CN104765020B - 有源假目标干扰的极化鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源假目标干扰的极化鉴别方法，主要解决有源假目标干扰的问题，其实现步骤为：1)水平极化天线和垂直极化天线向待检测区域发射电磁波信号；2)对水平极化天线和垂直极化天线接收的电磁回波信号分别进行两路匹配滤波；3)对匹配滤波输出信号提取“目标”峰值，在出现“目标”峰值处计算各峰值的峰值功率P；4)根据各峰值的峰值功率P计算统计鉴别量id(t)；5)设置鉴别门限T_h，比较统计鉴别量id(t)和鉴别门限T_h，如果id(t)＞T_h，则判定该峰值为目标峰值，反之为假目标干扰峰值。本发明缩短了鉴别目标和有源假目标干扰所需的时间，可用于固定极化假目标干扰和极化调制假目标干扰的鉴别。

Description

有源假目标干扰的极化鉴别方法

技术领域

本发明属于极化抗干扰领域，特别涉及假目标干扰的鉴别方法，可用于目标鉴别。

背景技术

随着数字射频存储器DRFM技术的发展，有源多假目标干扰已经发展到可以自主产生在能量、波形和相位调制等方面与目标回波高度逼近的假目标，使得雷达系统在时域、频域上难以鉴别。因此可以利用目标和干扰的极化信息不同来提高雷达抗干扰、检测和识别等能力。现有的极化鉴别算法主要利用有源假目标和雷达目标在极化特征上的差异，根据极化测量雷达估计出真实目标的极化散射矩阵以及干扰信号的等效散射矩阵的部分性质实现鉴别。

目前，极化测量体制主要分为两种：一种是分时极化测量体制，另一种是同时极化测量体制。分时极化测量体制需要多个脉冲才能完成一次测量，因此限制了对非平稳目标的测量精度，且存在距离模糊，交叉极化干扰等问题。针对分时极化测量体制中的缺陷，Giuli等人提出了同时极化测量体制。同时极化测量体制只需发射一个脉冲，该脉冲由多个编码序列相干叠加得到，每个编码序列对应一种发射极化。在接收时，利用编码序列之间的正交性分离出不同发射极化对应的矢量回波，经进一步处理后获取目标的完整极化信息。

在极化抗干扰领域，主要利用上述两种极化测量体制，基于这两种极化测量体制现在已有的研究结果有：

1)李永祯等人通过研究有源假目标和目标回波瞬态极化投影矢量IPPV在脉间的变化规律，在此基础上以瞬态极化投影矢量起伏度为鉴别统计量的鉴别算法，该算法主要是针对低分辨分时极化测量雷达，解决有源诱饵的鉴别问题，缺点是该算法由于只是针对分时极化测量雷达，所以在鉴别时需要发射多个脉冲才能达到鉴别目的，需要较长的处理时间。

2)施龙飞等人根据在不同的发射极化下，干扰的极化比不变而目标的极化比随发射极化改变的特征设计了真假目标的鉴别算法，该算法能够对转发式假目标进行鉴别，缺点在于该方法对信噪比比较敏感。

3)王涛等人以分时极化测量雷达为例，通过研究脉间极化捷变假目标干扰，提出了利用假目标散射矩阵归一化行列式值为鉴别统计量进行鉴别的鉴别算法。该算法缺点在于信噪比过低时，随着信噪比的提高目标的鉴别率会出现小幅下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种有源假目标干扰的极化鉴别方法，缩短了处理时间，扩展有源假目标干扰的处理种类，提高极化调制假目标的鉴别率。

实现本发明目的的技术方案是：借鉴综合脉冲孔径雷达SIAR中的正交发射波形扩展有源假目标干扰的处理种类，提高极化调制假目标的鉴别率；利用同时极化测量体制，通过每次发射单脉冲鉴别有源假目标干扰，缩短了处理时间。其实现步骤包括如下：

1)水平极化天线和垂直极化天线分别向待检测区域发射电磁波信号s_h(t)和s_v(t)，这两个信号满足正交性；

2)对水平极化天线和垂直极化天线接收的电磁回波信号分别进行两路匹配滤波，得到匹配滤波输出信号o(t)＝[o_hh(t),o_hv(t),o_vh(t),o_vv(t)]^T，其中o_hh(t)，o_hv(t)为对水平极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，o_vh(t)，o_vv(t)为对垂直极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，T表示转置；

3)对匹配滤波输出信号o(t)提取“目标”峰值，在出现“目标”峰值处计算各峰值的峰值功率P；

4)根据各峰值的峰值功率P计算统计鉴别量其中w₁，w₂为同一个目标峰值的两个不同提取向量，w₁＝[1,0,0,1]，w₂＝[0,1,1,0]；

5)设置鉴别门限T_h，比较统计鉴别量id(t)和鉴别门限T_h，如果id(t)＞T_h，则判定该峰值为目标峰值，反之为假目标干扰峰值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用了综合脉冲孔径雷达SIAR中的正交发射波形，不仅适用于固定极化干扰，还适用于极化调制假目标干扰。

2.本发明采用了同时极化测量体制，每次发射单脉冲鉴别有源假目标干扰，缩短了处理时间。

附图说明

图1是本发明的应用场景图；

图2是本发明的实现总流程图；

图3是两天线共极化通道的匹配滤波输出图；

图4是在不同鉴别门限T_h下目标和干扰的鉴别概率图；

图5是在不同鉴别门限T_h下干扰的鉴别概率与输入端干噪比的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的使用场景包括：水平极化天线、垂直极化天线、目标和干扰。水平极化天线和垂直极化天线用于向待检测区域发射电磁波信号探测目标，目标用于散射电磁波信号，干扰机用于接收两天线的发射信号并对其做延迟处理后转发，达到干扰目的。

参照图2，在上述场景下本发明进行有源假目标干扰鉴别的具体实现步骤如下：

步骤1，发射电磁波信号。

水平极化天线向待检测区域发射电磁波信号：

垂直极化天线向待检测区域发射电磁波信号：

其中f_h和f_v分别为水平极化天线和垂直极化天线发射信号的载频，t代表时间，j为虚数，f_h＝f₀+cΔf，f_v＝f₀+cΔf，c为频率选择参数，c＝0,1，f₀为中心载频，Δf是调频间隔，μ为调频斜率，g(t)为矩形脉冲调制信号，取值为：T_e为发射信号脉冲宽度，T_r为脉冲重复周期。

这两个电磁波信号s_h(t)，s_v(t)相互正交，其正交性可以通过计算两信号在空间任一点的互相关积分来判断，计算过程如下：

《1》

其中U＝Δf+μ(τ₁-τ₂)，τ₁，τ₂分别代表两信号到空间任一点的延时，由于μ(τ₁-τ₂)T_e＜＜1，UT_e≈ΔfT_e，所以当ΔfT_e为整数时，式《1》近似为零，则两发射信号正交。

步骤2，对回波信号进行匹配滤波处理。

2a)给出回波信号的具体表达式；

回波信号中包含有目标、固定极化假目标干扰,极化调制假目标干扰。

2a1)对于回波信号中存在的慢起伏目标，设其方位角为θ_s，距离为r₀，双程延时为τ₀＝2r₀/c，慢起伏目标可认为其极化散射矩阵在波束扫描期间保持不变，在水平垂直极化基下记为

2a2)对于固定极化假目标干扰，干扰的极化方式为h_Ji＝[h_i,v_i]^T，h_i是水平极化分量，v_i是垂直极化分量，且满足||h_Ji||＝1，1≤i≤N_s，则雷达的两天线接收到的固定极化假目标干扰矢量信号为：

式中，N_s为固定极化假目标干扰的个数，θ_i为第i个干扰的方位角，G(θ)为两天线的归一化方向图函数，β_i为与干扰转发增益，传输损耗因素有关的常数，τ_i为第i个干扰的延时，s_Ji(t)＝γ_i(s_h(t-τ_i)+s_v(t-τ_i))为第i干扰机接收到的信号，γ_i为与干扰机距离，雷达发射天线增益，干扰机接收增益有关的常数，C_i＝G(θ_i)β_iγ_i，i＝1,2,...,N,N为有源假目标的总个数；

2a3)对于极化调制假目标干扰，干扰的极化方式为h_Ji(t)＝[h_i(t),v_i(t)]^T，N_s+1≤i≤N，则雷达的两天线接收到的极化调制假目标干扰矢量信号为：

式中N_c为极化调制假目标干扰的个数；

2a4)由2a1)到2a3)得到回波信号：V(t)＝V_T(t)+V_Js(t)+V_Jc(t)+n(t)，式中V_T(t)为回波中的目标信号，n(t)为通道噪声；

2b)对水平极化天线和垂直极化天线接收的电磁回波信号分别进行两路匹配滤波；

匹配滤波时两路匹配滤波器分别为和经过匹配滤波后的输出信号为o(t)＝[o_hh(t),o_hv(t),o_vh(t),o_vv(t)]，其中o_hh(t)，o_hv(t)为对水平极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，hh和hv分别代表水平极化天线的hh通道和hv通道，o_vh(t)，o_vv(t)为对垂直极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，vh和vv分别代表垂直极化天线的vh通道和vv通道。

匹配滤波输出信号o(t)的计算公式如下：

其中V_h(t)和V_v(t)分别为水平和垂直极化天线接收到的信号；n_o(t)为输出噪声，Λ₁(t-τ₀)＝s_h(t-τ₀)*h₁(t)，Λ₂(t-τ₀)＝s_v(t-τ₀)*h₂(t)，由于s_h(t)和s_v(t)的复包络相同，所以两路匹配滤波输出信号的幅度相等。

步骤3，计算峰值功率P；

对匹配滤波输出信号o(t)提取“目标”峰值，在出现“目标”峰值处计算各峰值的峰值功率P，其中计算过程按如下步骤进行：

3a)对匹配滤波输出信号o(t)进行简化；

由于极化调制假目标的调制程度较小，可以取整数M，将发射脉冲宽度T_e分成M个时间段，在每一个时间段内认为其极化状态不变，所以极化调制假目标干扰在水平极化天线中匹配滤波后的输出可以进行如下化简：

《2》

其中0＜t≤T_e，(j-1)T_e/M＜t_j≤jT_e/M，j＝1,2,...,M。根据式《1》，当ΔfT_e为整数，s_h(t)和s_v(t)正交，可以推出，当ΔfT_e/M为整数时，s_h(t_j)和s_v(t_j)正交，则式《2》可以进行如下化简：

令χ_1j(t_j-2τ_i)＝s_h(t_j-2τ_i)*h₁(t_j)，χ_2j(t_j-2τ_i)＝s_v(t_j-2τ_i)*h₂(t_j)，由于s_h(t)和s_v(t)的复包络相同，所以|χ_1j(t_j-2τ_i)|＝|χ_2j(t_j-2τ_i)|；

对匹配滤波输出信号o(t)进行化简后得到新的匹配滤波输出信号o(t)'：

3b)提取“目标”峰值

提取“目标”峰值时在匹配滤波输出信号t＝τ₀处检测到目标，在t＝2τ_i处检测到干扰，1≤i≤N_s。

3c)根据简化后的o(t)'计算各峰值的峰值功率P＝|o(t)'|²。

步骤4，计算统计鉴别量id(t)。

根据各峰值的峰值功率P计算统计鉴别量id(t)，定义w₁，w₂为同一个目标峰值的两个不同提取向量，w₁＝[1,0,0,1]，w₂＝[0,1,1,0]，构建统计鉴别量如下：

下面对目标和假目标干扰的统计鉴别量id(t)分别进行计算，步骤如下：

4a)对于互易性目标而言，目标的极化散射矩阵的两个共极化分量的幅度近似相等，且比交叉极化分量要大很多，即|s_hh/s_vv|＝1，且|s_hh|＞＞|s_hv|，从而得到在匹配滤波之后，目标的输出峰值功率如下

P_T＝|o(τ₀)'|²

由于目标和干扰的距离较远，目标受干扰的影响较小，故可将在目标距离单元的鉴别统计量近似为

4b)对于固定极化假目标干扰而言，第i(1≤i≤N_s)个固定极化假目标干扰的输出峰值功率为

P_Jsi＝|o(2τ_i)'|²，1≤i≤N_s，

由于干扰功率远大于信号功率和噪声功率，第i个固定极化假目标干扰距离单元的鉴别统计量可以近似为：

4c)对于极化调制假目标干扰而言，第k个极化调制假目标干扰的输出峰值功率为

P_Jci＝|o(2τ_k)'|²，N_s+1≤k≤N，

由于干扰功率远大于信号功率和噪声功率，第k个极化调制假目标干扰距离单元的鉴别统计量可以近似为：

步骤5，对假目标干扰和目标进行鉴别。

5a)设置鉴别门限T_h，由步骤4a)到4c)的分析可以得知，假目标干扰的鉴别统计量在干扰功率远大于信号功率和噪声功率的情况下等于1，所以设置鉴别门限T_h大于1，工程实践时设置T_h为1.1；

5b)比较统计鉴别量id(t)和鉴别门限T_h，如果id(t)＞T_h，则该峰值为目标峰值，反之为假目标干扰峰值，完成目标鉴别。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

设水平极化天线和垂直极化天线均发射FMCW信号，水平极化天线发射信号的载频为f₀＝1GHz，垂直极化天线载频为f₀'＝1.001GHz，两个发射信号的共同参数为带宽B＝1MHz，脉冲宽度T_e＝40us，脉冲重复周期T_r＝200us。目标的极化散射矩阵目标距离R₀＝15km。仿真中蒙特卡洛试验次数均为200次。

2.仿真内容

仿真1，假设存在2个固定极化假目标干扰和1个极化调制假目标干扰，3个干扰的距离分别为R＝[5km,22km,28km]，固定极化假目标干扰的极化状态分别为左旋圆极化和右旋圆极化。进行处理时取M＝10，干信比固定为40dB。鉴别门限分别取T_h＝1.1和1.2。仿真两天线共极化通道的匹配滤波输出波形，结果如图3所示。在不同鉴别门限下仿真目标和干扰的鉴别概率与输出端信噪比的关系，结果如图4所示，其中图4(a)为鉴别门限T_h＝1.1时仿真目标和干扰的鉴别概率与输出端信噪比的关系图，图4(b)为鉴别门限T_h＝1.2时仿真目标和干扰的鉴别概率与输出端信噪比的关系图。

仿真2，假设空间中存在一个左旋圆极化的假目标干扰和一个极化调制假目标干扰，其距离分别为R＝[10km,20km]，输入干噪比从0～40dB变化，鉴别门限分别取T_h＝1.1和1.2。在不同鉴别门限下仿真干扰的鉴别概率与输入端干噪比的关系，结果如图5所示，其中图5(a)为鉴别门限T_h＝1.1时仿真干扰的鉴别概率与输入端干噪比的关系图，其中图5(b)为鉴别门限T_h＝1.2时仿真干扰的鉴别概率与输入端干噪比的关系图。

3.仿真结果分析

从图3可以看出在匹配滤波之后在水平极化天线的共极化输出hh通道和垂直极化天线的共极化输出vv通道中检测到了目标和三个干扰的峰值。比较图4(a)和图4(b)，可以看出两图的共同点是在低信噪比情况下，目标的鉴别概率较低，当信噪比大于0dB时，目标的鉴别概率均大于90％，当信噪比为5dB时，目标的鉴别概率达到100％，并且两者均可以检测出固定假目标干扰和极化调制假目标干扰。两图的不同点是在具有相同的输出信噪比时，图4(a)中目标的鉴别概率在比图4(b)中目标的鉴别概率大，即目标的鉴别概率随鉴别门限的增大而减小。

比较图5(a)和图5(b)，可以看出两图的相同点是干扰的鉴别概率随着输入干噪比的升高而升高，在低干噪比时，可以检测到固定极化干扰和极化调制干扰，并且固定极化干扰的鉴别概率比极化调制干扰的鉴别概率高，当干噪比大于15dB时，两者的鉴别概率均为100％。两图的不同点是在具有相同的输入干噪比时，图5(a)中干扰的鉴别概率在比图5(b)中干扰的鉴别概率小，即干扰的鉴别概率随鉴别门限的增大而增大。

综合以上分析可以得出如下结论：本发明在低干噪比下也能保持很好的性能，不止适用于固定极化假目标干扰，还适用于极化调制假目标干扰。

Claims (4)

1.有源假目标干扰的极化鉴别方法，包括如下步骤：

1)水平极化天线和垂直极化天线分别向待检测区域发射电磁波信号s_h(t)和s_v(t)：

$s_h\left(t\right)=g\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}(f_{h}t+0.5{\mathrm{\μt}}^2)}$

$s_v\left(t\right)=g\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}(f_{v}t+0.5{\mathrm{\μt}}^2)}$

其中f_h和f_v分别为水平极化天线和垂直极化天线发射信号的载频，t代表时间，j为虚数，f_h＝f₀+cΔf，f_v＝f₀+cΔf，c为频率选择参数，c＝0,1，f₀为中心载频，Δf是调频间隔，μ为调频斜率，g(t)为矩形脉冲调制信号，满足：

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& 0\&le;t<T_e\\ 0,& T_e\&le;t\&le;T_r\end{array}\right.$

其中T_e为发射脉冲宽度，T_r为脉冲重复周期，当ΔfT_e为整数时，两发射信号正交；

2)对水平极化天线和垂直极化天线接收的电磁回波信号分别进行两路匹配滤波，得到匹配滤波输出信号o(t)＝[o_hh(t),o_hv(t),o_vh(t),o_vv(t)]^T，其中o_hh(t)，o_hv(t)为对水平极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，o_vh(t)，o_vv(t)为对垂直极化天线接收信号两路匹配滤波后的输出信号，T表示转置；

3)对匹配滤波输出信号o(t)提取“目标”峰值，在出现“目标”峰值处计算各峰值的峰值功率P；

4)根据各峰值的峰值功率P计算统计鉴别量其中w₁，w₂为同一个目标峰值的两个不同提取向量，w₁＝[1,0,0,1]，w₂＝[0,1,1,0]；

5)设置鉴别门限T_h，比较统计鉴别量id(t)和鉴别门限T_h，如果id(t)>T_h，则判定该峰值为目标峰值，反之为假目标干扰峰值。

2.根据权利要求1所述的有源假目标干扰的极化鉴别方法，其中所述步骤2)中对水平极化天线和垂直极化天线接收的电磁回波信号分别进行两路匹配滤波，是通过如下两个匹配滤波器进行滤波，

$h_1\left(t\right)=s_h^{*}(-t)$

*代表取共轭。

3.根据权利要求1所述的有源假目标干扰的极化鉴别方法，其中所述步骤2)中匹配滤波之后的输出信号o(t)＝[o_hh(t),o_hv(t),o_vh(t),o_vv(t)]^T，其表达式如下

式中V_h(t)是水平极化天线的接收信号，V_v(t)是垂直极化天线的接收信号，α是与雷达峰值发射功率，天线的增益，信号传输损耗因素有关的常数，G(θ)为两天线的归一化方向图函数，是目标在水平垂直极化基下的极化散射矩阵，τ₀为目标的双程延时，τ_i为干扰的延时，h_i(t)，v_i(t)分别为假目标干扰极化状态的水平极化分量和垂直极化分量，对于固定极化假目标，其极化方式与时间无关，表示为h_i，v_i，下标i表示第i个，i＝1,2，3……N,N为假目标干扰的总个数，N_s为固定极化假目标干扰的个数，C_i＝G(θ_i)β_i，β_i为与第i个干扰机距离，传输损耗因素有关的常数，Λ₁(t-τ₀)＝s_v(t-τ₀)*h₁(t)，Λ₂(t-τ₀)＝s_v(t-τ₀)*h₂(t)，由于s_h(t)和s_v(t)的复包络相同，所以匹配滤波输出信号的幅度相等，即有|Λ₁(t-τ₀)|＝|Λ₂(t-τ₀)|，|Λ₁(t-2τ_i)|＝|Λ₂(t-2τ_i)|，n_o(t)为输出噪声。

4.根据权利要求1所述的有源假目标干扰的极化鉴别方法，其中所述步骤3)中在出现“目标”峰值处计算各峰值的峰值功率P，按如下步骤进行：

3a)取整数M，将发射脉冲宽度T_e分成M个时间段，将极化调制假目标极化状态的水平极化分量h_i(t)和垂直极化分量v_i(t)分别离散化为h_ij，v_ij，下标j代表第j个时间段，j＝1,2……M；

3b)对匹配滤波输出信号o(t)进行简化，得到简化后的匹配滤波输出信号o(t)'：

$o{\left(t\right)}^{\&prime;}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;G}}^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)s_{hh}{\mathrm{\&Lambda;}}_1(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)\\ {\mathrm{\&alpha;G}}^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)s_{hv}{\mathrm{\&Lambda;}}_2(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)\\ {\mathrm{\&alpha;G}}^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)s_{vh}{\mathrm{\&Lambda;}}_1(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)\\ {\mathrm{\&alpha;G}}^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)s_{vv}{\mathrm{\&Lambda;}}_2(t-{\mathrm{\&tau;}}_0)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{C}_i{h}_i{\mathrm{\&Lambda;}}_1(t-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{C}_i{h}_i{\mathrm{\&Lambda;}}_2(t-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{C}_i{v}_i{\mathrm{\&Lambda;}}_1(t-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{C}_i{v}_i{\mathrm{\&Lambda;}}_2(t-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\underset{i=N_s+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{C}_i\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{h}_{ij}{\mathrm{\&chi;}}_{1j}(t_j-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=N_s+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{C}_i\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{h}_{ij}{\mathrm{\&chi;}}_{2j}(t_j-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=N_s+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{C}_i\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{v}_{ij}{\mathrm{\&chi;}}_{1j}(t_j-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\\ \underset{i=N_s+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{C}_i\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{v}_{ij}{\mathrm{\&chi;}}_{2j}(t_j-2{\mathrm{\&tau;}}_i)\end{array}\right]$

式中x_1j(t_j-2τ_i)＝s_h(t_j-2τ_i)*h₁(t_j)，x_2j(t_j-2τ_i)＝s_v(t_j-2τ_i)*h₂(t_j)；

3c)根据简化后的o(t)'计算各峰值的峰值功率P＝|o(t)'|²。