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外辐射源雷达目标定位与跟踪方法研究

李红伟  
【摘要】:外辐射源雷达又称无源相干定位雷达(passive coherent location radar,PCL),是一种新体制雷达。与传统雷达不同,外辐射源雷达自身并不向外辐射电磁波能量,而是将第三方辐射源(如调频广播、电视台、手机GSM基站和GPS卫星等)信号作为照射源,仅靠被动接收目标的反射信号来实现对目标的探测。外辐射源雷达凭借被动探测的特点,使其不易被敌方发现,可免遭反辐射导弹的攻击,具有很强的抗干扰和生存能力;此外,通过借助广播、电视和通信等信号的信号特性,外辐射源雷达还具有较好的低空探测和反隐身性能。因此,在现如今雷达外部电磁环境急剧恶化的情况下,外辐射源雷达成为有效探测目标的一种重要途径并具有重要的研究价值。 本文对外辐射源雷达定位跟踪中的若干具体问题,如定位精度、收发站不同配置对定位与跟踪的影响、闪烁噪声对跟踪的影响、非线性和非高斯滤波问题、机动目标跟踪等方面进行了深入的研究。论文内容可概括为如下六部分: 第一部分,介绍了外辐射源雷达的概念、产生背景及研究价值,回顾了外辐射源雷达的发展历史及外辐射源雷达跟踪的研究现状。简介了该雷达的信号处理流程,并指出其关键技术,简述了外辐射源雷达的定位原理与方法。基于贝叶斯理论给出了经典卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波(EKF)的推导过程。指出目前外辐射源雷达定位与跟踪中存在的难题,提出基于粒子滤波的外辐射源雷达目标跟踪思路,为后续研究奠定基础。 第二部分,研究了外辐射源雷达的目标定位精度问题。首先对外辐射源雷达目标参数的测量精度进行分析,指出影响参数测量精度的因素;然后推导了基于不同定位方法的目标定位精度几何稀释(GDOP)的计算公式,利用GDOP分析了不同定位方法、不同定位体制以及不同雷达站布局对目标定位精度的影响情况。指出适合外辐射源雷达的目标定位方法与定位体制。 第三部分,研究了外辐射源雷达在非高斯(闪烁)噪声环境下的目标跟踪方法。针对EKF算法的跟踪精度受闪烁噪声影响较大的问题,结合到达时间(TOA)定位技术和粒子滤波,提出一种适于闪烁噪声环境的外辐射源雷达目标跟踪方法。该方法通过多站TOA获得测量信息,利用高斯分布噪声和t分布噪声构建了非高斯分布噪声,采用非线性和非高斯的粒子滤波进行跟踪,避免EKF算法因线性化而带来的误差。实验表明该方法的跟踪性能优于EKF,尤其受闪烁噪声影响小。实测数据进一步验证了该方法的有效性。 第四部分,研究了基于差分演化的粒子滤波跟踪算法。针对粒子滤波算法中传统重采样方法导致的粒子贫化现象,将种群优化的思想引入到粒子滤波的重采样过程中,把重采样过程看作是寻找最优样本点的过程,提出一种基于差分演化算法的重采样方法,利用提出的重采样方法构建了差分演化粒子滤波算法,并将其应用到外辐射源雷达跟踪中。通过计算机仿真对比了新算法和粒子滤波算法的性能,并分析了影响新算法性能的因素。结果表明新算法具有更高的估计精度和运算效率。 第五部分,研究了改进的差分演化粒子滤波跟踪算法。首先为了能从更加逼近真实状态的分布函数中采样,并充分利用最新的观测信息,采用UKF来产生粒子滤波的重要性分布函数。另外,在差分演化重采样方法基础上,对差分演化算法在差分变异操作进行改进,提出四种改进的差分演化重采样方法。然后,基于UKF和改进的差分演化重采样方法,提出了四种改进的差分演化粒子滤波跟踪算法。仿真实验证明,所提四种改进算法在估计性能上优于差分演化粒子滤波和无迹粒子滤波(UPF)。 第六部分,研究了闪烁噪声环境下的外辐射源雷达机动目标跟踪算法。建立了基于多组TOA测量的外辐射源雷达机动目标运动模型。为了解决闪烁噪声环境下的机动目标跟踪问题,以IMM算法为框架并将其与粒子滤波和TOA定位方法相结合,提出一种适用于闪烁噪声环境下的外辐射源雷达机动目标跟踪算法。仿真分析了闪烁噪声和收发站布局对机动目标跟踪的影响,并证明所提方法跟踪精度较高,且受闪烁噪声和收发站布局的影响较小。


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