CN108594186A - Fda-mimo雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种频率分集阵多输入多输出FDA‑MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，主要解决现有雷达体制难以实现抑制来自主瓣方向的欺骗性干扰的问题。其实现步骤是：1.构建频率分集阵多输入多输出FDA‑MIMO雷达联合发射‑接收空间频率；2.构造联合发射‑接收空间频率域补偿矢量，对发射空间频域进行补偿；3.求解由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值；4.获得补偿后的匹配滤波输出信号。本发明充分利用了频率分集阵FDA的额外距离维可控自由度，可用于抑制主瓣欺骗式干扰。

Description

FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法
技术领域
本发明属于电通信技术领域，更进一步涉及数字信息的传输的一种频率分集阵多输入多输出FDA(Frequency Diverse Array)-MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法。本发明可用于抑制来自雷达天线主瓣方向的欺骗式干扰，提高雷达在电子战中的性能。
背景技术
雷达干扰和抗干扰之间的斗争日趋激烈和复杂。其中，欺骗式干扰通过辐射类似于目标回波的电磁波，诱使雷达系统把虚假目标当成真实目标来处理，影响其对真实目标的参数估计与跟踪，对雷达的战场生存能力造成巨大威胁。实际上，传统雷达缺乏有效的系统自由度来区分真实目标和主瓣方向的虚假目标。因此如何对抗的欺骗式干扰，尤其是从雷达天线主瓣进入的有源欺骗式干扰，已成为一个亟待解决的课题。
许京伟等人在其发表的论文“Deceptive jamming suppression with frequencydiverse MIMO radar”(Signal Processing,2015,115:9-17)中公开了一种抑制欺骗式干扰的方法。该方法利用FDA的距离维自由度在发射空域频率域区分真实目标与欺骗式干扰，并提出了基于直接数据域的稳健距离角度二维波束形成方法，欺骗式干扰通过距离角度二位匹配滤波后由于在距离维的失配而被抑制。该方法存在的不足之处是，仅考虑由同一假目标产生器(FTG)产生的假目标具有相同的导向矢量这一特殊情况，不具有普遍适用性。
电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于波形捷变的抗雷达有源欺骗干扰方法”(专利申请号：201510422983.2，公开号：105068057A)中提出了一种基于波形捷变的抗雷达有源欺骗干扰方法。该发明通过构造每个发射周期的信号都随机变化的波形，用当前发射周期信号做匹配滤波参考函数时，实现目标信号匹配，干扰信号失配，抑制掉干扰信号能被较好的抑制掉。该发明将一组发射信号作为一个匹配滤波周期，使得发射的信号随机性更强，提升抗干扰能力。但是，该方法利用波形之间的正交性不能解决密集假目标干扰抑制的问题。
发明内容
本发明的目的是针对雷达系统主瓣干扰抑制的难题，提出了一种频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，实现主瓣方向的距离欺骗式干扰抑制，提高雷达在电子战中的生存能力。
实现本发明目的的思路是：利用频率分集阵FDA的距离维自由度，将雷达目标检测角度一维空间扩展到距离-角度二维空间。根据FTG对截获的雷达信号进行延迟转发形成具有不同距离频率的假目标。由于真、假目标发射空间频率不同，利用频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标和假目标的等效的发射端导向矢量之间的差异，在联合发射-接收频域上进行真、假目标的分辨。并根据真实目标的主值距离构造补偿矢量，对发射空间频率进行补偿。由于假目标在距离维上不匹配，可通过距离-角度二维自适应匹配滤波来实现主瓣欺骗式干扰的抑制。
实现本发明目的的具体步骤如下：
(1)构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达联合发射-接收空间频率：
(1a)根据雷达阵列的几何结构以及目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量；
(1b)从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出目标的发射空间频率和接收空间频率；
(1c)根据雷达阵列的几何结构以及每个目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达每个假目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量；
(1d)从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出每个假目标的发射空间频率和接收空间频率；
(2)构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量：
(2a)按照下式，构建雷达发射端频率补偿量：
其中，fC表示雷达发射端频率补偿量，r0表示目标在一个脉冲内由距离门号和距离门大小决定的主值距离，Δf表示频率步进量，c表示光速；
(2b)利用发射频率补偿量分别对真实目标和每一个假目标的发射空间频率进行补偿；
(2d)按照下式，根据雷达发射端频率补偿量构建发射端补偿矢量：
其中，h表示发射端补偿矢量，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，T表示转置操作；
(2e)按照下式，构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量：
其中，g表示联合发射-接收空间频率域补偿矢量，1N×1表示全1的列矢量，N表示接收端雷达天线的阵元总数，表示克罗内克Kronecker积操作，M表示发射端雷达天线的阵元总数；
(3)按照下式，由稳健自适应波束形成器的约束条件计算权值：
其中，w表示由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值，表示取函数最小值时对应的由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值w的值，Q表示干扰加噪声协方差矩阵，H表示共轭转置操作，u表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达虚拟导向矢量，ε表示由导向矢量中不确定因素所组成的矢量；
(4)获得补偿后的匹配滤波输出信号：
(4a)按照下式，计算频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量：
其中，x表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量，ξS表示目标对雷达信号的反射系数，b(θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的接收端导向矢量，θ0表示目标相对于法线方向的角度，a(R0,θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，R0表示目标相对于雷达的距离，ξJ表示第l个假目标对雷达信号的反射系数，∑表示求和操作，l＝1,2,…,L，L表示假目标的总数，b(θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的接收端导向矢量，θl表示第l个假目标相对于法线方向的角度，a(Rl,θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量，Rl表示第l个假目标相对于雷达的距离，n表示高斯白噪声的矢量；
(4b)按照下式，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量进行补偿：
其中，xC表示对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据进行补偿后的矢量，表示哈达马Hardmard积操作，a1(R0,θ0)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，a2(Rl,θl)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量；
(4c)按照下式，得到补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号：
y＝wHxC
其中，y表示补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明通过利用频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标和假目标的等效的发射端导向矢量之间的差异，克服了现有技术仅考虑由同一FTG产生的假目标具有相同的导向矢量这一特殊情况不具有普遍适用性的缺点，使得本发明实现了在联合发射-接收空间频率上的真实目标和假目标的分辨。
第二，本发明通过对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量进行补偿，并利用由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值，得到补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号，克服了现有技术利用波形之间的正交性不能解决密集假目标干扰抑制的缺点。使得本发明实现了主瓣欺骗式干扰的抑制。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明仿真中的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域的功率谱目标和假目标分布情况；
图3是本发明仿真中的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域的目标和假目标波束形成情况；
图4是本发明仿真中的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达的距离角度二维匹配滤波输出结果图；
图5是本发明仿真中的不同体制雷达的距离角度二维匹配滤波输出结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图本发明的实施例及效果作进一步详细描述。
参照附图1，对本发明的具体实现步骤作进一步详细描述。
步骤1，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达联合发射-接收空间频率。
按照下式，根据雷达阵列的几何结构以及目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量：
其中，a(R0,θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，R0表示目标相对于雷达的距离，θ0表示目标相对于法线方向的角度，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，Δf表示频率步进量，c表示光速，d表示雷达天线的阵元间距，λ0表示雷达信号的波长，T表示转置操作，b(θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的接收端导向矢量。
按照下式，从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出目标的发射空间频率和接收空间频率：
其中，fT表示目标的发射空间频率，fR表示目标的接收空间频率。
按照下式，根据雷达阵列的几何结构以及每个目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达每个假目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量：
其中，a(Rl,θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量，l＝1,2,…,L，L表示假目标的总数，Rl表示第l个假目标相对于雷达的距离，θl表示第l个假目标相对于法线方向的角度，b(θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的接收端导向矢量。
按照下式，从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出每个假目标的发射空间频率和接收空间频率：
其中，fTl表示第l个假目标的发射空间频率，fRl表示第l个假目标的接收空间频率。
步骤2，构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量。
按照下式，构建雷达发射端频率补偿量：
其中，fC表示雷达发射端频率补偿量，r0表示目标在一个脉冲内由距离门号和距离门大小决定的主值距离，Δf表示频率步进量，c表示光速。
利用发射频率补偿量分别对真实目标和每一个假目标的发射空间频率进行补偿。
按照下式，根据雷达发射端频率补偿量构建发射端补偿矢量：
其中，h表示发射端补偿矢量，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，T表示转置操作。
按照下式，构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量：
其中，g表示联合发射-接收空间频率域补偿矢量，1N×1表示全1的列矢量，N表示接收端雷达天线的阵元总数，表示克罗内克Kronecker积操作，M表示发射端雷达天线的阵元总数。
步骤3，按照下式，由稳健自适应波束形成器的约束条件计算权值。
其中，w表示由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值，表示取函数最小值时对应的由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值w的值，Q表示干扰加噪声协方差矩阵，H表示共轭转置操作，u表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达虚拟导向矢量，ε表示由导向矢量中不确定因素所组成的矢量。
步骤4，获得补偿后的匹配滤波输出信号。
按照下式，计算频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量：
其中，x表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量，ξS表示目标对雷达信号的反射系数，ξJ表示第l个假目标对雷达信号的反射系数，∑表示求和操作，n表示高斯白噪声的矢量。
按照下式，利用雷达发射端频率补偿量分别对目标和每一个假目标的发射空间频率进行补偿：
fT-C＝fT+fC
f′T-C＝fTl+fC
其中，fT-C表示补偿后的目标的发射空间频率，f′T-C表示补偿后的每个假目标的发射空间频率。
按照下式，构建补偿后的真实目标的发射导向矢量和第l个假目标的发射导向矢量：
a1(R0,θ0)＝[1,exp{j2πfT-C},…,exp{j2π(M-1)fT-C}]T
a2(Rl,θl)＝[1,exp{j2πf′T-C},…,exp{j2π(M-1)f′T-C}]T
按照下式，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量进行补偿：
其中，xC表示对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据进行补偿后的矢量，表示哈达马Hardmard积操作，a1(R0,θ0)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，a2(Rl,θl)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量。
按照下式，得到补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号：
y＝wHxC
其中，y表示补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号。
下面结合仿真图对本发明做进一步的描述。
1.仿真参数：
假设接收角度为0度，即法线方向，阵元数M＝N，假目标1和假目标2由FTG1产生，假目标3由FTG2产生。其余仿真参数如表1：
表1仿真参数一览表
2.仿真内容与结果分析：
仿真1，在上述表1的仿真参数下，采用本发明技术，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率下功率谱真目标与假目标的分布情况进行了仿真，结果如图2所示。
图2圈中的亮点表示真实目标，其余三个亮点表示三个假目标。在对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域进行补偿后，真目标与假目标在发射-接收二维域内具有可分辨性。由此可见，本发明可以在发射-接收二维域内对于处于同一距离门的真实目标和假目标2进行区分。
仿真2，在上述表1的仿真参数下，采用本发明技术，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域的真目标和假目标波束形成情况进行了仿真，结果如图3所示。
由图3可以看出，频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达信号经过距离角度二维自适应波束形成器，可以形成同时依赖于距离角度的二维波束形成方向图，圈中的真实目标获得最大输出。由此可见，本发明可以在发射-接收二维域内对真实目标进行分辨。
仿真3，在上述表1的仿真参数下，采用本发明技术，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达距离-角度二维匹配滤波输出进行仿真，结果如图4所示。
由图4可以看出，圈中的亮点表示真实目标的输出。通过在距离角度二维域内进行搜索，频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达补偿后的信号经过距离-角度二维匹配滤波后，真实目标在距离角度平面上被检测出来，而假目标信号由于距离维的失配而被抑制。由此可见，本发明实现了主瓣欺骗式干扰的抑制。
仿真4，在上述表1的仿真参数下，采用本发明技术，对单输入单输出SISO(Single-Input and Single-Output)雷达、多输入多输出MIMO雷达以及频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达距离-角度二维匹配滤波的输出在0°剖面进行了对比仿真，结果如图5所示。
图5圈中的真实目标表示获得最大的输出功率。图5中的虚线表示单输入单输出SISO雷达的匹配滤波输出曲线。单输入单输出SISO雷达同时缺乏角度和距离维的自由度，目标检测的虚警率较高，在假目标处仍有较高的输出功率。图5中的点虚线表示多输入多输出MIMO雷达的匹配滤波输出曲线。由于多输入多输出MIMO雷达没有距离维自由度，所以仅靠角度维自由度没有抑制距离欺骗式干扰信号。图5中的加星号实线表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达的匹配滤波输出曲线。频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达同时具有角度和距离维的自由度，经过距离-角度二维匹配滤波后，真实目标获得最大输出，而假目标由于距离维的失配而被抑制。由此可见，本发明有效的抑制了主瓣欺骗式干扰。

Claims (4)

1.一种频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达联合发射-接收空间频率：
(1a)根据雷达阵列的几何结构以及目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量；
(1b)从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出目标的发射空间频率和接收空间频率；
(1c)根据雷达阵列的几何结构以及每个目标的角度和距离，考虑信号在传播过程中的相位变化关系，构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达每个假目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量；
(1d)从频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量中，提取出每个假目标的发射空间频率和接收空间频率；
(2)构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量：
(2a)按照下式，构建雷达发射端频率补偿量：
其中，fC表示雷达发射端频率补偿量，r0表示目标在一个脉冲内由距离门号和距离门大小决定的主值距离，Δf表示频率步进量，c表示光速；
(2b)利用发射频率补偿量分别对真实目标和每一个假目标的发射空间频率进行补偿；
(2d)按照下式，根据雷达发射端频率补偿量构建发射端补偿矢量：
其中，h表示发射端补偿矢量，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，T表示转置操作；
(2e)按照下式，构造联合发射-接收空间频率域补偿矢量：
其中，g表示联合发射-接收空间频率域补偿矢量，1N×1表示全1的列矢量，N表示接收端雷达天线的阵元总数，表示克罗内克Kronecker积操作，M表示发射端雷达天线的阵元总数；
(3)按照下式，由稳健自适应波束形成器的约束条件计算权值：
其中，w表示由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值，表示取函数最小值时对应的由稳健自适应波束形成器的约束条件得到的权值w的值，Q表示干扰加噪声协方差矩阵，H表示共轭转置操作，u表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达虚拟导向矢量，ε表示由导向矢量中不确定因素所组成的矢量；
(4)获得补偿后的匹配滤波输出信号：
(4a)按照下式，计算频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量：
其中，x表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量，ξS表示目标对雷达信号的反射系数，b(θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的接收端导向矢量，θ0表示目标相对于法线方向的角度，a(R0,θ0)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，R0表示目标相对于雷达的距离，ξJ表示第l个假目标对雷达信号的反射系数，∑表示求和操作，L表示假目标的总数，b(θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的接收端导向矢量，θl表示第l个假目标相对于法线方向的角度，a(Rl,θl)表示频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量，Rl表示第l个假目标相对于雷达的距离，n表示高斯白噪声的矢量；
(4b)按照下式，对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据的矢量进行补偿：
其中，xC表示对频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达接收端经过匹配滤波后的接收数据进行补偿后的矢量，表示哈达马Hardmard积操作，a1(R0,θ0)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量，a2(Rl,θl)表示补偿后的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达第l个假目标的等效的发射端导向矢量；
(4c)按照下式，得到补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号：
y＝wHxC
其中，y表示补偿后的匹配滤波输出的只含有目标分量而干扰被抑制的信号。
2.根据权利要求1所述的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，其特征在于：步骤(1a)中所述的构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量的表达式如下：
其中，d表示雷达天线的阵元间距，λ0表示雷达信号的波长，sin表示取正弦操作。
3.根据权利要求1所述的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，其特征在于：步骤(1c)中所述的构建频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达每个假目标的等效的发射端导向矢量和接收端导向矢量的表达式如下：
。
4.根据权利要求1所述的频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，其特征在于：步骤(4b)中所述的补偿后的真实目标的发射导向矢量和第l个假目标的发射导向矢量的表达式如下：
a1(R0,θ0)＝[1,exp{j2πfT-C},…,exp{j2π(M-1)fT-C}]T
a2(Rl,θl)＝[1,exp{j2πf′T-C},…,exp{j2π(M-1)f′T-C}]T
其中，fT-C表示补偿后的目标的发射空间频率，f′T-C表示补偿后的每个假目标的发射空间频率。
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