CN106842140B - 一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，公开了一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，包括：建立具有N个阵元的均匀线阵，得到均匀线阵的波束指向、波束宽度，且波束主瓣内存在一个目标和至少一个主瓣干扰；获取均匀线阵的接收信号；根据波束指向和波束宽度，确定和波束的权矢量、差波束的权矢量；根据和波束的权矢量对均匀线阵的接收信号进行降维，得到经和波束降维之后的信号；根据差波束的权矢量对均匀线阵的接收信号进行降维，得到经差波束降维之后的信号；确定滤波权系数，根据滤波权系数、经和波束降维之后的信号以及经差波束降维之后的信号，得到主瓣干扰抑制后信号，能够使得主瓣干扰的抑制获得更好的性能。

Description

一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，用于雷达抗干扰。

背景技术

在复杂信号环境中不仅存在期望信号，而且还存在大量的干扰信号，当干扰信号强于期望信号时，阵列的输出中期望信号会被干扰信号掩盖。要降低干扰信号的影响，最好的方法是使阵列天线方向图的零点位置始终指向干扰信号方向，同时保证主瓣对准期望信号方向。由于干扰信号方向和期望信号方向都是未知的，要求阵列天线方向图自适应地满足上述要求。具有这种自适应能力的波束形成技术称之为自适应波束形成。

自适应波束形成的基本思想是根据不同的最优化准则，通过自适应算法，对阵列中各阵元的输出进行加权求和，从而使得阵列的主波束指向期望信号方向，同时，在干扰信号方向形成零点，即通过空域滤波来抑制干扰信号。现有的最优化准则有最小均方误差准则、最大信噪比准则和线性约束最小方差准则等。

传统的自适应波束形成主要用于对旁瓣干扰进行抑制。然而干扰也可能从主瓣进入，比如自卫式干扰。当空间中存在主瓣干扰时，自适应波束形成得到的天线方向图会存在两个缺陷：一是旁瓣电平升高，二是主波束严重变形。为了克服上述缺陷，已有学者分别提出以下几种解决方法：

李荣峰等人在期刊《现代雷达》的2002年第24卷第3期的第50页到53页，提出了一种基于特征空间正交投影预处理的自适应波束形成方法(EMP算法)，该方法首先利用接收到的干扰数据得到干扰的协方差矩阵，通过特征分解，得到主瓣干扰的信号子空间，并通过正交投影预处理对主瓣干扰进行抑制，然后对正交投影预处理后得到的输出信号进行常规的自适应波束形成，得到最终的自适应天线方向图；该方法能够解决当空间中存在主瓣干扰时旁瓣电平升高和主波束变形的问题，但是缺点是当主瓣干扰方向和期望信号方向较接近时，主波束的指向仍然会发生偏移，而且当空间中存在多个主瓣干扰时，该方法的空域滤波的性能将会严重下降；

苏宝伟等人在期刊《系统工程与电子技术》的2005年第27卷第11期的第1830页到第1832页，提出了一种依据阻塞矩阵预处理的自适应波束形成方法，该方法通过估计主瓣干扰的方向，设计阻塞矩阵来抑制主瓣干扰，然后再进行常规的自适应波束形成得到自适应天线方向图；该方法能够解决旁瓣电平升高和主波束变形的问题，但是缺点是需要精确估计主瓣干扰的方向。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，能够使得主瓣干扰的抑制获得更好的性能。

实现本发明目的的技术方案是：针对单个主瓣干扰，利用和、差波束对接收信号进行降维处理，之后进行加权滤波操作滤除干扰；针对多个干扰，需要扩展差波束的自由度，然后进行降维，之后进行加权滤波操作滤除干扰。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，建立具有N个阵元的均匀线阵，得到所述均匀线阵的波束指向、波束宽度，且波束主瓣内存在一个目标和至少一个主瓣干扰；获取所述均匀线阵的接收信号；

步骤2，根据所述波束指向和所述波束宽度，确定和波束的权矢量、差波束的权矢量；

步骤3，根据所述和波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经和波束降维之后的信号；根据所述差波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经差波束降维之后的信号；

步骤4，确定滤波权系数，根据所述滤波权系数、所述经和波束降维之后的信号以及所述经差波束降维之后的信号，得到加权输出信号，所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)本发明对和差波束信号进行降维处理后再滤除干扰，不会出现主波束偏移、旁瓣升高以及抑制干扰信号的同时也抑制目标信号等问题；(2)本发明技术方案具有更好的鲁棒性。

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为本发明实施例提供的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的在存在单个主瓣干扰条件下，和、差波束干扰信号的相关性随干扰角度的变化关系示意图；

图4为本发明实施例提供的在存在单个主瓣干扰条件下，输出信干噪比随干扰角度变化的关系示意图；

图5为本发明实施例提供的在存在两个主瓣干扰条件下，输出信干噪比与第二个差波束零深位置的关系示意图；

图6为本发明实施例提供的在存在两个主瓣干扰条件下，滤波输出信干噪比随快拍数变化示意图。

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。

本发明实施例提供一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1，建立具有N个阵元的均匀线阵，得到所述均匀线阵的波束指向、波束宽度，且波束主瓣内存在一个目标和至少一个主瓣干扰；获取所述均匀线阵的接收信号；

如图2所示，为本发明实施例步骤1提供的应用场景示意图。均匀线阵的阵元间距为d，波束指向为θ₀。均匀线阵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，干扰位于天线波束主瓣宽度内。

步骤2，根据所述波束指向和所述波束宽度，确定和波束的权矢量、差波束的权矢量。

步骤3，根据所述和波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经和波束降维之后的信号；根据所述差波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经差波束降维之后的信号。

步骤4，确定滤波权系数，根据所述滤波权系数、所述经和波束降维之后的信号以及所述经差波束降维之后的信号，得到加权输出信号，所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

1、当所述波束主瓣内存在一个目标和一个主瓣干扰时：

步骤1中，所述均匀线阵的接收信号x为：

x＝a(θ_s)s(t)+a(θ_j)j(t)+n(t)

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j(t)为干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_j表示干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_j)表示干扰所在角度方向的阵列导向矢量，且a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取θ_s或者θ_j，n(t)表示均值为0，方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵。

步骤2具体为：

根据所述波束指向θ₀和所述波束宽度θ_3dB，确定和波束的权矢量a_Σ、差波束的权矢量a_△具体为：

其中，a_Σ表示和波束的权矢量，a_△表示差波束的权矢量，θ₀表示均匀线阵的波束指向，θ_3dB为当前波束指向的波束宽度，且a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取或者

步骤3具体为：

根据所述和波束的权矢量a_Σ对所述均匀线阵的接收信号x进行降维，得到经和波束降维之后的信号x_Σ：

根据所述差波束的权矢量a_△对所述均匀线阵的接收信号x进行降维，得到经差波束降维之后的信号x_△：

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j(t)为干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_j表示干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_j)表示干扰所在角度方向的阵列导向矢量，n(t)表示均值为0，方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵；a_Σ表示和波束的权矢量，a_△表示差波束的权矢量，x_Σ表示经和波束降维之后的信号，x_△表示经差波束降维之后的信号，(*)^H表示共轭转置。

步骤4具体为：

一般认为，目标方向更靠近波束指向，即|θ_s-θ₀|<|θ_j-θ₀|。那么此时可以进行加权滤除干扰，假设权系数为W，那么其表达式可以写成：

根据所述滤波权系数W、所述经和波束降维之后的信号x_Σ以及所述经差波束降维之后的信号x_△，得到加权输出信号y：

所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

2、当所述波束主瓣内存在一个目标和K个主瓣干扰时，K>1：

步骤1中，所述均匀线阵的接收信号x为：

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j_k(t)为第k个干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_jk表示第k个干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_jk)表示第k个干扰所在角度方向的阵列导向矢量，n(t)表示均值为0，方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵，k＝1,...,K，K为主瓣干扰的总个数。

步骤2具体为：

根据所述波束指向θ₀和所述波束宽度θ_3dB，确定和波束的权矢量a_Σ为：

此时需要合成多个差波束来扩展自由度，以对消干扰。采用临近波束空间法进行差波束扩展，实际上是将差波束在主瓣宽度内进行平移，其表达式为：

第k个干扰所对应的差波束的权矢量a_△k为：

其中，a_Σ表示和波束的权矢量，a_△k表示第k个干扰所对应的差波束的权矢量，θ₀表示均匀线阵的波束指向，θ_3dB为当前波束指向的波束宽度，△θ_k为第k个干扰所对应的差波束零深位置，△θ_k可任意选择，但须满足|△θ_k|≤θ_3dB/2，a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取或者k＝1,...,K，K为主瓣干扰的总个数。

步骤3具体为：

针对K个干扰，需要K个自由度对干扰进行抑制，此时进行降维的矩阵T可以表示为：

根据所述和波束的权矢量a_Σ、K个干扰所对应的差波束的权矢量a_△1,…,a_△K，构造降维矩阵T：T＝[a_∑,a_△1,…,a_△K]；

从而得到降维之后的信号z：

其中，z_Σ表示经和波束降维之后的信号，z_△表示经差波束降维之后的信号，x表示均匀线阵的接收信号，(*)^H表示共轭转置。

步骤4具体为：

根据最小均方误差准则，确定滤波权系数W：

其中，E[*]表示取均值，[*]^-1表示矩阵的逆；

根据所述滤波权系数W、所述经和波束降维之后的信号z_Σ以及所述经差波束降维之后的信号z_△，得到加权输出信号y：

滤波权系数W的维度与差波束权矢量的维度是对应的，所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

(1)仿真条件：

阵列为均匀线阵，存在32个阵元的，阵元间距为半波长。目标角度为0°，信噪比为5dB。

(2)仿真内容

仿真1，假设空间中包含一个主瓣干扰，其角度为1°，干噪比为30dB。分析和、差波束干扰信号的相关性随干扰角度的变化关系，如图3所示。分析输出信干噪比随干扰角度变化的关系，并与全阵列的SMI算法作比较，如图4所示。

仿真2，假设空间中存在两个主瓣干扰，其角度分别为-1.5°和1°，干噪比均为30dB。由于存在两个干扰，所以需要构造2个差波束，其中一个差波束零深对准0°方向，另外一个差波束需要进行平移构造。此时计算输出SINR与第二个差波束零深位置△θ的关系，如图5所示。

仿真3，一般假设训练权值的样本中只包含干扰和噪声信号，这里考虑训练权值的样本中也包含目标信号，此时分析滤波输出信干噪比随快拍数变化的关系，并与全阵列的SMI算法进行对比，如图6所示。

(3)仿真结果分析

从图3可以看出，当干扰角度越靠近0°，和、差波束的干扰信号的相关性越差，对应图4中此时的干扰抑制性能越差。另外，当干扰角度越靠近零度时，和差波束法相对于SMI算法的提升不明显。而当干扰角度与目标角度较远时，此时和差波束法相对于SMI算法的提升很明显。

从图5可以看出，当差波束零深位置越接近于目标方向时，取得的输出信干噪比越大，此时对抗主瓣干扰的性能越好。

从图6可以看出，采用和、差波束对抗主瓣干扰可以获得更好的性能。另外，当训练权值样本中包含目标信号时，采用SMI算法的性能损失严重，而利用和、差波束方法的损失较小，可以看出和、差波束法具有更好的鲁棒性。

综合以上分析可以得出如下结论：本发明在对抗主瓣干扰时能保持很好的性能，并且具有更好的鲁棒性。

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 (9)

1.一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，建立具有N个阵元的均匀线阵，并分别得到所述均匀线阵的波束指向、波束宽度，且波束主瓣内存在一个目标和至少一个主瓣干扰；获取所述均匀线阵的接收信号；

步骤2，根据所述波束指向和所述波束宽度，分别确定和波束的权矢量、差波束的权矢量；

步骤3，根据所述和波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经和波束降维之后的信号；根据所述差波束的权矢量对所述均匀线阵的接收信号进行降维，得到经差波束降维之后的信号；

步骤4，确定滤波权系数，根据所述滤波权系数、所述经和波束降维之后的信号以及所述经差波束降维之后的信号，得到加权输出信号，所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和一个主瓣干扰时，步骤1中，所述均匀线阵的接收信号x为：

x＝a(θ_s)s(t)+a(θ_j)j(t)+n(t)

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j(t)为干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_j表示干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_j)表示干扰所在角度方向的阵列导向矢量，且a(θ)＝[1,exp(j2πd sinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取θ_s或者θ_j，n(t)表示均值为0、方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵，t为时间变量，λ表示雷达发射信号的波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和一个主瓣干扰时，步骤2具体为：

根据所述波束指向θ₀和所述波束宽度θ_3dB，分别确定和波束的权矢量a_Σ、差波束的权矢量a_△，其具体为：

其中，a_Σ表示和波束的权矢量，a_△表示差波束的权矢量，θ₀表示均匀线阵的波束指向，θ_3dB为当前波束指向的波束宽度，

且a(θ)＝[1,exp(j2πd sinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取或者λ表示雷达发射信号的波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和一个主瓣干扰时，步骤3具体为：

根据所述和波束的权矢量a_Σ对所述均匀线阵的接收信号x进行降维，得到经和波束降维之后的信号x_Σ：

根据所述差波束的权矢量a_△对所述均匀线阵的接收信号x进行降维，得到经差波束降维之后的信号x_△：

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j(t)为干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_j表示干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_j)表示干扰所在角度方向的阵列导向矢量，n(t)表示均值为0、方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵；a_Σ表示和波束的权矢量，a_△表示差波束的权矢量，x_Σ表示经和波束降维之后的信号，x_△表示经差波束降维之后的信号，(*)^H表示共轭转置。

5.根据权利要求4所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和一个主瓣干扰时，步骤4具体为：

确定滤波权系数W：

根据所述滤波权系数W、所述经和波束降维之后的信号x_Σ以及所述经差波束降维之后的信号x_△，得到加权输出信号y：

所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和K个主瓣干扰时，K>1，步骤1中，所述均匀线阵的接收信号x为：

其中，x表示均匀线阵的接收信号，s(t)为目标信号，j_k(t)为第k个干扰信号，θ_s表示目标所在角度，θ_jk表示第k个干扰所在角度，a(θ_s)表示目标所在角度方向的阵列导向矢量，a(θ_jk)表示第k个干扰所在角度方向的阵列导向矢量，n(t)表示均值为0、方差为σ²I的加性高斯白噪声，I为单位阵，k＝1,...,K，K为波束主瓣包含的干扰总个数。

7.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和K个主瓣干扰时，K>1，步骤2具体为：

根据所述波束指向θ₀和所述波束宽度θ_3dB，确定和波束的权矢量a_Σ为：

第k个干扰所对应的差波束的权矢量a_△k为：

其中，a_Σ表示和波束的权矢量，a_△k表示第k个干扰所对应的差波束的权矢量，θ₀表示均匀线阵的波束指向，θ_3dB为当前波束指向的波束宽度，△θ_k为第k个干扰所对应的差波束零深位置，

且|△θ_k|≤θ_3dB/2，a(θ)＝[1,exp(j2πd sinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]，θ取或者K为主瓣干扰的总个数，λ表示雷达发射信号的波长。

8.根据权利要求1所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和K个主瓣干扰时，K>1，步骤3具体为：

根据所述和波束的权矢量a_Σ、K个干扰所对应的差波束的权矢量a_△1,…,a_△K，构造降维矩阵T：T＝[a_∑,a_△1,…,a_△K]；

从而得到降维之后的信号z：

其中，z_Σ表示经和波束降维之后的信号，z_△表示经差波束降维之后的信号，x表示均匀线阵的接收信号，(*)^H表示共轭转置。

9.根据权利要求8所述的一种基于和差波束降维的主瓣干扰抑制方法，其特征在于，当所述波束主瓣内存在一个目标和K个主瓣干扰时，K>1，步骤4具体为：

确定滤波权系数W：

其中，E[*]表示取均值，[*]^-1表示矩阵的逆；

根据所述滤波权系数W、所述经和波束降维之后的信号z_Σ以及所述经差波束降维之后的信号z_△，得到加权输出信号y：

所述加权输出信号为对所述均匀线阵的接收信号进行主瓣干扰抑制后信号。