CN108627806A - 基于对数频偏频率分集阵列自适应抗空间分布干扰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对数频偏频率分集阵列自适应抗空间分布干扰的方法，主要解决现有固定频偏频率分集阵列的距离维周期性谱峰导致抗干扰性能下降的问题，其实现方案是：首先构造对数频偏频率分集阵列，并利用该阵列发射信号；再对接收信号进行分离和重排后提取出接收端归一化导向矢量；然后根据归一化导向矢量和接收数据自相关矩阵，利用线性最小约束方差准则得到自适应波束形成权矢量；最后利用自适应波束形成权矢量进行波束形成，得到的方向图在实现对抗空间分布干扰的同时，保证波束谱峰与目标位置的单一映射。本发明能在对抗空间分布干扰的同时保证波束谱峰与目标位置单一对应，可用于目标跟踪。

Description

基于对数频偏频率分集阵列自适应抗空间分布干扰的方法
技术领域
本发明属于雷达抗干扰技术领域，进一步涉及一种对空间分布干扰的抑制方法，可用于目标跟踪。
背景技术
电子干扰作为电子进攻中的重要组成部分，近年来发展迅速，形式多样。随着无人机、飞艇等的发展，以其作为载体的小型干扰机被广泛利用，数量众多的小型干扰机在空间形成的分布式干扰对雷达的正常工作带来严重威胁。亟需找到有效对抗空间分布干扰的方法做出应对。
频率分集阵列是一种较为新型的阵列体制，最简单的模型是在阵元均匀分布的线性阵列的基础上，在相邻阵元的发射载频间引入一个固定的频率偏移量，该频率偏移量远小于基准载频，从而形成阵元发射信号的载频按照阵元顺序依次递增的线性阵列。频率分集阵列中频率偏移量的引入，等效在发射端增加了随时间变化的发射权值，使阵列天线获得了距离可控自由度，使其发射方向图不再像传统相控阵天线发射方向图一样只和空域的角度有关，而是同时随距离的改变发生变化，在空间呈现出有规律的扭曲形状。频率分集阵列发射方向图的角度-距离二维耦合性，可以将雷达发射的能量汇聚在空间中一个特定的角度-距离之上，有利于抑制与距离有关的干扰，为抗干扰技术提供了新的思路和技术路径。利用最简单的频率分集阵列模型进行自适应波束形成可以在干扰位置形成抑制零陷，但是，在最简单模型下形成的方向图存在距离周期性，使得当雷达探测距离较远时，距离维度会出现多个周期性谱峰，当干扰在这些谱峰位置出现时，雷达的抗干扰性能将急剧下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于对数频偏频率分集阵列自适应抗空间分布干扰方法，以避免距离维度出现的多个周期性谱峰，提高抗干扰性能。
本发明的技术思路是：通过改变频率分集阵列最简单模型的频率偏移量加载方式，在基准频偏的基础上乘以对数因子，使得相邻阵元间的频率偏移量为对数增长量，打破固定频偏带来的距离周期性，实现空间中波束谱峰与目标位置的单一对应；通过利用对数频偏频率分集阵列的距离维自由度，实现方向图的角度-距离耦合特性，进而对分布在空间中某一角度-距离位置的干扰进行抑制，其实现方案包括如下：
(1)利用对数频偏频率分集阵列发射正交信号：
由N个阵元构成均匀线阵上，以第一个阵元为参考阵元，设参考阵元的发射信号载频为基准频率f0，设第n个阵元的发射载频fn＝f0+Δf'(n)，其中Δf'(n)为第n个阵元与参考阵元的载频偏移量，Δf'(n)＝lg(n)Δf，Δf为基准频率偏移量，为一常数，n＝1,2,…,N；
设利用对数频偏频率分集阵列发射信号时，第n个阵元的发射信号为sn(t)，且在发射信号时，对数频偏频率分集阵列的任意两个阵元的发射波形保证正交关系，t表示时间变量；
(2)分离并重排接收信号：
(2a)在接收信号回波时，设第m个接收通道接收到的目标回波信号为rm(t)，m＝1,2,…,N；利用N个匹配滤波器将第m个接收通道中的目标回波信号进行分离，得到第m个接收通道中目标反射第n个发射阵元发射信号的回波信号为rnm(t)；
(2b)将第m个接收通道中分离出的N个目标回波信号按照发射阵元顺序进行重排，得到第m个接收通道中的目标回波信号为：rm(t)＝[r1m(t),r2m(t),…,rnm(t),…,rNm(t)]T，其中T表示矩阵的转置；
(2c)将对数频偏频率分集阵列N个接收通道中的目标回波信号按接收通道序号依次排列，得到对数频偏频率分集阵列接收到的完整目标回波信号为：
x(t)＝[r1(t),r2(t),…,rm(t),…,rN(t)]T，x(t)为N2×1维矢量；
(3)从重排后的目标回波信号x(t)中提取出相位信息，构成对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)，其中θs为目标信号回波的到达角，rs为目标距对数频偏频率分集阵列的距离；
(4)设包含目标回波信号、干扰信号和噪声信号的接收数据为X(t)，求X(t)的期望，得到接收数据自相关矩阵Rx；
(5)根据含有目标信息的接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)和接收数据自相关矩阵Rx,利用线性最小约束方差LCMV准则，得到自适应波束形成权矢量wa；
(6)利用wa进行波束形成，得到的方向图在干扰位置形成深的零陷，并保证波束谱峰与目标位置单一映射。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明在对数频偏频率分集阵列的接收端有效利用发射端的距离信息，使接收端同时具有角度依赖性和距离依赖性。
2)本发明利用对数频偏频率分集阵列的自适应权矢量进行波束形成，得到的方向图实现了对空间分布干扰的有效抑。
3)本发明利用对数频偏频率分集阵列的对数因子，保证了波束谱峰单一形成在目标位置，空间中不存在周期性谱峰。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明中对数频偏频率分集阵列的结构示意图；
图3为本发明中对数频偏频率分集阵列的各阵元载频示意图；
图4为现有固定频偏频率分集阵列的发射方向图；
图5为本发明对数频偏频率分集阵列的发射方向图；
图6为本发明的自适应波束形成方向图。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步说明：
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，利用对数频偏频率分集阵列发射正交信号。
1a)设N个阵元的均匀线阵，阵元间距为d，构造形成对数频偏频率分集阵列，如图2所示；
1b)以第一个阵元为参考阵元，设参考阵元的发射信号载频为基准频率f0，设第n个阵元的发射载频fn＝f0+Δf'(n)，如图3所示，其中Δf'(n)为第n个阵元与参考阵元的载频偏移量，Δf'(n)＝lg(n)Δf，Δf为基准频率偏移量，为一常数，n＝1,2,…,N；
1c)利用对数频偏频率分集阵列发射信号，设第n个阵元发射的信号为sn(t)，表示如下：
其中表示对数频偏频率分集阵列中第n个阵元发射信号的复包络，fn表示对数频偏频率分集阵列第n个阵元发射信号的载频，t表示时间变量；发射信号时，任意两个阵元的发射波形相互正交，即满足如下公式：
其中T为脉冲持续时间，l为阵元序号，l＝1,2,…,N且l≠n,τ为任意的时间延迟。
步骤2，分离并重排接收信号。
(2a)在接收信号回波时，设第m个接收通道接收到的目标回波信号为rm(t)，m＝1,2,…,N；利用N个匹配滤波器将第m个接收通道中的目标回波信号进行分离，得到第m个接收通道中目标反射第n个发射阵元发射信号的回波信号为rnm(t)：
其中ξs表示目标的复系数，fn表示对数频偏频率分集阵列中第n个阵元发射信号的载频，c表示光速，d表示阵元间距，为常数；
(2b)将第m个接收通道中分离出的N个目标回波信号按照发射阵元顺序进行重排，得到第m个接收通道中的目标回波信号为：rm(t)＝[r1m(t),r2m(t),…,rnm(t),…,rNm(t)]T，其中T表示矩阵的转置；
(2c)将对数频偏频率分集阵列N个接收通道中的目标回波信号按接收通道序号依次排列，得到对数频偏频率分集阵列接收到的完整目标回波信号为：
x(t)＝[r1(t),r2(t),…,rm(t),…,rN(t)]T，该x(t)为N2×1维矢量。
步骤3，从重排后的目标回波信号x(t)中提取出相位信息，构成对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)，表示如下：
αr(θs,rs)＝[α11(θs,rs),α21(θs,rs),…,αN1(θs,rs),…,αnm(θs,rs),…,αNN(θs,rs)]T
其中αnm(θs,rs)为第m个接收通道中对应第n个发射阵元发射信号的归一化导向矢量权值，表示如下：
其中f0为对数频偏频率分集阵列的基准载频，Δf为对数频偏频率分集阵列的基准频率偏移量，lg(n)为对数频偏频率分集阵列的对数因子，c表示光速，d表示阵元间距，θs为目标信号回波的到达角，rs为目标距对数频偏频率分集阵列的距离，为常数。
步骤4，由接收数据X(t)求取接收数据自相关矩阵Rx。
4a)用X(t)表示包含目标回波信号、干扰信号和噪声信号的接收数据：
X(t)＝Xs(t)+Xj(t)+Xn(t)，
式中Xs(t)表示目标回波信号，Xj(t)表示干扰信号，Xn(t)表示噪声信号；当空间中存在J个与信号形式类似的干扰信号时，Xj(t)表示如下：
4b)由接收数据X(t)得到接收信号自相关矩阵Rx：
Rx＝E[X(t)XH(t)]，
其中E[·]表示期望运算，H表示矩阵的共轭转置。
步骤5，根据含有目标信息的接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)和接收数据自相关矩阵Rx,利用线性最小约束方差LCMV准则求去自适应波束形成权矢量。
线性最小约束方差LCMV准则表示如下：
其中wa表示自适应波束形成权矢量，Rx表示接收数据自相关矩阵，αr(θs,rs)表示对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量，θs表示目标的到达角，rs表示目标距对数频偏频率分集阵列的距离，H表示矩阵的共轭转置。
利用线性最小约束方差LCMV准则将含有目标信息的接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)对目标位置进行置1约束，在约束条件下得到使输出功率达到最小值的自适应波束形成权矢量wa：
其中Rx表示接收数据自相关矩阵，αr(θs,rs)表示对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量，θs表示目标的到达角，rs表示目标距对数频偏频率分集阵列的距离，H表示矩阵的共轭转置，表示对自相关矩阵Rx求逆，μ为常系数，表示如下：
步骤6，利用自适应波束形成权矢量wa进行波束形成，得到的方向图在干扰位置形成深的零陷，实现对抗空间分布干扰，并保证波束谱峰与目标位置单一映射。
本发明的效果可以由以下的仿真结果进一步说明：
(1)仿真参数，如表一
表一，仿真参数
参数 参数值 参数 参数值
阵元数(N) 10 角度扫描区间 [-90°,90°]
雷达信号基准载频(f0) 1GHz 角度扫描间隔 1°
脉冲重复频率(fr) 3kHz 距离扫描区间 [0，500]km
基准频偏(Δf) 3kHz 距离扫描间隔 1km
阵元间距(d) 0.15m 干扰个数 4
目标距离(R0) 160km 干扰角度 [-5°,25°,10°,10°]
目标方位角(θ) 10° 干扰距离 [160,160,60,260]km
信噪比(SNR) 10dB 干噪比(JNR) 30dB
(2)仿真内容与结果
仿真1：利用表一仿真参数对现有固定频偏频率分集阵列的发射方向图进行仿真，结果如图4，其中横坐标表示到达角，纵坐标表示距离，方框标定位置为目标位置。由图4可以看出，现有固定频偏频率分集阵列的发射方向图在目标处形成高增益谱峰，同时在距离维度上，方向图谱峰具有周期性。
仿真2：利用表一仿真参数对本发明对数频偏频率分集阵列的发射方向图进行仿真，结果如图5，其中横坐标表示到达角，纵坐标表示距离，方框标定位置为目标位置。从图5中可以看出，本发明对数频偏频率分集阵列的发射方向图只在目标处形成高增益谱峰，方向图谱峰在距离维上没有周期性。所以本发明对数频偏频率分集阵列消除了波束谱峰在距离维度上的周期性，保证波束谱峰与目标位置的单一映射。
仿真3：利用表一仿真参数对本发明的抗干扰效果进行仿真，结果如图6，其中横坐标表示到达角，纵坐标表示距离，圆点标定位置为目标所在位置，方框标定位置为各空间分布干扰所在位置。从图6中可以看出，本发明只在目标位置形成波束谱峰，方向图谱峰在距离维度上没有周期性。
为了便于分析本发明的抗干扰效果，对图6中各个干扰位置的输出增益进行记录，记录顺序与表一中干扰角度的给出顺序对应，得到结果为[-85.29,-85.6,-88.01,-75.66]dB。4个干扰位置的输出增益均小于仿真设定的信干比-20dB，说明在所有干扰位置均形成了有效的零陷，达到了抗空间分布干扰的效果。表明本发明不仅能有效的对抗空间分布干扰，而且还保证了波束谱峰与目标位置的单一映射。

Claims (6)

1.基于对数频偏频率分集阵列自适应抗空间分布干扰的方法，包括：
(1)利用对数频偏频率分集阵列发射正交信号：
由N个阵元构成均匀线阵上，以第一个阵元为参考阵元，设参考阵元的发射信号载频为基准频率f0，设第n个阵元的发射载频fn＝f0+Δf'(n)，其中Δf'(n)为第n个阵元与参考阵元的载频偏移量，Δf'(n)＝lg(n)Δf，Δf为基准频率偏移量，为一常数，n＝1,2,…,N；
设利用对数频偏频率分集阵列发射信号时，第n个阵元的发射信号为sn(t)，且在发射信号时，对数频偏频率分集阵列的任意两个阵元的发射波形保证正交关系，t表示时间变量；
(2)分离并重排接收信号：
(2a)在接收信号回波时，设第m个接收通道接收到的目标回波信号为rm(t)，m＝1,2,…,N；利用N个匹配滤波器将第m个接收通道中的目标回波信号进行分离，得到第m个接收通道中目标反射第n个发射阵元发射信号的回波信号为rnm(t)；
(2b)将第m个接收通道中分离出的N个目标回波信号按照发射阵元顺序进行重排，得到第m个接收通道中的目标回波信号为：rm(t)＝[r1m(t),r2m(t),…,rnm(t),…,rNm(t)]T，其中T表示矩阵的转置；
(2c)将对数频偏频率分集阵列N个接收通道中的目标回波信号按接收通道序号依次排列，得到对数频偏频率分集阵列接收到的完整目标回波信号为：
x(t)＝[r1(t),r2(t),…,rm(t),…,rN(t)]T，x(t)为N2×1维矢量；
(3)从重排后的目标回波信号x(t)中提取出相位信息，构成对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)，其中θs为目标信号回波的到达角，rs为目标距对数频偏频率分集阵列的距离；
(4)设包含目标回波信号、干扰信号和噪声信号的接收数据为X(t)，求X(t)的期望，得到接收数据自相关矩阵Rx；
(5)根据含有目标信息的接收端归一化导向矢量αr(θs,rs)和接收数据自相关矩阵Rx,利用线性最小约束方差LCMV准则，得到自适应波束形成权矢量wa；
(6)利用wa进行波束形成，得到的方向图在干扰位置形成深的零陷，并保证波束谱峰与目标位置单一映射。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中得到的第m个接收通道中目标反射第n个发射阵元发射信号的回波信号为rnm(t)，表示如下：
其中ξs表示目标的复系数，fn表示对数频偏频率分集阵列中第n个阵元发射信号的载频，c表示光速，d表示阵元间距，为常数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中得到的对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量为αr(θs,rs)，表示如下：
αr(θs,rs)＝[α11(θs,rs),α21(θs,rs),…,αN1(θs,rs),…,αnm(θs,rs),…,αNN(θs,rs)]T
其中αnm(θs,rs)为第m个接收通道中对应第n个发射阵元发射信号的归一化导向矢量权值，表示如下：
其中f0为对数频偏频率分集阵列的基准载频，Δf为对数频偏频率分集阵列的基准频率偏移量，lg(n)为对数频偏频率分集阵列的对数因子，c表示光速，d表示阵元间距，为常数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中得到接收数据自相关矩阵为Rx，表示如下：
Rx＝E[X(t)XH(t)]，
其中E[·]表示期望运算，H表示矩阵的共轭转置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中的线性最小约束方差LCMV准则，表示如下：
其中wa表示自适应波束形成权矢量，Rx表示接收数据自相关矩阵，αr(θs,rs)表示对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量，θs表示目标的到达角，rs表示目标距对数频偏频率分集阵列的距离，H表示矩阵的共轭转置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中利用线性最小约束方差LCMV准则，得到的自适应波束形成权矢量为wa，表示如下：
其中μ为常系数，Rx表示接收数据自相关矩阵，αr(θs,rs)表示对数频偏频率分集阵列接收端归一化导向矢量，θs表示目标的到达角，rs表示目标距对数频偏频率分集阵列的距离，H表示矩阵的共轭转置，表示对自相关矩阵Rx求逆。
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