基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法

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1.本发明涉及一种基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法，该方法适用于地震阵列对喷气式飞机的定位与追踪，对于阵列间距较大的声阵列也同样适用，涉及信号采集和检波器阵列信号处理领域。


背景技术：

2.喷气式飞机，尤其是低空作战喷气式飞机，由于其飞行高度一般在百米范围内，在一些如山地丘陵、原始森林等特殊复杂地形中，易被遮挡。由于雷达散射截面小，一般情况下难以发现此类目标，且近地层反射的杂波干扰也会降低雷达的探测能力。所以现有的低空目标定位一般是通过声阵列来完成的，但在军事环境中，声传感器一般置于地表或悬浮在空中，易被破坏，其采用电容式结构，不利于长时间全天候工作，且易受到环境噪声干扰。地震检波器埋于地下，更隐蔽安全且可长时间全天候工作。
3.声信号由于主频带频率高，信号采样率高，检波器间距较小，相对多普勒频移影响较小，所以现有的声定位方法一般忽略了不同道信号的相对多普勒频移，但对于地震检波器阵列，地震信号主频带频率低，波长较长，地震检波器阵列间距较大，所以不同道信号的相对多普勒频移影响很大，不能忽略。声阵列的定位技术基本可以分为三类：一是基于声达时间差的定位估计，通过阵列几何关系计算目标位置，运算量小，对于静止目标定位效果较好，缺点是不能解决高速运动目标带来的多普勒频移问题，运动目标定位效果较差，如cn104991573a；二是基于最大输出功率的波束形成技术，波达方向估计较为准确，缺点是此方法依赖更多的检波器，且运算量过大，同样的对运动目标在延时波束形成时没有考虑多普勒频移的影响，如cn112666520a；三是基于高分辨谱技术，适用于窄带信号，对喷气式飞机产生的宽带信号定位效果较差，如cn113126028a；地震阵列的定位技术只有eibl提出的窄带多普勒频移拟合方法，也不能解决对喷气式飞机产生的宽带信号定位；综上这四类方法难以解决对高速运动的宽带目标源如喷气式飞机的定位问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法。
5.本发明的主要思想是，该方法需要j个地震检波器gi，i＝1，2，
…
，j，得到j道信号si。首先使用双交叉函数分别计算s1(t)与sq(t)之间时间尺度因子与时间延迟的关系，q＝2，3，
…
，j，分别得出s1与sq(t) 之间的时延估计值，对sq(t)进行时延校正后得到对s1(t)和进行傅里叶变换得到各自的频谱 s1(f)、再使用双交叉函数分别计算频谱s1(f)与之间的相对多普勒频移，得到j-1个含有目标飞行速度与位置信息的方程，最后使用遗传算法求解这个六元方程组即可得到喷气式飞机位置与速度信息。该方法解决了高速运动目标的宽带多普勒频移干扰问题，适用于宽带、窄带飞行目标，且该方法对检波器的布设方式没有要求，只需避免在一条直线上。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.a、将j个地震检波器布置好，避免直线排列，j≥7，地震检波器gi的坐标为(xi，yi，zi)，i＝1，2，
…
，j，当目标经过时，采集j道地震检波器接收到的喷气式飞机信号，截取信噪比高具有明显信号波形、同一时间起点t0、长度为l的采样序列si(t)，若信号传播速度为v，检波器g1与其他检波器之间的最大距离为 d，则时间窗长度l的选择标准为l＝2d/v；
9.b、定义双交叉函数
[0010][0011]
其中称之为时间交叉函数，式中τ是时间延迟，是时间尺度因子，代表着多普勒频移干扰信号的频率补偿，y(δf)称之为频谱交叉函数，式中δf是相对多普勒频移；
[0012]
c、分别使用时间交叉函数计算信号s1(t)与sq(t)之间时间尺度因子与时间延迟的关系， q＝2，3，
…
，j，以时间尺度因子为横坐标，时间延迟τ为纵坐标作出等高线图，闭合高线最高点对应的τq为s1(t)与sq(t)之间的时延估计值；
[0013]
d、根据上一步骤得到的时延估计值τq对sq(t)进行时延校正，选取时间起点t0+τq、长度为l的采样序列为时延校正后新采样序列，对s1(t)和进行傅里叶变换得到各自的频谱s1(f)、
[0014]
e、分别使用频谱交叉函数计算信号频谱s1(f)与之间的相对多普勒频移，以相对多普勒频移δf 为横坐标，以频谱交叉函数值y(δf)为纵坐标画出关系图，y(δf)最大值点对应的δf值记为δfq，δfq为信号频谱s1(f)与的相对多普勒频移大小；
[0015]
f、定义相对多普勒频移表达式
[0016][0017]
式中c是声速，v为目标运动速度，δf1、δfq分别为信号s1(t)、的多普勒频移，θ1、θq分别为目标运动方向与目标和检波器g1、gq连线之间的夹角；
[0018]
g、目标位置坐标设为(x，y，z)，时间l后目标位置坐标设为(x
l
，y
l
，z
l
)，则六元方程表达式为
[0019][0020]
共得到j-1个六元方程；
[0021]
h、使用遗传算法求解这个六元方程组即可得到喷气式飞机位置与速度信息，其中遗传算法参数：群体规模n根据结果精度选择n＝100，迭代轮数maxg根据求解时间调整，保
证求解时间小于l，选择 maxg＝1000，交配概率pc＝0.75，变异概率pm＝0.01。
[0022]
有益效果：经试验，本发明提出的一种基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法，不仅可以消除高速目标多普勒频移干扰带来的影响，时延估计精确，可以同时获得目标位置及速度信息，而且对宽带信号和窄带信号都适用，对七个检波器的布设也不做要求，拓宽了应用领域，在地震检波器阵列及声检波器阵列目标定位领域都具有很好的应用效果。
附图说明：
[0023]
图1目标飞过检波器上方示意图
[0024]
图2检波器1采集的多普勒频移干扰信号
[0025]
图3信号s1(t)与s2(t)时间尺度因子与时间延迟的关系图
具体实施方式：
[0026]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
[0027]
目标飞过检波器上方示意图如图1所示，r＝20m，s＝250m，y＝100m，v＝50m/s，在本例中检波器接收到的信号使用仿真信号代替，如图2所示，采样率fs为1000hz。
[0028]
a、将j个地震检波器布置好，避免直线排列，j≥7，地震检波器gi的坐标为(xi，yi，zi)，i＝1，2，
…
，j，当目标经过时，采集j道地震检波器接收到的喷气式飞机信号，截取信噪比高具有明显信号波形、同一时间起点t0、长度为l的采样序列si(t)，若信号传播速度为v，检波器g1与其他检波器之间的最大距离为 d，则时间窗长度l的选择标准为l＝2d/v；
[0029]
b、定义双交叉函数
[0030][0031]
其中称之为时间交叉函数，式中τ是时间延迟，是时间尺度因子，代表着多普勒频移干扰信号的频率补偿，y(δf)称之为频谱交叉函数，式中δf是相对多普勒频移；
[0032]
c、分别使用时间交叉函数计算信号s1(t)与sq(t)之间时间尺度因子与时间延迟的关系， q＝2，3，
…
，j，以时间尺度因子为横坐标，时间延迟τ为纵坐标作出等高线图，闭合高线最高点对应的τq为s1(t)与sq(t)之间的时延估计值，图3所示为信号s1(t)与s2(t)时间尺度因子与时间延迟的关系图，可以看出闭合高线最高点在时间尺度因子1.03附近，根据这个位置就可以在矩阵数据中找到时延估计值；
[0033]
d、根据上一步骤得到的时延估计值τq对sq(t)进行时延校正，选取时间起点t0+τq、长度为l的采样序列为时延校正后新采样序列，对s1(t)和进行傅里叶变换得到各自的频谱s1(f)、
[0034]
e、分别使用频谱交叉函数计算信号频谱s1(f)与之间的相对多普勒频移，以相对多普勒频移δf 为横坐标，以频谱交叉函数值y(δf)为纵坐标画出关系图，y(δf)最大值点对应的δf值记为δfq，δfq为信号频谱s1(f)与的相对多普勒频移大小；
[0035]
f、定义相对多普勒频移表达式
[0036][0037]
式中c是声速，v为目标运动速度，δf1、δfq分别为信号s1(t)、的多普勒频移，θ1、θq分别为目标运动方向与目标和检波器g1、gq连线之间的夹角；
[0038]
g、目标位置坐标设为(x，y，z)，时间l后目标位置坐标设为(x
l
，y
l
，z
l
)，则六元方程表达式为
[0039][0040]
共得到j-1个六元方程；
[0041]
h、使用遗传算法求解这个六元方程组即可得到喷气式飞机位置与速度信息，其中遗传算法参数：群体规模n根据结果精度选择n＝100，迭代轮数maxg根据求解时间调整，保证求解时间小于l，选择 maxg＝1000，交配概率pc＝0.75，变异概率pm＝0.01。

技术特征：
1.一种基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将j个地震检波器布置好，避免直线排列，j≥7，地震检波器g
i
的坐标为(x
i
，y
i
，z
i
)，i＝1，2，
…
，j，当目标经过时，采集j道地震检波器接收到的喷气式飞机信号，截取信噪比高具有明显信号波形、同一时间起点t0、长度为l的采样序列s
i
(t)，若信号传播速度为v，检波器g1与其他检波器之间的最大距离为d，则时间窗长度l的选择标准为l＝2d/v；b、定义双交叉函数其中称之为时间交叉函数，式中τ是时间延迟，是时间尺度因子，代表着多普勒频移干扰信号的频率补偿，y(δf)称之为频谱交叉函数，式中δf是相对多普勒频移；c、分别使用时间交叉函数计算信号s1(t)与s
q
(t)之间时间尺度因子与时间延迟的关系，q＝2，3，
…
，j，以时间尺度因子为横坐标，时间延迟τ为纵坐标作出等高线图，闭合高线最高点对应的τ
q
为s1(t)与s
q
(t)之间的时延估计值；d、根据上一步骤得到的时延估计值τ
q
对s
q
(t)进行时延校正，选取时间起点t0+τ
q
、长度为l的采样序列为时延校正后新采样序列，对s1(t)和进行傅里叶变换得到各自的频谱s1(f)、e、分别使用频谱交叉函数计算信号频谱s1(f)与之间的相对多普勒频移，以相对多普勒频移δf为横坐标，以频谱交叉函数值y(δf)为纵坐标画出关系图，y(δf)最大值点对应的δf值记为δf
q
，δf
q
为信号频谱s1(f)与的相对多普勒频移大小；f、定义相对多普勒频移表达式式中c是声速，v为目标运动速度，δf1、δf
q
分别为信号s1(t)、的多普勒频移，θ1、θ
q
分别为目标运动方向与目标和检波器g1、g
q
连线之间的夹角；g、目标位置坐标设为(x，y，z)，时间l后目标位置坐标设为(x
l
，y
l
，z
l
)，则六元方程表达式为共得到j-1个六元方程；h、使用遗传算法求解这个六元方程组即可得到喷气式飞机位置与速度信息，其中遗传算法参数：群体规模n根据结果精度选择n＝100，迭代轮数maxg根据求解时间调整，保证求解时间小于l，选择maxg＝1000，交配概率p
c
＝0.75，变异概率p
m
＝0.01。

技术总结
本发明涉及一种基于双交叉函数的喷气式飞机定位方法。该方法需要至少七个地震检波器，首先使用双交叉函数分别计算第一道信号与其他道信号之间时间尺度因子与时间延迟的关系，得出第一道信号与其他道信号的时延估计值，然后对所有道信号进行时延校正，对所有道信号进行傅里叶变换得到其频谱，再使用双交叉函数分别计算第一道信号频谱与其他道信号频谱的相对多普勒频移，得到总检波器个数减1个含有目标飞行速度与位置信息的方程，最后使用遗传算法求解这个方程组即可得到喷气式飞机位置与速度信息。该方法解决了喷气式飞机的宽带多普勒频移干扰问题，可以同时获得目标位置及速度信息，对宽带信号和窄带信号都适用。对宽带信号和窄带信号都适用。对宽带信号和窄带信号都适用。


技术研发人员：晁云峰 姜弢 刘光达 胡秋月 王鑫
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/3/8