CN103728597A - 基于辅助阵列的网络化雷达抑制压制式主瓣干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辅助阵列的网络化雷达抑制压制式主瓣干扰方法。主要解决现有的单站雷达技术不能直接用于网络化雷达的问题。其实现步骤是：（1）计算相邻两节点雷达的回波信号；（2）分别对相邻两节点雷达的回波信号进行波束形成；（3）在相邻两节点雷达基线上插入一个随机布阵的辅助阵列；（4）计算辅助阵列接收的回波信号；（5）根据相邻两节点雷达各自波束形成后的回波信号以及辅助阵列的回波信号，分别计算辅助阵列对消相邻两节点雷达干扰时所需的权值；（6）对辅助阵列分别加两组权值，分别对消相邻两节点雷达中的干扰信号，得到相邻两节点雷达的输出信号。本发明能有效抑制压制式主瓣干扰，可用于网络化雷达系统。

Description

基于辅助阵列的网络化雷达抑制压制式主瓣干扰方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种抑制压制式主瓣干扰的方法，可用于网络化雷达系统，在压制式主瓣干扰条件下，对从网络化雷达各节点雷达天线主瓣进入的压制式干扰信号进行有效的抑制，提高网络化雷达在压制式主瓣干扰条件下的探测跟踪性能。

背景技术

压制式干扰是利用噪声得到的干扰信号遮盖或淹没有用信号，使接收电子设备接收的有用信号模糊不清或完全被掩盖，以至不能正常工作的电子干扰。压制式干扰分为有源压制式干扰和无源压制式干扰。有源压制式干扰又分为瞄准式干扰和阻塞式干扰；无源压制式干扰主要是大量投放干扰物，造成强烈干扰，掩盖目标信号。

对于位于目标附近的压制式干扰来说，干扰信号通常会从雷达接收天线主瓣进入；当雷达探测远距离目标时，即使干扰机距离目标较远，干扰信号也会落入雷达接收天线的主瓣之内，从而形成压制式主瓣干扰。现有的自适应旁瓣相消技术、自适应波束形成技术等只能抑制从雷达接收天线旁瓣进入的干扰，主瓣干扰会导致严重的波束畸变或主瓣峰值偏置，无法在抑制干扰的同时对目标进行有效的检测。

网络化雷达，是指由多部体制相同或不同的节点雷达构成的一个有机的雷达网络，它具有灵活的工作模式和协同探测方式，有丰富的空域资源。

随着干扰天线的阵列化，干扰机具有多波束形成和系统资源调度的能力，能够同时对多部雷达实施干扰，因此，网络化雷达面临着主瓣干扰的威胁，网络内每一部节点雷达都会受到主瓣干扰的影响，网络化雷达的检测性能会急速下降。

针对压制式主瓣干扰，现有方法主要是通过增大雷达天线的孔径，提高雷达接收天线的分辨率，实现抑制压制式主瓣干扰。但该方法只能用于单站雷达抑制压制式主瓣干扰，若直接用于网络化雷达，由于网络化雷达中的节点雷达的个数较多，增加每个节点雷达天线的孔径的代价较高，无法工程实现。

发明内容

本发明的目的在于针对单站雷达抗压制式主瓣干扰方法的不足，提出一种基于辅助阵列的网络化雷达抑制压制式主瓣干扰方法，以实现对网络化雷达压制式主瓣干扰的抑制，提高网络化雷达的检测性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

（1）根据网络化雷达的系统结构和目标、干扰相对于每部节点雷达的波达方向以及它们之间的空间位置，计算相邻两部雷达，第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)；

（2）对步骤（1）中相邻两节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)分别进行波束形成处理，计算其波束形成后的回波信号

和

（3）在相邻两节点雷达的基线长度上采用修正的遗传算法进行随机布阵，形成辅助阵列；

（4）根据辅助阵列的结构和阵元数N以及干扰相对于辅助阵列的波达方向，计算辅助阵列接收的回波信号X_A(t)；

（5）根据步骤（2）计算得到的相邻节点雷达波束形成后的回波信号

和

以及步骤（4）得到的辅助阵列的回波信号X_A(t)，分别计算辅助阵列对消第i部节点雷达和第i+1部节点雷达干扰时所需的权值W_i和W_i+1；

（6）根据步骤（5）得到的对消第i部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i和对消第i+1部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i+1，分别对辅助阵列的回波信号X_A(t)作加权处理，并利用加权处理后的信号分别对相邻两节点雷达波束形成后的回波信号

和

作干扰对消，得到干扰对消后的相邻节点雷达的输出信号X_i(t)和X_i+1(t)：

$X_i\left(t\right)=d_{M_i,i}\left(t\right)-W_i{X_A}^H\left(t\right),$

$X_{i+1}\left(t\right)=d_{N_{i+1},i+1}\left(t\right)-W_{i+1}{X_A}^H\left(t\right),$

其中，(·)^H表示共轭转置运算。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1、易于工程实现

现有的单站雷达通过增大天线孔径来抑制压制式主瓣干扰，直接应用于网络化雷达时，代价过大，无法工程实现；本发明综合利用了网络化雷达中各节点雷达的空间资源，在相邻节点雷达的基线上插入辅助阵列，对辅助阵列同时加两组权向量，使得一个辅助阵列能够同时对消相邻两部节点雷达中的主瓣干扰，容易工程实现。

2、计算复杂度低

本发明由于将常用的自适应波束形成算法应用到网络化雷达中，用辅助阵列对消第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的压制式主瓣干扰，可在不增加运算复杂度的前提下，实现网络化雷达抑制压制式主瓣干扰。

附图说明

图1是本发明使用的场景示意图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是第i部节点雷达干扰对消之后的天线方向图；

图4是第i+1部节点雷达干扰对消之后的天线方向图。

具体实施方式

参照图1，本发明的使用场景，包括由P部相控阵节点雷达构成网络化雷达，每部节点雷达的工作模式均相同，且各节点雷达的发射信号相同，相邻两节点雷达的基线长度为L＝1.5×10⁴λ，λ是电磁波的波长，λ=0.01m，空间远场存在一个目标，目标附近存在Q个压制式干扰。

参照图2，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：根据网络化雷达的系统结构和目标、干扰相对于每部节点雷达的波达方向以及它们之间的空间位置，计算相邻两节点雷达，第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)：

r_i(t)＝r_i,s(t)+r_i,j(t)+n_i(t)，

r_i+1(t)＝r_i+1,s(t)+r_i+1,j(t)+n_i+1(t)，

其中，r_i,s(t)是第i部节点雷达的目标回波信号，r_i,s(t)＝a(θ_t)s(t)，

r_i,j(t)是第i部节点雷达的干扰回波信号，

n_i(t)是第i部节点雷达的噪声信号，且与雷达的发射信号不相关，

r_i+1,s(t)是第i+1部节点雷达的目标回波信号，r_i+1,s(t)＝b(θ_t)s(t)，

r_i+1,j(t)是第i+1部节点雷达的干扰回波信号，

n_i+1(t)是第i+1部节点雷达的噪声信号，且与雷达的发射信号不相关，

s(t)是相邻两节点雷达发射信号的回波信号，

θ_t是目标信号到达相邻两节点雷达的角度，

a(θ_t)和b(θ_t)分别是第i部节点雷达和第i+1部节点雷达在目标方向的导向矢量，

J_j(t)是相邻两节点雷达接收第j部干扰机发射的干扰信号，且每部干扰机发射的干扰信号与雷达的发射信号、噪声信号都不相关，

θ_j是第j个干扰信号到达相邻两节点雷达的角度，

a(θ_j)和b(θ_j)分别是第i部节点雷达和第i+1部节点雷达在第j个干扰方向的导向矢量，

i＝1,2…P-1，j＝1,2,…,Q，P是相控阵节点雷达的个数，Q是压制式干扰的个数。

步骤2：将步骤1中计算得到的相邻节点雷达的回波信号进行波束形成，得到第i部节点雷达波束形成后的回波信号和第i+1部节点雷达波束形成后的回波信号 $d_{N_{i+1},i+1}\left(t\right):$

$d_{M_{\text{i}},i}\left(t\right)=a^H\left({\mathrm{\θ}}_t\right)r_i\left(t\right)=M_i\·s\left(t\right)+a^H\left({\mathrm{\θ}}_t\right)[r_{i,j}\left(t\right)+n_i\left(t\right)],$

$d_{N_{\text{i+1}},i+1}\left(t\right)=b^H\left({\mathrm{\θ}}_t\right)r_{i+1}\left(t\right)=N_{i+1}\·s\left(t\right)+b^H\left({\mathrm{\θ}}_t\right)[r_{i+1,j}\left(t\right)+n_{i+1}\left(t\right)],$

其中，M_i和N_i+1分别是第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的阵元个数，(·)^H表示对矩阵的共轭转置。

步骤3：在相邻两节点雷达的基线长度上采用修正的遗传算法进行随机布阵，形成辅助阵列。

3a）以相邻两节点雷达的基线长度L作为阵列孔径的大小，在基线上进行布阵，形成辅助阵列，辅助阵列的阵元个数为N；

3b）确定阵元与阵元之间的最小阵元间距：d_c=λ/8，λ是电磁波的波长；

3c）确定约束天线方向图旁瓣电平的目标函数：

3c1）以降低稀布阵的峰值旁瓣电平PSLL为优化目标，依据最大峰值旁瓣电平构造适应度函数：

$\mathrm{fitness}(d_1,d_2,...,d_N)=\underset{\mathrm{\θ}\∈S}{\max }\left\{\right|\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)}{\max \left(F\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}\left|\right\},$

其中，d₁,d₂,…,d_N是辅助阵列各阵元的位置，F(θ)是辅助阵列的方向图函数，

N是辅助阵列的阵元个数，d_n是第n个阵元的位置，θ是扫描角，

θ₀是目标相对于辅助阵列的角度，S为方向图的旁瓣区域；

3c2）调整辅助阵列各阵元位置d₁,d₂,…,d_N，使适应度函数fitness(d₁,d₂,…,d_N)的值最小，从而得到约束天线方向图旁瓣电平的目标函数f(d₁,d₂,…,d_N)：

f(d₁,d₂,…,d_N)=min{fitness(d₁,d₂,…,d_N)}；

3d）根据阵元与阵元之间的最小阵元间距d_c和约束天线方向图旁瓣电平的目标函数f(d₁,d₂,…,d_N)，构造如下优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{PSLL}=f(d_1,d_2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,d_N)\\ s.t.d_i-d_j\&GreaterEqual;d_c>0\\ i,j\&Element;Z,0<j<x\&le;N\end{array}\right.,$

其中，d_i和d_j分别是第i个阵元和第j个阵元的位置，d_c是阵元与阵元之间的最小阵元间距，Z代表整数集合，s.t.表示约束条件；

3e）采用遗传算法求解上式优化方程，获得各阵元位置d₁,d₂,…,d_N的解，在求得的位置d₁,d₂,…,d_N上，分别摆放阵元，形成辅助阵列。

步骤4：根据辅助阵列的结构和阵元数N以及干扰相对于辅助阵列的波达方向，计算辅助阵列接收的回波信号X_A(t)：

X_A(t)＝J_A(t)+n_A(t)，

其中，J_A(t)是辅助阵列接收的干扰信号矢量，

θ_j是第j个干扰信号到达辅助阵列的角度，

c(θ_j)是辅助阵列在第j个干扰方向的导向矢量，

J_j(t)是辅助阵列接收的第j部干扰机发射的干扰信号，

n_A(t)是辅助阵列接收的噪声矢量。

步骤5：根据自适应波束形成原理，基于均方误差最小准则，计算辅助阵列对消第i部节点雷达和第i+1部节点雷达干扰时所需的权值W_i和W_i+1：

W_i＝R_XX ^-1r_Xd,i，

W_i+1＝R_XX ^-1r_Xd,i+1，

其中，R_XX是辅助阵列回波信号的自相关矩阵，R_XX＝E{X_A(t)X_A ^H(t)}，

r_Xd,i是第i部节点雷达波束形成后的回波信号与辅助阵列回波信号的互相关矩阵，r_Xd,i＝E{X_A(t)d_M,i ^*(t)}，

r_Xd,i+1是第i+1部节点雷达波束形成之后的回波信号与辅助阵列回波信号的互相关矩阵，r_Xd,i+1＝E{X_A(t)d_M,i+1 ^*(t)}，

(·)^-1表示求逆运算，(·)^*表示共轭运算。

步骤6：根据步骤（4）得到的对消第i部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i和对消第i+1部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i+1，分别对辅助阵列的回波信号X_A(t)作加权处理，并利用加权处理后的信号分别对相邻两节点雷达波束形成后的回波信号和

作干扰对消，得到干扰对消后的相邻节点雷达的输出信号X_i(t)和X_i+1(t)：

$X_i\left(t\right)=d_{M_i,i}\left(t\right)-W_i{X_A}^H\left(t\right),$

$X_{i+1}\left(t\right)=d_{N_{i+1},i+1}\left(t\right)-W_{i+1}{X_A}^H\left(t\right),$

其中，(·)^H表示共轭转置运算。

本发明对压制式主瓣干扰的抑制性能可通过以下仿真进一步验证。

1.实验场景：

采用如图1所示的场景，从P部相控阵节点雷达构成的网络化雷达中，取相邻两节点雷达，相邻两节点雷达的结构为：第i部节点雷达是由20个阵元构成的等距线阵，阵元间距为半波长，第i+1部节点雷达是由30个阵元构成的等距线阵，阵元间距为半波长，第i部雷达和第i+1部雷达的基线长度为L＝1.5×10⁴λ，λ=0.01m，在基线上插入辅助阵列，辅助阵列的阵元个数为50，目标信号到达相邻两节点雷达的角度是0°，两个压制式干扰到达相邻两节点雷达和辅助阵列的角度分别是-1°和1°。

2.实验内容：

实验1，用本发明方法求得对消第i部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值，利用该权值对辅助阵列的接收信号作加权处理，利用加权处理后的信号对第i部节点雷达波束形成后的回波信号作干扰对消，得到第i部节点雷达干扰对消之后的天线方向图，如图3所示。

实验2，用本发明方法求得对消第i+1部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值，利用该权值对辅助阵列的接收信号作加权处理，利用加权处理后的信号对第i+1部节点雷达波束形成后的回波信号作干扰对消，得到第i+1部节点雷达干扰对消之后的天线方向图，如图4所示；

3.实验结果分析：

从图3和图4可以看到，在目标方向形成无失真的天线主瓣，在干扰方向-1°和1°上形成-100dB左右的零陷深度，从而能够抑制这两个压制式主瓣干扰，最终达到能够在探测目标的同时抑制压制式主瓣干扰的效果。

综上所述，本发明的方法相比于单站雷达抑制压制式主瓣干扰方法，不仅能够对压制式主瓣干扰进行有效的抑制，而且在工程上也容易实现。

Claims (6)

1.一种基于辅助阵列的网络化雷达抑制压制式主瓣干扰方法，包括如下步骤：

（1）根据网络化雷达的系统结构和目标、干扰相对于每部节点雷达的波达方向以及它们之间的空间位置，计算相邻两部雷达，第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)；

（2）对步骤（1）中相邻两节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)分别进行波束形成处理，计算其波束形成后的回波信号

和

（3）在相邻两节点雷达的基线长度上采用修正的遗传算法进行随机布阵，形成辅助阵列；

（4）根据辅助阵列的结构和阵元数N以及干扰相对于辅助阵列的波达方向，计算辅助阵列接收的回波信号X_A(t)；

（5）根据步骤（2）计算得到的相邻节点雷达波束形成后的回波信号

和

以及步骤（4）得到的辅助阵列的回波信号X_A(t)，分别计算辅助阵列对消第i部节点雷达和第i+1部节点雷达干扰时所需的权值W_i和W_i+1；

（6）根据步骤（5）得到的对消第i部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i和对消第i+1部节点雷达干扰时所需的辅助阵列权值W_i+1，分别对辅助阵列的回波信号X_A(t)作加权处理，并利用加权处理后的信号分别对相邻两节点雷达波束形成后的回波信号

和

作干扰对消，得到干扰对消后的相邻节点雷达的输出信号X_i(t)和X_i+1(t)：

$X_i\left(t\right)=d_{M_i,i}\left(t\right)-W_i{X_A}^H\left(t\right),$

$X_{i+1}\left(t\right)=d_{N_{i+1},i+1}\left(t\right)-W_{i+1}{X_A}^H\left(t\right),$

其中，(·)^H表示共轭转置运算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（1）所述的计算第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的回波信号r_i(t)和r_i+1(t)，通过如下公式计算：

r_i(t)＝r_i,s(t)+r_i,j(t)+n_i(t)，

r_i+1(t)＝r_i+1,s(t)+r_i+1,j(t)+n_i+1(t)，

其中，r_i,s(t)是第i部节点雷达的目标回波信号，r_i,s(t)＝a(θ_t)s(t)，i＝1,2…P-1，P是相控阵节点雷达的个数，θ_t是目标信号到达相邻两节点雷达的角度，a(θ_t)是第i部节点雷达在目标方向的导向矢量，s(t)是相邻两节点雷达发射信号的回波信号，r_i,j(t)是第i部节点雷达的干扰回波信号，

j＝1,2,…,Q，Q是压制式干扰的个数，θ_j是第j个干扰信号到达相邻两节点雷达的角度，a(θ_j)是第i部节点雷达在第j个干扰方向的导向矢量，J_j(t)是相邻两节点雷达接收第j部干扰机发射的干扰信号，且每部干扰机发射的干扰信号与雷达的发射信号、噪声信号都不相关，n_i(t)是第i部节点雷达的噪声信号矢量，与雷达的发射信号不相关；

r_i+1,s(t)是第i+1部节点雷达的目标回波信号，r_i+1,s(t)＝b(θ_t)s(t)，b(θ_t)是第i+1部节点雷达在目标方向的导向矢量，r_i+1,j(t)是第i+1部节点雷达的干扰回波信号，

b(θ_j)是第i+1部节点雷达在第j个干扰方向的导向矢量，n_i+1(t)是第i+1部节点雷达的噪声信号矢量，与雷达的发射信号不相关。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（2）所述的计算相邻节点雷达波束形成后的回波信号和

通过如下公式计算：

$d_{M_{\text{i}},i}\left(t\right)=a^H\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right)r_i\left(t\right)=M_i\&CenterDot;s\left(t\right)+a^H\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right)[r_{i,j}\left(t\right)+n_i\left(t\right)],$

$d_{N_{\text{i+1}},i+1}\left(t\right)=b^H\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right)r_{i+1}\left(t\right)=N_{i+1}\&CenterDot;s\left(t\right)+b^H\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right)[r_{i+1,j}\left(t\right)+n_{i+1}\left(t\right)],$

其中，

是第i部节点雷达波束形成后的回波信号，是第i+1部节点雷达波束形成后的回波信号，M_i和N_i+1分别是第i部节点雷达和第i+1部节点雷达的阵元个数，(·)^H表示共轭转置运算。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（3）所述的在相邻两节点雷达的基线长度上采用修正的遗传算法进行随机布阵，形成辅助阵列，按如下步骤进行：

3a）以相邻两部节点雷达的基线长度L作为阵列孔径的大小，在基线上进行布阵，形成辅助阵列，辅助阵列的阵元个数为N；

3b）确定阵元与阵元之间的最小阵元间距：d_c=λ/8，λ是电磁波的波长；

3c）确定约束天线方向图旁瓣电平的目标函数：

3c1）以降低稀布阵的峰值旁瓣电平PSLL为优化目标，依据最大峰值旁瓣电平构造适应度函数：

$\mathrm{fitness}(d_1,d_2,...,d_N)=\underset{\mathrm{\&theta;}\&Element;S}{\max }\left\{\right|\frac{F\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{\max \left(F\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right)}\left|\right\},$

其中，d₁,d₂,…,d_N是辅助阵列各阵元的位置，F(θ)是辅助阵列的方向图函数，

N是辅助阵列的阵元个数，d_n是第n个阵元的位置，θ是扫描角，

θ₀是目标相对于辅助阵列的角度，S为方向图的旁瓣区域；

3c2）调整辅助阵列各阵元位置d₁,d₂,…,d_N，使适应度函数fitness(d₁,d₂,…,d_N)的值最小，从而得到约束天线方向图旁瓣电平的目标函数f(d₁,d₂,…,d_N)：

f(d₁,d₂,…,d_N)=min{fitness(d₁,d₂,…,d_N)}；

3d）根据阵元与阵元之间的最小阵元间距d_c和约束天线方向图旁瓣电平的目标函数f(d₁,d₂,…,d_N)，构造如下优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{PSLL}=f(d_1,d_2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,d_N)\\ s.t.d_i-d_j\&GreaterEqual;d_c>0\\ i,j\&Element;Z,0<j<x\&le;N\end{array}\right.,$

其中，d_i和d_j分别是第i个阵元和第j个阵元的位置，d_c是阵元与阵元之间的最小阵元间距，Z代表整数集合，s.t.表示约束条件；

3e）采用遗传算法求解上式的优化方程，获得各阵元位置d₁,d₂,…,d_N的解，在求得的位置d₁,d₂,…,d_N上，分别摆放阵元，形成辅助阵列。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（4）所述的计算辅助阵列接收的回波信号X_A(t)，通过如下公式计算：

X_A(t)＝J_A(t)+n_A(t)，

其中，J_A(t)是辅助阵列接收的干扰信号矢量，

θ_j是第j个干扰信号到达辅助阵列的角度，c(θ_j)是辅助阵列在第j个干扰方向的导向矢量，J_j(t)是辅助阵列接收的第j部干扰机发射的干扰信号，n_A(t)是辅助阵列接收的噪声矢量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（5）所述的分别计算辅助阵列对消第i部节点雷达和第i+1部节点雷达干扰时所需的权值W_i和W_i+1，通过如下公式计算：

W_i＝R_XX ^-1r_Xd,i，

W_i+1＝R_XX ^-1r_Xd,i+1，

其中，R_XX是辅助阵列回波信号的自相关矩阵，R_XX＝E{X_A(t)X_A ^H(t)}，r_Xd,i是第i部节点雷达波束形成后的回波信号与辅助阵列回波信号的互相关矩阵，

r_Xd,i+1是第i+1部节点雷达波束形成后的回波信号与辅助阵列回波信号的互相关矩阵，

(·)^-1表示求逆运算，(·)^*表示共轭运算。

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