一种基于成像策略的多传感器多目标定位方法

摘要

本发明公开了一种基于成像策略的多传感器多目标的定位方法，它是通过将传感器网络建模为一个二维稀疏阵，把基于传感器网络的多目标定位问题转变为成像问题，采用像BP算法投影策略，用来解决繁杂的数据关联问题；通过贪婪算法搜寻三维图像的峰值，并利用剔除算法清除虚假目标定位多个目标。与传统多目标定位方法相比，本发明从成像的角度对目标的多个回波进行相参积累，从而能够更加提高目标信噪比，方便、准确的解算多目标；在成像空间方便的考虑多目标定位，从而提高多目标定位的概率。

主权项

1.一种基于成像策略的多传感器多目标定位方法，其特征是该方法包括如下步骤：步骤1、相关参数的初始化初始化的参数均已知，如下所示：雷达的空间距离分辨率为δ_r；雷达在距离向上的最大距离单元编号为L，由所有接收机的最大探测距离而定，L取值为整数；电磁波传播速度记为v；以发射机位置为原点，在目标，发射机，接收机所在的地理空间建立三维笛卡尔坐标系，则所有位置坐标都是以直角坐标表示；发射机位置记为P_t;空中目标个数记为Ntar，目标的散射截面积记为σ，第i个空中目标的位置记为ptar(i)，i=1，2，…，Ntar，i为目标序号；地面接收机个数记为Nrec，第j个地面接收机位置记为prec(j)，j=1，２，…，Nrec，j为接收机序号；每个接收机的接收距离波门均为Rrec0;每个接收机通道的信噪比记为SNR;雷达发射信号为单载频脉冲信号，其脉冲的载频为f_c，脉冲宽度为T_p:单载频信号由发射机发射经目标i散射，被第j个接收机接收，经过去载频和离散采样后的回波信号记为Echo(i，j)，此回波信号表示为Echo(i，j)=σ_i，j*exp(-pkR_i，j)，其中σ_i，j表示第i个目标对第j个接收机的雷过散射截面积（RCS），R_i，j=||P_t-ptar(i)||₂+||Pfar(i)-prec(j)||₂，表示发射信号经目标i散射到达接收机j的双站距离，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，exp(·)为自然指数为底的指数函数，||·||₂表示向量的2-范数，*表示乘号，π为圆周率，v为光速，f_c为载频，p为虚数单位，即p²=-1；步骤2、创建回波存储矩阵由安装在发射机和接收机上的全球定位系统(GPS)或者北斗定位系统，收集到空中目标对接收机的双站延时τ_i，j及相应延时的回波信号Echo(i，j)，i=1，2，…，Ntar，j=1，２，…，Nrec，i为目标序号，j为接收机序号，τ_i，j表示第i个目标对第j个接收机的双站延时，Echo(i，j)表示第i个目标对第j个接收机散射的回波信号；由收集的延时τ_i，j和对应的回波Echo(i，j)建立一个存储目标回波的动态存储矩阵;回波的动态存储矩阵建立过程如下:步骤2.1初始化矩阵根据步骤1中的空中目标i(i=1，2，…Ntar)，地面接收机j，j=1，２，…Nrec以及距离向上的最大距离单元编号L，定义一个L行Nrec列的动态存储矩阵，记为矩阵的每一单元记为l=1，２，…，L，c=1，2，…，Nrec其中l表示矩阵的行号，c表示矩阵的列号；下标L为最大的距离单元编号，由所有接收机的最大探测距离而定；上标Nrec表示Nrec个接收机通道，即用于存储接收到的所有目标的回波，转到步骤2.2；步骤2.2存储目标回波针对步骤2.1中定义的动态存储矩阵进行动态的回波存储；由各个接收机所获得的所有目标的双站延时τ_i，j，计算所有目标的双站延时τ_i，j的距离单元编号，将所有目标的延时τ_i，j所对应的目标回波Echo(i，j)存储在动态存储矩阵的相应单元中，i=1，2，…Ntor；j=1，2，…Nrec，其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nrec为接收机数目；具体存储步骤见以下步骤2.2.1和步骤2.2.2；步骤2.2.1根据延时信息计算相应回波的双站距高根据接收机j所获得的目标i的延时τ_i，j及对应的目标回波信号Echo(i，j)，由双站距离公式R_i，j=v*τ_i，j计算目标i对第j个接收机的双站距离，v为光速，*表示乘号，R_i，j则表示第i个目标对第j个接收机的双站距离，i=1，2，…Ntar；j=1，2，…Nrec，其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nr，ec为接收机数目，转到步骤2.2.2;步骤2.2.2根据双站距离计算相应回波的距离单元编号根据步骤2.2.1中所获得的双站距离R_i，j计算得到相应回波的距离单元编号，记为ID_i，j，计算公式其中Rrec0表示接收机的接收距离波门，ID_i，j表示目标i的回波在接收机j中的距离单元编号，1≤ID_i，j≤L，且ID_i，j取值为正整数；i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nrec为接收机数目，其中L为步骤1中已知的最大的距离单元编号，转到步骤2.2.3；步骤2.2.3根据距离单元编号将相应的回波进行存储根据步骤2.2.2中得到的目标i对接收机j的距离单元编号ID_i，j，将步骤1提供的去载频和离散采样后的回波信号Echo(i，j)，存储于动态存储矩阵中的单元${\mathrm{Echo}}_L^{\mathrm{Nrec}}(l,c),l=I{D}_{i,j},c=j,$即${\mathrm{Echo}}_L^{\mathrm{Nrec}}(l,c)=\mathrm{Echo},(i,j),l=I{D}_{i,j},c=j,$采用传统的遍历方法遍历所有的目标序号i，i=1，2，…，Ntar，和接收机序号j，j=1，2，…，Nrec，得到Ntar个目标对Nrec个接收机的回波信号Echo(i，j)的距离单元编号ID_i，j，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec，将去载频和离散采样后的回波信号Echo(i，j)根据编号ID_i，j存储于动态存储矩阵的相应单元中，得到完整的Nrec个接收机存储Ntar个目标回波的动态存储矩阵其中1≤ID_i，j≤L且ID_i，j取值为正整数，i=1，2，…，Ntar，j=1，2，…，Nrec其中i为目标序号，j为接收机序号，Ntar为目标数目，Nrec为接收机数目，其中L为步骤1中已知的最大的距离单元编号；步骤3、栅格划分在步骤１中所建立笛卡尔坐标系中，设定一个包含所有目标的三维长方体搜索区域Ω_Sear，长方体的长、宽、高分别平行于坐标系的x轴、y轴、Z轴；长方体的长为10×δ_r×Nx，长方体的宽为10×δ_r×Ny，长方体的高为10×δ_r×Nz，其中Nx，Ny，NZ分别为长方体沿x轴，y轴，z轴的采样点数，长方体搜索区域Ω_Sear的中心记为P0，根据步骤1中初始的空间分辨率δ_r将长方体搜索区域划分为一组微小的栅格，每一栅格大小为10δ_r×10δ_r×10δ_r，为每一个栅格单元分配一个代表点代表点坐标记为P_xyz=P0+[x-Nx/2，y-Ny/2，z-Nz/2]*10*δrx=1，2…Nx，y=1，2…Ny，z=1，2…Nz，x，y，z分别是长方体沿x轴，y轴，z轴的采样点序号，即P_xyz表示采样点序号为x，y，z的代表点的三维坐标，相邻代表点之间相距10δ_r；步骤4、信息投影采用传统的遍历法在步骤3建立的整个搜索区域Ω_Sear中，寻找每一栅格代表点所对应各个接收机的回波，采用传统的相参积累方法对每一栅格代表点所对应各个接收机的回波进行相参积累；具体步骤如下:步骤4.1初始化定义一个动态存储目标成像信息的三维矩阵，记为Ima_Nx×Ny×Nz，矩阵的元素单元记为Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)，k1、k2和k3分别表示矩阵Ima_Nx×Ny×Nz行号、列号和层号，Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)表示矩阵的任一元素，k1=1，2，…Nx，k2=1，2，…Ny，k3=1，2，…Nz，Nx表示矩阵的行数，Ny表示矩阵的列数，Nz表示矩阵的层数，Nx×Ny×Nz表示矩阵的大小；初始化接收机序号j=1，长方体沿x轴，y轴，z轴的采样点序号x=1，y=1，z=1，转到步骤4.2；步骤4.2针对步骤3中提供的栅格代表点P_xyz=P0+[x-Nx/2，y-Ny/2，z-Nz/2]*10*δ_r和接收机j，计算从发射机P_t经栅格代表点P_xyz到达接收机j的双站距离，记为R_xyzj，则R_xyz，j=||P_t-P_xyz||₂+||P_xyz-Prec(j)||₂，即R_xyz，j表示发射信号经采样序号为x，y，z的代表点P_xyz散射回接收机j的双站距离，其中||·||₂表示向量的2-范数，并由R_xyz，j计算代表点P_xyz对接收机j的距离单元编号，记为ID_xyz，j，则即ID_xyz，j表示采样序号为x，y，z的代表点P_xyz对接收机j的距离单元编号，Rrec0和δ_r分别为步骤1中初始化已知的接收机的接收距离波门和雷达距离向分辨率，转到步骤4.3；步骤4.3取出步骤2所建立的回波矩阵的第j列第ID_xyz，j行中的数据作为代表点P_xyz所对应的回波，记为Echo(xyz，j)，Echo(xyz，j)表示采样点序号为x，y，z的代表点对接收机j的回波，并将回波Echo(xyz，j)在成像空间相参积累，即k1=x，k2=y，k3=z，R_xyz，j表示发射信号经采样序号为x，y，z的代表点P_xyz散射回接收机j的双站距离，*表示乘号，p为虚数单位，即p²=-1，exp(·)为自然指数为底的指数函数;接收机序号j增加1，并转到步骤4.4，步骤4.4如果j≤Nrec，则转到步骤4.2；如果j＞Nrec，则j置1，x增加1，转到步骤4.5；步骤4.5如果x≤Nx，则转到步骤4.2；如果x＞Nx，则x置1，y增加1，转到步骤4.6；步骤4.6如果y≤Ny，则转到步骤4.2;如果y＞Ny，则y置1，z增加1，转到步骤4.7；步骤4.7如果z≤Nz，则转到步骤4.2；如果z＞Nz，则遍历结束，得到成像空间中一个完整的三维图像矩阵Ima_Nx×Ny×Nz，转到步骤5；步骤5、提取目标位置首先，在步骤4得到的三维图像Ima_Nx×Ny×Nz中找出三维图像Ima_Nx×Ny×Nz的Ntar个最大值，记录找到的Ntar个最大值的序号为n，n=1，2…，Ntar；然后从三维图像Ima_Nx×Ny×Nz中剔除Ntar个最大值对应的全部信息；具体步骤如下:步骤5.1找出步骤4中得到的三维成像矩阵Ima_Nx×Ny×Nz的最大值，记为Max_n，转至步骤5.2；步骤5.2记录下最大值Max_n对应的三维矩阵中的位置，记为(k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n})，即Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)=Max_n，k1=k1Max_n，k2=k2Max_n，k3=k3Max_n，k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n}分别为成像矩阵中最大值Max_n所对应的行号，列号，层号，则该三维矩阵位置)k1_{Max_n}，k2_{Max_n}，k3_{Max_n})所对应的地理空间位置记为P_n=P0+[k1_{Max_n}-Nx/2，k2_{Max_n}-Ny/2，k3_{Max_n}-Nz/2]*10*δ_r，即P_n表示获取的第n个目标的地理空间位置，初始化接收机序号j=1，转到步骤5.3；步骤5.3选择第n个位置P_n=P0+[k1_{Max_n}-Nx/2，k2_{Max_n}-Ny/2，k3_{Max_n}-Nz/2]*10*δ_r和接收机j，由双站距离公式计算从发射机P_t经位置P_n到达接收机j的双站距离，记为R_n，j，则R_n，j=||P_t-P_n||₂+||P_n-Prec(j)||₂，即R_n，j表示第n个目标对接收机j的双站距离，||·||₂表示向量的2-范数，并由R_n，j计算目标n的回波距离单元编号ID_n，j表示目标n对接收机j的回波的距离单元编号，转到步骤5.4；步骤5.4在步骤2建立的回波矩阵的第j列第ID_n，j个距离单元中找出目标n对应的回波，记为Echo(n，j)，即$\mathrm{Echo}(n,j){=\mathrm{Echo}}_L^{\mathrm{Nrec}}(l,c),l=I{D}_{n,j},c=j,,$Echo(n，j)表示目标n对接收机j的回波，并将此回波从图像矩阵中剔除，即Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)=Ima_Nx×Ny×Nz(k1，k2，k3)-Echo(n，j)*exp(pkR_n，j)其中k1=k1_{Max_n}，k2=k2_{Max_n}，k3=k3_{Max_n}，R_n，j表示第n个目标对接收机j的双站距离，*表示乘号，p为虚数单位，即p²=-1，exp(·)为自然指数为底的指数函数，j增加1，并转到步骤5.5；步骤5.5如果j≤Nrec，则转到步骤5.3；如果j＞Nrec，则得到消除第n个最大值信息后的三维矩阵Ima_Nx×Ny×Nz，n增加1，并转到步骤5.6；步骤5.6如果n≤Ntar，则转到步骤5.1；如果n＞Ntar，则转到步骤6；步骤6多目标定位结束，得到Ntar个目标在三维地理空间的位置P_n，n=1，2，…，Ntar。