CN109507643B - 旁瓣相消中展宽零陷的方法 - Google Patents

旁瓣相消中展宽零陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种旁瓣相消中展宽零陷的方法，包括如下步骤：S1、分别获得雷达接收的主阵列训练样本和辅助阵列训练样本;S2、确定零陷需要展宽的宽度;S3、计算主阵列的扰动向量和辅助阵列的扰动向量：S4、计算获得扰动后的主通道训练样本和辅助通道训练样本；S5、对扰动后的主通道训练样本进行波束形成，得到主通道期望输出；S6、计算协方差矩阵和互相关向量；S7、计算展宽后的旁瓣相消权值，并进行旁瓣相消。本发明的方法在旁瓣相消自适应权值训练阶段对训练快拍进行扰动，使得旁瓣相消的合成方向图在干扰方向形成宽零陷，从而提高了雷达在非平稳干扰场景下的抗干扰能力。

Description

旁瓣相消中展宽零陷的方法
技术领域
本发明涉及一种旁瓣相消中展宽零陷的方法，属于雷达技术领域
背景技术
旁瓣相消技术是目前雷达系统中所采用的主要抗干扰手段之一，其需要在主阵列的周围增加若干辅助天线，组成辅助阵列，主阵列做普通波束形成、辅助阵列以接收数据为驱动，通过自适应算法动态调节各辅助天线的复权值。主辅阵列的输出相减，最终合成的方向图既能够保证期望方向的来波信号无失真通过，又能自动在干扰方向形成零陷，抑制旁瓣方向的干扰。
在常规的旁瓣相消过程中，自适应权值是通过从回波中选择一批训练数据、再使用自适应算法学习而得到的。随后将自适应权值用于辅助阵列中接收数据的滤波，完成相消操作，则能够最终实现干扰抑制。如果训练数据和应用数据中干扰的角度一致，则学习得到的自适应权值就能有效地实现应用数据中的干扰抑制。但是在实际的应用过程中，由于天线平台的转动或抖动、干扰源与雷达平台之间的相对运动或干扰传播路径的非平稳性等多方面的原因，干扰的角度在接收数据中常常会呈现出非平稳性。此时，训练数据和应用权值的数据会出现失配，应用数据中的干扰将从旁瓣相消合成方向图中的尖锐零陷中移出，进而导致干扰信号不能得到有效抑制。
针对上述问题，目前业界的主要解决方法是进行零陷展宽，通过对训练样本或协方差矩阵进行处理，可以增加合成方向图中零陷的宽度，从而抑制非平稳干扰。但现有技术中的零陷展宽方法大多不能用于旁瓣相消技术。为此，也有部分研究者提出将基于加窗的零陷展宽方法应用于旁瓣相消技术中。尽管这样的想法能够达到一定的效果，但这样一来，每一个自由度均需要进行一次加窗，无疑大大增加了系统整体的复杂度。
综上所述，如何在现有技术的基础上提出一种新的旁瓣相消中展宽零陷的方法，既能够保证干扰信号得到有效抑制，又不至于导致系统复杂度的过度增加，也就成为了业内技术人员新的研究方向。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种旁瓣相消中展宽零陷的方法，包括如下步骤：
S1、在旁瓣相消阶段中分别获得雷达接收的N个主阵列训练样本xmain(n)和辅助阵列训练样本xaux(n)；
S2、根据雷达工作参数及实际探测情况，确定零陷需要展宽的宽度Δ；
S3、根据零陷需要展宽的宽度Δ，确定主通道训练样本xmain(n)需要的N个L×1维扰动向量Emain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)需要的N个M×1维扰动向量Eaux(n)；
S4、利用扰动向量Emain(n)和Eaux(n)分别对主通道训练样本xmain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)进行Hadamard积，得到扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000022
和辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000021
S5、根据系统预设的主通道波束形成权值WCBF，对扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000033
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)；
S6、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000034
和主通道期望输出ymain(n)计算协方差矩阵R和互相关向量P；
S7、利用协方差矩阵R和互相关向量P计算展宽后的旁瓣相消权值w，并进行旁瓣相消。
优选地，S1中所述主阵列训练样本xmain(n)的表达式为
xmain(n)＝[xmain,1(n),xmain,2(n),…,xmain,L(n)]T，
所述辅助阵列训练样本xaux(n)的表达式为
xaux(n)＝[xaux,1(n),xaux,2(n),…,xaux,M(n)]T，
其中，n表示训练样本编号，n＝1,2,…,N，L表示主阵列阵元数，l＝1,2,…,L，M表示辅助阵列阵元数，m＝1,2,…,M，[·]T表示转置。
优选地，S2中所述零陷需要展宽的宽度Δ的表达式为
Figure BDA0001850604030000031
其中，d为主阵列阵元间距，λ为雷达工作波长，θ1与θ2分别为所需宽零陷的起始角度与终止角度。
优选地，S3具体包括如下步骤：
S31、根据零陷需要展宽的宽度Δ，按照均匀分布产生主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，
Figure BDA0001850604030000032
S32、利用主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，产生主阵列的扰动向量Emain(n)和辅助阵列的扰动向量Eaux(n)，
Figure BDA0001850604030000041
Figure BDA0001850604030000042
其中，d1,d2,…,dM为辅助阵列的阵元相对于主阵列相位中心的距离。
优选地，S5具体包括如下步骤：
S51、根据系统预设的主波束指向，得到主阵列的波束形成权值WCBF，
Figure BDA0001850604030000043
其中，θ0表示主波束指向。
S52、根据主阵列的波束形成权值WCBF与扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000046
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)，
Figure BDA0001850604030000044
其中，[·]H表示共轭转置。
优选地，S6具体包括如下步骤：
S61、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000047
计算协方差矩阵R，
Figure BDA0001850604030000045
S62、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000052
和主通道期望输出ymain(n)计算互相关向量P，
Figure BDA0001850604030000051
其中，[·]*表示共轭。
优选地，S7中所述展宽后的旁瓣相消权值w的表达式为
w＝R-1P，
其中，[·]-1表示矩阵求逆。
本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明的方法在旁瓣相消自适应权值训练阶段对训练快拍进行扰动，使得旁瓣相消的合成方向图在干扰方向形成宽零陷，从而提高了雷达在非平稳干扰场景下的抗干扰能力。
同时，由于本发明通过对训练样本扰动的形式展宽零陷，与现有技术相比，只需在扰动后进行一次主阵列合成，方法的实现方式更为简单、所需要的运算资源更少，更适合工程实践使用。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他旁瓣相消技术的设计方案中，具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是使用本发明的方法与常规旁瓣相消方法获得的阵列方向图的比较图；
图3是使用本发明的方法与现有方法获得的阵列方向图的比较图。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种旁瓣相消中展宽零陷的方法，包括如下步骤：
S1、在旁瓣相消阶段中分别获得雷达接收的N个主阵列训练样本xmain(n)和辅助阵列训练样本xaux(n)。
所述主阵列训练样本xmain(n)的表达式为
xmain(n)＝[xmain,1(n),xmain,2(n),…,xmain,L(n)]T，
所述辅助阵列训练样本xaux(n)的表达式为
xaux(n)＝[xaux,1(n),xaux,2(n),…,xaux,M(n)]T，
其中，n表示训练样本编号，n＝1,2,…,N，L表示主阵列阵元数，l＝1,2,…,L，M表示辅助阵列阵元数，m＝1,2,…,M，[·]T表示转置。
S2、根据雷达工作参数及实际探测情况，确定零陷需要展宽的宽度Δ。
所述零陷需要展宽的宽度Δ的表达式为
Figure BDA0001850604030000061
其中，d为主阵列阵元间距，λ为雷达工作波长，θ1与θ2分别为所需宽零陷的起始角度与终止角度。
S3、根据零陷需要展宽的宽度Δ，确定主通道训练样本xmain(n)需要的N个L×1维扰动向量Emain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)需要的N个M×1维扰动向量Eaux(n)。
S3具体包括如下步骤：
S31、根据零陷需要展宽的宽度Δ，按照均匀分布产生主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，
Figure BDA0001850604030000071
S32、利用主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，产生主阵列的扰动向量Emain(n)和辅助阵列的扰动向量Eaux(n)，
Figure BDA0001850604030000072
Figure BDA0001850604030000073
其中，d1,d2,…,dM为辅助阵列的阵元相对于主阵列相位中心的距离。
S4、利用扰动向量Emain(n)和Eaux(n)分别对主通道训练样本xmain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)进行Hadamard积，得到扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000074
和辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000075
S5、根据系统预设的主通道波束形成权值WCBF，对扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000076
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)。
S5具体包括如下步骤：
S51、根据系统预设的主波束指向，得到主阵列的波束形成权值WCBF，
Figure BDA0001850604030000081
其中，θ0表示主波束指向。
S52、根据主阵列的波束形成权值WCBF与扰动后的主通道训练样本
Figure BDA0001850604030000085
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)，
Figure BDA0001850604030000082
其中，[·]H表示共轭转置。
S6、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000086
和主通道期望输出ymain(n)计算协方差矩阵R和互相关向量P。
S6具体包括如下步骤：
S61、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000087
计算协方差矩阵R，
Figure BDA0001850604030000083
S62、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure BDA0001850604030000088
和主通道期望输出ymain(n)计算互相关向量P，
Figure BDA0001850604030000084
其中，[·]*表示共轭。
S7、利用协方差矩阵R和互相关向量P计算展宽后的旁瓣相消权值w，并进行旁瓣相消。
所述展宽后的旁瓣相消权值w的表达式为
w＝R-1P，
其中，[·]-1表示矩阵求逆。
以下结合仿真实验，详细介绍本发明的使用效果。
实验场景如下：
以一维均匀线阵为例，主阵列阵元数L＝20，阵元间距为半波长，辅助阵列阵元数M＝8，以主阵列相位中心为参考，主阵列阵元间距为单位，辅助阵列的位置为[-11，-12，-14，-15，11，13，14，17]，干扰入射方向为-29°和37°，训练样本数N＝300，展宽宽度Δ＝0.1。
实验内容与结果如下：
实验1、为证明本发明方法的有效性，利用本发明方法对仿真数据计算合成方向图，并与常规旁瓣相消技术的合成方向图进行比较，比较结果如如图2所示，其中实线表示本发明方法得到的合成方向图，虚线表示常规旁瓣相消方法得到的合成方向图。
从图2中可以看出利用本发明方法可以得到设计的宽零陷，能够有效对抗非平稳干扰。
实验2、为比较本发明方法与现有旁瓣相消下零陷展宽方法，分别用本发明方法和现有方法处理仿真数据，画出合成方向图进行比较，如图3所示，其中，实线表示本发明方法得到的合成方向图，虚线表示现有方法得到的合成方向图。
从图3中可以看出利用本发明方法得到的合成方向图和现有方法得到的合成方向图在各方面性能相同，但本发明方法需要的运算资源更少，更适合工程实践使用。
本发明的方法在旁瓣相消自适应权值训练阶段对训练快拍进行扰动，使得旁瓣相消的合成方向图在干扰方向形成宽零陷，从而提高了雷达在非平稳干扰场景下的抗干扰能力。
同时，由于本发明通过对训练样本扰动的形式展宽零陷，与现有技术相比，只需在扰动后进行一次主阵列合成，方法的实现方式更为简单、所需要的运算资源更少，更适合工程实践使用。
此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他旁瓣相消技术的设计方案中，具有十分广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在旁瓣相消阶段中分别获得雷达接收的N个主阵列训练样本xmain(n)和辅助阵列训练样本xaux(n)；
S2、根据雷达工作参数及实际探测情况，确定零陷需要展宽的宽度Δ；
S3、根据零陷需要展宽的宽度Δ，确定主通道训练样本xmain(n)需要的N个L×1维扰动向量Emain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)需要的N个M×1维扰动向量Eaux(n)；
S4、利用扰动向量Emain(n)和Eaux(n)分别对主通道训练样本xmain(n)和辅助通道训练样本xaux(n)进行Hadamard积，得到扰动后的主通道训练样本
Figure FDA0003737551080000011
和辅助通道训练样本
Figure FDA0003737551080000012
S5、根据系统预设的主通道波束形成权值WCBF，对扰动后的主通道训练样本
Figure FDA0003737551080000013
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)；
S6、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure FDA0003737551080000014
和主通道期望输出ymain(n)计算协方差矩阵R和互相关向量P；
S7、利用协方差矩阵R和互相关向量P计算展宽后的旁瓣相消权值w，并进行旁瓣相消。
2.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于：S1中所述主阵列训练样本xmain(n)的表达式为
xmain(n)＝[xmain,1(n),xmain,2(n),…,xmain,L(n)]T，
所述辅助阵列训练样本xaux(n)的表达式为
xaux(n)＝[xaux,1(n),xaux,2(n),…,xaux,M(n)]T，
其中，n表示训练样本编号，n＝1,2,…,N，L表示主阵列阵元数，l＝1,2,…,L，M表示辅助阵列阵元数，m＝1,2,…,M，[·]T表示转置。
3.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于：S2中所述零陷需要展宽的宽度Δ的表达式为
Figure FDA0003737551080000021
其中，d为主阵列阵元间距，λ为雷达工作波长，θ1与θ2分别为所需宽零陷的起始角度与终止角度。
4.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于，S3具体包括如下步骤：
S31、根据零陷需要展宽的宽度Δ，按照均匀分布产生主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，
Figure FDA0003737551080000022
S32、利用主阵列随机变量φmain(n)和辅助阵列随机变量φaux(n)，产生主阵列的扰动向量Emain(n)和辅助阵列的扰动向量Eaux(n)，
Figure FDA0003737551080000023
Figure FDA0003737551080000024
其中，d1,d2，…,dM为辅助阵列的阵元相对于主阵列相位中心的距离。
5.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于，S5具体包括如下步骤：
S51、根据系统预设的主波束指向，得到主阵列的波束形成权值WCBF，
Figure FDA0003737551080000025
其中，θ0表示主波束指向；
S52、根据主阵列的波束形成权值WCBF与扰动后的主通道训练样本
Figure FDA0003737551080000026
进行波束形成，得到主通道期望输出ymain(n)，
Figure FDA0003737551080000027
其中，[·]H表示共轭转置。
6.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于，S6具体包括如下步骤：
S61、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure FDA0003737551080000031
计算协方差矩阵R，
Figure FDA0003737551080000032
S62、使用扰动后的辅助通道训练样本
Figure FDA0003737551080000033
和主通道期望输出ymain(n)计算互相关向量P，
Figure FDA0003737551080000034
其中，[·]*表示共轭。
7.根据权利要求1所述的旁瓣相消中展宽零陷的方法，其特征在于：S7中所述展宽后的旁瓣相消权值w的表达式为
w＝R-1P，
其中，[·]-1表示矩阵求逆。
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