CN110412572A - P波段合成孔径雷达成像干扰抑制方法 - Google Patents

P波段合成孔径雷达成像干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种P波段合成孔径雷达成像干扰抑制方法，包括：设置P波段成像雷达发射机与接收机工作模式；根据雷达接收机在发送‑接收工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波构建旋转域信号；对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号；在发送‑接收工作模式接收完毕后，从所述旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号，得到剩余信号能量QS(ω)；计算在一次静默接收工作模式下接收到的回波信号的信号能量QB(ω)；基于所述剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)定义目标函数Jn，以目标函数Jn作为干扰抑制效果评估指标，不断调整所述滤波器的中心频率、截止频率进行迭代，直到||Jn+1‑Jn||≤ε。本发明解决了现有方法干扰信号参数估计不准确导致抑制程度不够或者过度的缺陷。

Description

P波段合成孔径雷达成像干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，尤其涉及一种P波段SAR成像干扰抑制方法。
背景技术
合成孔径雷达(Syntheticaperture Radar，SAR)作为一种全天时、全天候的主动式对地观测系统，在地表环境监测、海洋观测、资源勘查等民用测绘方面具有重要作用。雷达波段(radar frequency band)指雷达发射电波的频率范围，其度量单位是赫兹(Hz)或周/秒(C/s)，P波段的频率在0.23-1Ghz，波长范围为130-30cm，但P波段SAR由于工作频率低，需要提高雷达系统带宽才能实现高分辨率成像，这样导致P波段SAR工作带宽与电视信号、调频广播信号、移动通信信号等部分民用信号波段重叠，，这就造成了P波段SAR不可避免地遭到来自民用信号的干扰，严重影响P波段SAR成像质量，因此亟需有效的P波段SAR成像干扰抑制方法，图2为含有干扰信号的P波段SAR雷达回波频谱示意图。现有的P波段干扰抑制方法如要有以下几类：
1、陷波法。陷波法是利用雷达回波在距离频域的能量分布特性搜索可能的干扰频点，然后通过LMS时域自适应滤波器、频域置零、频域带阻滤波器、频域限波器、信号分解等方法实现干扰抑制。
该类方法的缺陷在于基于信号能量作为判别干扰的依据，容易受地物回波特性以及其它不确定性噪声的影响，导致无法准确判别。其次，该类方法关键点在于干扰检测门限的设置，当估计的干扰信号的频点不准确时会对雷达回波滤除，影响成像质量。另外，该类方法仅适用于射频窄带干扰的抑制，对于电视广播这种宽带信号，容易造成频谱断裂，将损失有用信号，并且导致旁瓣抬升，影响成像质量。
2、经验模态分解、小波分解、压缩感知等信号分离方法。但是当干扰信号频率相近时，或者干扰成分过多时，这类方法无法将雷达回波与干扰信号准确分离，此外，这类方法多维运算，计算量大，不利于雷达图像的快速处理，难以满足工程化需要。
3、设置专用的专用旁听通道用来实现干扰信号的参数估计，但这种方法将增加系统的复杂性，并且引入了通道间相互干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，以抑制P波段合成孔径雷达成像干扰，解决现有方法干扰信号参数估计不准确导致抑制程度不够或者过度的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，包括：
设置P波段合成孔径雷达发射机与接收机工作模式，发射机在连续进行“发送-接收”工作模式后，进行一次静默接收工作模式；
根据合成孔径雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波构建旋转域信号；
对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号；
在“发送-接收”工作模式接收完毕后，从所述旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号，得到剩余信号能量QS(ω)，其中QS(ω)整体表示剩余信号能量，ω表示信号频率；
计算在一次静默接收工作模式下接收到的回波信号的信号能量QB(ω)，其中QB(ω)整体表示接收到的回波信号的信号能量；
基于所述剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)定义目标函数Jn，以目标函数Jn作为干扰抑制效果评估指标，不断调整所述滤波器的中心频率、截止频率进行迭代，直到||Jn+1-Jn||≤ε，ε表示迭代终止参数，n表示迭代的次数。
(三)有益效果
(1)本发明提供的P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，发射机在连续进行n次“发送-接收”工作模式后，紧接着进行一次静默接收工作模式，雷达系统不需要设立专门的干扰信号接收天线，在准确提取干扰信号的同时能有效降低系统的复杂性，另外增强了信号相参性。
(2)本发明提供的P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，通过带通滤波器对所述旋转域信号进行处理，得到滤波后的旋转域信号此时中则主要包含线性调频信号分量，而混合信号中的调频广播和移动通信窄带干扰、电视信号宽带干扰被滤除，并且不会损失雷达回波中线性调频信号分量的信号能量，保证其频谱完整，解决了现有方法干扰信号抑制程度不够或者过度的缺陷。
(3)本发明提供的P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，无需进行复杂的矩阵运算而实现了P波段雷达回波中有用的线性调频信号与干扰信号的分离，计算量小，计算效率高，满足工程需求。
附图说明
图1是本发明实施例的P波段SAR成像干扰抑制方法的步骤示意图；
图2是本发明实施例的含有干扰信号的P波段合成孔径雷达回波频谱示意图；
图3是本发明实施例的P波段合成孔径雷达回波旋转域信号频谱示意图；
图4是本发明实施例的P波段合成孔径雷达发射机与接收机工作模式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明公开了一种P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，图1为本发明实施例的步骤示意图，包括以下步骤：
S11，设置P波段SAR成像雷达发射机与接收机工作模式，发射机在连续进行“发送-接收”工作模式后，进行一次静默接收工作模式；
具体的，发射机在连续进行n次“发送-接收”工作模式后，紧接着进行一次静默接收工作模式，静默接收工作模式时间长度等于雷达脉冲重复时间，这样每隔n+1个雷达脉冲重复时间作为一次循环周期，以一次循环周期处理雷达回波，其中n≥7，可选的，n＝9，如图4为本发明实施例的P波段合成孔径雷达发射机与接收机工作模式示意图。
S12根据合成孔径雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波构建旋转域信号；
具体的，根据P波段SAR成像雷达系统参数构建频率旋转算子其中j表示信号虚部，t表示时间，fc表示雷达信号载频，k表示雷达信号调频率。对雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波si(t)构建旋转域信号其计算公式如下所示：
式中i表示i个雷达脉冲重复时间内雷达接收机在“发送-接收”工作模式接收到的含有干扰的雷达回波混合信号，其中τ表示截取时间窗长度，ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率，si(t)表示雷达回波，t表示时间，i表示i个雷达脉冲重复时间内雷达接收机在“发送-接收”工作模式接收到的含有干扰的雷达回波混合信号；频率旋转算子计算公式为图3表示雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个PRT时间内收到的雷达回波转域信号频谱示意图，将含有干扰的雷达回波混合信号在时频域旋转某一角度，达到改变混合信号中各个信号分量的时频分布的目的，在含有干扰的雷达回波混合信号中，由于线性调频信号分量与构建的频率旋转算子匹配，因此经过旋转后的时频分布的频谱能量最集中，并其能量分布平行于时间轴，并且带宽最窄，而对于混合信号中的调频广播和移动通信窄带干扰、电视信号宽带干扰，由于与频率旋转算子不匹配，因此，对应旋转后的时频分布将变分散，频谱能量集中度降低，这样达到了提高线性调频信号分量与干扰信号分量、噪声分量的区分度。
S13，对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号；
具体的，设计带通滤波器第i个旋转域信号进行处理，经过带通滤波后得到第i个滤波后的旋转域信号此时中则主要包含线性调频信号分量，而混合信号中的调频广播和移动通信窄带干扰、电视信号宽带干扰被滤除，并且不会损失雷达回波中线性调频信号分量的信号能量，保证其频谱完整，然后对第i个滤波后的旋转域信号进行旋转反变换，从而复原该雷达回波中的线性调频信号分量；其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
进一步的，带通滤波器选用Vold-Kalman滤波器，该滤波器对于步骤三中旋转反变换过程，具有很好的保相性，并且该滤波器的中心频率、截止频率可自适应调节，调节依据由目标函数迭代终止条件决定。
S14，在“发送-接收”工作模式接收完毕后，从所述旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号，得到剩余信号能量QS(ω)，其中ω表示信号频率；
具体的，在S11中一个循环周期内的n次“发送-接收”工作模式接收完毕后，从旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号计算得到剩余信号能量QS(ω)，其计算公式如下：
其中，ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
S15，计算在一次静默接收工作模式下接收到的回波信号的信号能量QB(ω)，其中ω表示信号频率；
具体的，计算静默接收工作模式下频率旋转算子其中，其中j表示信号虚部，t表示时间，fc表示雷达信号载频，k表示雷达信号调频率；
根据频率旋转算子对雷达接收机在静默接收工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波si(t)构建旋转域信号其中τ表示截取时间窗长度，ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率，siB(τ)表示雷达回波，i表示i个雷达脉冲重复时间内雷达接收机在静默接收工作模式下接收到的含有干扰的雷达回波混合信号。
对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
从旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号计算得到剩余信号能量QB(ω)：其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
S16，基于所述剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)定义目标函数Jn，以目标函数Jn作为干扰抑制效果评估指标，不断调整所述滤波器的中心频率、截止频率进行迭代，直到时，ε表示迭代终止参数，n表示迭代的次数。
具体的，定义目标函数Jn作为干扰抑制效果评估指标，对干扰抑制效果进行客观、定量的评价，当||Jn+1-Jn||≤ε时，ε表示迭代终止参数，完成步骤三中带通滤波器参数达到最优，保持不变，否则调整所述Vold-Kalman滤波器的中心频率、截止频率，实现滤波器参数的自适应调节。
所述目标函数Jn的计算公式为：
进一步的，迭代终止参数取经验值
在本实施例中发射机在连续进行9次“发送-接收”工作模式后，紧接着进行一次静默接收工作模式，采用这种策略，雷达系统不需要设立专门的干扰信号接收天线，在准确提取干扰信号的同时能有效降低系统的复杂性，另外增强了信号相参性。此外，通过带通滤波器对旋转域信号进行处理，得到滤波后的旋转域信号此时中则主要包含线性调频信号分量，而混合信号中的调频广播和移动通信窄带干扰、电视信号宽带干扰被滤除，并且不会损失雷达回波中线性调频信号分量的信号能量，保证其频谱完整，解决了现有方法干扰信号抑制程度不够或者过度的缺陷。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种P波段合成孔径雷达成像干扰抑制的方法，其特征在于，包括：
设置P波段合成孔径雷达发射机与接收机工作模式，发射机在连续进行“发送-接收”工作模式后，进行一次静默接收工作模式；
根据合成孔径雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波构建旋转域信号；
对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号；
在“发送-接收”工作模式接收完毕后，从所述旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号，得到剩余信号能量QS(ω)，其中QS(ω)整体表示剩余信号能量，ω表示信号频率；
计算在一次静默接收工作模式下接收到的回波信号的信号能量QB(ω)，其中QB(ω)整体表示接收到的回波信号的信号能量；
基于所述剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)定义目标函数Jn，以目标函数Jn作为干扰抑制效果评估指标，不断调整所述滤波器的中心频率、截止频率进行迭代，直到||Jn+1-Jn||≤ε，ε表示迭代终止参数，n表示迭代的次数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达发射机与接收机工作模式为：
发射机在连续进行n次“发送-接收”工作模式后，紧接着进行一次静默接收工作模式，静默接收工作模式时间长度等于雷达脉冲重复时间，这样每隔n+1个雷达脉冲重复时间作为一次循环周期，以一次循环周期处理雷达回波，其中n≥7。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射机在连续进行n次“发送-接收”工作模式，n＝9。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据雷达接收机在“发送-接收”工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波构建旋转域信号，包括：
根据P波段SAR成像雷达系统参数构建频率旋转算子其中j表示信号虚部，t表示时间，fc表示雷达信号载频，k表示雷达信号调频率；
由频率旋转算子得到所述旋转域信号其中τ表示截取时间窗长度，ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率，si(t)表示雷达回波，t表示时间，i表示i个雷达脉冲重复时间内雷达接收机在“发送-接收”工作模式接收到的含有干扰的雷达回波混合信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号，包括：
带通滤波器对所述旋转域信号进行处理，滤除信号中的调频广播和移动通信窄带干扰、电视信号宽带干扰，得到滤波后的旋转域信号其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述带通滤波器为Vold-Kalman滤波器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算在一次静默接收工作模式下接收到的回波信号的信号能量QB(ω)，包括：
计算静默接收工作模式下频率旋转算子其中，其中j表示信号虚部，t表示时间，fc表示雷达信号载频，k表示雷达信号调频率；
根据频率旋转算子对雷达接收机在静默接收工作模式下每个雷达脉冲重复时间内收到的雷达回波si(t)构建旋转域信号其中τ表示截取时间窗长度，ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率，siB(τ)表示雷达回波，i表示i个雷达脉冲重复时间内雷达接收机在静默接收工作模式下接收到的含有干扰的雷达回波混合信号；
对所述旋转域信号进行滤波处理，得到滤波后的旋转域信号其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率；
从旋转域信号中减去滤波后的旋转域信号计算得到剩余信号能量其中其中ω表示信号频率，fc表示雷达发射信号载频，k表示雷达信号调频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)定义目标函数Jn，具体包括：
目标函数Jn由剩余信号能量QS(ω)和所述回波信号的信号能量QB(ω)得出：其中n表示第n次循环周期。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述迭代终止参数ε为
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