CN105182300B - 天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法，其中根据对系统射频信号的收发时序要求，完成天基外辐射源雷达系统的关键参数设计；分析天基雷达平台与外辐射源的空间位置和运动关系，建立天基外辐射源雷达地杂波数学模型；利用直达波信号构造参考信号，与双通道回波天线接收到的目标信号进行互相关处理；一通道第n帧信号的相关结果与二通道第n‑1帧信号的相关结果采用双脉冲对消器消除地杂波干扰；重复互相关处理及双脉冲对消步骤将杂波抑制处理后的N帧信号沿速度维作傅里叶变换实现相参积累，采用恒虚警准则实现目标检测。本发明能较好地抑制地杂波干扰，同时降低算法复杂度，便于实现天基平台的实时数据处理。

Description

天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法

技术领域

本发明涉及一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法，属于雷达信号处理技术领域。

背景技术

天基外辐射源雷达是一个双基地或多基地雷达系统，其本身不使用发射机，而是利用导航、通信卫星信号作为外辐射源，并将雷达接收机安装在飞机、无人机、飞艇、气球、卫星等广义天基平台上，侦收空中目标对外辐射源电磁场的扰动实现目标探测，如图1所示。

在天基外辐射源雷达信号处理流程中，地杂波抑制是系统面临的主要难点。传统地基雷达的杂波谱主要分布在零多普勒频率附近一个较窄的频带内，杂波抑制相对简单，而天基外辐射源雷达的杂波环境更为复杂，平台和外辐射源的自身运动使得地杂波分布具有空时二维分布特性。一方面，由于平台运动的径向速度分量造成地杂波谱整体的多普勒频移；另一方面，各杂波单元由于相对平台方位的不一致造成多普勒频移的不一致性，进而造成主瓣杂波谱的多普勒展宽。

在名称为“基于多通道NLMS的外辐射源雷达海杂波干扰抑制方法”申请号为201310752143.3的发明中，以及名称为“基于多通道RLS的外辐射源雷达海杂波干扰抑制方法”申请号201410161408.7的发明中，主要针对地基外辐射源雷达系统的杂波抑制，且算法复杂度高，收敛时间长，需要利用计算机进行离线的非实时处理。

在名称为“利用GPU实现外辐射源雷达多通道时域杂波抑制”申请号为201410428377.7的方法中，在名称为“外辐射源雷达自适应杂波抑制的FPGA实现设备和方法”申请号201310331240.5的发明中，以及名称为“一种基于GPU的外辐射源雷达直达波杂波对消实时处理方法”申请号为201310099540.5的发明中，重在描述利用GPU、FPGA等各种硬件平台实现杂波抑制方法。

发明内容

本发明的目的是针对天基外辐射源雷达探测海面和空中动目标时，传统空时自适应滤波算法复杂度高、收敛时间长、无法满足实时处理需求的问题，提出一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰抑制方法，能较好地抑制地杂波干扰，同时降低算法复杂度，便于实现天基平台的实时数据处理。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法；

其中，天基外辐射源采用地球静止轨道卫星星座，雷达接收机安装在运动的低轨卫星平台上，同时接收直达波信号和回波信号；

要求天线阵列各通道沿飞行的轴向排列，且在每个脉冲重复间隔上，使后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合；

将利用直达波信号构造的参考信号，与双通道回波天线接收到的目标信号分别进行互相关处理；

将一通道第n帧信号的相关结果与二通道第n-1帧信号的相关结果采用双脉冲对消器来消除地杂波干扰；

重复进行互相关处理至双脉冲对消的步骤，将地杂波干扰处理后的N帧信号沿速度维作傅里叶变换实现相参积累，采用恒虚警准则实现目标检测；

完成天基外辐射源雷达地杂波干扰抑制处理。

本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明与前两项现有发明专利技术的研究对象和杂波抑制方法都不相同，本发明针对天基外辐射源雷达系统特殊的空间拓扑关系，推导了相应的地杂波数学模型，并提出一种适合天基平台实时处理的杂波抑制方法。

本发明无需构造反复迭代的多通道自适应滤波器，系统结构简单可靠，工程实现性好；本发明与现有专利对地杂波的抑制效果相当，而且算法复杂度更低，不存在长时间的迭代收敛问题，适应天基平台的实时处理需求。

附图说明

图1为天基外辐射源工作原理示意图；

图2a、图2b为天基外辐射源雷达地杂波数学模型；

图3为天基外辐射源雷达地杂波谱分布示意图；

图4为杂波干扰实时抑制方法工作原理图；

图5为杂波干扰实时抑制方法信号处理流程图；

图6a、图6b为杂波干扰实时抑制方法算法仿真的仿真模型及仿真结果。

具体实施方式

图1为天基外辐射源工作原理示意图，系统采用双基地或多基地雷达架构，天基外辐射源通常采用地球静止轨道(GEO)卫星星座，而雷达接收机安装在低轨卫星平台上，同时接收直达波信号和回波信号，其中回波信号可能来自地面静止目标、地面动目标和空中动目标。在典型的目标探测应用中，空中动目标和地面动目标是用户感兴趣的，而地面静止目标的回波则成为影响动目标检测的杂波信号，需要通过一定的杂波抑制算法处理实现动目标的探测。

参照图4和图5，本发明针对雷达平台运动造成的杂波谱展宽，实现天基外辐射源雷达地杂波干扰的实时抑制。其中，图4为杂波干扰实时抑制方法工作原理图，要求天线阵列各通道沿飞行的轴向排列，且在每个脉冲重复间隔上，使后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合。首先由前一通道发射和接收第一二个脉冲，当后一通道到达前一通道发射脉冲的位置时，发射下一个脉冲。因此，前后两个脉冲是在空中的同一点发射和接收的，这就相当于两个脉冲是由一个静止的天线发射和接收的，这样就可以补偿由雷达平台运动造成的杂波谱展宽。

图5为杂波干扰实时抑制方法信号处理流程图，回波信号和直达波信号经过低噪声放大、混频下变频和A/D采集处理后，双通道回波信号分别与直达波信号作互相关处理，将处理后的两路信号相减，然后将双通道对消后的信号沿每一个距离单元做傅里叶变化，形成距离速度二维平面，最后按照恒虚警准则实现目标检测。

本发明在进行天基外辐射源雷达地杂波干扰抑制的处理过程中，通过合理的参数设计对相关处理后的双通道回波信号在时域完成杂波对消，并保留动目标信息，在通过距离速度二维处理和恒虚警检测处理方式，实现动目标检测。

本发明的地杂波干扰实时抑制方法，具体包括以下步骤：

1.根据杂波干扰实时抑制方法对数据采集和处理的时序要求，对天基外辐射源雷达系统的关键参数进行如下设计：

假设天基外辐射源轨道高度36,000km，载波频率1.5GHz，工作波长λ＝0.2m，信号带宽B＝200Hz。

雷达接收机所在卫星平台轨道高度500km，平台速度v＝7.5km/s，双通道回波天线间隔D＝0.1m，并沿飞行的轴向排列，为保证在每个脉冲重复间隔上后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合，系统采集直达波和回波信号的重复频率f_r＝v/D，取75kHz。数据采样率f_r＝1MHz，积累时间τ＝1s。

2.根据图2a所示的天基外辐射源雷达地杂波数学模型，目标B位于以辐射源S和雷达A为焦点的双站等距离差形成的椭球面上，同样位于该椭球面上地杂波散射点P将对相应距离单元内的目标检测产生干扰。由于天基外辐射源距离地面36,000km，且与地面保持相对静止，因此可将目标所在距离单元内的地杂波信号看作椭球面与水平面相交处的大量点目标的散射回波集合。此外，如图2b所示卫星平台上的雷达接收机天线采用侧视阵，而天线阵元平行于卫星平台运动方向。

则，散射点P产生的地杂波多普勒频率为

式中，v为平台速度，λ为工作波长，为方位角，θ为俯仰角，α为空间锥角。

根据式(1)和图2a、图2b所示的数学模型，可获得天基外辐射源雷达的地杂波谱分布，如图3所示：

雷达位于图的中心，箭头所示为雷达平台运动方向。地杂波谱的等多普勒线是以雷达所在位置为中心，相对于雷达运动航线对称的双曲线，不同灰度的等多普勒线代表具体的多普勒频率值，单位为赫兹；等距离线是以雷达所在位置为圆心的若干同心圆，称其为等距离圆，等距离圆的不同半径代表不同的双站相对距离值。

由于雷达接收机所在的卫星平台速度高达7.5km/s，由此产生的地杂波多普勒展宽范围远大于地基外辐射源雷达系统，将完全淹没海空动目标的回波信号，而且同一距离单元内的地杂波谱与方位存在强烈耦合，无法通过传统的一维时域或频域滤波技术抑制地杂波。

3.假设外辐射源发射的射频信号表示为

x_T(t)＝X_T(t)exp(j2ft) (2)

式中f为载波频率，X_T(t)为复基带信号。

则目标回波信号经下变频到基带后，可表示为

式中，r(t)为目标的双站距离，A为目标回波的复振幅，c为常量。

外辐射源雷达将回波信号与直达波构造的参考信号进行互相关运算，如下式所示

4.双通道回波信号经过互相关处理后，1通道第n帧信号的相关结果为Y_1，n(r，v)，2通道第n-1帧信号的相关结果为Y_2，n-1(r，v)，在时域完成双脉冲对消

Y_D(r，v)＝Y_1，n(r，v)-Y_2，n-1(r，v) (5)

5.重复步骤3、4，将杂波抑制处理后的N帧Y_D(r，v)信号沿速度维作N点傅里叶变换实现相参积累，采用恒虚警准则即可实现动目标检测，处理结果的仿真模型及仿真结果如图6所示。

其中，图6a假设一组静止目标和4个动目标分布在一个椭圆上，辐射源和天基雷达分布位于椭圆的两个焦点，使得地杂波和目标回波处于雷达接收机的同一距离单元内。由图6b可知，该方法可使地杂波平均衰减30dB左右，与空时二维自适应滤波方法的抑制效果相当。

至此，完成天基外辐射源雷达地杂波干扰抑制处理。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种天基外辐射源雷达的地杂波干扰实时抑制方法，其特征在于：

天基外辐射源采用地球静止轨道卫星星座，雷达接收机安装在运动的低轨卫星平台上，同时接收直达波信号和回波信号；

要求天线阵列各通道沿飞行的轴向排列，且在每个脉冲重复间隔上，使后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合；

将利用直达波信号构造的参考信号，与双通道回波天线接收到的目标信号分别进行互相关处理；

将一通道第n帧信号的相关结果与二通道第n-1帧信号的相关结果采用双脉冲对消器来消除地杂波干扰；

重复进行互相关处理至双脉冲对消的步骤，将地杂波干扰处理后的N帧信号沿速度维作傅里叶变换实现相参积累，采用恒虚警准则实现目标检测；

完成天基外辐射源雷达地杂波干扰抑制处理；

其中，为保证后一通道的相位中心与前一通道的相位中心位置重合，进一步包含根据对系统射频信号的收发时序要求，完成天基外辐射源雷达系统的关键参数设计的过程；

所述关键参数，包含：天基外辐射源轨道高度，载波频率，工作波长λ，信号带宽B；雷达接收机所在卫星平台轨道高度，平台速度v，双通道回波天线间隔D，采集直达波信号和回波信号的重复频率f_r＝v/D，数据采样率f_r，积累时间；

以及，在互相关处理前，包含分析卫星平台与外辐射源的空间位置和运动关系，建立天基外辐射源雷达地杂波数学模型的如下过程：

目标位于以外辐射源和雷达为焦点的双站等距离差形成的椭球面上，同样位于该椭球面上的地杂波散射点P将对相应距离单元内的目标检测产生干扰；

则，根据天基外辐射源轨道高度及其与地面保持相对静止的关系，将目标所在距离单元内的地杂波信号看作椭球面与水平面相交处的大量点目标的散射回波集合；对卫星平台上的雷达接收机天线采用侧视阵，而使天线阵元平行于卫星平台运动方向；

散射点P产生的地杂波多普勒频率为

式中，为方位角，θ为俯仰角，α为空间锥角；

地杂波谱的等多普勒线是以雷达所在位置为中心，相对于雷达运动航线对称的双曲线。

2.如权利要求1所述的地杂波干扰实时抑制方法，其特征在于，

外辐射源发射的射频信号表示为

x_T(t)＝X_T(t)exp(j2ft)

式中，f为载波频率，X_T(t)为复基带信号；

目标回波信号经下变频到基带后表示为

式中，r(t)为目标的双站距离，A为目标回波的复振幅，c为常量；

外辐射源雷达将回波信号与直达波信号构造的参考信号进行互相关运算：

式中，ΔT为积累时间，平台速度v，

是利用发射的射频信号x_T(t)构造的参考信号，且x_T(t)通过直达波天线接收的参考信号获得；其中r取值为双站距离r(t)；

双通道回波信号经过互相关处理后，一通道第n帧信号的相关结果为Y_1,n(r,v)，二通道第n-1帧信号的相关结果为Y_2,n-1(r,v)，在时域完成双脉冲对消：

Y_D(r,v)＝Y_1,n(r,v)-Y_2,n-1(r,v)。