CN107561507B - 一种外辐射源雷达的杂波对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术，公开了一种外辐射源雷达的杂波对消方法，包括：将外辐射源雷达天线接收到的参考信号进行延时，得到参考信号及其延时构成的滑动参考矩阵，将得到的滑动参考矩阵划分为若干子矩阵；然后，逐次求解回波信号在所述滑动参考子矩阵中的投影，并迭代作差得到纯净的目标回波信号；最后，将参考信号与所得纯净目标回波信号进行距离‑多普勒二维相关处理以提高目标回波的能量，得到目标信息；能够降低杂波对消算法的运算量，缩短运算时间，提高系统的实时性能。

Description

一种外辐射源雷达的杂波对消方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种外辐射源雷达的杂波对消方法。

背景技术

外辐射源雷达是双/多基地雷达的一种特例，其自身不主动向外界发射电磁波，而是利用第三方非合作的商用/民用辐射源(如调频台、电视台、手机基站等)作为机会照射源，实现对目标的探测、定位和跟踪，具有生存能力强、反隐身、抗低空突防及成本低等优势。

外辐射源雷达一般由两套天线系统构成，其中一套为参考接收天线，用来接收直达波；另一套为回波接收天线，主要用于接收目标回波信号，但不可避免地接收来自机会照射源的直达波信号和经地面建筑等反射的多路径等杂波信号。这些杂波信号的能量往往强于目标回波信号，因此在目标检测之前，需要利用杂波对消方法来抑制回波信号中的强杂波信号。

常规的杂波对消方法一般为直接矩阵求逆算法，该方法通过构建参考信号及其时延张成的滑动参考矩阵，计算回波信号在滑动参考矩阵上的投影来估计回波信号中的杂波，然后通过原始的回波信号与投影后的结果作差消去杂波，上述过程中涉及到大规模的矩阵求逆运算，且矩阵求逆的运算量随矩阵规模的增加而变大，使得杂波对消算法的运算时间长，实时性差。

发明内容

针对上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种外辐射源雷达的杂波对消方法，能够降低杂波对消算法的运算量，缩短运算时间，提高系统的实时性能。

本发明基本思路是：首先，将外辐射源雷达天线接收到的参考信号进行延时，得到参考信号及其延时构成的滑动参考矩阵，将得到的滑动参考矩阵划分为若干子矩阵；然后，逐次求解回波信号在所述滑动参考子矩阵中的投影，并迭代作差得到纯净的目标回波信号；最后，将参考信号与所得纯净目标回波信号进行距离-多普勒二维相关处理以提高目标回波的能量，得到目标信息。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种外辐射源雷达的杂波对消方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取外辐射源雷达接收到的信号，所述外辐射源雷达接收到的信号包含参考信号S＝[s(1),s(2),...,s(n),...s(N)]和回波信号T＝[t(1),t(2),...,t(n),...t(N)]；所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向辐射源，所述参考天线接收到的信号记为参考信号，所述接收天线指向观测区，所述接收天线接收到的信号记为回波信号；其中，s(n)表示参考信号的第n个采样点元素，t(n)表示回波信号的第n个采样点元素，n＝1,2,…,N，N为正整数，N表示信号总采样点数；

步骤2，设置最大时延值K，根据所述参考信号和所述最大时延值，得到参考信号的多个时延信号；将所述参考信号和所述参考信号的多个时延信号构造成参考滑动矩阵V，所述参考滑动矩阵V为N行K列；其中，K为大于或者等于1的整数；

步骤3，将所述参考滑动矩阵V划分为I个参考子矩阵，第i个参考子矩阵记为V_i，i＝1,2,…,I，每个参考子矩阵为N行M列，其中，M＝K/I，1≤I<K；

步骤4，计算回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i＝(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1，并根据回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i得到回波信号在第i个参考子矩阵上的投影结果P_i＝V_i×W_i；

进而得到第i次迭代后纯净的目标回波信号T′_i:

T′_i＝T′_i-1-P_i＝T′_i-1-V_i×W_i＝T′_i-1-V_i(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1

其中，当i＝1时，T′_i-1＝T′₀＝T，i的初值为1，i＝1,2,…,I；

步骤5，令i的值加1，重复执行步骤4，直到得到第I次迭代后纯净的目标回波信号T′_I，记为杂波对消后的目标回波信号T′。

本发明与现有技术相比具有以下优点：现有技术利用直接矩阵求逆的方法进行杂波对消时，运算复杂度较高，本发明通过分批进行杂波对消，降低了求逆矩阵的阶数，缩短了运算时间，提高了运算效率，保证了系统的实时性。

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为本发明实施例中外辐射源雷达基地配置示意图；

图2为本发明实施例提供的外辐射源雷达的杂波对消方法的流程示意图；

图3为仿真实验中采用常规直接矩阵求逆的杂波对消方法结果对比示意图；

图4为仿真实验中采用本发明的外辐射源雷达杂波对消方法结果对比示意图。

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。

首先，对本发明实施例的应用场景进行简要介绍：

如图1所示，第三方辐射源设置于外辐射源雷达接收站的远场作为发射站发射电磁波信号，部分电磁波信号会照射在目标上形成反射波，部分电磁波信号则会直接照射在外辐射源雷达上形成直达波(也称参考信号)，还有一部分电磁波信号会照射在周边障碍物上形成多径信号和其他杂波。外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，其中，参考天线指向辐射源，接收天线指向目标所在的观测区。外辐射源雷达工作时，通过接收天线接收反射波、直达波、多径信号和其他杂波(外辐射源雷达通过接收天线接收的这些信号又称为回波信号)，通过参考天线接收直达波，以所接收到的回波信号和参考信号为依据，对目标的相关参数进行估计，即可实现对目标的探测、跟踪及定位。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种外辐射源雷达的杂波对消方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取外辐射源雷达接收到的信号，所述外辐射源雷达接收到的信号包含参考信号S＝[s(1),s(2),...,s(n),...s(N)]和回波信号T＝[t(1),t(2),...,t(n),...t(N)]；所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向辐射源，所述参考天线接收到的信号记为参考信号，所述接收天线指向观测区，所述接收天线接收到的信号记为回波信号；其中，s(n)表示参考信号的第n个采样点元素，t(n)表示回波信号的第n个采样点元素，n＝1,2,…,N，N为正整数，N表示信号总采样点数。

步骤2，设置最大时延值K，根据所述参考信号和所述最大时延值，得到参考信号的多个时延信号；将所述参考信号和所述参考信号的多个时延信号构造成参考滑动矩阵V，所述参考滑动矩阵V为N行K列；其中，K为大于或者等于1的整数。

最大时延值K的设置可根据经验值灵活选取。

步骤2中，所述参考滑动矩阵V表示为：

其中，参考滑动矩阵V中，第一列元素为参考信号S，第二列元素为参考信号S时延一个单元后的信号，第K列元素为参考信号S时延K-1个单元后的信号。

需要说明的是，参考滑动矩阵V的构造需要考虑杂波分布。杂波强度随着距离增加而衰减，距离接收站较近处的杂波比较强，距离接收站较远处杂波比较弱。由于一次时延代表一个距离单元，因此参考滑动矩阵的列向量表示单位距离单元内的杂波强度，因而根据杂波强度从大到小将列向量进行排序，构建滑动参考矩阵，使得分段后多次对消时，本次对消的对消比大于后一次的对消比，以此类推。

步骤3，将所述参考滑动矩阵V划分为I个参考子矩阵，第i个参考子矩阵记为V_i，i＝1,2,…,I，每个参考子矩阵为N行M列，其中，M＝K/I，1≤I<K。

还需要说明的是，对滑动参考矩阵进行分段时，需要考虑杂波分布以及探测目标的距离单元数，将杂波强度相近的列向量划分在同一个子矩阵中，把滑动参考矩阵分为I个N×M阶参考子矩阵，从而使对消性能和运算速度达到最优，其中，M＝K/I，M取值为正整数，由此得到I个参考子矩阵V₁,V₂,…,V_I。

步骤4，计算回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i＝(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1，并根据回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i得到回波信号在第i个参考子矩阵上的投影结果P_i＝V_i×W_i；

进而得到第i次迭代后纯净的目标回波信号T′_i:

T′_i＝T′_i-1-P_i＝T′_i-1-V_i×W_i＝T′_i-1-V_i(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1

其中，当i＝1时，T′_i-1＝T′₀＝T，i的初值为1，i＝1,2,…,I。

步骤5，令i的值加1，重复执行步骤4，直到得到第I次迭代后纯净的目标回波信号T′_I，记为杂波对消后的目标回波信号T′。

步骤5中，重复执行步骤4，直到得到第I次迭代后纯净的目标回波信号T′_I，具体为：

W₁＝(V₁ ^HV₁)^-1V₁ ^HT′₀ P₁＝V₁×W₁

T′₁＝T-P₁＝T-V₁(V₁ ^HV₁)^-1V₁ ^HT′₀

W₂＝(V₂ ^HV₂)^-1V₂ ^HT′₁ P₂＝V₂×W₂

T′₂＝T′₁-P₂＝T′₁-V₂(V₂ ^HV₂)^-1V₂ ^HT′₁

W_i＝(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1 P_i＝V_i×W_i

T′_i＝T′_i-1-P_i＝T′_i-1-V_i(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1

T′_I＝T′_I-1-P_I＝T′_I-1-V_I(V_I ^HV_I)^-1V_I ^HT′_I-1

步骤6，将所述杂波对消后的目标回波信号T′与参考信号S进行距离-多普勒二维相关，得到目标检测结果。

步骤6中，将所述杂波对消后的目标回波信号T′与参考信号S进行距离-多普勒二维相关，得到目标检测结果ξ[l,p]，具体为：

其中，t′(n)表示杂波对消后的目标回波信号T′的第n个采样点元素，n＝1,2,…,N，l表示时延单元，p表示多普勒频移单元，(·)^*表示求共轭运算。

基于本发明实施例提供的一种外辐射源雷达的杂波对消方法，通过对杂波对消常规算法中的直接矩阵求逆算法进行改进，将参与计算的矩阵划分为若干子矩阵，能够降低杂波对消方法的运算量，避免大规模矩阵求逆运算。因此相比于现有杂波对消方法，能够有效缩短运算时间，提高系统的实时性能。

以下，通过仿真实验进一步说明本发明的上述效果：

1)仿真实验场景

具体实验场景可参考图1，其中，以调频广播信号作为辐射源信号，设置3个待检测目标，并将3个待检测目标与外辐射源雷达接收机的距离分别设置为94.8km、42km、140.4km，对应的多普勒频移分别设置为-33Hz、30Hz、-66Hz，信噪比分别设置为-17.9dB、-18.3dB、-17.8dB。

2)仿真内容

仿真内容可分为以下两个部分：

①采用现有技术中的直接矩阵求逆算法进行杂波对消，检测3个待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的3个尖峰(也即检测得到的目标的信息)。

②采用本发明实施例提供的改进方法进行杂波对消，确定3个待检测目标的距离，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的3个尖峰。

3)仿真结果分析：

图3所示为采用直接矩阵求逆算法进行杂波对消后的结果图。其中，图3(a)为多普勒维的检测结果图，图3(b)为距离维的检测结果图。观察图3(a)和图3(b)，容易看出，采用直接矩阵求逆算法能较好的消除杂波，能够较准确的获得目标的距离、多普勒频移以及幅度。采用该算法进行对消的时间为11.213510秒，对消比为34.7415。

图4所示为采用本发明实施例提供的改进方法进行杂波对消后的结果图。其中，图4(a)为多普勒维的检测结果图，图4(b)为距离维的检测结果图。观察图4(a)和图4(b)，容易看出，采用本发明实施例提供的改进方法消除杂波，能够较准确的获得目标的距离、多普勒频移以及幅度。采用该算法进行对消的时间为10.569105秒，对消比为34.7502。

图3和图4说明，两种方法进行杂波对消的结果基本没有差别，比较两种方法所用时间，改进方法所用时间要比直接矩阵求逆方法所用时间短，且二者对消比差别不大。

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 (3)

1.一种外辐射源雷达的杂波对消方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取外辐射源雷达接收到的信号，所述外辐射源雷达接收到的信号包含参考信号S＝[s(1),s(2),...,s(n),...s(N)]和回波信号T＝[t(1),t(2),...,t(n),...t(N)]；所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向辐射源，所述参考天线接收到的信号记为参考信号，所述接收天线指向观测区，所述接收天线接收到的信号记为回波信号；其中，s(n)表示参考信号的第n个采样点元素，t(n)表示回波信号的第n个采样点元素，n＝1,2,…,N，N为正整数，N表示信号总采样点数；

步骤2，设置最大时延值K，根据所述参考信号和所述最大时延值，得到参考信号的多个时延信号；将所述参考信号和所述参考信号的多个时延信号构造成参考滑动矩阵V，所述参考滑动矩阵V为N行K列；其中，K为大于或者等于1的整数；

步骤3，将所述参考滑动矩阵V划分为I个参考子矩阵，第i个参考子矩阵记为V_i，i＝1,2,…,I，每个参考子矩阵为N行M列，其中，M＝K/I，1≤I<K；

步骤4，计算回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i＝(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1，并根据回波信号T在第i个参考子矩阵上的投影系数W_i得到回波信号在第i个参考子矩阵上的投影结果P_i＝V_i×W_i；

进而得到第i次迭代后纯净的目标回波信号T′_i：

T′_i＝T′_i-1-P_i＝T′_i-1-V_i×W_i＝T′_i-1-V_i(V_i ^HV_i)^-1V_i ^HT′_i-1

其中，当i＝1时，T′_i-1＝T′₀＝T，i的初值为1，i＝1,2,…,I；

步骤5，令i的值加1，重复执行步骤4，直到得到第I次迭代后纯净的目标回波信号T′_I，记为杂波对消后的目标回波信号T′；

将所述杂波对消后的目标回波信号T′与参考信号S进行距离-多普勒二维相关，得到目标检测结果ξ[l,p]，具体为：

其中，t′(n)表示杂波对消后的目标回波信号T′的第n个采样点元素，n＝1,2,…,N，l表示时延单元，p表示多普勒频移单元，(·)^*表示求共轭运算。

2.根据权利要求1所述的一种外辐射源雷达的杂波对消方法，其特征在于，步骤2中，所述参考滑动矩阵V表示为：

其中，参考滑动矩阵V中，第一列元素为参考信号S，第二列元素为参考信号S时延一个单元后的信号，第K列元素为参考信号S时延K-1个单元后的信号。

3.根据权利要求1所述的一种外辐射源雷达的杂波对消方法，其特征在于，步骤5中，重复执行步骤4，直到得到第I次迭代后纯净的目标回波信号T′_I，具体为：

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