激光雷达在运动目标定位中的应用_吕昊

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A（ k ） －J （ k ） 珚 H（ k） ］ Φ（ k） = ［ 珔 w （ k） = Γ（ k） w（ k） －J（ k） 珔 V（ k ） －1 珔 J（ k） = Γ（ k） B （ k） R （ k）
（ 9） （ 10 ）
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DOA 估 计 方 法 以 及 波 束 形 成 方 累积 量 估 计 方 法、 。文献［ 5］ 是一种面向星载激光测高仪的陆地目 标响应激光雷达定位识别技术， 采用自适应波束形成
收稿日期： 2016－05－22 基金项目： 伊犁师范学院大学生体质检测 中心重 点 实 验 室开放课题 （ 2016TZYB08 ） 作者简介： 吕昊（ 1980－ ） ， 男（ 汉族） ， 甘肃定西人， 硕士， 讲师， 主要研究 方向： 运动生物力学； 王兰（ 1983 － ） ， 女（ 汉族） ， 湖北蕲春人， 硕士， 讲 师， 主要研究方向： 图像处理、 计算机课程与教学论 。
［1 ］
和目标方位估计方法， 结合距离估计和运动速度估 6］ 实现对目标的准确定位， 精度较高； 文献［ 提出 计， 小尺寸光斑中心的高精度定位算法 ， 采用近场源特征 参量估计和信息融合方法， 实现对运动目标的跟踪识 别， 随着目标距离的增大、 干扰强度的增强， 该方法估 计和定位的准确度下降
［7－8 ］
［9 ］
{
， 最终可表示为： 珓 珘 H0 ： x （ t ） = R V（ k ） w （ t） λ 珘 珓 珓 H1 ： x （ t） = 槡 Et 珓 f（ t －λ） b ） +w（ t） D（ t － 2 0 ≤t ≤T （ 5） 珘 w （ t） 为统计独立的零均值复白高斯过程 。 式中， f（ t） 经过快衰落失真信道后， 跟踪目标的过程噪
声 w （ k） 与 V（ k） 的相关性为： E［ w （ k） V T（ k） ］= B1 （ k ） ［ B2 （ k） … B N（ k ） ］ ： = B（ k） （ 6） R V（ k） 是一正定的实对称阵， 表明运动目标融合 RV （ k ） 可 唯 一 地 分 信息为零 均 值 复 高 斯 随 机 过 程，
Application of laser radar in positioning of moving objects
LV Hao， WANG Lan
（ Key laboratory of College Students’physical fitness testing center Yili Normal University，Yining 835000 ，China）
， 激光雷达运动
(槡
1 +
m d 2 mdsinθ i － －1 ≈ ri r2 i
2 2
2
2
)
γi m + φi m 式中， γ i = －2 π
（ 3）
解成 R V（ k ） = L （ k ） R （ k ） L T（ k ） 段副本相关检测阵； L（ k） 为单位下三角阵。 假设激光雷达运动目标信号的副本相关积分检 ^ （ k －1 | k －1 ） 和运 测器获得 k －1 时刻的状态融合估计 x 动目标的相应的脉宽协方差阵为 P （ k －1 | k －1 ） ， 在混 珚 响是局部平稳条件下， 得到 k 时刻的全部量化信息 M （ k） 。用实测混响数据分析多个信道向量中运动目标 的信息采集状态 方程重写为： 珚 珘 x（ k +1 ） = Φ（ k） x（ k） +J（ k） M （ k） +w （ k） 其中 （ 8）
［10 ］
， 考虑单个的窄带远场分布源， 激光雷达技术
， 得到运动目标的状态特征模型
的运动目标检测问题做如下假设 ： （ 1 ） 运动目标信源 s1 （ t ） ， s2 （ t ） ， … s L （ t ） 为零均 值、 非高斯的严平稳随机过程， 在分布源和阵元之间 具有非零峰度； （ 2 ） 运动目标的干扰阵元噪声 n m（ t） 为零均值高 斯过 程， 信 号 源 发 射 的 信 号 （ 标 量） 与 信 源 统 计 独
1
1. 1
近场源模型与信号分析
激光雷达运动目标近场源模型 在激光雷达场中， 运动目标分布在一个均匀的二
象限近场源模型中， 近场源相对于激光雷达场阵列中 心的距离可近似为： r≤2 D2 / λ （ 1）
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吕昊等： 激光雷达在运动目标定位中的应用 《激光杂志》 2016 年第 37 卷第 9 期 LASER JOURNAL（ Vol. 37 ， No. 9 ， 2016 ） D 表示运动目标的回波检测最大孔径， 式中， λ= c / f 为中心频率 f 对应的工作波长。 激光雷达对运动目标定位的近场源由 N = 2 P 个 在回波检测中， 信源 阵元组成的间距为 d 均匀线阵， 接收到 L 个 近 场 运 动 目 标 信 号 的 空 间 分 布 如 图 1 所示。 立
T 珔 （ k） V （ k） ］= 0 ， 连续方向上各个点源信号采样融合的
方差满足： E［ V（ k） V T（ k） ］=
图1 目标定位近场源均匀线阵
1 R v （ k） D21 （ k） D N1 （ k）
D12 （ k） R （ k） D N2 （ k）
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吕昊等： 激光雷达在运动目标定位中的应用 《激光杂志》 2016 年第 37 卷第 9 期 LASER JOURNAL（ Vol. 37 ， No. 9 ， 2016 ）
激光雷达在运动目标定位中的应用
吕
摘
昊， 王
兰
（ 伊犁师范学院 大学生体质检测中心重点实验室 ， 新疆 伊宁 835000 ）
要： 激光雷达的运动目标定位关键在于准确估计运动目标方位参量 ， 为了提高目标的定位精度， 提出
Abstract ： By adopting the laser radar technique is the key technology of moving target location lies in the accurate estimation of the parameter of moving target range， in order to improve the positioning precision， put forward a laser radar for moving target location near field source model are constructed based on 3－D near field source parameters for the joint estimation of laser radar target localization algorithm， each source of moving targets in the near field source parameters are automatically paired，by adopting the laser radar detection technology target echo signal detection，combined with frequency， angle and distance three－dimensional parameter joint estimation of DOA algorithm to achieve the accurate positioning of target motion． The experimental results show that the proposed algorithm is used to estimate the parameters of the laser radar moving target with high accuracy，and the positioning accuracy is better． Key words： laser radar； moving target； parameter estimation； localization； signal detection 随着现代智能制导武器的发展， 军事方面对目标 采用激光雷达技术进行军 的打击精度提出更高要求， 事运动目标的定位， 实现对运动目标的定位检测和跟 踪
近场源三维参量联合估计的激光雷达运动目标定位算法 。 首先构建了激光雷达对运动目标定位的近场源模 型， 对近场源中运动目标的每个信源参数自动配对 ， 然后对采用激光雷达检测技术进行目标回波信号检测， 结 合频率、 角度和距离三维参量联合估计的 DOA 算法实现运动目标的准确定位。 实验结果表明， 本文提高了激 光雷达运动目标参量估计的精度 ， 而且定位的速度也得到加快。 关键词： 激光雷达； 运动目标； 参量估计； 定位； 信号检测 中图分类号： TN27 文献标识码： A DOI 编码： 10. 14016 / j． cnki． jgzz. 2016. 09. 072
（ 4）
此时， 对运动目标的跟踪问题转化为信号检测问 题
［13 ］
x m（ t ） =
s i （ t ） e jφ ∑ i=1
mi
+ rn m（ t） ，－ p + 1 ≤ m ≤ p （ 2）
s i（ t） 为 M ×1 维的向量的复包络， xm （ t ） 为 式中， n m （ t ） 为干扰噪声， 阵元 m 接收的观测信号， φ mi 为信 源 m 相对于参考阵元离散时间点的相位差 。 在电磁场干扰作用下通过对传播过程的信道估 计和介质特征衰减， 计算能量衰减， 随着混响模型间 干扰的增减的增大， 根据色散效应 目标近场源模型为： 2 πr i φ mi = λi
［11 ］
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；
（ 3 ） 各个点源贡献权重和 DOA 参数各不相同， 即 i ≠j 时 φ i ≠φ j ； （ 4 ） 角度阵元间距 d≤λ i / 4 ， 而且 N ＞L。 对于每 一 个 方 向 为 θ， 角度时间加权函数为 f k) 的相关分布式目标模型则［11－12］， ( θ， 激光雷达运动 珘 珔 珘 （ k） 与 V （ k ） 的协方差为 E［ w 目标的分布源和阵元 w
2 v
… … …
在运动目标近场空间分布的阵列中心处记为激 记为 0 。 以其为 光雷达分布场地面坐标系坐标原点， 在阵元位置的中心矢量场中， 第 m 个完 相位参考点， 全相关分布源（ FCD） 源的接收信号可表示为：
I
D1 N（ k ） D2 N（ k ） = R V（ k ） RN （ k ） v
［14 ］
d d sinθ i ， cos2 θ i ，r i ，θ i 分 φi = π λi λi ri
（ 7）Βιβλιοθήκη R （ k ） = diag ｛ r1 （ k ） ， r2 （ k ） …， r Nq （ k ） ｝ 为分 式中，
别为来自每一个角度第 i 个近场源的距离和 DOA， 点 源阵列流型向量 λ i 为第 i 个激光雷达运动目标检测 d 与 λ i 满足 d≤λ i / 4 。 信源的波长， 1. 2 运动目标的相干分布及信号分析 为了实现对运动目标定位及参量估计 ， 进行激光 雷达运动目标的相关特征分布模型分析和信号特征 分解
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吕昊等： 激光雷达在运动目标定位中的应用 《激光杂志》 2016 年第 37 卷第 9 期 LASER JOURNAL（ Vol. 37 ， No. 9 ， 2016 ） 对运动的分布式目标进行 DOA 估计， 构造如下 的 4 P ×4 P 矩阵： C1 H C2 C= H C 5 H C4 C2 C1 C
。激光雷达运动目标定位建立在高分辨波达方
向（ DOA） 基础上， 采用高分辨雷达目标识别技术结合 实现 近场源的方位估计实现对目标的运动参量估计 ， 目标的准确定位。 根据运动目标的激光雷达定位原理， 学者们进行 了相关研究， 提出了阵列信号定位识别方法 法
［4 ］ ［2－3 ］
。
为了克服当前算法的弊端， 提高对运动目标的定 位精度， 提出基于近场源三维参量联合估计的激光雷 并通过仿真实验测试了本文方 达运动目标定位算法， 法的优越性和可靠性。 、 高阶