CN109633572B - 基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法，涉及阵列信号处理领域，解决的技术问题是如何减少干扰波束对周边同方同频段的民用设备干扰，该方法利用频率分集阵列波束方向的距离和角度依赖性及目标二维定位技术对发射波束进行优化，将干扰信号发送到指定区域以保证干扰准确性，同时降低规避目标处功率以减少干扰波束对周边环境的影响，包括如下步骤：初始化频率分集阵列参数；建立干扰信号模型；接收目标回波信号，确定干扰目标位置；设计导向矢量使波束主瓣对准干扰目标；计算规避目标参数；建立频偏优化模型；求解优化频偏，实现定点干扰。本发明可灵活调整波束实现定点干扰，并使各目标受到的辐射能量降至最低。

Description

基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法。

背景技术

近年来，随着科技的进步，各种民用飞行器迅速普及千家万户，在给人们带来方便的同时也产生了许多由于电子设备滥用造成的负面影响。以目前问题最为严重的无人机为例，近年来，无人机技术快速、广泛扩散，市面上出现了大量各式容易操控的遥控直升机、多旋翼无人机，与之相关的意外事件也频繁出现，对社会的安全保卫、治安管理形成了巨大的挑战。

为维护社会安全及某些特殊场所的隐蔽性，国内外各研究机构及厂商也研究出了多种干扰手段，诸如意大利芬梅卡尼卡集团Selex ES公司研制的“猎鹰盾”反无人机设备；美国诺斯洛普·格鲁曼公司研发的“毒液”反无人机系统等。但这些设备或系统的干扰波束是对同一方向的整条直线区域进行覆盖，此时也会对周边同方向同频段的民用设备(如路由器，蓝牙耳机等)产生不必要的干扰。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是如何减少干扰波束对周边同方向同频段的民用设备不必要的干扰。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法，利用频率分集阵列波束方向的距离和角度依赖性及目标二维定位技术对发射波束进行优化，将干扰信号发送到指定区域以保证干扰准确性，同时降低规避目标处功率以减少干扰波束对周边环境的影响，包括如下步骤：

(一)初始化频率分集阵列参数，具体过程如下：

设置雷达阵元数为M，发射信号载频为f_c，阵元间频率偏置为Δf,光速为c，波长为

阵元间距为

每个阵元发射信号带宽为B，初始干扰距离为R_s和角度为α。

(二)建立干扰信号模型，具体过程如下：

采用线性调频频率分集阵列(LFM-FDA)进行全频段覆盖干扰，频率分集阵列第m个阵元发射信号的初始发射频率为：

f_m＝f_c+(m-1)Δf m＝1,2，...,M

其中f_c＞＞Δf，第m个阵元发射的信号为：

其中q(t)为门信号，T为脉冲持续时间，各阵元发射信号累加并经过线性调频后得到的发射波束方向图为：

(三)接收目标回波信号，确定干扰目标位置，具体过程如下：

将接收到的目标回波信号分别与M个频率分集阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到M个基带信号，采用频率分集阵列目标定位算法确定干扰目标位置，获得干扰目标距离R和角度γ。

(四)设计导向矢量使波束主瓣对准干扰目标，具体过程如下：

干扰目标与各阵元的距离R_m为：

R_m＝R-(m-1)d sinγ

第m个阵元的导向权向量为：

其中

为使波束指向干扰目标的权向量，将导向权向量引入到发射信号，第m个阵元的发射信号为：

(五)计算规避目标参数，具体过程如下：

设规避目标已知，其相对于雷达的角度为θ，则第一个完整主瓣距离R_c为：

由此可以求得波束方向图同方位第一个零陷距离l及第一个完整主瓣前的零陷个数a为：

其中mod为求余符号，fix为取整符号，

为旁瓣宽度。

(六)建立频偏优化模型，具体过程如下：

设空间内有N个规避目标，其位置已知，各规避目标距离记为r_n，n＝1,2,...N，建立的频偏优化模型如下：

其中Δf_a为优化频偏，b为任意自然数。

(七)求解优化频偏Δf_a，实现定点干扰，具体过程如下：

使用Δf_a优化频偏替换步骤(二)的频偏Δf,并与步骤(四)的导向权矢量结合发射干扰波束，从而实现定点干扰，频率分集阵列所有阵元的发射信号如下：

与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果为：

(1)利用频率分集阵列形波束方向图距离和方位依赖性，在具有需规避目标的环境下，相较于传统手段可以更加灵活的调整波束实现定点干扰；

(2)能够使各规避目标尽可能的接近零陷处，从而使各目标受到的辐射能量降至最低。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为频率分集阵列发射信号模型图；

图3为复杂环境下定点干扰效果图；

图4为进行目标规避后复杂环境下定点干扰效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

图1示出了一种基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法，利用频率分集阵列波束方向的距离和角度依赖性及目标二维定位技术对发射波束进行优化，将干扰信号发送到指定区域以保证干扰准确性，同时降低规避目标处功率以减少干扰波束对周边环境的影响，包括如下步骤：

(一)初始化频率分集阵列参数，具体过程如下：

设置雷达阵元数为M，发射信号载频为f_c，阵元间频率偏置为Δf,光速为c，波长为

阵元间距为

每个阵元发射信号带宽为B，初始干扰距离为R_s和角度为α。

大部分电子飞行器工作频段不是固定的，而是在一定范围内跳变。以无人机为参考，其遥控信号工作频段在2.4GHz-2.483GHz范围内跳变，由此设置频率分集阵列各项参数，如下表1所示：

表1频率分集阵列初始参数

阵元数M	21
		发射信号载频f<sub>c</sub>	2.4*10<sup>9</sup>Hz
频率偏置为Δf	60000Hz
		信号带宽B	10<sup>6</sup>Hz
波长λ	0.125m
		初始干扰距离R<sub>s</sub>	10Km
初始干扰角度α	0°
		阵元间距d	0.0625m

(二)建立干扰信号模型，具体过程如下：

采用线性调频频率分集阵列(LFM-FDA)进行全频段覆盖干扰，频率分集阵列第m个阵元发射信号的初始发射频率为：

f_m＝f_c+(m-1)Δf m＝1,2，...,M

其中f_c＞＞Δf，第m个阵元发射的信号为：

其中q(t)为门信号，T为脉冲持续时间，该模型如图2所示。各阵元发射信号累加并经过线性调频后得到的发射波束方向图为：

(三)接收目标回波信号，确定干扰目标位置，具体过程如下：

将接收到的目标回波信号分别与21个频率分集阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到21个基带信号，采用频率分集阵列目标定位算法(如MUSIC算法，参考文献：顾坤良,欧阳缮,李晶晶,刘威亚,尚朝阳.基于MUSIC算法的频率分集阵列雷达目标定位方法[J].桂林电子科技大学学报，2017，37(02)：87-91)确定干扰目标位置，获得目标距离信息和角度信息。设检测到欲干扰目标位置为(5km,0°)，即R＝5Km，γ＝0°，此外空间内规避目标1位于(2.2km,30°)，规避目标2位于(8.8km,-30°)，规避目标3位于(4.5km,-60°)，如图3所示，规避目标1和2位于波束周期主瓣，规避目标3位于波束旁瓣。

(四)设计导向矢量使波束主瓣对准干扰目标，具体过程如下：

干扰目标与各阵元的距离R_m为：

R_m＝R-(m-1)dsinγ

第m个阵元的导向权向量为：

其中

为使波束指向干扰目标的权向量，将导向权向量引入到发射信号，第m个阵元的发射信号为：

(五)计算规避目标参数，具体过程如下：

通过步骤3获得的3个规避目标的距离及角度信息，求解规避目标1，2，3同方向的第一个完整主瓣距离位置R_c1，R_c2，R_c3分别为：

同时可以求得各规避目标第一个零陷位置l₁,l₂,l₃及第一个完整主瓣前的零陷个数a₁,a₂,a₃分别为：

l₁＝0；l₂＝119；l₃＝0；

a₁＝28；a₂＝17；a₃＝14；

(六)建立频偏优化模型，具体过程如下：

通过步骤(五)获得的各项参数及步骤(三)获得的各规避目标距离及角度信息，建立的频偏优化模型如下：

其中Δf_a为优化后频偏，b为任意自然数。

(七)求解优化频偏Δf_a，实现定点干扰，具体过程如下：

求解优化频偏，可得Δf_a＝41352Hz，使用该频偏替换步骤(二)的频偏Δf,并与步骤(四)的导向权矢量结合发射干扰波束，从而实现定点干扰，频率分集阵列所有阵元的发射信号如下：

从而获得能够避开规避目标的定点干扰波束，规避效果如图4所示。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：

(1)利用频率分集阵列形波束方向图距离和方位依赖性，在具有需规避目标的环境下，相较于现有技术手段可以更加灵活的调整波束实现定点干扰；

(2)能够使各规避目标尽可能的接近零陷处，从而使各目标受到的辐射能量降至最低。

以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法，其特征在于，利用频率分集阵列波束方向的距离和角度依赖性及目标二维定位技术对发射波束进行优化，将干扰信号发送到指定区域以保证干扰准确性，同时降低规避目标处功率以减少干扰波束对周边环境的影响，包括如下步骤：

(一)初始化频率分集阵列参数；

(二)建立干扰信号模型；

(三)接收目标回波信号，确定干扰目标位置；

(四)设计导向矢量使波束主瓣对准干扰目标；

(五)计算规避目标参数；

(六)建立频偏优化模型；

(七)求解优化频偏Δf_a，实现定点干扰；

步骤(一)具体过程如下：

设置雷达阵元数为M，发射信号载频为f_c，阵元间频率偏置为Δf,光速为c，波长为

阵元间距为

每个阵元发射信号带宽为B，初始干扰距离为R_s和角度为α；

步骤(二)具体过程如下：

采用线性调频频率分集阵列LFM-FDA进行全频段覆盖干扰，频率分集阵列第m个阵元发射信号的初始发射频率为：

f_m＝f_c+(m-1)Δf m＝1,2，...,M

其中f_c＞＞Δf，第m个阵元发射的信号为：

其中q(t)为门信号，T为脉冲持续时间，各阵元发射信号累加并经过线性调频后得到的发射波束方向图为：

步骤(三)具体过程如下：

将接收到的目标回波信号分别与M个频率分集阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到M个基带信号，采用频率分集阵列目标定位算法确定干扰目标位置，获得干扰目标距离R和角度γ；

步骤(四)具体过程如下：

干扰目标与各阵元的距离R_m为：

R_m＝R-(m-1)dsinγ

第m个阵元的导向权向量为：

其中

为使波束指向干扰目标的权向量，将导向权向量引入到发射信号，第m个阵元的发射信号为：

步骤(五)具体过程如下：

设规避目标已知，其相对于雷达的角度为θ，则第一个完整主瓣距离R_c为：

由此可以求得波束方向图同方位第一个零陷距离l及第一个完整主瓣前的零陷个数a为：

其中mod为求余符号，fix为取整符号，

为旁瓣宽度；

步骤(六)具体过程如下：

设空间内有N个规避目标，其位置已知，各规避目标距离记为r_n，n＝1,2,...N，建立的频偏优化模型如下：

其中Δf_a为优化频偏，b为任意自然数；

步骤(七)具体过程如下：

使用Δf_a优化频偏替换步骤(二)的频偏Δf,并与步骤(四)的导向权矢量结合发射干扰波束，从而实现定点干扰，频率分集阵列所有阵元的发射信号如下：

Images