差；同類輻射源；目標位置信息場

1 引言

傳統的時差分選方法采用統計直方圖方法[6]實現，通過形成的超過一定門限的直方峰來判定分選的輻射源數目，但該方法會使高重頻輻射源累積出虛假直方峰而產生虛警，會使超低重頻輻射源直方峰難以被檢測而出現漏警。文獻[6]將時差數據轉換成直方圖的結構，序貫地對各個輻射源進行檢測和分選，可以同步解決高重頻輻射源和超低重頻輻射源給時差分選帶來的問題。文獻[7]利用測向信息消除高重頻輻射源虛假直方峰的影響。文獻[8]利用時差相關性依據高重頻信息的配對表現剔除虛假時差對[9]。以上分選方法對時差分選都進行了一定的研究和改進，但是，目前對多個在時域頻域都混疊在一起的同類輻射源時差分選方法的研究較少。同類輻射源是指輻射源間的載頻(Radio Frequency, RF)、脈沖寬度(Pulse Width, PW)、脈沖幅度(Pulse Amplitude, PA)等[10,11]參數都相似，用這些參數無法區分輻射源，例如真實目標與誘餌[12]、執行相同任務的一組艦隊等情況。

針對同類輻射源，雖然參數無法區分，但它們的位置一般相距一定的距離。基于這一前提，本文提出了基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。利用觀測站得到的關于輻射源的真實時差和虛假時差信息，先用目標位置信息場定位法對多個同類輻射源定位，再利用定位結果確定真實時差，剔除虛假時差，最終利用真實時差信息完成輻射源分選和定位。仿真實驗驗證了該方法的有效性。

2 脈沖列模型

作為示意，主站接收到3個同類輻射源信號脈沖列生成示意圖如圖1所示。脈沖的參數是不可區分的，用脈沖柱形的高度區別3個目標信號的脈沖，漏脈沖的柱形用虛點填充，干擾脈沖用斜網格填充，漏脈沖不出現在混合脈沖中，干擾脈沖保留在混合脈沖中。由于是同類輻射源，且各輻射源的脈沖是混疊在一起的，只通過一個觀測站接收的脈沖信號是無法將信號區分的。

3 同類輻射源時差參數提取

3.1 脈沖參數匹配規則

由于復雜信號參數可能出現捷變、跳變或隨機變化，脈間信息關聯性弱，觀測站接收的同一輻射源的不同脈沖因參數變化差異較大，但多個觀測站接收到某一輻射源同一脈沖的參數差異較小。

圖1 主站脈沖列生成示意圖

3.2 時差提取數學模型

任選一組基準脈沖，計算主站和副站相匹配脈沖間的時差：

圖2 基準脈沖示意圖

4 目標位置信息場定位法

4.1 定位時差確定

同類輻射源時差提取過程雖然得到了關于目標的所有時差，但對于多目標或復雜信號情況，得到的時差數目可能很多。其中很多時差在時差測量誤差允許的范圍內實際上可認為是同一個時差，所以要進行配對處理。

聚組后的時差中仍然包含真實時差和虛假時差，且真實時差與虛假時差無法區分。

4.2 目標位置信息場定位算法

對測量得到的每一個時差，計算

代價函數可定義為

4.3 虛假時差剔除

5 仿真實驗

仿真場景設置：設偵察系統包括5個觀測站，其中1個主站，4個副站，主站位置為[130; 130; 200] km；副站1的位置設置為[120; 150; 190] km；副站2的位置設置為[130; 160; 200] km；副站3的位置設置為[160; 130; 200] km；副站4的位置設置為[150; 120; 190] km。對地面3個同類輻射源目標進行偵察定位，輻射源可能存在的區域設置為[200, 400; 300, 500; 0,0] km。根據觀測站和輻射源所在區域范圍可確定時差窗。3個同類輻射源目標的參數設置如表1所示。其中ID為目標序號，RF為頻率，PW為脈寬，A為脈沖幅度，TOA為到達時間，Tb為脈沖起始時間，PRI為脈沖重復間隔，Loc為目標位置，PN為輻射源的脈沖數。從表1可以看出3個輻射源除Tb, PRI, Loc和PN不同外，其他參數均相同。

脈沖產生過程中，對RF, PW和A分別加上均值為零均方根為2 MHz, 0.2和0.2 dB的高斯噪聲并考慮脈沖存在一定丟失。丟失脈沖的情形有兩種，一是脈沖幅度小于一定的門限；二是兩脈沖在同一頻段落入同一信道，且同一信道的前一脈沖后沿與后一脈沖前沿到達時間小于一定門限，則后一脈沖視為丟失，若兩脈沖交疊，則后一脈沖丟失，前一脈沖的脈寬相應展寬。以目標E1和E2為例說明同類輻射源虛假時差的產生過程。設E1和E2的脈沖起始時間分別為和, E1的脈沖傳輸到主站所需時間為, E2的脈沖傳輸到副站1所需時間為，若滿足

則E1和E2脈沖就能滿足在時差窗范圍內，而產生虛假時差。仿真過程中，觀測站和輻射源設定后，和也已確定，只要合理控制脈沖起始時間就能產生虛假時差。

通過表2可以看出，主站與各副站測量得到的時差數目遠遠多于理論時差，其中包含著大量的虛假時差，用測量時差畫出時差定位雙曲線如圖3所示。

對上述時差測量數據運用位置信息定位法定位，得到的定位效果圖如圖4所示。

表1輻射源參數表

IDRF(MHz)PW()APRI類型TOA()Loc(km)PN E13000111固定Tb: 0, PRI: 403(320,380)20 E23000111參差Tb: 61, PRI: [270, 386, 491](280,420)30 E33000111參差Tb: 63, PRI: [ 960, 1050, 1160, 1290](300,400)40

表2時差信息()

測量時差理論時差 33.11854.17437.25016.50343.748464.815447.932027.1579 64.04384.69546.494-0.45753.350273.966735.759715.7680 43.61364.69520.16043.42748.747369.650141.859721.4277 53.37973.91463.46726.995**** 48.71269.72947.81115.697**** **35.70521.426**** **41.905*****

注: * 表示沒有數據。

圖3 時差定位雙曲線

圖4 位置信息場定位圖

表3真實測量時差

目標 143.61364.69547.81126.995 253.37973.91435.70515.697 348.71269.72941.90521.426

通過圖4可以確定目標的數目以及各個目標的位置，目標1的位置為(320,381) km，目標2的位置為(281,420) km，目標3的位置為(299,399) km，對應3個目標的真實時差如表3所示。

通過位置信息場定位實現了目標數目未知不可區分多目標定位，將虛假時差剔除，得到了各個目標的真實時差。后續可以對各個目標運用牛頓迭代等方法得到目標更精確的位置。

圖5 定位RMSE

6 結束語

本文針對目標數目未知的多個不可區分同類輻射源分選定位問題，結合目標位置信息場定位法，提出了基于時差的同類輻射源信號分選定位方法。該方法利用目標位置信息場定位法定位初步確定目標的數目和位置后，利用定位結果確定真實時差，剔除虛假時差，完成脈沖分選和目標精確定位。仿真實驗驗證了該方法的可行性和有效性，且便于結合工程實用。不可區分同類輻射源分選定位問題是一個難點和熱點問題，文中仿真僅對觀測站間距和目標間距都較遠的情況進行了實驗，當觀測站間距或目標間距較近，方法對多目標的分辨能力值得進一步探討，目標位置信息場定位法在丟脈沖條件下的確定目標初始數目和位置時的虛警和漏警問題也值得進一步研究，這將是下一步重點研究的內容。

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Signal Sorting and Positioning Method for Similar Radiation Sources Based on Time Difference of Arrival

Ma Xian-tong Luo Jing-qing Meng Xiang-hao

(,230037,)

In multiple platform electronic reconnaissance system, Time Difference Of Arrival (TDOA) of the pulse signal received by multiple stations can be used for signal sorting and positioning. However, when multiple emitter signals with similar parameters are mixed together in time and frequency domain, a lot of false TDOA information will be obtained by stations. Combined with Position Information Field (PIF) location method, a signal sorting and positioning method for similar radiation sources based on TDOA is proposed. TDOA information about similar radiation sources is firstly extracted from the pulses of all stations and TDOA window information by matching TDOA and multi-parameter in the proposed method. Then, multi-target’s number and each target’s position are obtained by position information field for target location method based on the TDOA information. Finally, positioning results are used to determine the real TDOA, eliminate the false TDOA, and complete signal sorting and target accurate positioning. Simulation results demonstrate the effectiveness and the practicality of this method.

Signal sorting; Multi-target location; Time difference of arrival; Similar radiation sources; Position information field for target

TN971

A

1009-5896(2015)10-2363-06

10.11999/JEIT141480

2014-11-24；改回日期：2015-07-13；

2015-07-27

馬賢同 mxtzhy@foxmail.com

國家自然科學基金(60801044)

The National Natural Sciece Foundation of China (60801044)

馬賢同： 男，1987年生，博士生，研究方向為空間信息處理理論與技術.

羅景青： 男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向為空間信息處理、陣列信號處理、電子對抗信息處理.

孟祥豪： 男，1987年生，博士生，研究方向為雷達與雷達對抗理論新技術.