CN104931942B - 一种消除雷达多径干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消除雷达多径干扰的方法，能够有效消除多径干扰。该方法包括如下步骤：对雷达辅助天线接收到的信号进行混频和等间隔采样，得到第一信号向量，从所述第一信号向量中选取N个采样点得到第一采样信号向量，对雷达主天线接收到的信号进行混频和等间隔采样，得到第二信号向量，从所述第二信号向量中选取N个采样点得到第二采样信号向量，确定延迟距离单元τ，确定最优权矢量，对所述第一信号向量延迟τ个距离单元得到第三信号向量，雷达主天线接收到的信号与雷达辅助天线接收到的信号对消后输出信号S。
Description
技术领域
本发明属于雷达抗干扰领域，具体的说是一种消除雷达多径干扰的方法。本发明用于消除天波超视距雷达中的多径干扰。
背景技术
自适应旁瓣相消作为自适应阵列信号处理理论在雷达抗干扰领域中的一种具体应用，从上世纪60年代以来，它受到各国越来越多工程技术人员的重视。
自适应旁瓣相消技术作为雷达信号处理中一个重要的组成部分，是对消从天线旁瓣进入的有源干扰信号的有效方法，其实现是利用若干个辅助天线，与主天线同时接收干扰信号，对辅助天线作适当加权求和处理，得到与主天线接收到的干扰信号特性相一致的干扰信号样本，将其与主天线干扰信号对消，从而抑制从旁瓣进入雷达的干扰信号。通常N个辅助天线最多可以对消N个从空间不同方向入射的干扰。
这里我们定义，从干扰源发出的干扰信号直接被雷达天线所接收的为直达干扰，而经过建筑物等反射再被雷达接收的为多径干扰，图2为其示意图。需要说明的是，直达干扰和多径干扰在脉冲距离单元位置以及强度上有所不同，即多径干扰相对直达干扰有一个时延。
辅助天线通常为低增益的全向天线，多径干扰本身又比直达干扰弱的多，所以辅助天线接收到的大部分为直达干扰。但是，雷达主天线主瓣增益很大，当很弱的多径干扰从主天线主瓣方向进入也会变得很大，与直达干扰相比不容忽视。另外，在雷达扫描过程中，多径干扰并不是一直存在，只存在于某些特定方向上，且由于主天线主瓣的方向选择特性，即其波束宽度很窄，接收到的多径干扰条数多为一条或两条。
在一定性能准则下，即自适应代价函数，通过对辅助天线输出进行加权，然后和主天线输出进行相减可以达到抑制旁瓣干扰的目的。
对于自适应旁瓣相消技术，人们也有很多讨论，常规方法消除多径干扰是通过在辅助通道中增加延迟节，增大自适应处理的自由度，从而提高对多径干扰的抑制能力。由于前提我们并不知道多径干扰相对直达干扰的延迟有多大，所以实际系统中我们要加很多个延迟节，在只有一条多径干扰的条件下，计算的复杂度明显增加，这是常规方法的一个显著缺点。
发明内容
针对上述缺点，本发明的目的在于提出一种消除雷达多径干扰的方法，能够有效消除天波超视距雷达的多径干扰。
本发明在现有自适应旁瓣相消技术基础上，通过对主辅天线中的干扰信号求相关函数的方法得到多径干扰相对直达干扰的延迟，然后利用延迟节对辅助天线直达干扰信号进行延迟，就得到另一个虚拟的辅助天线干扰输入。最后根据均方误差最小准则(MMSE)，得到辅助天线的权值，使加权处理后的主辅通道对消输出功率最小。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种消除雷达多径干扰的方法，所述雷达具有辅助天线和主天线，包括以下步骤：
步骤1，对辅助天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第一信号向量Z1，Z1＝[z1，z2，…，zM]T；其中，z1，z2，…，zM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度；
步骤2，从所述z1，z2，…，zM中选取N个采样值，得到第一采样信号向量X1，X1＝[x1，x2，…，xN]T；其中X1为N×1的矩阵，x1，x2，…，xN为N个采样值，N≤M；
步骤3，对主天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第二信号向量Y，Y＝[y1，y2，…，yM]T；其中，y1，y2，…，yM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度；
步骤4，从所述y1，y2，…，yM中选取N个采样值，得到第二采样信号向量D，D＝[d1，d2，…，dN]T；其中D为N×1的矩阵，d1，d2，…，dN为N个采样值，N≤M；
步骤5，确定距离单元的延迟个数τ，对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ，z2+τ，…，zM+τ]T；
步骤6，令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T，并确定所述联合矩阵Z的最优权矢量Wopt；
步骤7，将所述主天线接收到的目标回波信号与所述辅助天线接收到的目标回波信号进行对消，得到输出信号S，S＝YT-WoptHZ。
本发明的特点和进一步的改进为：
(1)步骤2具体为：
从所述z1，z2，…，zM中选取幅值较大的前N个采样值，得到第一采样信号向量X1。
(2)步骤4具体为：
从所述y1，y2，…，yM中选取幅值较大的前N个采样值，得到第二采样信号向量D。
(3)从所述z1，z2，…，zM中选取N个采样值所处的N个距离单元与从所述y1，y2，…，yM中选取N个采样值所处的N个距离单元相同。
(4)步骤5具体包括如下子步骤：
(5a)对所述第二采样信号向量D延迟m个距离单元得到延迟后的第三采样信号向量Dm，
Dm＝[d1+m，d2+m，…，dN+m]T，m＝1，2，…；
其中，m为雷达主天线采样点的延迟距离单元个数；
(5b)对所述第三采样信号向量Dm和所述第一采样信号向量X1求互相关函数φ(m)，
其中，[]H表示矩阵或向量的共轭转置；
(5c)对所述互相关函数φ(m)求模值，确定互相关函数φ(m)的模值最大点对应的m值作为距离单元的延迟个数τ；
(5d)对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ，z2+τ，…，zM+τ]T。
(5)步骤6具体包括如下子步骤：
(6a)令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T；
(6b)将从所述第一信号向量Z1中选取的N个采样值组成的第一采样信号向量X1延迟τ个距离单元，作为延迟后的第四采样信号向量X2，X2＝[x1+τ，x2+τ，…，xN+τ]T；
(6c)令矩阵X＝[X1 X2]T，求解矩阵X的自相关矩阵R和互相关矩阵P；
(6d)根据最小均方误差准则，求取联合矩阵Z的最优权矢量Wopt，Wopt＝R-1P。
本发明与现有技术相比具有以下优点：(1)本发明考虑了多径干扰对干扰对消性能的影响；(2)本发明在求权矢量的同时考虑了直达干扰和多径干扰，干扰对消性能更好；(3)本发明利用相关函数求延迟值的方法是自适应的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的流程示意图；
图2是直达干扰和多径干扰的模型示意图；
图3是本发明实施例提供的几何模型示意图；
图4是根据实测数据选取部分距离单元，主天线接收到的直达干扰与多径干扰和辅助天线接收到的多径干扰示意图(幅度已除以5，方便对比)；
图5是使用本发明方法与现有常规方法根据实测数据得到干扰对消结果示意图(一个脉冲的部分距离单元)；
图6是使用本发明方法与常规方法多个方位干扰平均功率输出结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明具体实施步骤如下：
步骤1，对辅助天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第一信号向量Z1，Z1＝[z1，z2，…，zM]T。
此处，假设辅助天线的个数为一个。一般的，辅助天线接收到的目标回波信号为干扰信号。
其中，z1，z2，…，zM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度，即一个脉冲的M个距离单元。
步骤2，从所述z1，z2，…，zM中选取N个采样值，得到第一采样信号向量X1，X1＝[x1，x2，…，xN]T。
其中X1为N×1的矩阵，x1，x2，…，xN为N个采样值，N≤M。需要补充的是从向量Z1中选取的N个采样值为强干扰点的采样值，即将向量Z1中的各个元素按照大小进行排序，获取前N个采样值作为强干扰点的采样值。
步骤3，对主天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第二信号向量Y，Y＝[y1，y2，…，yM]T。
其中，y1，y2，…，yM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度。
步骤4，从所述y1，y2，…，yM中选取N个采样值，得到第二采样信号向量D，D＝[d1，d2，…，dN]T。
其中D为N×1的矩阵，d1，d2，…，dN为N个采样值，N≤M。
需要补充的是，从第二信号向量Y中选取的N个采样值所处的距离单元与从辅助天线的采样结果中选取的N个采样值所处的距离单元相同，因为主天线和辅助天线接收到的干扰信号是相关的。
步骤5，确定距离单元的延迟个数τ，对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ，z2+τ，…，zM+τ]T。
步骤5具体包括如下子步骤：
(5a)对第二采样信号向量D延迟m个距离单元得到延迟后的第三采样信号向量Dm，
Dm＝[d1+m，d2+m，…，dN+m]T，m＝1，2，…
其中，m为主天线干扰点的延迟距离单元个数，相当于对第二采样信号向量D进行向右平移m个距离单元的操作。其中，当m＝0时，D0＝D。
(5b)对第三采样信号向量Dm和第一采样信号向量X1求互相关函数φ(m)，
其中，[]H表示矩阵或向量的共轭转置。
(5c)对互相关函数φ(m)求模值，确定互相关函数φ(m)的模值最大点对应的m值作为距离单元的延迟个数τ。
即：
(5d)对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ，z2+τ，…，zM+τ]T。
步骤6，令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T，并确定所述联合矩阵Z的最优权矢量Wopt；
步骤6具体包括如下子步骤：
(6a)令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T；
(6b)将从第一信号向量Z1中选取的N个采样点组成的第一采样信号向量X1延迟τ个距离单元，作为延迟后的第四采样信号向量X2，X2＝[x1+τ，x2+τ，…，xN+τ]T。
(6c)令矩阵X＝[X1 X2]T，求解矩阵X的自相关矩阵R和互相关矩阵P。
X为2×N的矩阵，然后估计X的自相关矩阵R，
互相关矩阵P，
其中，R为2×2矩阵，P为2×1矩阵，D0 *为矩阵D0的共轭。
(6d)根据最小均方误差准则，求取最优权矢量Wopt，Wopt＝R-1P。
其中，Wopt是2×1矩阵，Wopt是根据雷达辅助天线的干扰信号输入(直达干扰)和虚拟辅助天线的干扰信号输入(即干扰信号X2，相当于多径干扰)得到的最优权。
对辅助天线等间隔采样数据Z1延迟τ个距离单元得到虚拟辅助天线(实际上并不存在，只是将对辅助天线等间隔采样数据Z1延迟τ个距离单元得到的信号认为是虚拟辅助天线接收到的信号)接收到的干扰信号，即虚拟辅助天线接收到的干扰信号为向量Z2，
Z2＝[z1+τ，z2+τ，…，zM+τ]T
步骤7，将所述主天线接收到的目标回波信号与所述辅助天线接收到的目标回波信号进行对消，得到输出信号S，S＝YT-WoptHZ。
即主天线与辅助天线、虚拟辅助天线对消后的信号输出S为：
S＝YT-WoptHZ。
其中，Y，Z1，Z2为M×1矩阵，Z为2×M矩阵，Z为两路辅助天线(辅助天线和虚拟辅助天线)的输入。
本发明的效果可通过以下计算机仿真实验和某实际系统实测数据结果进一步说明：
一、仿真条件
仿真条件1，参考图2，假设雷达主天线是抛物面赋形天线，有一个辅助天线，信号带宽为2MHZ，采样频率为4MHZ，经采样一个脉冲的距离单元数为4000。
仿真条件2，雷达主天线是抛物面赋形天线，有一个辅助天线，信号带宽为2MHZ，采样频率为4MHZ，方位角为80°～140°的多个脉冲，经采样一个脉冲的距离单元数为4000。使用本发明方法和常规方法分别对各个脉冲求输出干扰的平均功率。
二、仿真内容
仿真1，利用仿真条件1将本发明方法与现有常规旁瓣相消方法得到的干扰对消结果进行对比。设干扰为压制式干扰，从主天线旁瓣和辅助天线进入，在主天线接收到的干扰中除了直达干扰外还有多径干扰，如图3所示。本发明方法与现有常规方法得到对消结果如图4所示，其中横轴为距离单元，纵轴为干扰幅度。
从图中可以看出，在相同条件下，使用本发明方法的干扰对消结果比常规处理方法更好。
仿真2，利用仿真条件2对方位角80°～140°上多个脉冲采用两种方法求各个脉冲输出干扰平均功率，分别得到两种方法的干扰输出平均功率曲线。如图5所示，图中横轴为方位角，纵轴为干扰平均功率。
从图中可以看出，多径干扰并不是在80°～140°方位上都显著存在，只在90°和130°左右存在，因而本发明方法较常规方法干扰输出平均功率明显要小的多，而在其他的方位角上，多径干扰并不明显，因而用本发明方法和常规方法得到的结果无明显差异，故本发明方法优越性得到验证。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种消除雷达多径干扰的方法，所述雷达具有辅助天线和主天线，其特征在于，所述消除雷达多径干扰的方法包括以下步骤：
步骤1，对辅助天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第一信号向量Z1，Z1＝[z1,z2,…,zM]T；其中，z1,z2,…,zM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度；
步骤2，从所述z1,z2,…,zM中选取N个采样值，得到第一采样信号向量X1，X1＝[x1,x2,…,xN]T；其中X1为N×1的矩阵，x1,x2,…,xN为N个采样值，N≤M；
步骤3，对主天线接收到的目标回波信号进行混频和等间隔采样，得到第二信号向量Y，Y＝[y1,y2,…,yM]T；其中，y1,y2,…,yM为等间隔采样的采样值，M为等间隔采样后的数据长度；
步骤4，从所述y1,y2,…,yM中选取N个采样值，得到第二采样信号向量D，D＝[d1,d2,…,dN]T；其中D为N×1的矩阵，d1,d2,…,dN为N个采样值，N≤M；
步骤5，确定距离单元的延迟个数τ，对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ,z2+τ,…,zM+τ]T；
步骤5具体包括如下子步骤：
(5a)对所述第二采样信号向量D延迟m个距离单元得到延迟后的第三采样信号向量Dm，
Dm＝[d1+m,d2+m,…,dN+m]T,m＝1,2,…；
其中，m为雷达主天线采样点的延迟距离单元个数；
(5b)对所述第三采样信号向量Dm和所述第一采样信号向量X1求互相关函数φ(m)，
其中，[]H表示矩阵或向量的共轭转置；
(5c)对所述互相关函数φ(m)求模值，确定互相关函数φ(m)的模值最大点对应的m值作为距离单元的延迟个数τ；
(5d)对所述第一信号向量Z1延迟τ个距离单元得到第三信号向量Z2，Z2＝[z1+τ,z2+τ,…,zM+τ]T；
步骤6，令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T，并确定所述联合矩阵Z的最优权 矢量Wopt；
步骤7，将所述主天线接收到的目标回波信号与所述辅助天线接收到的目标回波信号进行对消，得到输出信号S，S＝YT-WoptHZ。
2.根据权利要求1所述的消除雷达多径干扰的方法，其特征在于，步骤2具体为：
从所述z1,z2,…,zM中选取幅值较大的前N个采样值，得到第一采样信号向量X1。
3.根据权利要求1所述的消除雷达多径干扰的方法，其特征在于，步骤4具体为：
从所述y1,y2,…,yM中选取幅值较大的前N个采样值，得到第二采样信号向量D。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的消除雷达多径干扰的方法，其特征在于，
从所述z1,z2,…,zM中选取N个采样值所处的N个距离单元与从所述y1,y2,…,yM中选取N个采样值所处的N个距离单元相同。
5.根据权利要求1所述的消除雷达多径干扰的方法，其特征在于，步骤6具体包括如下子步骤：
(6a)令联合矩阵Z＝[Z1 Z2]T；
(6b)将从所述第一信号向量Z1中选取的N个采样值组成的第一采样信号向量X1延迟τ个距离单元，作为延迟后的第四采样信号向量X2，X2＝[x1+τ,x2+τ,…,xN+τ]T；
(6c)令矩阵X＝[X1 X2]T，求解矩阵X的自相关矩阵R和互相关矩阵P；其中，
(6d)根据最小均方误差准则，求取联合矩阵Z的最优权矢量Wopt，Wopt＝R-1P。
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| "面向雷达自适应旁瓣对消技术的FPGA实现";黄亮;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20150415;第I136-1128页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104931942A (zh) | 2015-09-23 |
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