综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法

1.本发明涉及一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，属于雷达目标探测信号处理领域。


背景技术：

2.无线电侦测作为维护国家安全和取得战场胜利的一种重要技术手段，被称为“第五维侦查空间”，在军事情报获取中起到重要作用。无线电侦测通过侦听、侦收和侧向三个方面的有机结合，能够实时有效掌握敌军情报，为作战行动提供情报保障。利用无线电侦测设备对空域中飞行目标物(如无人机等)或非合作辐射源发出的跳频信号，进行检测和定位，在无线电侦查方面具有重要意义。
3.近些年来，随着信息技术的发展，跳频信号成为一类被重点探测的通信信号，跳频通信系统在抗干扰、抗拦截、抗衰减等方面的独特优势，在军民通信系统方面得到广泛应用，如战场侦查、重点空域防御、空中目标监视等应用场景。
4.与主动雷达采用发射电磁波信号的方式实现目标探测不同，无线电侦测设备是通过被动接收目标上电子设备发射的电磁波信号来实现对目标的探测。由于无线电侦测设备不发射信号只能接收信号，其无法得知电磁波离开目标的时间，难以直接确定目标与无线电侦测雷达之间的距离，所以无线电侦测雷达系统要实现定位测距一般需要多个无线电侦测观测站来实现，即利用多个无线电侦测观测站同时测量空中目标发射电磁波信号的信号到达时间差来完成测距定位，目标发射电磁波信号到达多个无线电侦测观测站的时间差构成一个双曲面(线)，多个双曲面(线)相交确定目标的位置。
5.在侦测空中电磁波信号过程中，无线电侦测雷达系统首先会对接收到的回波信号进行频谱分析，若发现频谱中存在特征信号(如步进频信号等)，则判定存在空中目标；然后对两观测站接收到的回波信号进行互相关操作，得到时延差；最后多组两观测站进行互相关操作，得到多组时延差，完成多个双曲线绘制交叉，完成目标在空中的定位。在无线电侦测雷达系统侦测空中电磁波信号过程中，受限于接收到的回波信号带宽和信噪比，存在目标定位精度不高的问题。针对跳变频回波信号仅仅采用互相关操作，估计时延差以完成定位，其目标定位精度远达不到最佳值。因此，亟需对无线电侦测雷达系统接收到的跳变频回波信号进行最有效利用，提高时延估计精度，以提高无线电侦测雷达系统对空中目标的定位精度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，利用跳变频信号互相关操作和相邻频点的相位差，提高回波信号的信噪比，提高检测概率，结合利用相邻频点的互相关峰值的相位差求时延，实现对两部无线电侦测雷达系统之间的时差进行纳秒级精确估计，避免时差估计模糊，并进一步提高时差估计精度。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，通过跳变频信号互相关操作和相邻频点的相位差对两部雷达之间的时差进行纳秒级精确估计：当无线电侦测雷达系统侦测到有效目标时，对两个无线电侦测雷达系统接收到的信号分别进行频谱分析和恒虚警检测；将两路时频域信号相同频点的信号矩阵进行互相关操作，得到两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值；分别确定两路时频域信号相同频点的信号的相位差，即互相关操作得到的对应频点的峰值的相位；确定相邻频点的相位差值，并结合频率差值，得到若干时差精确估计值；通过对多次时差精确估计值进行滤波处理，得到时差最终估计值。
9.本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，包括如下步骤：
10.步骤一：对两个无线电侦测雷达系统侦测到的回波信号进行频谱分析和恒虚警检测：
11.基于傅里叶变换对回波信号进行频谱分析，以筛选有效回波信号，若回波信号频谱矩阵存在特征信号，则判断存在空中目标；对有效回波信号进行恒虚警检测，以减少数据处理量，超过恒虚警检测门限的回波信号频谱矩阵数据保留，未超过恒虚警检测门限的回波信号频谱矩阵数据置零；具体包括以下子步骤：
12.步骤1.1：对回波信号进行傅里叶变换：
13.分别对两个无线电侦测雷达系统侦测到的回波信号s
01
(m)以及s
02
(m)进行傅里叶变换，分别对应得到回波信号s
01
(m)以及s
02
(m)的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)；
14.步骤1.2：对时频域矩阵进行特征信号判别：
15.若时频域矩阵s
01
(n,f)和s
02
(n,f)中都存在特征信号，则判定存在空中目标，并得到有效回波信号；若时频域矩阵s
01
(n,f)或s
02
(n,f)中不存在特征信号，则继续进行侦测，转至步骤1.1；
16.所述的特征信号是指具有跳变频性质的信号，包括：步进频信号、跳频信号等；
17.步骤1.3：对有效回波信号的时频域矩阵进行恒虚警检测：
18.根据无线电侦测雷达系统和环境噪声影响确定恒虚警检测门限，超过恒虚警检测门限的有效回波信号的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)数据保留，未超过恒虚警检测门限的有效回波信号的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)数据置零，得到恒虚警检测后的有效回波信号的时频域矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)；
19.步骤二：对步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵进行互相关操作：
20.将步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)中相同频率点的信号矩阵进行时频域共轭相乘；对时频域共轭相乘得到的时频域信号矩阵进行傅里叶逆变换，得到两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值；具体包括以下子步骤：
21.步骤2.1：对步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵进行相同频率点的信号矩阵分解与对应：
22.将有效回波信号的时频域信号矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)分别分解为多个单频点信号矩阵s
1i
(ni,fi),i＝1,2,3,...,k以及s
2i
(ni,fi),i＝1,2,3,...,k，ni为同频点fi对应的序列；
23.步骤2.2：将步骤2.1分解的相同频点的单频点信号矩阵进行时频域共轭相乘：
24.对单频点信号矩阵s
1i
(ni,fi)进行时频域共轭，得到共轭单频点信号矩阵将共轭单频点信号矩阵与单频点信号矩阵s
2i
(ni,fi)对应位置元素相乘，得到单频点匹配滤波信号矩阵s
12i
(ni,fi)，如式(1)所示：
[0025][0026]
步骤2.3：对单频点匹配滤波信号矩阵进行傅里叶逆变换，得到两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值：
[0027]
对s
12i
(ni,fi)进行傅里叶逆变换得到序列r
12i
(ni)，两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值tci为序列r
12i
(ni)的峰值所对应的时间；
[0028]
步骤三：确定步骤二所得的序列的峰值对应的相位，得到两路信号的相同频率点有效回波信号的相位差；确定相邻频率点的有效回波信号的相位差的差值，结合频率差值，确定若干时差精确估计值；通过对多次时差精确估计值进行平滑滤波，得到时差精确结果；具体包括以下子步骤：
[0029]
步骤3.1：确定互相关操作得到对应频点的峰值的相位：
[0030]
确定序列r
12i
(ni),i＝1,2,3,...,k的峰值的相位如式(2)所示：
[0031][0032]
其中，n
i-max
为序列r
12i
(ni),i＝1,2,3,...,k最大值对应的横坐标值，angle(*)为确定最大值对应的相位；
[0033]
步骤3.2：确定时差精确估计值：
[0034]
确定相邻频点的相位差如式(3)所示：
[0035][0036]
结合频差δfi，确定时差精确估计值tai，如式(4)所示：
[0037][0038]
其中，频差δfi为相邻频点的频差值，与相邻频点的相位差相对应，如式(5)所示：
[0039]
δfi＝f
i 1-f
i i＝1,2,3,...,k-1
ꢀꢀꢀ
(5)
[0040]
基于相位差的时差估计精度δt如式(6)所示：
[0041][0042]
步骤3.3：确定时差最终估计值：
[0043]
通过对无线电侦测雷达系统进行多次有效回波信号接收处理时的多组时差精确估计值进行滤波处理，确定时差最终估计值；
[0044]
步骤四：基于步骤一至步骤三，在实现两个无线电侦测雷达系统侦测接收信号时差精确估计的基础上，对多个无线电侦测雷达系统侦测接收信号进行两两之间时差精确估计，在空间上确定多条双曲线，通过多条双曲线交叉位置精确定位目标。
[0045]
有益效果：
[0046]
1、本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，通过对两路有效
回波信号进行互相关操作，提高回波信号的信噪比，提高检测概率，提高时差估计精度；
[0047]
2、本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，在对两路有效回波信号进行互相关操作的基础上，通过确定相邻频点的相位差，并结合相邻频点的频差，实现对两个无线电侦测雷达系统之间时差的精确估计，避免时差估计模糊，提高时差估计精度；
[0048]
3、本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，在实现两个无线电侦测雷达系统侦测接收信号时差精确估计的基础上，通过对多个无线电侦测雷达系统侦测接收信号时差精确估计，能够实现目标精确定位。
附图说明
[0049]
图1是无线电侦测雷达系统示意图；
[0050]
图2是本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法流程图；
[0051]
图3是本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法中两个无线电侦测雷达系统接收信号的频谱图；
[0052]
其中，图3(a)为1号无线电侦测雷达系统接收信号时频图，图3(b)为2号无线电侦测雷达系统接收信号时频图；
[0053]
图4是精确时差估计结果示意图；
[0054]
图5是多个无线电侦测雷达系统对目标交叉定位示意图。
具体实施方式
[0055]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0056]
实施例1：
[0057]
实例中，空中目标辐射源发射波形的参数如下：信号基带带宽10mhz，每10ms改变一次载频，载频从30mhz均匀跳变至70mhz，即30mhz，40mhz，50mhz，60mhz，70mhz，采样率为100mhz，每次脉冲持续时间为50ms；
[0058]
如图1所示，实施例的多站无线电侦测雷达对空探测系统包括三部无线电侦测雷达接收系统，分别为：接收站1、接收站2以及接收站3，一个空中目标(无人机)辐射源，通过三部无线电侦测雷达接收系统之间两两时差精确估计，在空间上确定多条双曲线，通过双曲线交叉位置精确定位目标。
[0059]
基于matlab仿真分析，接收站1以及接收站2都能完整接收到空中目标(无人机)辐射源发出的无线电信号，接收站2接收到的空中目标(无人机)辐射源信号相对于接收站1接收到的空中目标(无人机)辐射源信号延时55.4567ns，采集5次脉冲信号；
[0060]
如图2所示，实施例应用本发明的一种综合时差和相位差分析的纳秒级时差估计方法，对空中目标(无人机)辐射源的回波信号进行时差精确估计，包括如下步骤：
[0061]
步骤一：对两个无线电侦测雷达系统侦测到的回波信号进行频谱分析和恒虚警检测：
[0062]
基于傅里叶变换对回波信号进行频谱分析，以筛选有效回波信号，若回波信号频谱矩阵存在特征信号，则判断存在空中目标；对有效回波信号进行恒虚警检测，以减少数据
处理量，超过恒虚警检测门限的回波信号频谱矩阵数据保留，未超过恒虚警检测门限的回波信号频谱矩阵数据置零；具体包括以下子步骤：
[0063]
步骤1.1：对回波信号进行傅里叶变换：
[0064]
分别对两个无线电侦测雷达系统侦测到的回波信号s
01
(m)以及s
02
(m)进行傅里叶变换，分别对应得到回波信号s
01
(m)以及s
02
(m)的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)；
[0065]
步骤1.2：对时频域矩阵进行特征信号判别：
[0066]
若时频域矩阵s
01
(n,f)和s
02
(n,f)中都存在特征信号，则判定存在空中目标，并得到有效回波信号；若时频域矩阵s
01
(n,f)或s
02
(n,f)中不存在特征信号，则继续进行侦测，转至步骤1.1；
[0067]
实施例中，回波信号的时频域矩阵的特征信号为步进频信号；
[0068]
接收站1和接收站2侦测到的回波信号的时频图如图3所示，图3(a)为接收站1侦测到的回波信号的时频图，图3(b)为接收站2侦测到的回波信号的时频图，接收站1和接收站2都完整接收到回波信号；
[0069]
步骤1.3：对有效回波信号的时频域矩阵进行恒虚警检测：
[0070]
根据无线电侦测雷达系统和环境噪声影响确定恒虚警检测门限，超过恒虚警检测门限的有效回波信号的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)数据保留，未超过恒虚警检测门限的有效回波信号的时频域矩阵s
01
(n,f)以及s
02
(n,f)数据置零，得到恒虚警检测后的有效回波信号的时频域矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)；
[0071]
步骤二：对步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵进行互相关操作：
[0072]
将步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)中相同频率点的信号矩阵进行时频域共轭相乘；对时频域共轭相乘得到的时频域信号矩阵进行傅里叶逆变换，得到两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值；具体包括以下子步骤：
[0073]
步骤2.1：对步骤一恒虚警检测后得到的有效回波信号的时频域信号矩阵进行相同频率点的分解与对应：
[0074]
将有效回波信号的时频域信号矩阵s1(n,f)以及s2(n,f)分别分解为多个单频点信号矩阵s
1i
(ni,fi),i＝1,2,3,...,k以及s
2i
(ni,fi),i＝1,2,3,...,k，ni为同频点fi对应的序列；
[0075]
如图3所示：5段信号中每段回波信号载频都从30mhz均匀跳变至70mhz，接收站1的第1次脉冲信号矩阵s1(n,f)与接收站2的第1次脉冲信号矩阵s2(n,f)分别分解为5个单频点信号矩阵s
1i
(ni,fi),s
2i
(ni,fi)，其中，fi＝{30,40,50,60,70}mhz，i＝1,2,3,4,5，单频点分别为30mhz，40mhz，50mhz，60mhz，70mhz；
[0076]
步骤2.2：将步骤2.1分解的相同频点的单频点信号矩阵进行时频域共轭相乘：
[0077]
对单频点信号矩阵s
1i
(ni,fi)进行时频域共轭，得到共轭单频点信号矩阵将共轭单频点信号矩阵与单频点信号矩阵s
2i
(ni,fi)对应位置元素相乘，得到单频点匹配滤波信号矩阵s
12i
(ni,fi)，如式(7)所示：
[0078]
[0079]
步骤2.3：对单频点匹配滤波信号矩阵进行傅里叶逆变换，得到两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值：
[0080]
对s
12i
(ni,fi)进行傅里叶逆变换得到序列r
12i
(ni)，两个无线电侦测雷达系统之间时差粗估计值tci为序列r
12i
(ni)的峰值所对应的时间；
[0081]
实施例中，5个单频点信号矩阵得到5个峰值所对应的时差粗估计值均为50ns；
[0082]
步骤三：确定步骤二所得的序列的峰值对应的相位，得到两路信号的相同频率点有效回波信号的相位差；确定相邻频率点的有效回波信号的相位差的差值，结合频率差值，确定若干时差精确估计值；通过对多次时差精确估计值进行平滑滤波，得到时差精确结果；具体包括以下子步骤：
[0083]
步骤3.1：确定互相关操作得到对应频点的峰值的相位：
[0084]
确定序列r
12i
(ni),i＝1,2,3,...,k的峰值的相位如式(8)所示：
[0085][0086]
第1次脉冲，5个相位分别为-1.0205294弧度，-1.3633871弧度，-1.7062815弧度，-2.0491640弧度，-2.3920073弧度；
[0087]
步骤3.2：确定时差精确估计值：
[0088]
确定相邻频点的相位差如式(9)所示：
[0089][0090]
实施例中，第1次脉冲，4个相位差分别为：-0.3428577弧度，-0.3428944弧度，-0.3428824弧度，-0.3428433弧度；
[0091]
结合频差δfi，确定时差精确估计值tai，如式(10)所示：
[0092][0093]
其中，频差δfi为相邻频点的频差值，与相邻频点的相位差相对应；
[0094]
实施例中，频差δfi均为10mhz，通过相位差以及频差δfi，能够确定若干时差精确估计值tai＝{55.4567,55.4573,55.4571,55.4565}ns，i＝1,2,3,4；
[0095]
基于相位差的时差估计精度δt如式(11)所示：
[0096][0097]
实施例中，的估计精度为波长的1％，δf为10mhz，则时差估计精度δt为1ns；
[0098]
作为对比，仅进行互相关操作的时差估计精度如式(12)所示：
[0099][0100]
其中，δts为时差估计精度，δt为互相关峰时宽，snr为回波信号信噪比，在这里信号的时宽带宽积δt
·
b设为1。
[0101]
实施例中，每个频点的信号带宽b为10mhz，对应的互相关峰时宽δt为0.1us，snr为50，则时差估计精度δts为10ns；
[0102]
本发明方法的时差估计精度高于仅进行互相关操作方法的时差估计精度；
[0103]
步骤3.3：确定时差最终估计值：
[0104]
通过对无线电侦测雷达系统进行多次有效回波信号接收处理时的多组时差精确估计值进行滤波处理，确定时差最终估计值；
[0105]
实施例中，通过仿真，接收站1以及接收站2分别收到5次脉冲信号，在一次脉冲5个频点下的跳变频信号，进行互相关操作并结合相邻频点的相位差，能够4次确定接收站1和接收站2之间的时差精确估计值，时差纳精确估计值为纳秒级，总共获得20次时差精确估计值；
[0106]
实施例中，滤波处理方式采用卡尔曼滤波，对多次时差纳精确估计值进行修正，如图4所示，经过卡尔曼滤波的时差最终估计值的误差比时差纳精确估计值的误差更小，时差最终估计值更加准确；
[0107]
步骤四：基于步骤一至步骤三，进一步对接收站1和接收站3进行时差精确估计，对接收站2和接收站3进行时差精确估计，通过三站之间两两时差精确估计，在二维空间上确定两条曲线，如图5所示，通过两条曲线交叉位置精确定位目标。
[0108]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。