CN109188373B - 基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法，其实现步骤是：接收含有待检测点目标、主瓣干扰和噪声信号的回波矩阵；估计主瓣干扰角度；将雷达接收阵列分成两个相同的子阵；根据干扰角度和子阵别构造阻塞矩阵；利用阻塞矩阵获得阻塞预处理矩阵；利用恒虚警目标检测方法，对阻塞预处理矩阵进行目标检测，得到点目标的检测概率；利用和差波束目标测角方法，对阻塞预处理矩阵进行目标角度测量，得到点目标的角度。本发明能够抑制位于雷达波束主瓣范围内的干扰，可用于提高雷达对点目标的检测概率和测角精度。

Description

基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法。本发明可用于雷达目标检测和测角系统，当干扰位于雷达波束主瓣范围内，雷达接收到目标和干扰两个信号的和信号时，消除和信号中的干扰信号，并且保证了目标方向的信号不被抑制，提高了雷达对目标的检测概率和测角精度。

背景技术

近年来，随着雷达信号处理技术的发展，雷达抗主瓣干扰技术经历了迅猛的发展，检测概率和测角精度受到极大的关注。阻塞矩阵预处理抗主瓣干扰方法可以利用预处理矩阵先在数据域抑制主波束内的干扰，并保留目标回波信号原有的阵列导向结构；能够在抑制波束主瓣干扰的同时，避免引发的主波束畸变等现象，有效地提高检测概率、减小测角误差。

梁雪妮在其发表的论文“阵列雷达抗主瓣干扰方法研究”(西安电子科技大学，硕士毕业论文2017[D])中提出了一种基于相邻阵元阻塞矩阵预处理抗主瓣干扰方法。该方法的前提条件是目标和干扰角度可分离。该方法的实施步骤：第一步，根据空间谱估计方法估计主瓣干扰的入射方向，其中应用比较广泛的估计方法有MUSIC(Multiple SignalClassification)法、Capon法等；第二步，利用相邻阵元数据构造阻塞矩阵；第三步，利用阻塞矩阵，对天线阵列接收信号进行相消处理，将其中的主瓣干扰分量消除掉。该方法存在的不足之处是，阻塞矩阵预处理后，干扰方向的信号被消除的同时，目标方向的信号也被抑制，导致雷达对目标的检测概率低。

中国科学院声学研究所在其申请的专利文献“一种改善干扰阻塞算法输出信噪比的方法”(申请号：201610663456.5申请日：2016-08-12申请公布号：CN107728132A)中公开了一种改善干扰阻塞算法提高检测概率的方法。该发明的方法通过修正因子减小了干扰阻塞算法对线阵检测概率的衰减。该方法的实施步骤：第一步，设置线阵阵元个数及间距，接收阵列信号；第二步，根据空间谱估计方法对接收信号进行强干扰方位角精确估计；第三步，由强干扰方位角、线阵的阵元间距构建修正因子；第四步，采用该修正因子对干扰阻塞算法进行修正。该方法存在的不足之处是，利用空间谱估计的方法难以实现对强干扰角度的精确估计，导致干扰不能被很好的抑制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法。

实现本发明目的的具体思路是，针对存在于雷达波束主瓣范围内的干扰，将雷达接收阵列分成两个相同的子阵，分别设计阻塞矩阵的两个子阵，并将两个子阵合成阻塞矩阵，对回波矩阵进行阻塞矩阵预处理。本发明用于抗雷达主瓣干扰，雷达接收到目标和主瓣干扰两个信号的和信号，消除了和信号中的干扰信号，并且保证了目标方向的信号不被抑制，达到主瓣干扰消除的目的。

本发明的具体包括步骤如下：

(1)接收回波矩阵：

阵列雷达接收含有待检测点目标、主瓣干扰和噪声信号的回波矩阵；

(2)估计干扰角度：

(2a)将回波矩阵与回波矩阵的共轭转置相乘，得到回波矩阵的协方差矩阵；

(2b)利用特征值分解方法，对回波矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，得到回波矩阵的噪声子空间矩阵：

(2c)在[-90°，90°]的范围内，每隔1°取一个角度值，将所有的角度值组成角度序列；

(2d)利用空间谱值公式，计算角度序列中每个角度的空间谱值：

(2e)搜索所有角度的空间谱值中的最大值，将最大值对应的角度值作为回波矩阵的干扰角度；

(3)划分子阵：

将雷达接收阵列分成两个相同的子阵，雷达接收阵列的前

个阵元作为第一个子阵，雷达接收阵列的后

个阵元作为第二个子阵，其中，K表示雷达接收阵列阵元的总数；

(4)获得阻塞预处理矩阵：

(4a)构造一个维数为

的单位矩阵，作为阻塞矩阵的子阵1；

(4b)构造一个维数为

且对角元素为

的对角矩阵，作为阻塞矩阵的子阵2；其中，e表示以自然对数为底的指数操作，j表示虚数符号，μ₁表示阻塞系数，其取值为μ₁＝-sinθ_g，sin表示取正弦值操作，θ_g表示回波矩阵的干扰角度；

(4c)将阻塞矩阵的子阵1和子阵2左右合并，组成阻塞矩阵；

(4d)将阻塞矩阵与回波矩阵相乘，得到回波矩阵消除主瓣干扰后的阻塞预处理矩阵。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

第一，由于本发明将阵列分成了两个相同的子阵组成阻塞矩阵，克服了现有技术阻塞矩阵构造复杂的问题，使得本发明减小了阻塞矩阵构造的复杂性，提高了雷达信号处理的效率。

第二，由于本发明对回波矩阵进行了阻塞矩阵预处理，消除了主瓣干扰，克服了现有技术导致的雷达对点目标的检测概率低和测角精度低的问题，使得本发明提高了雷达对点目标的检测概率和测角精度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明方法与现有技术基于相邻阵元阻塞矩阵抗主瓣干扰方法测角误差对比曲线图；

图3为本发明方法与现有技术基于相邻阵元阻塞矩阵抗主瓣干扰方法检测概率对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照附图1，对本发明的具体实施做进一步详细描述。

步骤1，接收回波矩阵：

阵列雷达接收含有待检测点目标、主瓣干扰和噪声信号的回波矩阵。

步骤2，估计干扰角度：

将回波矩阵与回波矩阵的共轭转置相乘，得到回波矩阵的协方差矩阵。

按照下式，计算回波矩阵的协方差矩阵的特征值：

|XX^H-ΨE|＝0

其中，||表示行列式符号，X表示回波矩阵，H表示共轭转置操作，Ψ表示回波矩阵的特征值，E表示维数为K的单位矩阵。

按照下式，计算回波矩阵的噪声子空间矩阵：

XX^H＝U_NΨ(U_N)^H

其中，U_N表示回波矩阵的噪声子空间矩阵。

在[-90°，90°]的范围内，每隔1°取一个角度值，将所有的角度值组成角度序列。

按照下式，计算角度序列中每个角度的空间谱值：

其中，f(θ_i)表示角度序列中第i个角度θ_i的空间谱值，a(θ_i)表示角度序列中第i个角度θ_i的导向矢量。

搜索所有角度的空间谱值中的最大值，将最大值对应的角度值作为干扰角度。

步骤3，划分子阵：

将雷达接收阵列分成两个相同的子阵，雷达接收阵列的前

个阵元作为第一个子阵，雷达接收阵列的后

个阵元作为第二个子阵，其中，K表示雷达接收阵列阵元的总数。

步骤4，获得阻塞预处理矩阵：

构造一个维数为

且对角元素为

的对角矩阵，作为阻塞矩阵的子阵2；其中，e表示以自然对数为底的指数操作，j表示虚数符号，μ₁表示阻塞系数，其取值为μ₁＝-sinθ_g，sin表示取正弦值操作，θ_g表示回波矩阵的干扰角度。

将阻塞矩阵的子阵1和子阵2左右合并，组成阻塞矩阵。

将子阵阻塞矩阵与回波矩阵相乘，得到回波矩阵消除主瓣干扰后的阻塞预处理矩阵。

本发明的效果可以通过下面的仿真实验得到进一步证明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验通过Matlab仿真软件实现，设定一个点目标，一个主瓣干扰，一组阵元个数为24的均匀线阵，波长为0.008m，阵元间距为半波长，干信比为15dB，点目标的角度为0度，主瓣干扰的角度为2度，信噪比在10dB～35dB之间变化。

2.仿真内容与结果分析：

本发明的仿真实验有两个。仿真实验1是采用本发明的抗主瓣干扰方法和现有技术基于相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法进行主瓣抗干扰，对抗干扰后的结果进行单脉冲和差波束测角，得到了图2的测角误差对比曲线图。图2中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示目标角度估计误差。图2中以三角标示的曲线表示采用本发明方法抗主瓣干扰并进行单脉冲和差波束测角的到的测角误差曲线，以五角星标示的曲线表示采用现有技术相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法抗主瓣干扰并进行单脉冲和差波束测角的到的测角误差曲线。

仿真实验2是采用本发明的抗主瓣干扰方法和现有技术基于相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法进行主瓣抗干扰，对抗干扰后的结果进行单元平均恒虚警目标检测，得到了图3的测角误差对比曲线图。图3中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示目标检测概率。图3中以三角标示的曲线表示采用本发明方法抗主瓣干扰并进行单元恒虚警检测得到的测角误差曲线，以五角星标示的曲线表示采用现有技术相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法进行单元恒虚警检测得到的检测概率曲线。

从图2可见，本发明方法的测角误差曲线在现有技术相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法的测角误差曲线下方，说明本发明方法测角误差更小；从图3可见，本发明方法的检测概率曲线在现有技术相邻阵元阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法的检测概率曲线上方，说明本发明方法检测概率更高。仿真证明本发明方法有较强的抗主瓣干扰抑制能力，存在主瓣干扰环境下目标检测概率高，测角误差小。

Claims (3)

1.一种基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法，其特征在于，将雷达接收阵列分成两个相同的子阵，根据子阵和干扰角度构造阻塞矩阵，对回波矩阵进行预处理；该方法的具体步骤包括如下：

(1)接收回波矩阵：

阵列雷达接收含有待检测点目标、主瓣干扰和噪声信号的回波矩阵；

(2)估计干扰角度：

(2a)将回波矩阵与回波矩阵的共轭转置相乘，得到回波矩阵的协方差矩阵；

(2b)利用特征值分解方法，对回波矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，得到回波矩阵的噪声子空间矩阵：

(2c)在[-90°，90°]的范围内，每隔1°取一个角度值，将所有的角度值组成角度序列；

(2d)利用空间谱值公式，计算角度序列中每个角度的空间谱值：

(2e)搜索所有角度的空间谱值中的最大值，将最大值对应的角度值作为回波矩阵的干扰角度；

(3)划分子阵：

将雷达接收阵列分成两个相同的子阵，雷达接收阵列的前

个阵元作为第一个子阵，雷达接收阵列的后

个阵元作为第二个子阵，其中，K表示雷达接收阵列阵元的总数；

(4)获得阻塞预处理矩阵：

(4a)构造一个维数为

的单位矩阵，作为阻塞矩阵的子阵1；

(4b)构造一个维数为

且对角元素为

的对角矩阵，作为阻塞矩阵的子阵2；其中，e表示以自然对数为底的指数操作，j表示虚数符号，μ₁表示阻塞系数，其取值为μ₁＝-sinθ_g，sin表示取正弦值操作，θ_g表示回波矩阵的干扰角度；

(4c)将阻塞矩阵的子阵1和子阵2左右合并，组成阻塞矩阵；

(4d)将阻塞矩阵与回波矩阵相乘，得到回波矩阵消除主瓣干扰后的阻塞预处理矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的特征值分解方法的步骤如下：

第一步，按照下式，计算回波矩阵的特征值：

|XX^H-ΨE|＝0

其中，||表示行列式符号，X表示回波矩阵，H表示共轭转置操作，Ψ表示回波矩阵的特征值，E表示维数为K的单位矩阵；

第二步，按照下式，计算回波矩阵的噪声子空间矩阵：

XX^H＝U_NΨ(U_N)^H

其中，U_N表示回波矩阵的噪声子空间矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于子阵阻塞矩阵预处理的抗主瓣干扰方法，其特征在于，步骤(2d)中所述的空间谱值公式如下：

其中，f(θ_i)表示角度序列中第i个角度θ_i的空间谱值，a(θ_i)表示角度序列中第i个角度θ_i的导向矢量，U_N表示噪声子空间矩阵。

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