[发明专利]一种基于稀疏重建的多传感器多目标的定位方法在审

专利信息
申请号: 201510888407.7 申请日: 2015-12-07
公开(公告)号: CN105548959A 公开(公告)日: 2016-05-04
发明(设计)人: 张晓玲;刘嘉宁;唐欣欣;余檑;蒲羚 申请(专利权)人: 电子科技大学
主分类号: G01S5/02 分类号: G01S5/02
代理公司: 电子科技大学专利中心 51203 代理人: 曾磊
地址: 611731 四川省成*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 稀疏 重建 传感器 多目标 定位 方法
【权利要求书】:

1.一种基于稀疏重建的多传感器多目标的定位方法,其特征是它包括如下步骤:

步骤1、初始化多传感器系统的相关参数

初始化多传感器系统的相关参数包括:在地面布设一发多收的传感器网络的收发模 式,以发射机的位置为原点,地面为xoy平面,垂直地面的高度向为z轴,建立三维笛卡尔坐 标系;发射机位置,记为Ptr;接收机的个数,记为Nrec;第i个接收机的位置,记为Prec(i), 其中,i=1,2,…,Nrec,i表示接收机的序号;空中观测区域的目标个数,记为Ntar;第j个空 中目标的位置,记为Ptar(j),其中,j=1,2,…,Ntar,j表示目标的序号;第j个目标相对于 第i个接收机的后向散射系数,记为σi,j,其中,i=1,2,…,Nrec,j=1,2,…,Ntar;电磁波在 空气中的传播速度,记为c;发射机发射线性调频脉冲信号,信号的中心频率,记为Fc;发射 信号的带宽,记为Br;发射信号的脉冲宽度,记为Tp;发射信号的调频斜率,记为Kr,其中Kr =Br/Tp;发射信号的脉冲重复频率,记为PRF;接收机的采样频率,记为fs;一个脉冲内信号 的采样总数,记为Nf;信号在第k个采样点的采样时刻,记为tf(k),其中,k=1,2,…Nf;各接 收机通道的信噪比,记为SNR;

步骤2、初始化观测区域的空间参数

步骤2.1、对观测区域进行栅格划分

观测区域记为Ω,观测区域中心点的坐标记为Pc,观测区域的长、宽、高分别平行于步 骤1中笛卡尔坐标系的x轴、y轴、z轴;观测区域的长、宽、高边长分别记为Lx=Nx×Wx、Ly= Ny×Wy、Lz=Nz×Wz;将观测区域Ω划分成大小相等的立体栅格,栅格的长、宽、高也分别平 行于步骤1中笛卡尔坐标系的x轴、y轴、z轴;栅格在x轴、y轴、z轴方向的边长,分别记为Wx、 Wy、Wz;观测区域在x轴、y轴、z轴方向划分的栅格数分别为Nx、Ny、Nz,整个观测区域划分的 栅格总数Np=Nx*Ny*Nz;

步骤2.2、为栅格分配代表点

依次为划分的栅格分配代表点,定义:栅格Px,y,z表示沿x轴方向,该栅格的序号为x,其 中,x=1,2,…Nx;沿y轴方向,该栅格的序号为y,其中,y=1,2,…Ny;沿z轴方向,该栅格的 序号为z,其中,z=1,2,…Nz;

把栅格Px,y,z记为Np个栅格中的第m个栅格,m为栅格Px,y,z的栅格序号,m的值记为x*y*z, 其中,m=1,2,…Np,则栅格序号为m的栅格代表点的坐标可以被记为Ptx,y,z=Pc+[x*Wx-Lx/ 2-Wx/2,y*Wy-Ly/2-Wy/2,z*Wz-Lz/2-Wz/2],*表示乘号,Pc表示观测区域中心点的坐标;

步骤3、建立回波信号的存储矩阵

步骤3.1、建立单个接收机接收回波信号的存储矩阵

接收机接收空中各目标的双站延时为τi,j,其中,i=1,2,…,Nrec,j=1,2,…,Ntar, τi,j表示第i个接收机接收的第j个目标回波信号的双站延时;计算第j个目标相对于发射机 Ptr和第i个接收机Prec(i)的双站距离Ri,j,Ri,j=‖Ptr-Ptar(j)‖2+‖Ptar(j)-Prec(i)‖2= τi,j*c,其中‖‖2表示向量的L2范数,*表示乘号,c表示光速;发射机和接收机的位置固定, 一个PRF内不同采样点处的双站距离Ri,j是不变的;第i个接收机在一个脉冲内的第k个采样 点处,接收的第j个目标的回波信号Ei,j(k)=σi,j*exp(-p*Kz*Ri,j+p*T),其中,k=1,2,…Nf, p为虚数单位,p2=-1,exp()是以自然指数为底的指数函数,Kz=2*pi*Fc/c,T=pi*Kr*(tf(k)-Ri.j/c)2,pi为圆周率,tf(k)表示第k个采样点的采样时刻;第i个接收机在一个脉冲内 的第k个采样点处,接收所有目标的回波信号,所有目标的回波信号和为 把第i个接收机接收的回波信号和Ei(k)按采样点序号依次存储在存储矩阵Ei中,Ei=[Ei(1),Ei(2),…,Ei(k),…Ei(Nf)]T,Ei的 维度大小为Nf行1列,Nf为一个脉冲内信号的采样总数;

步骤3.2、建立多个接收机回波信号的存储矩阵

把存储矩阵Ei按接收机序号存储在多个接收机回波信号的存储矩阵E中,E=[E1,E2… ENrec]T,E的维度大小为Nf*Nrec行1列,Nrec为接收机的个数;

步骤4、构造定位的传感矩阵

栅格Px,y,z的栅格序号为m=x*y*z,计算该栅格代表点Ptx,y,z到发射机Ptr和第i个接收 机Prec(i)的双站距离Ri,m,Ri,m=‖Ptr-Ptx,y,z2+‖Ptx,y,z-Prec(i)‖2;假设有目标位于该栅 格代表点Ptx,y,z处,则第i个接收机在第k个采样点处接收的回波信号相位信息为其中,k=1,2,…Nf,i=1,2,…,Nrec,m=1,2,…Np,Kz=2*pi*Fc/c,T=pi*Kr*(tf(k)-Ri,m/c)2,tf(k)表示第k个采样点的采样时刻;令矩阵A为在 观测区域内进行稀疏重建定位的传感矩阵,构造传感矩阵A时,依次假设各栅格代表点存在 目标,采用公式计算每个接收机在各采样点处接收的该 目标回波信号的相位信息,构造传感矩阵A,传感矩阵A的具体表达式为:

其中,表示观测区域中第1个栅格代表点存在目标时,第1个接收机在第1个采样 点处接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域中第1个栅格代表点存在目 标时,第1个接收机在第2个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测 区域中第1个栅格代表点存在目标时,第1个接收机在第Nf个采样点处接收的该目标回波信 号的相位信息;表示观测区域中第1个栅格代表点存在目标时,第Nrec个接收机 在第Nf个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域中第2个栅格 代表点存在目标时,第1个接收机在第1个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息; 表示观测区域中第2个栅格代表点存在目标时,第1个接收机在第2个采样点处接收 的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域中第2个栅格代表点存在目标时,第1 个接收机在第Nf个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域 中第2个栅格代表点存在目标时,第Nrec个接收机在第Nf个采样点处接收的该目标回波信 号的相位信息;表示观测区域中第Np个栅格代表点存在目标时,第1个接收机在第1 个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域中第Np个栅格代 表点存在目标时,第1个接收机在第2个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息; 表示观测区域中第Np个栅格代表点存在目标时,第1个接收机在第Nf个采样点处 接收的该目标回波信号的相位信息;表示观测区域中第Np个栅格代表点存在 目标时,第Nrec个接收机在第Nf个采样点处接收的该目标回波信号的相位信息;传感矩阵A 为Nrec*Nf行Np列的二维矩阵;

步骤5、建立目标定位的线性观测模型

目标定位的线性观测模型为:

E=AX

其中,E为多个接收机回波信号的存储矩阵,E的维度大小为Nf*Nrec行1列;矩阵A为观测 区域内进行稀疏重建定位的传感矩阵,其维度大小为Nf*Nrec行Np列,Np为观测区域划分的 栅格总数;信号X为与目标位置相关的稀疏信号,其维度大小为Np行1列,信号X中的元素和 观测区域中的栅格一一对应;

步骤6、目标位置的重构

步骤5建立了与目标位置相关的线性观测模型,求解该线性观测模型,得到与目标位置 相关的信息;由多次迭代匹配过程,定出多个目标的位置,具体步骤如下:

步骤6.1、初始化参数

分别初始化余量r=E,迭代次数m=1,支撑集

步骤6.2、计算传感矩阵各列和余量r的相关系数并更新支撑集

传感矩阵A中某列与余量r的点积,即为该列的相关系数;计算传感矩阵A中各列与余量 r的相关系数,找到最大相关系数,记录与最大相关系数对应的第q列Jq,更新支撑集ΦΛ= ΦΛ∪Jq;其中,符号∪表示并集,支撑集ΦΛ记录每次迭代过程中,与最大相关系数对应的 传感矩阵A中的列Jq,第m次迭代,更新后的支撑集ΦΛ的维度大小为Nf*Nrec行m列;

步骤6.3、更新传感矩阵A和信号X

把传感矩阵A的第q列Jq置零,并把信号X中的第q个元素xq标记为1,表示观测区域中的 第q个栅格内存在目标;

步骤6.4、更新余量r

余量r的更新公式:r=rnew,其中,aug_v表示正交列,rnew表示更新后的余量;

步骤6.5、判断迭代终止条件

若m<Ntar,令m=m+1并转步骤6.2;

若m=Ntar,停止迭代;其中,m表示迭代次数,Ntar空中观测区域的目标个数;

步骤7、提取目标位置

信号X中的元素和观测区域中的栅格一一对应,遍历信号X依次确定信号X中值为1的元 素,根据该元素的元素序号Qr,先求出该元素对应的栅格在观测区域沿x轴、y轴、z轴方向上 的栅格序号,再求出该栅格代表点的位置作为定位的结果,具体步骤如下:

步骤7.1、求x轴方向栅格的序号xp

Qr=Qr-(xp-1)*Ny*Nz

其中,符号[]表示取整函数,表示取的整数部分;

步骤7.2、求y轴方向栅格的序号yp

Qr=Qr-(yp-1)*Nz

其中,表示取的整数部分;

步骤7.3、求z轴方向栅格的序号zp

若Qr=0,zp=Nz;

若Qr≠0,zp=Qr

步骤7.4、根据栅格在x轴、y轴、z轴方向上栅格的序号,求出该栅格代表点的位置PP

PP=Pc+[xp*Wx-Lx/2-Wx/2,yp*Wy-Ly/2-Wy/2,zp*Wz-Lz/2-Wz/2]

遍历信号X,求出信号X中,所有值为1的元素对应的栅格代表点的位置,即得到定位结 果。

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