CN104777460A - 一种pd雷达中的双波形相位编码自适应杂波对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达抗无源干扰领域，特涉及一种PD雷达中的双波形相位编码自适应杂波对消方法。本发明通过将雷达发射的固定线性调频信号改为相邻PRI交替发射正负调频斜率的线性调频信号，同时加以慢拍的相位伪随机编码，在接收的信号处理中利用快拍和慢拍的两维匹配滤波，同时加以信号子空间维度的滤波，使得近程杂波得以被滤除，远程的目标被保留，从而达到目标检测的目的。

Description

一种PD雷达中的双波形相位编码自适应杂波对消方法

技术领域

本发明涉及雷达抗无源干扰领域，特涉及一种PD雷达中的双波形相位编码自适应杂波对消方法。

背景技术

在使用常规中PRF的地基PD雷达中，需要面对不模糊探测距离较低PRF时减少的事实，从而使得远程的回波在视在不模糊距离上折叠，并和近程回波相重叠。当远程的动目标落入近程的强杂波区时，需要在有限的波束驻留时间内，使用多个不同PRF来照射目标，从而使得目标与杂波区在视在不模糊距离上分离。在脉组PRF参差模式下，这种方法使得不同脉组间的目标回波无法相干积累，使得有效的总波束驻留数减少，降低了探测效率。同时，这种方法还需要利用不同的PRF来解出探测目标真实的距离位置。因此常规的PD体制雷达，当遇到远程目标落入近程杂波区时，由于有限的PRF长度和波束驻留时间双重限制，不能保证动目标被有效的检测和距离模糊的解除，因此会进一步降低目标的探测性能。

在以往的PD雷达技术发展过程中，有使用慢拍伪随机初相编码调制或快拍正交编码调制的方法去解决中高PRF探测目标模糊的问题。但是高速目标产生大多普勒频移对于快拍正交编码的正交性弱化，强杂波的多普勒展宽效应、有限的波束驻留数使得慢拍伪随机初相编码在距离多普勒域的相干积累优势被弱化，让上述方法的实用性存在限制。

发明内容

针对背景技术中PD体制地基雷达探测的局限性，本发明提出了一种利用双波形相位编码的自适应杂波对消方法，使得在落入的强杂波区的远程目标可以被有效检测。本发明通过将雷达发射的固定线性调频信号改为相邻PRI交替发射正负调频斜率的线性调频信号，同时加以慢拍的相位伪随机编码，在接收的信号处理中利用快拍和慢拍的两维匹配滤波，同时加以信号子空间维度的滤波，使得近程杂波得以被滤除，远程的目标被保留，从而达到目标检测的目的。

本发明的技术方案是：一种双波形相位编码的自适应杂波对消方法，顺序包括发射波形产生步骤、近程回波匹配滤波步骤、信号子空间滤波步骤和远程回波匹配滤波步骤，其特征在于：

所述的发射波形产生步骤包括：

1.1 构造基带正负调频斜率的线性调频信号子步骤；

系统发射的基带LFM信号为±LFM，并在相邻的PRI内交替输出；

1.2 慢拍伪随机初相调制子步骤；

将步骤1.1输出的±LFM信号在每个PRI内乘以一个随机初相φ(τ)，使得不同PRI的基带LFM信号初相都不同，再将该信号变频放大发射；

所述的近程回波匹配滤波步骤，使用快拍匹配脉压技术和慢拍相位补偿技术进行距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1 DBF子步骤；

将步骤1.2产生的回波信号，在各接收通道进行通道均衡后，使用相控阵天线的DBF技术得到所需波束指向的基带信号，分别形成主回波S_1z(τ)，辅助回波S_1f(τ)；

2.2 快拍匹配脉压子步骤；

将步骤2.1中获得的信号S_1z(τ)和S_1f(τ)按照近程回波对应PRI的顺序使用不同斜率的LFM参考信号进行脉压，同时进行±LFM信号的初相补偿，得到脉压后的主回波序列和辅助回波序列

2.3 慢拍相位补偿子步骤；

将步骤2.2中的和按照对应的近程PRI发射序列，乘以所调制的伪随机初相序列的共轭值conj(φ₁(τ))，得慢拍相位补偿后的主回波序列S′_1z(τ)和辅助回波序列S′_1f(τ)；

2.4 距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤2.3中的S′_1z(τ)和S′_1f(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的距离多普勒平面S′_1z和辅助回波的距离多普勒平面S′_1f；

2.5 近程恒虚警检测子步骤；

将步骤2.4中的S′_1z进行CFAR，获得近程动目标的距离和速度；

所述的信号子空间滤波，使用辅助回波的距离多普勒域张成一个信号子空间，利用正交投影技术完成主回波的近程杂波自适应对消，包括下述子步骤：

3.1 构建正交投影算子子步骤；

将步骤2.4中的辅助回波的距离多普勒平面S′_1f构建信号子空间，并计算其正交投影算子P^⊥；

3.2 主回波杂波对消子步骤；

将步骤2.4中得到的主回波的距离多普勒平面S′_1z投影到步骤3.1中的正交投影算子P^⊥，得到滤除杂波后主回波的距离多普勒平面S_1z

所述的远程回波匹配滤波步骤，将杂波对消后的信号变换回距离慢拍域，在慢拍进行相邻伪随机相位编码的补偿，进行和远程回波时序相关的逆脉压，变换至远程的距离多普勒平面进行信号检测，包括下述子步骤：

4.1 距离慢拍域变换子步骤；

将步骤3.2产生的主回波距离多普勒平面S_1z，在其多普勒维度进行IFFT，得到主回波的距离慢拍域S₁₂(τ)；

4.2 相邻伪随机相位编码补偿子步骤；

将步骤4.1中获得的信号S₁₂(τ)在其慢拍维度，补偿远程与近程的伪随机相位码差Δφ₂₁(τ)，同时对相邻信号进行二次初相Δη的补偿，得到信号矩阵S′₁₂(τ)；

4.3 远程回波逆脉压子步骤；

将步骤4.2中的S′₁₂(τ)应用步骤2.2中的参考函数，在每一个PRI回波序列上进行逆脉压操作，再选择其对应的远程PRI快拍LFM参考信号，进行二次脉压，得到远程回波序列S'₂(τ)；

4.4 距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤4.3中的S'₂(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的远程距离多普勒平面S'₂(τ)；

4.5 远程恒虚警检测子步骤；

将步骤4.4中的S'₂进行CFAR，获得远程动目标的距离和速度。

附图说明

图1为本发明的发射框图；

图2为本发明的信号处理框图；

图3为每个多普勒单元的CFAR处理流程；

图4为杂波对消前近程距离多普勒平面；

图5为杂波对消前远程距离多普勒平面；

图6为杂波对消后远程距离多普勒平面；

图7为远程目标在CFAR后的检测结果。

具体实施方式

名词解释：

PD雷达：脉冲多普勒雷达(Pulse Doppler Radar)。

PRF：脉冲重复频率(Pulse Repeat Frequency)。

PRI：脉冲重复间隔，是PRF的倒数(Pulse Repeat Interval)。

距离模糊：远距离目标的先前回波与近距离目标最近回波在一个PRI内到达，使得检测的远距离目标处于近距离范围内。

二次距离模糊：探测范围内的远距离仅折叠一次落入近距离范围内。

视在不模糊距离：最大不模糊距离，值为C/(2*PRF)，C为光速。

波束驻留时间：雷达波束单次照射目标的时间。

CFAR：恒虚警检测(Constant False Alarm Rate)。

LFM：线性调频信号(Linear Frequency Modulation)，其调频斜率为固定常数。

±LFM:调频斜率符号互异的线性调频信号。

快拍：同一个PRI内的时间计数。

慢拍：不同PRI脉冲间的时间计数。

脉组：一组拥有相同的载频和PRI的脉冲串。

DBF：数字波束形成(Digital Beam Form)。

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明提供一种双波形相位编码的自适应杂波对消方法,实现消除距离二次模糊情况下近程杂波的目的。

为了保证系统性能，则对发射系统和接收系统的要求：

1.发射通道要对同一频段的不同信号拥有同一频率响应。发射的正负调频斜率的线性调频拥有同样的带宽和时宽，需要发射通道对于这两种信号具有同样的频率调制特性。

2.接收系统的通道均衡和相位补偿。为了保证DBF的性能，需要对相控阵雷达不同的接收通道进行通道均衡，使得各接收通道具有相同的幅相响应特性。为了降低系统开机时的混频随机初相对于±LFM信号的初相影响，在接收系统工作前需要对±LFM信号的初相进行补偿，保证其相位的一致性。

如图1所示，本发明的发射部分顺序包括构造基带正负调频斜率的线性调频信号子步骤，慢拍伪随机初相调制子步骤。

如图2所示，本发明的信号处理部分顺序包括DBF子步骤、快拍匹配脉压子步骤、慢拍相位补偿子步骤、距离多普勒维度变换子步骤、近程恒虚警检测子步骤；构建正交投影算子子步骤、主回波杂波对消子步骤；距离慢拍域变换子步骤、相邻伪随机相位编码补偿子步骤、远程回波逆脉压子步骤、距离多普勒维度变换子步骤、远程恒虚警检测子步骤。

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明的一个具体实施例：

一.发射波形产生步骤：

1.1 构造基带正负调频斜率的线性调频信号子步骤；

将系统发射的基带线性调频信号(LFM)分为拥有同一带宽、同一时宽、调频斜率互为正负的±LFM，并在相邻的发射周期内交替输出。

本实施例采用2MHz带宽信号，PRF为1000Hz，最大不模糊距离150km，信号脉宽330us，调频斜率为6061MHz/s，载频为6GHz，目标信噪比-20dB，杂噪比60dB。±LFM的基带信号时域表达式为：

LFM⁺(t,τ)＝Re[exp(j2πkt²)]

LFM^-(t,τ)＝Re[exp(-j2πkt²+jΔη)]

其中，j为k为调频斜率，Δη为±LFM信号一次开机后的固有相位差，Re[·]为取实部操作。

1.2 慢拍伪随机初相调制子步骤；

将步骤1.1输出的±LFM信号在每个PRI内乘以一个随机初相φ(τ)，使得不同PRI的LFM信号的初相都不同，再将该信号变频放大发射。经过伪随机相位编码过的基带±LFM信号为：

LFM⁺(t,τ)＝Re[exp(j2πkt²+jφ(τ))]

                                       τ＝n·PRI

LFM^-(t,τ)＝Re[exp(-j2πkt²+jΔη+jφ(τ))]

其中，τ为慢拍，n＝0,1,2,3,...，t为PRI内的快拍。

二.近程回波匹配滤波步骤，使用快拍匹配脉压技术和慢拍相位补偿技术进行距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1 DBF子步骤；

将步骤1.2产生的回波信号，在各接收通道进行通道均衡后，使用相控阵天线的DBF技术得到所需波束指向的基带信号，分别形成主回波S_1z(τ)，辅助回波S_1f(τ)；

其中，N为主回波信号合成使用的空间自由度，M为辅助回波信号合成使用的空间自由度，θ_i为主回波DBF时第i个阵元对应的移相值，为辅助回波DBF时第j个阵元对应的移相值，为阵元收到的回波信号。

2.2 快拍匹配脉压子步骤；

将步骤2.1中获得的信号S_1z(τ)和S_1f(τ)按照近程回波对应PRI的顺序使用不同斜率的LFM参考信号进行脉压。设+LFM信号的脉压参考信号为+LFM_ref，-LFM信号的脉压参考信号为-LFM_ref，第n个PRI发射的信号为+LFM信号，则有第n-2k个PRI发射的信号为+LFM信号，第n-2k-1个PRI发射的信号为-LFM信号。其中，k＝0,1,2,3,...。同时，对需要匹配脉压的±LFM信号进行初相补偿，得到脉压后的主回波序列和辅助回波序列

$\stackrel{\‾}{S_{1z}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{IFFT}\left[\mathrm{FFT}\right[S_{1z}\left(\mathrm{\τ}\right)]\·\mathrm{FFT}[\mathrm{PRI}(+{\mathrm{LFM}}_{\mathrm{ref}},-{\mathrm{LFM}}_{\mathrm{ref}})\·\exp (-\mathrm{j\Δ\η}\left(\mathrm{\τ}\right))\left]\right]$

$\stackrel{\‾}{S_{1f}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{IFFT}\left[\mathrm{FFT}\right[S_{1f}\left(\mathrm{\τ}\right)]\·\mathrm{FFT}[\mathrm{PRI}(+{\mathrm{LFM}}_{\mathrm{ref}},-{\mathrm{LFM}}_{\mathrm{ref}})\·\exp (-\mathrm{j\Δ\η}\left(\mathrm{\τ}\right))\left]\right]$

其中，FFT[·]表示快速傅里叶变换，IFFT[·]表示快速傅里叶逆变换，PRI(+LFM_ref,-LFM_ref)表示按照PRI的顺序选取±LFM脉压参考信号，Δη(τ)表示±LFM信号间固有的待补偿相位差。

2.3慢拍相位补偿子步骤；

将步骤2.2中的和按照对应的近程PRI发射序列，乘以所调制的伪随机初相序列的共轭值conj(φ₁(τ))，得慢拍相位补偿后的主回波序列S′_1z(τ)和辅助回波序列S′_1f(τ)。

$\begin{array}{cc}{S}_{1z}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\stackrel{\‾}{S_{1z}}\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{conj}\left({\mathrm{\φ}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)\right)& S_{1f}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\stackrel{\‾}{S_{1f}}\end{array},\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{conj}\left({\mathrm{\φ}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)\right)$

其中，φ₁(τ)是和慢拍时间τ相关的伪随机相位序列，conj(·)表示共轭操作。

2.4 距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤2.3中的S′_1z(τ)和S′_1f(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的距离多普勒平面S′_1z和辅助回波的距离多普勒平面S′_1f。

S′_1z(τ,R_bin)＝FFT[S′_1z(τ,R_bin)]     S′_1f(τ,R_bin)＝FFT[S′_1f(τ,R_bin)]

其中，R_bin是对应快拍采样的距离单元。

对消前的近程杂波在近程距离多普勒平面和远程距离多普勒平面的分布如图4和图5所示。从图4中可以看到强杂波区的分布特性，从图5中可以看到远程的目标被近程杂波掩盖，无法被检测。

2.5 近程恒虚警检测子步骤；

将步骤2.4中的S′_1z进行CFAR，获得近程动目标的距离和速度，CFAR流程如图3所示。

三.近程信号子空间滤波步骤，使用辅助回波的距离多普勒域张成一个信号子空间，利用正交投影技术完成主回波的近程杂波自适应对消，包括下述子步骤：

3.1 构建正交投影算子子步骤；

将步骤2.4中的辅助回波的距离多普勒平面S′_1f构建信号子空间，并计算其正交投影算子P^⊥。

P^⊥＝I-X^H<X,X>^-1X

其中，I为单位阵，<X,X>为矩阵X的自相关运算，X为S′_1f，(·)^-1为求逆运算，(·)^H为共轭转置运算，P^⊥为正交投影算子。

3.2 主回波杂波对消子步骤；

将步骤2.4中得到的主回波的距离多普勒平面S′_1z投影到步骤3.1中的正交投影算子P^⊥，得到滤除杂波后的主回波距离多普勒平面S_1z。

S_1z＝P^⊥S′_1z＝S′_1z-X^H<X,X>^-1XS′_1z

其中，P^⊥为正交投影算子，X为辅助回波获得的信号构成参考矩阵，S′_1z为主回波的距离多普勒平面。

四.远程回波匹配滤波步骤，将杂波对消后的信号变换回距离慢拍域，在慢拍进行相邻伪随机相位编码的补偿，进行和远程回波时序相关的逆脉压，变换至远程的距离多普勒平面进行信号检测，包括下述子步骤：

4.1 距离慢拍域变换子步骤；

将步骤3.2产生的主回波距离多普勒平面S_1z，在其多普勒维度进行IFFT，得到主回波的距离慢拍域S₁₂(τ)。

S₁₂(τ,R_bin)＝IFFT[S_1z(τ,R_bin)]

其中，R_bin是对应快拍采样的距离单元。

4.2 相邻伪随机相位编码补偿子步骤；

将步骤4.1中获得的信号S₁₂(τ)在其慢拍维度，补偿远程与近程的伪随机相位码差Δφ₂₁(τ)，同时对相邻信号进行二次初相Δη的补偿，得到信号矩阵S′₁₂(τ)。

S′₁₂(τ)＝S₁₂(τ)·exp(jΔφ₂₁(τ))·exp(jΔη(τ))·exp(-jΔη(τ-PRI))

4.3 远程回波逆脉压子步骤；

将步骤4.2中的S′₁₂(τ)应用步骤2.2中的参考函数，在每一个PRI回波序列上进行逆脉压操作，再选择其对应的远程PRI快拍LFM参考信号，进行二次脉压，得到远程回波序列S'₂(τ)。

S'₂(τ)＝IFFT[FFT[S₁'₂(τ)]·FFT[PRI(+LFM_ref,-LFM_ref)]]

其中，FFT[·]表示快速傅里叶变换，IFFT[·]表示快速傅里叶逆变换，PRI(+LFM_ref,-LFM_ref)表示按照PRI的顺序选取±LFM脉压参考信号。

4.4 距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤4.3中的S'₂(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的远程距离多普勒平面S'₂(τ)。

S'₂(τ,R_bin)＝FFT[S'₂(τ,R_bin)]

其中，R_bin是对应快拍采样的距离单元。

杂波对消后的远程距离多普勒平面如图6所示。可以看到近程杂波被显著消除，而远程目标得以保留。

4.5 远程恒虚警检测子步骤；

将步骤4.4中的S'₂进行CFAR，获得远程动目标的距离和速度。CFAR流程如图3所示。CFAR后的结果如图7所示，两个目标均可被检测得到。

本发明步骤中，可替代的方案是：在步骤1.1中，如采用非线性调频信号，也可实现低速目标的探测，但对于高速目标，会出现较为严重的多普勒距离耦合效应。

本发明的有益效果是：在步骤1.1和步骤1.2的信号形成方法不同于以往的单一信号快拍或慢拍编码方法，快拍使用双波形LFM，慢拍使用伪随机相位编码。快拍使用LFM可以极大的降低使用NLFM信号或者正交相位编码在面对高速目标所引起的脉压或解码失配现象，同时又可以达到区分不同距离段回波的目的。使用慢拍伪随机相位编码可以在慢拍上区分不同距离段的回波目标。两者的结合使用使得在信号组成的层面加大了不同回波信号在快慢拍的分化程度。

在步骤2.2和步骤2.3中的信号处理方法是不同距离段的回波在快慢拍的维度上进行最大程度分化的实现。其考虑到杂波的自适应滤波实质是在其建立的子空间上进行信号分量和噪声分量的比较。若使得近程和远程的回波能量谱呈现不同的分布特性，让需要保留的信号能量散焦，淹没于噪底之下。由于主回波和辅助回波的噪声在子空间中不相关，使得散焦的目标信息在对消过程中得以保留，进而可以在检测时得以重构。

在步骤3.1和步骤3.2中的子空间正交投影算法可以在整体的能量上应用最优准则使得输出能量最小，从而达到近程杂波滤除的目的。可以降低常规通过根据杂波特性，构建多参数CFAR滤除强杂波所带来的系统复杂性。其考虑到较强的近程杂波会使得其能量分布在距离多普勒平面产生整体的抬升。使用常规的CFAR滤除距离多普勒平面上的极值点，会导致杂波有过多的能量剩余，从而对远程目标的检测产生不利影响。不同方位向的杂波能量和分布特性会有显著不同，若使用CFAR滤除强杂波，对于参数的自适应设置将面对较大的困难。而子空间正交投影算法可以自适应的滤除强杂波。

Claims (1)

1.一种PD雷达中的双波形相位编码自适应杂波对消方法，顺序包括发射波形产生步骤、近程回波匹配滤波步骤、信号子空间滤波步骤和远程回波匹配滤波步骤，其特征在于：

所述的发射波形产生步骤包括：

1.1构造基带正负调频斜率的线性调频信号子步骤：系统发射的基带LFM信号为±LFM，并在相邻的PRI内交替输出；

1.2慢拍伪随机初相调制子步骤：将步骤1.1输出的±LFM信号在每个PRI内乘以一个随机初相φ(τ)，使得不同PRI的基带LFM信号初相都不同，再将该信号变频放大发射；

所述的近程回波匹配滤波步骤，使用快拍匹配脉压技术和慢拍相位补偿技术进行距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1DBF子步骤：将步骤1.2产生的回波信号，在各接收通道进行通道均衡后，使用相控阵天线的DBF技术得到所需波束指向的基带信号，分别形成主回波S_1z(τ)，辅助回波S_1f(τ)；

2.2快拍匹配脉压子步骤：将步骤2.1中获得的信号S_1z(τ)和S_1f(τ)按照近程回波对应PRI的顺序使用不同斜率的LFM参考信号进行脉压，同时进行±LFM信号的初相补偿，得到脉压后的主回波序列和辅助回波序列

2.3慢拍相位补偿子步骤：将步骤2.2中的和按照对应的近程PRI发射序列，乘以所调制的伪随机初相序列的共轭值conj(φ₁(τ))，得慢拍相位补偿后的主回波序列S′_1z(τ)和辅助回波序列S′_1f(τ)；

2.4距离多普勒维度变换子步骤：将步骤2.3中的S′_1z(τ)和S′_1f(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的距离多普勒平面S′_1z和辅助回波的距离多普勒平面S′_1f；

2.5近程恒虚警检测子步骤：将步骤2.4中的S′_1z进行CFAR，获得近程动目标的距离和速度；

所述的信号子空间滤波，使用辅助回波的距离多普勒域张成一个信号子空间，利用正交投影技术完成主回波的近程杂波自适应对消，包括下述子步骤：

3.1构建正交投影算子子步骤：将步骤2.4中的辅助回波的距离多普勒平面S′_1f构建信号子空间，并计算其正交投影算子P^⊥；

3.2主回波杂波对消子步骤：将步骤2.4中得到的主回波的距离多普勒平面S′_1z投影到步骤3.1中的正交投影算子P^⊥，得到滤除杂波后主回波的距离多普勒平面S_1z

所述的远程回波匹配滤波步骤，将杂波对消后的信号变换回距离慢拍域，在慢拍进行相邻伪随机相位编码的补偿，进行和远程回波时序相关的逆脉压，变换至远程的距离多普勒平面进行信号检测，包括下述子步骤：

4.1距离慢拍域变换子步骤：将步骤3.2产生的主回波距离多普勒平面S_1z，在其多普勒维度进行IFFT，得到主回波的距离慢拍域S₁₂(τ)；

4.2相邻伪随机相位编码补偿子步骤：将步骤4.1中获得的信号S₁₂(τ)在其慢拍维度，补偿远程与近程的伪随机相位码差Δφ₂₁(τ)，同时对相邻信号进行二次初相Δη的补偿，得到信号矩阵S′₁₂(τ)；

4.3远程回波逆脉压子步骤：将步骤4.2中的S′₁₂(τ)应用步骤2.2中的参考函数，在每一个PRI回波序列上进行逆脉压操作，再选择其对应的远程PRI快拍LFM参考信号，进行二次脉压，得到远程回波序列S′₂(τ)；

4.4距离多普勒维度变换子步骤：将步骤4.3中的S′₂(τ)逐距离单元进行FFT，得到主回波的远程距离多普勒平面S′₂(τ)；

4.5远程恒虚警检测子步骤：将步骤4.4中的S′₂进行CFAR，获得远程动目标的距离和速度。