CN109765529A - 一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法及系统，主要解决毫米波雷达在已知信号与干扰角度条件下的抗干扰问题。其实现过程是：1)初始化参数；2)设定雷达天线扫描范围，在雷达天线扫描范围内接收机接收雷达回波信号；3)根据2)得到的雷达回波信号，经过雷达数据预处理与检测后可获得目标与干扰所在的角度、位置等信息，计算出雷达接收回波信号的自相关矩阵、目标与干扰的导向矢量；4)构造权矢量，目标函数与约束条件；5)根据目标函数与约束条件对其进行求解，获得满足约束条件的最优权矢量，利用权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。本发明使雷达天线在目标所在方向增大天线增益，在干扰所在方向形成增益零陷，从而实现有效的抗干扰目的，并最终实现提高雷达检测概率与降低雷达虚警概率的目的。

Description

一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法及系统

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法。在已知角度信息的目标与干扰条件下，毫米波雷达在检测状态下利用该方法在目标所在方向增大发射增益，在干扰所在的方向形成增益零陷，从而实现雷达抗干扰的方法。

背景技术

雷达干扰是指一切破坏和扰乱敌方雷达检测己方目标信息的战术和技术措施的统称。对雷达来说，除带有目标信息的有用信号外，其他各种无用信号都是干扰。当毫米波雷达处于检测状态时，来自敌方的干扰不仅对雷达的检测概率会有较大影响，并且当干扰点数量过大时，可能会导致雷达检测后续处理单元饱和从而导致漏警概率的大幅度上升。因此，毫米波雷达的抗干扰措施刻不容缓。本发明基于上述问题提出一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法，在已知干扰与信号角度信息的情况下，通过加入约束条件，使雷达天线在目标所在方向增大天线增益，在干扰所在方向形成增益零陷，从而实现有效的抗干扰目的，并最终实现提高雷达检测概率与降低雷达虚警概率的目的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法，所述方法包括如下内容：

S1、初始化雷达天线参数；

S2、设定雷达天线扫描范围，在所述雷达天线扫描范围内接收回波信号s(t)；

S3、对所述回波信号s(t)进行数据预处理及目标检测，获得输出信号功率值；

S4、构造权矢量W_opt、目标函数、约束条件；

S5、根据所述目标函数与约束条件，获得满足约束条件的最优权矢量，利用权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。

优选的，所述雷达天线参数包括雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距。

优选的，所述步骤S3具体包括，

S3.1、对所述回波信号s(t)进行数据预处理，包括，数据初始筛选、运动目标显示以及运动目标检测；

S3.2、使用单元平均恒虚警检测方法对预处理的结果进行雷达目标检测，检测后的信号形式为y(t)＝W^HX(t)，其中，X(t)＝[x₁(t) x₂(t) ... x_M(t)]^T表示接收信号向量，表示加权系数向量，θ_d∈[-90,90]表示波束扫描方向，其中接收信号向量内容包含目标与干扰的位置、角度、速度，且目标角度信息为θ_d，干扰角度信息为θ_clu；

S3.3、根据所述接收信号向量计算得到信号的自相关矩阵，

R＝E[X(t)X^H(t)]；

S3.4、根据所述自相关矩阵计算出输出信号功率值，

P＝E[y(t)²]＝W^H(θ_d)RW(θ_d)。

优选的，所述步骤S4具体包括，

S4.1、根据所述目标角度信息以及干扰角度信息计算出目标导向矢量及干扰导向矢量，

其中，目标导向矢量为，

干扰导向矢量为，

S4.2、根据约束：保证期望信号的无失真接收，得到以下约束条件表达式：

根据约束：抑制干扰信号，得到以下约束条件表达式：

给定目标函数：阵列输出功率P最小，得到目标函数表达式：

S4.3、综上，得到目标函数与约束条件：

优选的，所述步骤S5还包括，根据拉格朗日乘子法对目标函数与约束条件进行求解，得到最终的优化问题解为：

W_opt＝μR^-1a(θ_d)

其中利用上式求解得到的权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。

优选的，所述天线类型包括直线阵、平面阵以及立体阵。

优选的，所述天线阵元个数为8。

优选的，所述天线阵元间距其中λ表示雷达工作波长，雷达工作波长由光速c与雷达工作载频f_c通过下式计算得到：λ＝c/f_c，其中，c＝3×10⁸m/s，雷达载频f_c＝34GHz。

优选的，所述扫描区间为[-90°,90°]，扫描间隔为0.5°。

根据本发明的一个方面，本发明还提出了一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰系统，所述系统包括，

初始化装置，用于初始化雷达天线参数，其中，所述天线参数包括雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距；

设定装置，用于设定雷达天线扫描范围，在所述雷达天线扫描范围内接收回波信号s(t)；

处理装置，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理及目标检测，获得输出信号功率值，构造权矢量W_opt、目标函数、约束条件并最终获得天线方向图。

优选的，所述处理装置还包括，

检测模块，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理，包括，数据初始筛选、运动目标显示以及运动目标检测；

第一计算模块，用于根据接收信号向量计算自相关矩阵以及输出信号功率值。

优选的，所述处理装置还包括，

第二计算模块，用于根据目标角度信息以及干扰角度信息计算出目标导向矢量及干扰导向矢量。

优选的，所述处理装置还包括，

第三计算模块，用于根据拉格朗日乘子法对目标函数与约束条件进行求解，得到最终的优化问题解，并获得最终的天线方向图。

本发明的优点如下：

本发明应用于毫米波雷达在检测状态下的抗干扰，通过数字波束形成算法控制雷达天线波束增益，以此实现有效抑制干扰对雷达影响的目的，并最终实现雷达检测概率的提高与虚警概率的降低。

附图说明

图1为本发明提出的基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法流程图；

图2为未做数字波束形成抗干扰状态下的雷达天线方向图；

图3是经过本发明所用方法进行抗干扰措施以后的雷达天线方向图；

图4是经过本发明所用方法进行抗干扰措施以后的功率分布图；

图5为本发明提出的基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰系统框架图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1初始化参数；

毫米波雷达需要多角度考虑信号的选取，不仅需要考虑信号产生及其高能量获取的难易程度，为保证自身探测、识别、追踪经度也要考虑其抗干扰性能如低截获性。一般采用(非)线性调频信号、多相码、巴克码、随机编码以及复合调制信号等脉内或脉间相干的信号波形，以避免他人破解信号特征，保护己方信息被侦查复制，从而使干扰信号特征与己方信息不匹配，以降低其干扰性能。在本发明中，首先需要做的是如何设置天线参数，根据本发明的内容，雷达天线的设置包括设定雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距。

(1)设定天线类型；

常见的天线类型有直线阵、平面阵以及立体阵等，本发明选用但不限于直线阵进行结果验证。

(2)设定天线阵元个数；

天线阵元个数由天线本身阵面决定，天线阵元个数影响天线对波束控制的灵活性以及影响天线方向图副瓣的个数，天线阵元个数越多，天线控制波束越灵活，天线副瓣个数越多；本发明选用不限于天线阵元个数M＝8。

(3)设定天线阵元间距

天线阵元间距由天线阵面决定；本发明选用但不限于天线阵元间距其中λ表示雷达工作波长，雷达工作波长由光速c与雷达工作载频f_c通过下式计算得到：λ＝c/f_c，本实例中：c＝3×10⁸m/s，雷达载频f_c＝34GHz。

任何形式阵列结构的不同阵列单元间接收信号均有时延，其时延是由阵列排布状况决定。对于窄带信号模型在远场假设下若存在时延τ可认为其信号幅度与相位近似不发生变化，即可认为经过时延τ后信号约近似为：

此处认为信号与干扰同为信号源，只是各自方向不同，若有N个信号自N 个不同方向入射到同一阵元天线，接收第i个信号时相对参考阵元延迟τ_i，其值由阵元位置和来波方向决定，同一阵元不同的τ_i分别对应不同来波方向。

步骤2设定雷达天线扫描范围，在雷达天线扫描范围内接收机接收雷达回波信号；

(1)设定雷达天线扫描范围，雷达天线扫描范围由天线本身决定，本发明选用但不限于天线扫描区间为[-90°,90°]，扫描间隔为0.5°。

(2)在雷达扫描范围内接收回波信号，表示为s(t)。

步骤3根据步骤2得到的雷达回波信号s(t)，经过雷达数据预处理与目标检测后可获得目标与干扰所在的角度、位置等信息，并可以计算出雷达接收回波信号的自相关矩阵与输出信号功率值。

雷达探测的运动目标如飞机、导弹、舰艇、车辆等周围存在各种北京，包括不动的地物和运动着的云雨，海浪或金属丝干扰等，动目标显示(Moving Target Indicator:MTI)动目标检测(Moving Target Detection：MTD)就是使用各种滤波器，滤去这些背景产生的杂波而取出运动目标的回波。运动目标回波和杂波在频谱结构上有所差别，运动目标检测就是利用这种差别，从频率上将它们区分，以达到抑制杂波而显示目标回波的目的。

(1)由步骤2得到的回波信号s(t)进行数据预处理；

所述的数据预处理方法包括数据初始筛选、动目标显示、动目标检测等；本实例选用但不限于数据初始筛选与动目标显示对数据进行预处理。

当杂波和运动目标回波在雷达显示器上显示时，会使目标的观察变得很困难。动目标显示滤波器(MTI)利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别，有效地抑制杂波而提取信号，大大的改善了雷达在强杂波背景中检测运动目标的能力MTI有多种实现方法，包括传统的相消器和各种优化的FIR滤波器。采用重复参差和时变加权的MTI体制可以克服盲速。

(2)对数据进行预处理后的结果进行雷达目标检测操作；

所述的雷达目标检测方法包括单元平均恒虚警检测、恒虚警检测以及最大似然检测等，

本发明选用但不限于单元平均恒虚警方法进行检测，在均匀的瑞利包络杂波背景下，单元平均恒虚警方法利用检测单元相邻的一组独立同分布的参考单元采样估计杂波功率水平，提供了对非起伏和斯威林起伏目标的最优或准最优检测。

经过单元平均恒虚警检测后得到信号形式为y(t)＝W^HX(t)，其中 X(t)＝[x₁(t)x₂(t) ... x_M(t)]^T表示接收信号向量，表示加权系数向量，θ_d∈[-90,90]表示波束扫描方向(波达方向)，(·)^H表示共轭转置操作，(·)^T表示转置操作，sin(·)表示求解正弦操作。其中接收信号向量内容包含目标与干扰的位置、角度、速度等信息，本发明选用但不限于经过单元平均恒虚警操作后的目标个数为1个，干扰个数为2个，且目标角度信息为θ_d，干扰角度信息为θ_clu；

(3)根据上述方法得到的接收信号向量结合下式可计算得到信号的自相关矩阵；

R＝E[X(t)X^H(t)]

其中，E[·]表示求期望操作。

根据得到的自相关矩阵结合下式可计算输出信号功率值；

P＝E[y(t)²]＝W^H(θ_d)RW(θ_d)

步骤4根据步骤3得到的信号与干扰角度(位置)信息可计算出目标与干扰的导向矢量a(θ_d)与a(θ_clu)，构造权矢量W_opt、构造目标函数与约束条件；

(1)根据天线基本知识，利用目标角度信息可得到目标导向矢量干扰导向矢量可表示为：

(2)构造权矢量W_opt，根据约束：保证期望信号的无失真接收，可得到以下约束条件表达式：

(3)根据约束：抑制干扰信号，可得到以下约束条件表达式：

(4)给定目标函数：阵列输出功率P最小，可得到目标函数表达式：

综上，得到目标函数与约束条件：

步骤5根据步骤4构造的目标函数与约束条件对其进行求解，获得满足约束条件的最优权矢量，利用权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。

所述的求解方法包含卡格朗日乘子法与KKT条件等方法，本实例选用但不限于拉格朗日乘子法对其进行求解，并得到最终的优化问题解为：

W_opt＝μR^-1a(θ_d)

其中利用上式求解得到的权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。

实施例2.

参见图2、图3以及图4，本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：

1.实验场景：采用一个位于坐标原点的2D毫米波雷达，设载频f_c＝34GHz，采样频率为F_s＝400MHz，天线阵元个数为32个，阵元间距为半波长，扫描范围 [-90°，90°]，扫描间隔0.5°。已知仿真场景下总共存在三个信号源，其中一个为目标信号源，方位角大小为30°，两个为干扰源，方位角大小分别为45°与60°。

2.仿真内容：

对于干扰与信号存在条件下，未进行本发明方法的天线方向图与进行本发明的天线方向图结果进行对比。

3.实验结果分析：

通过图2和图3可以看出，本发明方法在给定信号源与干扰源的条件下，可在对应的信号所在方向形成增益强点，在干扰源所在的方向形成增益零陷，从而可以较好得实现抗干扰目的。

根据本发明的一个方面，本发明还提出了一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰系统，所述系统包括，

初始化装置，用于初始化雷达天线参数，其中，所述天线参数包括雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距；

设定装置，用于设定雷达天线扫描范围，在所述雷达天线扫描范围内接收回波信号s(t)；

处理装置，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理及目标检测，获得输出信号功率值，构造权矢量W_opt、目标函数、约束条件并最终获得天线方向图。

优选的，所述处理装置还包括，

检测模块，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理，包括，数据初始筛选、运动目标显示以及运动目标检测；

第一计算模块，用于根据接收信号向量计算自相关矩阵以及输出信号功率值。

优选的，所述处理装置还包括，

第二计算模块，用于根据目标角度信息以及干扰角度信息计算出目标导向矢量及干扰导向矢量。

优选的，所述处理装置还包括，

第三计算模块，用于根据拉格朗日乘子法对目标函数与约束条件进行求解，得到最终的优化问题解，并获得最终的天线方向图。

本发明的优点如下：

本发明应用于毫米波雷达在检测状态下的抗干扰，通过数字波束形成算法控制雷达天线波束增益，以此实现有效抑制干扰对雷达影响的目的，并最终实现雷达检测概率的提高与虚警概率的降低。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。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，本发明实施例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涵括在本发明实施例内。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，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：

S1、初始化雷达天线参数；

S2、设定雷达天线扫描范围，在所述雷达天线扫描范围内接收回波信号s(t)；

S3、对所述回波信号s(t)进行数据预处理及目标检测，获得输出信号功率值；

S4、构造权矢量W_opt、目标函数、约束条件；

S5、根据所述目标函数与约束条件，获得满足约束条件的最优权矢量，利用所述最优权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得最终的天线方向图。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达干扰方法，其特征在于，所述雷达天线参数包括雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距。

3.根据权利要求1所述的毫米波雷达干扰方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括，

S3.1、对所述回波信号s(t)进行数据预处理，包括，数据初始筛选、运动目标显示以及运动目标检测；

S3.2、使用单元平均恒虚警检测方法对预处理的结果进行雷达目标检测，检测后的信号形式为y(t)＝W^HX(t)，其中，X(t)＝[x₁(t) x₂(t) ... x_M(t)]^T表示接收信号向量，表示加权系数向量，其中，M表示天线阵元个数，θ_d∈[-90,90]表示波束扫描方向，其中接收信号向量内容包含目标与干扰的位置、角度、速度，且目标角度信息为θ_d，干扰角度信息为θ_clu，雷达工作载频为f_c，d表示天线阵元间距，c表示光速；

S3.3、根据所述接收信号向量计算得到信号的自相关矩阵，

R＝E[X(t)X^H(t)]；

S3.4、根据所述自相关矩阵计算出输出信号功率值，

P＝E[y(t)²]＝W^H(θ_d)RW(θ_d)。

4.根据权利要求3所述的毫米波雷达干扰方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括，

S4.1、根据所述目标角度信息以及干扰角度信息计算出目标导向矢量及干扰导向矢量，

其中，目标导向矢量为，

干扰导向矢量为，

S4.2、根据约束：保证期望信号的无失真接收，得到以下约束条件表达式：

根据约束：抑制干扰信号，得到以下约束条件表达式：

给定目标函数：阵列输出功率P最小，得到目标函数表达式：

S4.3、综上，得到目标函数与约束条件：

5.根据权利要求4所述的毫米波雷达干扰方法，其特征在于，所述步骤S5还包括，根据拉格朗日乘子法对目标函数与约束条件进行求解，得到最终的优化问题解为：

W_opt＝μR^-1a(θ_d)

其中利用上式求解得到的最优权矢量对天线扫描范围内的导向矢量进行加权获得到最终的天线方向图。

6.根据权利要求6所述的毫米波雷达干扰方法，其特征在于，所述天线阵元间距其中λ表示雷达工作波长，雷达工作波长由光速c与雷达工作载频f_c通过下式计算得到：λ＝c/f_c，其中，c＝3×10⁸m/s，雷达载频f_c＝34GHz；雷达天线扫描区间为[-90°,90°]，扫描间隔为0.5°。

7.一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰系统，其特征在于，所述系统包括，

初始化装置，用于初始化雷达天线参数，其中，所述天线参数包括雷达天线类型、天线阵元个数与天线阵元间距；

设定装置，用于设定雷达天线扫描范围，在所述雷达天线扫描范围内接收回波信号s(t)；

处理装置，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理及目标检测，获得输出信号功率值，构造权矢量W_opt、目标函数、约束条件并最终获得天线方向图。

8.根据权利要求7所述的毫米波雷达抗干扰系统，其特征在于，所述处理装置还包括，

检测模块，用于对所述回波信号s(t)进行数据预处理，包括，数据初始筛选、运动目标显示以及运动目标检测；

第一计算模块，用于根据接收信号向量计算自相关矩阵以及输出信号功率值。

9.根据权利要求8所述的毫米波雷达抗干扰系统，其特征在于，所述处理装置还包括，

第二计算模块，用于根据目标角度信息以及干扰角度信息计算出目标导向矢量及干扰导向矢量。

10.根据权利要求9所述的毫米波雷达抗干扰系统，其特征在于，所述处理装置还包括，

第三计算模块，用于根据拉格朗日乘子法对目标函数与约束条件进行求解，得到最终的优化问题解，并获得最终的天线方向图。