1、固定单站对机动红外辐射源的无源定位研究第 36 卷第 1 期2006 年 1 月激光与红外LASERINFRAREDV01.36.No.1January,2006文章编号:10015078(2006)01-0013-03固定单站对机动红外辐射源的无源定位研究谢细全,谢成祥(江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江 212003)摘要:文章在现有单站无源定位技术的基础上,介绍了一种根据红外辐射在大气中的传输特性,提出机动空中辐射源的单站无源定位方法,并且给出了它的 EKF 型的直接递推估计算法,通过计算机仿真验证了该方法的正确性及有效性,该方法可应用于抗低空突防和反隐身目标的空防系统中.关键词:单站;
2、无源定位;红外辐射;机动辐射源;EKF中图分类号:TN958.98;TN957.52 文献标识码:ASinglePassiveLocationandTrackingTheoryforManeuveringInfraredEmitterXIEXiquan,XIEChengxiacg(Dept.ofElectronicsInformation,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract:Thetechnologyofsingleobserverpassivelocationformaneuvering
3、emitterintheskysuchasbattleplanes,missilesandrocketshassignificantmartialimportanceandprospectsforapplication.AtechnologyofsingleobserverpassiveloeationformaneuveringemitteriSintroducedbasedonexistingmethodsaccordingtotransmissioncharacteristicofinfraredradiationintheair.AndthealgorithmofExtenedKalm
4、anFilter(EKF)iSappliedtothemethod.Witllthehelpofcomputersimulation.themethodisproventobecorrectandeffective.111emethodcanbeappliedtotheantiaircraftsystemagainstcoveredtargetandlOWaltitudebreakthroughfordefeflce.Keywords:singleobserver;passivelocation;infraredradiation;maneuveringemitter;EKF1 引言当今时代,
5、科学技术迅猛发展,反辐射导弹,隐身技术,低空和超低空突防,综合电子干扰等对现代军事雷达系统的生存提出了严重的挑战,取得电子对抗的主动权对于增强防空系统或者说空情监控系统在复杂电磁环境下的生存能力和工作能力都具有十分重要的意义.在越来越强调隐蔽攻击和硬杀伤的趋势下,采用被动方式工作的无源定位技术就愈加受到重视.它具有作用距离远,隐藏接收,不易被对方发觉的优点.利用单站对固定目标或匀速直线运动目标进行无源定位,目前国内外都有一定的研究,有的还在实际中得到了应用;但对高度机动辐射源目标的单站无源定位技术的研究相对较少l2;现红外告警设备一般采用单元或几元红外探测,仅仅给出来袭目标的大致方位,不能给出
6、比较精确的空间位置,本文就红外告警和机动目标监控中的机动目标定位问题提出了较先进的方法.2 机动辐射源单站无源定位原理当空中目标如飞机,导弹和火箭飞行时,它的红外辐射会在地球大气中传播,在与大气成分相互作用的过程中,会受到主要由大气对红外辐射的吸收,散射,反射和衍射引起的衰减,通常反射和衍射对红外辐射的衰减影响相对于吸收和散射对红外辐射的衰减影响要小得多,可以忽略不计.在工程中计算红外衰减时,其吸收能力用吸收系数.来表示,吸收造成的辐射透射比表示为.=eaR,同理,其散射能力用散射系数来表示,散射造成的辐射透射比表示为=e-mn,R 是辐射源到探测系统的距离 ,单位是 km.由此定义大气对波长
7、为入(m)红外辐射的衰减系数或消光系数为:.(A)=.(A)+(A)作者简介:谢细全(1970 一),男,工程师,硕士生,主要研究方向为信号处理.收稿日期:2005-0523;修订 13 期:2005-092614 激光与红外第 36 卷衰减系数的单位为 km 一.随着现代红外技术的发展,对不同波长的红外线的衰减系数红外传感器都能进行精确的测量.由此吸收和散射造成的辐射透射比表示为:.r=e .根据红外辐射在大气中的衰减性质可知,辐射源的红外辐射通量与辐射透射比成正比,与辐射源和探测系统的距离的平方成反比 J,即:咖=Ad,0e 一/尺其中,为射源的红外辐射通量,单位是 W;A 为探测系统的光
8、学孔径面积;Io 为空中目标辐射强度,单位是 w/sr,(入) 为波段地球大气的消光系数 ;R为辐射源到探测系统的距离.假设目标 s 和观测点 O 之间的几何关系如图 l所示.航迹圈 1 定位原理Fig.1Theprinciplefigureoflocation假设观测站静止不动,辐射源目标在作匀加速直线运动,并且以与 Y 轴成 45.倾角靠近观测站,我们在如图 1 所示的二维坐标系中考虑问题.观测站始终位于坐标原点 O(0,0),辐射源目标以加速度a,初速度 V 从 A 向 c 方向运动 .空中目标红外辐射特性和大气气象条件在短时间内一般保持不变,这时某一波段的红外辐射的衰减系数为一常数.若
9、把红外探测系统设定在入和:两个工作波段,其地球大气衰减系数分别为.和,并在 t,t,t,时刻连续测量入波段的红外辐射通量咖.,咖,咖,入波段的红外辐射通量咖,咖,咖,以及 t,t:,t时刻分别测量辐射源目标的方位角 XOA=p,LXOBp2,LXOC=p3,t,t2,t3 时刻相互问的时差相等,均为 T,则根据此模型可得:t 时刻入和入两个工作波段接收到的辐射源目标的红外辐射通量(W)分别为:咖 1=AdIoe/R(1)咖 l=AdIoe 一t/R(2)t 时刻入,和入两个工作波段接收到的辐射源目标的红外辐射通量分别为:咖 2=Adoe-#-,i(,ti)R:/R(3)咖=Ad,0e 一)z/
10、 尺(4)t 时刻入和入两个工作波段接收到的辐射源目标的红外辐射通量分别为:咖 3=Adoet/R;(5)咖 3=Adoenz,/R;(6)联立(1),(2)式可得:Rl=In(咖 l/4,l)/(2 一/.t1)(7)联立(3),(4)式可得:R=In(咖 i4,)/(一)(8)联立(5),(6)式可得:R3=ln(4,3/4,3)/(2 一/.t1)(9)根据以上的推导,在 aAOB 中有:AB=R+R;一 2 尺 2l22cos(JB2 一 JB1),即:AB=1n(咖/4,.)+ln(咖:/4,)一2(咖/4,.)ln(咖/4,)cos(JB2 一 JB1)/(2 一 1)(10)在
11、ABOC 中有:BC:R+尺;一 22232cos(JB3 一 JB2),即:C2=In(咖:/4,)+In(,/4,)一21n(咖 2i4,)In(咖 i4,)Xcos(JB3 一 JB2)/(2 一 1)(11)根据匀加速直线运动的相关规律可得:AB=VoT+1/2aT;(12)BC=V0T+3/2aT;(13)联立(10)一(13)式可得:.=lIl2(叁)+1n() 一 21n(鲁()cos(岛一卢 2)一和/1 一.l(14)%_3 ()+ln2(安)_21n()ln()X 嘲一届)_ln()+1n()_2ln()1)X岛)/2Ipa 一 ll 州(15)现有的红外告警设备可以测量空
12、中目标的方位角,且测量精度可达到 10 角秒以内,属于成熟技术 j.在得到目标的加速度 a 以及初速度 V.后,就可以跟踪目标的运动轨迹,实现定位与跟踪.由以上推导,通过观测空中辐射源目标的红外辐射通量,方位角和系统工作期间的地球大气的红外衰减系数,即可对空中机动辐射源目标的实时定位与跟踪.3EKF 型的直接递推估计算法设作匀加速直线运动的辐射源与观测站的几何关系如图 l 所示.取六维状态向量:=Y 口口一则辐射源的线性状态方程记为:X=中一 1+(16)其中:E=0,E=Q,激光与红外 No.12006 谢细全谢成祥固定单站对机动红外辐射源的无源定位研究15状态转移矩阵中=T210T0 亏
13、0T010T0 号00l0T0000l0T00001000000lT 为测量时间间距,是系统噪声,与测量噪声独立.设含有噪声的测量为:JB+(17)【0:0+%其中,0 为红外告警设备在同一时刻所测得的 A.和A 两个工作波段的辐射源目标的红外辐射通量比值咖.,v13,分别是零均值的方位和红外辐射通量比值的测量正态随机噪声.根据图 1 和前述定位原理,可得以下非线性测量方程:删卸+vie,(18)l=exp,+此非线性方程可记成矩阵形式:Z=F(X)+(19)其中,E=0;T=R.基于非线性测量方程(18) 和线性状态方程(16)就能构造推广卡尔曼滤波直接递推算法(EKF).设Hk:I(20)
14、似 lXk=l 一1因此 EKF 递推公式为:XI 一 1=中 XII1PIl=中一 1Il 中+QP=一.+尺Kk=PrRXI=XI 一1+KZF(XI1)其中,Rk 是测量噪声协方差;Q 是系统噪声协方差.4 计算机仿真与分析为了检验这种定位算法的性能,对机动目标航迹进行了计算机仿真,仍然用图 1 所示的模型建立坐标系.大气衰减系数差(一)取常数 0.03km,测量时间间隔为 T=1s,测量噪声=1.,Q=0.03,目标初始位置(25,1.5)km,观测站位于(0,0),初速度 500m/s(一 353.55,353.55)m/s,加速度(一 14.14,14.14)m/s,运行时间 20
15、s.经过 20 次 MonteCarlo 试验 ,得到如图 2 所示的 x,Y 方向的误差曲线.分析图 2 误差曲线,可以得到如下结论:(1)在算法启动的初始时刻,估计值有抖动,定位误差较大;(2)经历了 24s 后,定位误差开始减小,直至误差接近于 0,说明该定位算法是收敛的,可以对匀加速运动的辐射源目标进行定位与跟踪.T/sT/s图 2XY 方向位置估计误差曲线Fig.2ErrorcurveofXandYpositionestimation5 结论此模型在二维平面中建立,由于空间目标都可以完全限制在其航迹与观测站所组成的平面上描述,所得结论可推广到三维空间中去.因此,此方法可应用到空中高度
16、机动目标的定位与跟踪的研究当中,为单站无源定位技术提供了新的实现途径,为其应用于抗低空突防和反隐身目标的空防系统提供了可能,也可以应用于为保护重要军事目标和设施而设置的前哨移动精确打击武器对来袭目标的定位与跟踪.参考文献:1孙仲康,周一宇 ,何黎星.单多基地有源无源定位技术M.北京 :国防工业出版社,1996.2单月晖,孙仲康 ,皇莆堪.单站无源定位跟踪现有方法评述J.航天电子对抗,2001(6):47.3王莲芬,何俊发 .单,双站被动定位技术在军事探测中的应用J.光子,2002(9):11351137.4路远,时家明 ,凌永顺,等.红外被动定位研究J.红外与激光工程,2001,30(6):4
17、07 408.5李明智.红外告警系统评价技术研究J.红外技术,2000,22(2):2731.6TackLSong,JasonLSpeyer.AstochasticanalysisofaModifiedGainExtenedKalmanFilterwithapplicationstoestimationwithbearingonlymeasurementsJ.IEEETransactionsonAutomaticControl,1985,AC 一 30(10):940949.7JonWilson.PrecisionLocationandidentitication:ArevolutioninthreatwarningandsituationalawarenessJ.JournalofElectronicDefense,1999,(11):43-48.8徐南荣,卞南华 .红外辐射与制导M.北京:国防工业出版社,199r7.9张建奇,方小平 .红外物理M.西安电子科技大学出版社,2004.6.1OARJha(张孝霖陈世达舒郁文等译). 红外技术应用M.化学工业出版社,2004.10.
