CN102096067A - 基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法。首先对M个阵元接收的信号分别进行下变频；将M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵；第1个子线阵在频域内的输出为X_l(ω)；将每个子线阵的输出移相并取模的平方；对此时的K个方程依次递减；将递减后的方程组转化为矩阵形式；利用最小二乘法求解均方意义下误差最小的目标回波估计值R＝B⁺X，再转换到时域即可得到估计的信号。只要满足信号与干扰所处方向不同的假设，基于北斗的无源雷达系统只需要一个目标接收通道而不需要参考通道，相位匹配算法可以有效的去除雷达目标回波通道中的直达波干扰，在直达波干扰与目标回波信号相关的情况下仍然具有很好的效果。

Description

基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及的是一种无源雷达信号处理方法，尤其涉及利用北斗卫星作为外辐射源的无源雷达领域内的直达波干扰抑制方法。

背景技术

近年来，基于外辐射源的无源探测雷达发展迅速。70年代末，捷克台斯拉公司(现ERA公司)就研制了“RAMOHAKPTA-81 Soft Ball”系统，能跟踪20个目标。1998年推出了“VERA-E”系统，该系统可同时跟踪200批目标，对空探测时最大作用距离450公里，方位瞬时视场为120°(可选用360°)。

90年代，美国Lockheed Martin公司研制出基于商业调频广播电台和电视台(50-500MHz)发射信号的无源探测系统“Silent Sentry”，是目前较为领先的无源雷达探测系统，可跟踪固定翼飞机、旋翼机、巡航导弹和弹道导弹等。该系统天线尺寸为2.3×2.5m，探测范围可达到220公里，方位探测范围达360°，俯仰探测范围为60°，可以同时跟踪100批飞行目标。当利用FM调频广播作为外辐射源时，无源雷达探测精度可达到，水平方向250m，竖直方向1000m，水平速度优于2m/s。当利用HDTV信号作为外辐射源的时候，无源探测系统的探测精度更优。“Silent Sentry”系统可以安置在固定或移动平台上，也可以安装在飞机、卡车上以方便部署。

英国的“CellDar”雷达系统利用蜂窝电话信号作为外辐射源可探测、跟踪和识别陆上、海上和空中的移动目标，包括在树丛中运动的车辆，理论上能够探测野外环境中10～15公里的地面目标和100公里范围内的大型飞机。该雷达系统除了反射蜂窝电话基站的辐射信号外，还可利用声传感器探测到目标辐射出的噪声，有助于确定目标位置。沿海岸线部署的“CellDar”雷达可用于舰船检测、辅助搜救、领航、告警等任务。还可将其安装在预警机上形成无源预警能力，隐蔽地监视空域，探测100公里以外的飞机。此外，欧洲各国也利用地面广播电视台进行了大量的研究试验。德国迪尔公司研制的无源多基地系统以美GPS、俄GLONASS卫星信号为外辐射源，其接收设备则采用了相控阵天线。

我国对无源探测雷达系统的研究也越来越重视，其中尤其以民用信号为外辐射源的双(多)基地无源探测雷达系统备受关注。在70年代进行“利用调幅广播能量探测目标”的研究，分析了杂波对消的需求对系统线性度、相位飘移和相位抖动的要求。国防科大、西安电子科大、北京理工、南京理工、电子第38研究所等单位正在进行以FM调频广播、移动数字电视、GSM信号作为外辐射源的无源探测雷达技术研究，电子第14研究所于2006年研制出YLC-20双站无源测向和定位雷达，中国电子科技集团西南电子设备研究所已经于2009年研制出了DWL002被动探测雷达系统。但是，我国基于导航卫星信号的无源雷达探测系统尚处于探索之中，基于GPS卫星信号的无源探测技术处于刚刚起步的阶段，目前，国内尚未有利用我国自主研制的北斗卫星信号作为外辐射源的无源雷达探测系统研究。

无源雷达在进行空中飞行目标检测的时候，目标回波通道主要受到直达波、多径和杂波等信号的干扰。由于采用外辐射源信号，空间传播时多径效应较强，信号主要向地面发射，对目标的波瓣增益较低，导致了实际接收到的目标回波信号功率远远小于直达波信号功率，根据目标的远近和系统参数情况，目标回波信号和杂波的功率强度差异通常在60-140dB。并且当雷达接收到的目标回波信号和直达波干扰信号经过相干匹配滤波后，直达波信号仍然具有高的距离-多普勒副瓣，这些副瓣淹没了远距离的微弱动目标回波信号。因此，如何有效地在强干扰的环境下准确检测到空中飞行目标成为基于北斗信号的无源雷达探测系统急待解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能消除直达波干扰的基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法。

本发明的目的是这样实现的：

1，首先对M个阵元接收的信号分别进行下变频；

2，将M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵；

3，第1个子线阵在频域内的输出为X_l(ω)；

4，将每个子线阵的输出移相并取模的平方；

5，对此时的K个方程依次递减；

6，将递减后的方程组转化为矩阵形式；

7，利用最小二乘法求解均方意义下误差最小的目标回波估计值R＝B⁺X，再转换到时域即可得到估计的信号。

本发明所述的一种基于多元相位匹配原理的直达波干扰抑制方法，只要满足信号与干扰所处方向不同的假设，基于北斗的无源雷达系统只需要一个目标接收通道而不需要参考通道，相位匹配算法可以有效的去除雷达目标回波通道中的直达波干扰，在直达波干扰与目标回波信号相关的情况下仍然具有很好的效果。

附图说明

图1是基于北斗导航卫星作为外辐射源的无源雷达系统示意图；

图2是基于北斗导航卫星作为外辐射源的无源雷达信号处理过程；

图3是基于多元相位匹配方法进行直达波抑制过程的实施框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

如图1所示，基于北斗导航卫星作为外辐射源的无源雷达探测系统属于多基地无源雷达探测系统，在无源雷达接收端采用多元接收天线阵接收导航卫星发射的射频信号，此时接收端存在较强的直达波干扰。

由图2可知，每一个天线阵元都接收目标回波信号，此时存在很强的直达波干扰。首先对每个天线阵元接收到的信号进行放大和滤波，然后下变频到中频进行处理，去除信号中携带的导航信息，利用多元相位匹配方法进行直达波抑制，对抑制后的信号进行恒虚警处理检测目标，最终利用定位算法对目标位置进行解算。

结合图3，本发明所述的基于多元相位匹配原理的直达波干扰抑制方法步骤如下：

1，首先对M个阵元接收的信号分别进行下变频；

2，将M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵；

3，第1个子线阵在频域内的输出为X_l(ω)；

4，将每个子线阵的输出移相并取模的平方；

5，对此时的K个方程依次递减；

6，将递减后的方程组转化为矩阵形式；

7，利用最小二乘法求解均方意义下误差最小的目标回波估计值R＝B⁺X，再转换到时域即可得到估计的信号。

本发明的具体实现方法可以表述如下：

雷达接收系统采用M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵(其中M为接收系统天线阵元个数，K为阵元组成的子线阵个数)。

子线阵1：阵元1到阵元(M-K+1)

子线阵2：阵元2到阵元(M-K+2)

......     ......

子线阵K：阵元K到阵元M

则第1(1}l}K)个子线阵的输出信号为：

式中，X_l(ω)为第l个子线阵在频域内输出的信号，D_l(ω)为第l个子线阵接收到的频域内直达波干扰，R(ω)为频域内雷达目标回波信号，M_li(ω)为频域内第l个子线阵接收到的第i路多径干扰信号，1}i}q，q为多径干扰总的个数。

此时的雷达系统接收通道满足信号同相，而直达波和多径干扰“不同相”的条件，可以利用相位匹配原理提取目标回波信号。对上式中第1个子线阵输出的信号移相并取模平方可得：

式中，

，K为子线阵序号，X_l为第l个子线阵在频域内输出的信号，R为频域内雷达目标回波信号，D_l为第l个子线阵接收到的频域内直达波干扰，M_li为频域内第l个子线阵接收到的第i路多径干扰信号，1}i}q，q为多径干扰总的个数。Re()表示一个信号的实部，Im()表示一个信号的虚部，||表示对信号取模。

将式(2)得到的K个方程依次相减可得：

式中，

为子线阵的序号。

为扰动项。

将式(3)转化为矩阵形式如下所示：

BR＝X+ε                         (4)

式中，

为雷达目标回波信号矩阵，其中Re(R)和Im(R)分别为频域内目标回波信号的实部和虚部。

p＝1，2，3，·，K                    (7)

利用最小二乘法求解可以得到均方意义下误差最小的目标回波估计值：

R＝B⁺X                             (8)

式中，B⁺表示矩阵B的Moore-Penrose广义逆。R为目标回波信号估计值的频域表示形式，再将其转换到时域就得到目标回波信号基于相位匹配抑制直达波后的估计信号。

Claims (2)

1.一种基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法，其特征是：

(1)首先对M个阵元接收的信号分别进行下变频；

(2)将M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵；

(3)第1个子线阵在频域内的输出为X_l(ω)；

(4)将每个子线阵的输出移相并取模的平方；

(5)对此时的K个方程依次递减；

(6)将递减后的方程组转化为矩阵形式；

(7)利用最小二乘法求解均方意义下误差最小的目标回波估计值R＝B⁺X，再转换到时域即可得到估计的信号。

2.根据权利要求1所述的基于北斗作为外辐射源的无源雷达直达波干扰抑制方法，其特征是其具体步骤为：

雷达接收系统采用M个接收阵元组成互相重叠的K个子线阵，其中M为接收系统天线阵元个数，K为阵元组成的子线阵个数；

子线阵1：阵元1到阵元(M-K+1)

子线阵2：阵元2到阵元(M-K+2)

……        ……

子线阵K：阵元K到阵元M

第l(1≤l≤K)个子线阵的输出信号为：

$X_l\left(\mathrm{\ω}\right)=R\left(\mathrm{\ω}\right)+D_l\left(\mathrm{\ω}\right)+\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{li}}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(1\right)$

式中，X_l(ω)为第l个子线阵在频域内输出的信号，D_l(ω)为第l个子线阵接收到的频域内直达波干扰，R(ω)为频域内雷达目标回波信号，M_li(ω)为频域内第l个子线阵接收到的第i路多径干扰信号，1≤i≤q，q为多径干扰总的个数；

对上式中第1个子线阵输出的信号移相并取模平方可得：

${\left|X_l\right|}^2+{\left|R\right|}^2-2\mathrm{Re}\left(X_l\right)\mathrm{Re}\left(R\right)-2\mathrm{Im}\left(X_l\right)\mathrm{Im}\left(R\right)={|D_l+\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{li}}|}^2---\left(2\right)$

式中，l＝1，2，·，K为子线阵序号，X_l为第l个子线阵在频域内输出的信号，R为频域内雷达目标回波信号，D_l为第l个子线阵接收到的频域内直达波干扰，M_li为频域内第l个子线阵接收到的第i路多径干扰信号，1≤i≤q，q为多径干扰总的个数，Re()表示一个信号的实部，Im()表示一个信号的虚部，||表示对信号取模；

将式(2)得到的K个方程依次相减可得：

2Re(X_p+1-X_p)Re(R)+2×Im(X_p+1-X_p)Im(R)＝|X_p+1|²-X_p|²-ε_p  (3)

式中，p＝1，2，·，K-1为子线阵的序号。

为扰动项。

将式(3)转化为矩阵形式如下所示：

BR＝X+ε                            (4)

式中，R＝[Re(R)，Im(R)]^T为雷达目标回波信号矩阵，其中Re(R)和Im(R)分别为频域内目标回波信号的实部和虚部；

ε＝[ε₁，ε₂，ε₃，·，ε_p]                            (5)

X＝[|X₂|²-|X₁|²，|X₃|²-|X₂|²，·，|X_p+1|²-|X_p|²]        (6)

$B=2\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Re}(X_2-X_1)& \mathrm{Im}(X_2-X_1)\\ \mathrm{Re}(X_3-X_2)& \mathrm{Im}(X_3-X_2)\\ \·& \·\\ \mathrm{Re}(X_{p+1}-X_p)& \mathrm{Im}(X_{p+1}-X_p)\end{array}\right],$ p＝1，2，3，·，K    (7)

利用最小二乘法求解得到均方意义下误差最小的目标回波估计值：

R＝B⁺X                                                  (8)

式中，B⁺表示矩阵B的Moore-Penrose广义逆，R为目标回波信号估计值的频域表示形式，再将其转换到时域就得到目标回波信号基于相位匹配抑制直达波后的估计信号。

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