CN109212489B - 一种基于辅助脉冲的fda-mimo雷达模糊杂波抑制方法 - Google Patents

一种基于辅助脉冲的fda-mimo雷达模糊杂波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于辅助多波形脉冲FDA‑MIMO雷达距离模糊杂波抑制方法。步骤是：1.选取与主发射波形具有超低互相关特性的波形；2.根据系统参数以及设计的OFDM信号，在相干积累时间内发射辅助脉冲；3.利用辅助脉冲得到主观测区间的模糊杂波协方差矩阵；4.基于最小方差准则抑制主观测区间的距离模糊杂波；5.对剩余杂波按照传统的非正侧视方式进行杂波抑制。本发明利用辅助脉冲与主观测区间距离模糊杂波的一致性，通过辅助脉冲设计匹配滤波器克服了传统FDA‑MIMO方法固定加权的非自适应性缺陷，提高了对阵列误差的稳定度。

Description

一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，是一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，可用于星载/机载非正侧视大场景下的复杂杂波抑制。
背景技术
星载雷达下视观测时，受到观测场景大幅宽以及高脉冲重复频率的影响，存在非常严重的距离模糊，空时信号处理的杂波抑制性能会受到距离模糊杂波的影响，因此需要对模糊杂波进行抑制。
一类是基于脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)优化的系统方法，能够降低空时自适应处理STAP(Space-time adaptive processing)的检测盲区，但是这类方法本质上并不能抑制距离模糊杂波，同时需要多组不同PRF的CPI(Coherent ProcessingInterval)回波实现目标检测。另一类则是基于平面阵列雷达的俯仰维自由度去抑制距离模糊杂波，利用近程杂波与远程杂波在俯仰维波束域的区别。这类方法需要比较宽的俯仰维波束角度，从而区分来自远程和近程不同俯仰角度的回波。但是对于远程杂波而言，多个距离模糊单元的角度区分度非常低，很难利用俯仰维的自由度实现区分。另外，这类方法能够形成俯仰维方向图，对于模糊的杂波存在一定的抑制，但是，对于距离模糊的情况，杂波独立同分布样本难以满足。
FDA(frequency diverse array)雷达不同于传统的相控阵雷达，FDA雷达沿着阵元分布方向采用了一个存在比较小的频率增量的载频发射信号，能够使回波存在距离-角度-时间的三维依赖。FDA-MIMO(Mutiple Input Multiple Output)雷达能够将距离角度的波束扫描移至接收端，在接收端得到距离和角度依赖的可控自由度。利用这个特点，已经有几种FDA-MIMO体制下的杂波抑制方法。其中基于发射空域的模糊杂波抑制方法受到模糊杂波空域自由度的影响，抑制能力有限。俯仰维-FDA方法能够抑制距离模糊杂波，但是该方法设计的滤波器是独立于数据的，对于阵列误差比较敏感，当存在阵列误差时，杂波抑制性能存在比较大的损失。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，解决在非正侧视环境中，因距离模糊杂波引入的杂波分布严重非均匀问题。
本发明的技术方案是：一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，步骤如下：
步骤1：选取辅助脉冲波形；假定第m个阵元发射的主脉冲波形对应的信号形式为
Figure BDA0001839155990000021
其中t代表时间，p代表主观测区间；在OFDM体制下，辅助脉冲对应的发射信号形式为
Figure BDA0001839155990000022
其中s代表辅助脉冲，
Figure BDA0001839155990000023
表示第
Figure BDA0001839155990000024
个辅助脉冲相对于参考载频的偏移量，
Figure BDA0001839155990000025
表示OFDM信号的频率步进量；
步骤2：利用选取的辅助波形
Figure BDA0001839155990000026
在雷达系统的相干处理时间间隔期间发射辅助脉冲；
步骤3：对接收到的辅助脉冲串回波数据，利用匹配滤波器对数据进行滤波预处理，从而得到属于第
Figure BDA0001839155990000027
个距离单元、第
Figure BDA0001839155990000028
个辅助脉冲的回波数据
Figure BDA0001839155990000029
联合P个协方差矩阵
Figure BDA00018391559900000211
得到主观测区间距离模糊杂波的协方差矩阵
Figure BDA00018391559900000212
步骤4：根据最小方差准则，利用拉格朗日乘子法得到主观测区的模糊杂波抑制自适应权，利用自适应权得到第p0个主观测区间的无杂波模糊回波数；
步骤5：利用已有的非正侧视杂波抑制方法对主观测区间的无距离模糊杂波
Figure BDA00018391559900000213
进行杂波抑制处理；
步骤6：重复步骤3-5，直到处理完所有感兴趣的观测区间。
所述步骤1中辅助脉冲波形的选取原则为：选取与主波形脉冲具有互相关低于-70db以上的辅助脉冲波形。
所述步骤2中在雷达系统的相干处理时间间隔期间发射辅助脉冲时，每一种正交波形在辅助脉冲发射阶段只能使用一次。
所述步骤3中匹配滤波器的形式为：
Figure BDA0001839155990000031
其中Tp表示脉冲重复周期，fm＝f0+(m-1)Δf表示第m个阵元的发射信号载频，其中f0是参考载频，Δf是各阵元发射载频的频率步进量。
所述步骤3中主观测区间距离模糊杂波的协方差矩阵
Figure BDA0001839155990000032
的具体形式为：
Figure BDA0001839155990000033
其中IMN是MN×MN维的单位阵，M和N分别表示发射和接收阵元数目，
Figure BDA0001839155990000034
代表接收噪声功率；Nr距离模糊次数，
Figure BDA0001839155990000035
代表第p个模糊杂波区间的协方差矩阵，其具体形式如下：
Figure BDA0001839155990000036
Figure BDA0001839155990000037
表示对
Figure BDA0001839155990000038
进行共轭转置操作；其中
Figure BDA0001839155990000039
代表辅助脉冲个数，L代表距离不模糊区间对应的距离单元数目；
Figure BDA00018391559900000310
表示对回波数据
Figure BDA00018391559900000311
进行二次距离依赖补偿之后的回波数据
Figure BDA00018391559900000312
具体形式如下：
Figure BDA00018391559900000313
Figure BDA00018391559900000314
Figure BDA00018391559900000315
表示Kronecker积运算，diag()是将一个列矢量的各个元素排列在一个方阵中的对角线上，方阵中的其余元素全为0；其中rl表示主观测无模糊区间第l个距离单元对应的斜距，Δf表示雷达发射信号的频率步进量，c代表光速，M表示发射阵元总数目，1N是N列的单位列向量。
所述步骤4中的具体过程为：利用拉格朗日乘子法得到主观测区的模糊杂波抑制自适应权
Figure BDA00018391559900000316
其中
Figure BDA0001839155990000041
Figure BDA0001839155990000042
Figure BDA0001839155990000046
p0表示当前感兴趣的主观测区间，ψ0代表目标对应的空间锥角；ru＝cTp/2表示系统的最大无模糊距离；λ0是参考载频f0对应的波长；
Figure BDA0001839155990000043
fR(ψ0)＝dR cos(ψ0)/λ0。
dT和dR分别表示发射和接收阵元的阵元间距；利用自适应权得到第p0个主观测区间的无杂波模糊回波数
Figure BDA0001839155990000044
其中
Figure BDA0001839155990000045
是第k个主发射脉冲，k＝1,2,...,K，第l个距离单元对应的回波数据，l＝1,2,...,L。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明相比于传统的非正侧视空时自适应处理方法，利用FDA体质杂波数据在距离和空域的耦合特性，能够自适应的设计出抑制非主观测区间的距离模糊杂波滤波器，改善非均匀分布杂波对主观测区间空时滤波器的影响；同时，利用辅助脉冲与主观测区间距离模糊杂波的一致性，通过辅助脉冲设计匹配滤波器克服了已有的FDA-MIMO方法固定加权的非自适应性缺陷，提高了对阵列误差的稳定度。
附图说明
图1为基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达距离模糊杂波抑制算法流程图；
图2为OFDM信号的功率谱分布图；
图3为不同观测区间的发射-接收空间平面杂波分布谱；图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别给出了剔除p＝1、p＝2、p＝3和p＝4观测区间的剩余距离模糊杂波两维空域分布。
图4为不同辅助脉冲数目下对第4个主观测区间进行模糊杂波抑制处理的信杂噪比损失。
具体实施方式
下面对本发明实施及效果作进一步的详细描述。
本发明的使用场景为：本发明可应用于非正侧视情况下的距离模糊杂波抑制。基于辅助多波形脉冲的FDA-MIMO雷达距离模糊杂波抑制方法，克服了现有方法对距离模糊杂波抑制能力的不足，能够显著提升距离模糊杂波的协方差矩阵估计精度，改善目标的输出信杂噪比，并且对阵列误差具有稳健性。如图1所示，其实现步骤如下：
步骤1：选取与主波形脉冲具有互相关低于-70db以上的辅助脉冲波形。假定第m个阵元发射的主脉冲波形对应的信号形式为
Figure BDA0001839155990000051
其中p(primary)代表主观测区间。在OFDM体制下，辅助脉冲对应的发射信号形式为
Figure BDA0001839155990000052
其中s(secondary)代表辅助脉冲，
Figure BDA0001839155990000053
表示第
Figure BDA0001839155990000054
个辅助脉冲相对于参考载频的偏移量，t代表时间。其中
Figure BDA0001839155990000055
表示OFDM信号的频率步进量。
步骤2：利用选取的辅助波形
Figure BDA0001839155990000056
在雷达系统的相干处理时间间隔期间发射辅助脉冲，其中每一种正交波形在辅助脉冲发射阶段只能使用一次。
步骤3：对接收到的辅助脉冲串回波数据，利用匹配滤波器
Figure BDA0001839155990000057
对数据进行滤波预处理，如图2所示，从而得到属于第
Figure BDA0001839155990000058
个距离单元、第
Figure BDA0001839155990000059
个辅助脉冲的回波数据
Figure BDA00018391559900000510
其中Tp表示脉冲重复周期，fm＝f0+(m-1)Δf表示第m个阵元的发射信号载频，其中f0是参考载频，Δf是各阵元发射载频的频率步进量。联合P个协方差矩阵，得到主观测区间距离模糊杂波的协方差矩阵
Figure BDA00018391559900000511
Figure BDA00018391559900000512
其中IMN是MN×MN维的单位阵，M和N分别表示发射和接收阵元数目,
Figure BDA00018391559900000513
代表接收噪声功率，Nr距离模糊次数。
Figure BDA0001839155990000061
代表第p个模糊杂波区间的协方差矩阵，其具体形式如下：
Figure BDA0001839155990000062
Figure BDA0001839155990000063
是对
Figure BDA0001839155990000064
进行共轭转置操作。其中
Figure BDA0001839155990000065
代表辅助脉冲个数，L代表距离不模糊区间对应的距离单元数目。
Figure BDA0001839155990000066
是对回波数据
Figure BDA0001839155990000067
进行二次距离依赖补偿之后的数据，形式如下：
Figure BDA0001839155990000068
Figure BDA0001839155990000069
Figure BDA00018391559900000610
表示Knonecker积运算，diag()是将一个列矢量的各个元素排列在一个方阵中的对角线上，方阵中的其余元素全为0；其中rl表示主观测无模糊区间第l个距离单元对应的斜距，Δf表示雷达发射信号的频率步进量，c代表光速，M表示发射阵元总数目，1N是N列的单位列向量。
步骤4根据最小方差准则，利用拉格朗日乘子法可以得到主观测区的模糊杂波抑制自适应权为
Figure BDA00018391559900000611
其中
Figure BDA00018391559900000612
Figure BDA00018391559900000613
Figure BDA00018391559900000615
p0表示当前感兴趣的主观测区间，ψ0代表目标对应的空间锥角。ru＝cTp/2是系统的最大无模糊距离。λ0表示参考载频对应的波长。
Figure BDA00018391559900000614
fR(ψ0)＝dR cos(ψ0)/λ0。
dT和dR分别表示发射和接收阵元的阵元间距。利用自适应权可以得到第p0个主观测区间的无杂波模糊回波数
Figure BDA0001839155990000071
其中
Figure BDA0001839155990000072
是第k个(k＝1,2,...,K)主发射脉冲，第l个(l＝1,2,...,L)主观测区间距离单元对应的回波数据。
步骤5利用已有的非正侧视杂波抑制方法对主观测区间的无距离模糊杂波
Figure BDA0001839155990000073
进行杂波抑制处理。
步骤6重复步骤3-5，直到处理完所有感兴趣的观测区间。
下面通过仿真实验进一步证明本发明的效果。
图3为星载雷达下视情况下，对海面目标观测得到的剔除主观测区间之后的杂波发射-接收两维平面分布图，图3(a)-图3(d)分别给出了剔除p＝1、p＝2、p＝3和p＝4区间的剩余距离模糊杂波分布。可见，采用所提方法能够很好的剔除主观测区间的杂波，从而实现模糊杂波区的高精度协方差矩阵估计。
图4展示了采用不同辅助脉冲数目进行杂波抑制的信杂噪比损失，从图中可以发现采用一个辅助脉冲也能够达到接近多个辅助脉冲的性能，因此在实际FDA-MIMO雷达系统中，考虑到有限的时间资源，使用2个辅助脉冲即可达到模糊杂波抑制的要求。
仿真结论：仿真结果表明，相比传统的非正侧视阵空时自适应处理方法，所提方法能够估计出主观测区间的模糊杂波协方差矩阵，剔除其非均匀特性对主观测区间杂波抑制性能的影响。而与已发表的FDA-MIMO雷达相比，能够自适应的生成模糊杂波区间的滤波器，对阵列误差不敏感，具有更佳的适应性和稳定性。

Claims (4)

1.一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：选取辅助脉冲波形；假定第m个阵元发射的主脉冲波形对应的信号形式为
Figure FDA0002490274610000011
其中t代表时间，p代表主观测区间；在OFDM体制下，辅助脉冲对应的发射信号形式为
Figure FDA0002490274610000012
其中s代表辅助脉冲，
Figure FDA0002490274610000013
表示第
Figure FDA0002490274610000014
个辅助脉冲相对于参考载频的偏移量，
Figure FDA0002490274610000015
表示OFDM信号的频率步进量；
步骤2：利用选取的辅助波形
Figure FDA0002490274610000016
在雷达系统的相干处理时间间隔期间发射辅助脉冲；
步骤3：对接收到的辅助脉冲串回波数据，利用匹配滤波器对数据进行滤波预处理，从而得到属于第
Figure FDA0002490274610000017
个距离单元、第
Figure FDA0002490274610000018
个辅助脉冲的回波数据
Figure FDA0002490274610000019
联合P个协方差矩阵
Figure FDA00024902746100000110
得到主观测区间距离模糊杂波的协方差矩阵
Figure FDA00024902746100000111
所述步骤3中主观测区间距离模糊杂波的协方差矩阵
Figure FDA00024902746100000112
的具体形式为：
Figure FDA00024902746100000113
其中IMN是MN×MN维的单位阵，M和N分别表示发射和接收阵元数目，
Figure FDA00024902746100000114
代表接收噪声功率；Nr距离模糊次数，
Figure FDA00024902746100000115
代表第p个模糊杂波区间的协方差矩阵，其具体形式如下：
Figure FDA00024902746100000116
Figure FDA00024902746100000117
表示对
Figure FDA00024902746100000118
进行共轭转置操作；其中
Figure FDA00024902746100000119
代表辅助脉冲个数，L代表距离不模糊区间对应的距离单元数目；
Figure FDA00024902746100000120
表示对回波数据
Figure FDA00024902746100000121
进行二次距离依赖补偿之后的回波数据
Figure FDA00024902746100000122
具体形式如下：
Figure FDA00024902746100000123
Figure FDA0002490274610000021
Figure FDA0002490274610000022
表示Kronecker积运算，diag()是将一个列矢量的各个元素排列在一个方阵中的对角线上，方阵中的其余元素全为0；其中rl表示主观测无模糊区间第l个距离单元对应的斜距，Δf表示雷达发射信号的频率步进量，c代表光速，M表示发射阵元总数目，1N是N列的单位列向量；
步骤4：根据最小方差准则，利用拉格朗日乘子法得到主观测区的模糊杂波抑制自适应权，利用自适应权得到第p0个主观测区间的无杂波模糊回波数；
所述步骤4中的具体过程为：利用拉格朗日乘子法得到主观测区的模糊杂波抑制自适应权
Figure FDA0002490274610000023
其中
Figure FDA0002490274610000024
Figure FDA0002490274610000025
Figure FDA0002490274610000026
p0表示当前感兴趣的主观测区间，ψ0代表目标对应的空间锥角；ru＝cTp/2表示系统的最大无模糊距离；λ0是参考载频f0对应的波长；
Figure FDA0002490274610000027
fR(ψ0)＝dRcos(ψ0)/λ0。
dT和dR分别表示发射和接收阵元的阵元间距；利用自适应权得到第p0个主观测区间的无杂波模糊回波数
Figure FDA0002490274610000028
其中
Figure FDA0002490274610000029
是第k个主发射脉冲，k＝1,2,...,K，第l个距离单元对应的回波数据，l＝1,2,...,L；
步骤5：利用已有的非正侧视杂波抑制方法对主观测区间的无距离模糊杂波
Figure FDA00024902746100000210
进行杂波抑制处理；
步骤6：重复步骤3-5，直到处理完所有感兴趣的观测区间；
2.根据权利要求1所述的一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，其特征在于：所述步骤1中辅助脉冲波形的选取原则为：选取与主波形脉冲具有互相关低于-70db以上的辅助脉冲波形。
3.根据权利要求1所述的一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，其特征在于：所述步骤2中在雷达系统的相干处理时间间隔期间发射辅助脉冲时，每一种正交波形在辅助脉冲发射阶段只能使用一次。
4.根据权利要求1所述的一种基于辅助脉冲的FDA-MIMO雷达模糊杂波抑制方法，其特征在于：所述步骤3中匹配滤波器的形式为：
Figure FDA0002490274610000031
其中Tp表示脉冲重复周期，fm＝f0+(m-1)Δf表示第m个阵元的发射信号载频，其中f0是参考载频，Δf是各阵元发射载频的频率步进量。
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