CN103941239A - 网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法，主要解决现有的单极化雷达和双极化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.计算各节点雷达接收回波信号；2.计算对第l部节点雷达加权的权系数；3.利用权系数对第l部节点雷达的回波信号加权，得到加权后的回波信号，并利用其对第1部节点雷达的回波信号进行极化对消，得到第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据；4.分别用第1部和第l部节点雷达的发射信号对极化对消后的目标回波数据匹配滤波，分别得到第1部和第l部节点雷达干扰消除后的信号X₁(t)和X_l(t)。本发明能有效抑制主瓣压制式干扰，可用于网络化雷达系统。

Description

网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种极化对消抑制主瓣压制式干扰的方法，可用于网络化雷达系统，在主瓣压制式干扰条件下，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，提高网络化雷达在主瓣压制式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。

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，从而形成主瓣压制式干扰。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，每部节点雷达可以采用不同的天线极化方式、带宽、频率和发射波形，系统资源较为丰富。

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，网络化雷达也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。

针对单极化雷达的主瓣压制式干扰，苏保伟等提出了一种阻塞矩阵方法对消主瓣干扰的方法，见《系统工程与电子技术》第27卷第11期第1830～1832页。该方法在自适应波束形成之前采用阻塞矩阵对回波数据进行预处理，以减小主瓣干扰引起的波束形成后的主瓣波束畸变。但该方法只有在主瓣干扰方向准确已知的条件下才能获得最佳性能，而主瓣干扰方向的准确估计需要增大雷达天线的孔径，进而增加了系统实现的成本和难度。

对于双极化雷达的主瓣压制式干扰，戴幻尧等人提出了一种极化滤波抑制主瓣干扰的方法，见《中国科学》第42卷第4期第460～468页。该方法利用干扰天线在空域扫描时的极化慢变特性,对接收到的干扰信号进行处理，即首先获得干扰极化状态的估计,然后设计与干扰极化正交的极化滤波系数，以达到抑制干扰的目的。但该方法中干扰极化状态的估计需要耗费大量的系统时间和硬件资源，并且在干扰极化矢量与目标极化矢量不正交的条件下，会滤除部分目标回波信号，降低雷达的检测性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述两种雷达抑制主瓣压制式干扰方法的不足，提出一种网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法，以实现网络化雷达对主瓣压制式干扰的抑制，提高网络化雷达的检测性能并降低干扰抑制的系统成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)根据目标和干扰的特性，以及目标、干扰和网络化雷达的空间位置，计算各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)，l＝2,3,4，…，P，P是网络化雷达中节点雷达的个数，t表示时间；

(2)根据第1部节点雷达的天线极化矢量h₁和第l部节点雷达天线极化矢量h_l，计算对第l部节点雷达进行加权的权系数w_l：

w_l＝αh₁./h_l，

其中，./表示矩阵元素对元素的除法，α＝(g₁A_1J)/(g_lA_lJ)为第1部节点雷达与第l部节点雷达天线的增益之比，g₁是第1部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，λ_J为干扰发射信号的波长，R_1J为干扰机与第1部节点雷达之间的距离，L_1J为干扰机到第1部节点雷达的系统功率损耗，g_l为第l部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，R_lJ为干扰机与第l部节点雷达之间的距离，L_lJ为干扰机到第l部节点雷达之间的系统功率损耗；

(3)利用第l部节点雷达的权系数w_l，对第l部节点雷达的回波信号r_l(t)进行加权，得到加权后的回波信号为r_l′(t)：

$r_l^{\′}\left(t\right)=w_l\⊕r_l\left(t\right),$

其中，表示矩阵中对应元素相乘；

(4)利用第l部节点雷达加权后的回波信号r_l′(t)，对第1部节点雷达的回波信号r₁(t)进行极化对消，得到第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)：

r_1,l(t)＝r₁(t)-r_l′(t)，

(5)设网络化雷达中各节点雷达的发射信号是相互正交的，对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第1部雷达的发射信号u₁(t)对其进行匹配滤波，得到第1部节点雷达干扰消除之后的信号X₁(t)：

$X_1\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_1^{*}(-t),$

其中，表示卷积运算，(·)^*表示取共轭；

(6)对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第l部雷达的发射信号u_l(t)对其进行匹配滤波，得到第l部节点雷达干扰消除之后的信号X_l(t)：

$X_l\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_l^{*}(-t).$

本发明与现有技术相比具有的优点：

1、相比于单极化雷达和双极化雷达，本发明由于无需预先估计干扰的任何参数，而是利用两节点雷达接收天线极化状态和发射波形的不同来抑制主瓣压制式干扰，故性能更稳健。

2、相比于单极化雷达和双极化雷达，本发明由于综合利用了两节点雷达接收天线极化方式的差异设计干扰极化对消的权系数，并利用两节点雷达发射信号的正交性对目标回波信号进行分离，降低工程实现成本。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明使用的场景示意图；

图3是第1部节点雷达干扰对消之后的波形图；

图4是第2部节点雷达干扰对消之后的波形图；

图5是第3部节点雷达干扰对消之后的波形图。

具体实施方式

参照图2，本发明的使用场景，包括由P部节点雷达构成的网络化雷达，每部节点雷达具有独立的天线增益、天线极化形式和发射信号，空间远场存在一个目标，目标附近存在一压制式干扰。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：计算各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)。

1a)根据各节点雷达的天线增益g_l、天线极化形式h_l、目标的极化散射矩阵S，计算各节点雷达接收到的目标回波信号r_l,T(t)：

$r_{l,T}\left(t\right)=h_l\⊕\left(S^T{h}_l\right)\·A_l{g_l}^2\·u_l(t-{\mathrm{\τ}}_l)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{dl}}(t-{\mathrm{\π}}_l)},$

其中，l＝1,2,…,P，P是网络化雷达中节点雷达的个数，h_l＝[h_lH,h_lV]^T为第l部节点雷达的天线极化形式，h_lH和h_lV分别为归一化的水平极化分量和垂直极化分量， $S=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{HH}}& s_{\mathrm{VH}}\\ s_{\mathrm{HV}}& s_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ 是雷达目标在当前姿态、当前频率下的极化散射矩阵，s_HH表示水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，s_VH表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，s_HV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，s_VV表示垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，λ_l为第l部节点雷达发射信号的波长，R_l为目标与第l部节点雷达之间的距离，L_l为第l部节点雷达系统的功率损耗，g_l为第l部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，它与目标的方位角和俯仰角有关，u_l(t)为第l部节点雷达的发射信号，τ_l为目标相对于第l部节点雷达回波时延，f_dl为目标相对于第l部雷达的多普勒频率,表示矩阵中对应元素相乘，(·)^T表示转置运算；

1b)根据干扰机发射的干扰信号J(t)、干扰天线的极化矢量h_J＝[h_JH,h_JV]^T以及干扰发射天线的幅度增益为g_J，计算各节点雷达接收到的干扰回波信号r_l,J(t)：

$r_{l,J}\left(t\right)=h_l\⊕(c\×h_J)\·g_l{g}_J\·A_{\mathrm{lJ}}\·J(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{lJ}}),$

其中，c是维数为2的全1阵，c＝[1,1]，×表示矩阵乘法运算，λ_J为干扰发射信号的波长，R_lJ为干扰机与第l部节点雷达之间的距离，L_lJ为干扰机到第l部节点雷达之间的系统功率损耗，τ_lJ为干扰信号到达第l部节点雷达接收天线的时延；

1c)根据各节点雷达接收到的目标回波信号r_l,T(t)和干扰回波信号r_l,J(t)，以及第l部节点雷达的噪声信号n_l(t)，得到各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)：

r_l(t)＝r_l,T(t)+r_l,J(t)+n_l(t)。

步骤2：计算对第l部节点雷达进行加权的权系数w_l。

根据第1部节点雷达的天线极化矢量h₁和第l部节点雷达天线极化矢量h_l，计算对第l部节点雷达进行加权的权系数w_l：

w_l＝αh₁./h_l，

其中，./表示矩阵元素对元素的除法，α＝(g₁A_1J)/(g_lA_lJ)为第1部节点雷达与第l部节点雷达天线的增益之比。

步骤3：利用第l部节点雷达的权系数w_l，对第l部节点雷达的回波信号r_l(t)进行加权，得到加权后的回波信号为r_l′(t)：

$r_l^{\′}\left(t\right)=w_l\⊕r_l\left(t\right).$

步骤4：计算第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)。

利用第l部节点雷达加权后的回波信号为r_l′(t)，对第1部节点雷达的回波信号r₁(t)进行极化对消，得到第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)：

r_1,l(t)＝r₁(t)-r_l′(t)。

步骤5：获取第1部节点雷达干扰消除之后的信号X₁(t)。

设网络化雷达中各节点雷达的发射信号是相互正交的，对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第1部雷达的发射信号u₁(t)对其进行匹配滤波，得到第1部节点雷达干扰消除之后的信号X₁(t)：

$X_1\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_1^{*}(-t),$

其中，表示卷积运算，(·)^*表示取共轭。

步骤6：获取第l部节点雷达干扰消除之后的信号X_l(t)。

对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第l部雷达的发射信号u_l(t)对其进行匹配滤波，得到第l部节点雷达干扰消除之后的信号X_l(t)：

$X_l\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_l^{*}(-t).$

本发明对有源主瓣压制式干扰的抑制性能可通过以下仿真进一步验证。

1.实验场景：

如图2所示，网络化雷达由3部节点雷达构成，每部节点雷达具有独立的天线极化方式和天线增益，网络化雷达各节点雷达之间发射波形为一组四脉冲相互正交的四相编码信号。空间远场存在一个目标，目标附近存在一有源压制式干扰。第1部节点雷达的接收极化和发射极化都为水平极化方式，即 $h_1=\left[\begin{array}{c}\cos \left(0\right)\\ \sin \left(0\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],$ 天线增益g₁＝35dB，第2部节点雷达的接收极化和发射极化矢量为 $h_2=\left[\begin{array}{c}\cos (\mathrm{\π}/6)\\ \sin (\mathrm{\π}/6)\end{array}\right],$ 天线增益g₂＝30dB，第3部节点雷达的接收极化和发射极化矢量为 $h_3=\left[\begin{array}{c}\cos (\mathrm{\π}/8)\\ \sin (\mathrm{\π}/8)\end{array}\right],$ 天线增益g₃＝25dB，干扰机信号的极化矢量 $h_J=\left[\begin{array}{c}\cos (\mathrm{\π}/4)\\ \sin (\mathrm{\π}/4)\end{array}\right],$ 目标的极化散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}2.5& 1.3\\ 1.3& 0.5\end{array}\right].$

2.实验内容：

实验1：在主瓣压制式干扰条件下，采用本发明方法对消进入第1部节点雷达的主瓣干扰信号，干扰对消之后的信号如图3所示。

实验2：在主瓣压制式干扰条件下，采用本发明方法对消进入第2部节点雷达的主瓣干扰信号，干扰对消之后的信号如图4所示。

实验3：在主瓣压制式干扰条件下，采用本发明方法对消进入第3部节点雷达的主瓣干扰信号，干扰对消之后的信号如图5所示。

3.实验结果分析：

从图3、图4和图5可以看到，第1部节点雷达、第2部节点雷达和第3部节点雷达的目标回波信号都能清楚的显示出来，表明本发明有效抑制了主瓣压制式干扰，使得目标检测成为可能。

综上所述，本发明的方法能够有效抑制主瓣压制式干扰信号，提高了目标的检测性能。

Claims (2)

1.一种网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法，包括如下步骤：

(1)根据目标和干扰的特性，以及目标、干扰和网络化雷达的空间位置，计算各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)，l＝2,3,4，…，P，P是网络化雷达中节点雷达的个数，t表示时间；

(2)根据第1部节点雷达的天线极化矢量h₁和第l部节点雷达天线极化矢量h_l，计算对第l部节点雷达进行加权的权系数w_l：

w_l＝αh₁./h_l，

其中，./表示矩阵元素对元素的除法，α＝(g₁A_1J)/(g_lA_lJ)为第1部节点雷达与第l部节点雷达天线的增益之比，g₁是第1部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，λ_J为干扰发射信号的波长，R_1J为干扰机与第1部节点雷达之间的距离，L_1J为干扰机到第1部节点雷达的系统功率损耗，g_l为第l部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，R_lJ为干扰机与第l部节点雷达之间的距离，L_lJ为干扰机到第l部节点雷达之间的系统功率损耗；

(3)利用第l部节点雷达的权系数w_l，对第l部节点雷达的回波信号r_l(t)进行加权，得到加权后的回波信号为r_l′(t)：

$r_l^{\′}\left(t\right)=w_l\⊕r_l\left(t\right),$

其中，表示矩阵中对应元素相乘；

(4)利用第l部节点雷达加权后的回波信号r_l′(t)，对第1部节点雷达的回波信号r₁(t)进行极化对消，得到第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)：

r_1,l(t)＝r₁(t)-r_l′(t)，

(5)设网络化雷达中各节点雷达的发射信号是相互正交的，对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第1部雷达的发射信号u₁(t)对其进行匹配滤波，得到第1部节点雷达干扰消除之后的信号X₁(t)：

$X_1\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_1^{*}(-t),$

其中，表示卷积运算，(·)^*表示取共轭；

(6)对步骤(4)得到的第1部和第l部节点雷达极化对消后的目标回波数据r_1,l(t)，采用第l部雷达的发射信号u_l(t)对其进行匹配滤波，得到第l部节点雷达干扰消除之后的信号X_l(t)：

$X_l\left(t\right)=r_{1,l}\left(t\right)\⊗u_l^{*}(-t).$

2.根据权利要求1所述的网络化雷达极化对消抑制主瓣压制式干扰方法，其中步骤(1)所述的计算各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)，按如下步骤进行：

1a)根据各节点雷达的天线增益g_l、天线极化形式h_l、目标的极化散射矩阵S，计算各节点雷达接收到的目标回波信号r_l,T(t)：

$r_{l,T}\left(t\right)=h_l\⊕\left(S^T{h}_l\right)\·A_l{g_l}^2\·u_l(t-{\mathrm{\τ}}_l)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{dl}}(t-{\mathrm{\π}}_l)},$

其中，l＝1,2,…,P，P是网络化雷达中节点雷达的个数，h_l＝[h_lH,h_lV]^T为第l部节点雷达的天线极化形式，h_lH和h_lV分别为归一化的水平极化分量和垂直极化分量， $S=\left[\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{HH}}& s_{\mathrm{VH}}\\ s_{\mathrm{HV}}& s_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]$ 是雷达目标在当前姿态、当前频率下的极化散射矩阵，s_HH表示水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，s_VH表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数，s_HV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，s_VV表示垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数，λ_l为第l部节点雷达发射信号的波长，R_l为目标与第l部节点雷达之间的距离，L_l为第l部节点雷达系统的功率损耗，g_l为第l部节点雷达发射天线在目标方向的幅度增益，与目标的方位角和俯仰角有关，u_l(t)为第l部节点雷达的发射信号，τ_l为目标相对于第l部节点雷达回波时延，f_dl为目标相对于第l部雷达的多普勒频率,表示矩阵中对应元素相乘，(·)^T表示转置运算；

1b)根据干扰机发射的干扰信号J(t)，干扰天线的极化矢量为h_J＝[h_JH,h_JV]^T，干扰发射天线的幅度增益为g_J，计算各节点雷达接收到的干扰回波信号r_l,J(t)：

$r_{l,J}\left(t\right)=h_l\⊕(c\×h_J)\·g_l{g}_J\·A_{\mathrm{lJ}}\·J(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{lJ}}),$

其中，c是维数为2的全1阵，c＝[1,1]，×表示矩阵乘法运算，λ_J为干扰发射信号的波长，R_lJ为干扰机与第l部节点雷达之间的距离，L_lJ为干扰机到第l部节点雷达之间的系统功率损耗，τ_lJ为干扰信号到达第i部节点雷达接收天线的时延；

1c)根据各节点雷达接收到的目标回波信号r_l,T(t)和干扰回波信号r_l,J(t)，以及第l部节点雷达的噪声信号n_l(t)，得到各节点雷达接收到的回波信号r_l(t)：

r_l(t)＝r_l,_T(t)+r_l,J(t)+n_l(t)。