CN111650563B - 一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统及方法，所述方法为：参考天线利用波束形成获得各同频干扰基站直达的参考信号，回波天线接收包含同频干扰以及目标回波的回波信号，应用导频互相关算法获得参考信号以及同频干扰信号的粗时延参数，进行各基站参考信号与同频干扰聚类匹配处理，然后构建同频干扰信号矩阵，利用子空间投影法获得同频干扰时延和能量两维精确估计。这种方法可在移动通信外辐射源雷达多照射源同频干扰情况下，实现对来自不同照射源的同频干扰时延和能量进行精确估计，进而实现对其进行有效抑制。本发明同时还公开了一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统。这种系统成本低、组网方便。

Description

一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统及方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及雷达干扰参数估计，具体是一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统及方法。

技术背景

近年来，随着低空空域管制的逐步开放和航空飞行器技术的飞速发展，低空航空器违规飞行和用于恐怖袭击事件的案例日益增多，提高对低空目标的探测、识别、跟踪和处置能力，是保障低空空域安全的首要前提。目前解决低空飞行器探测问题的途径主要有两种:光电探测和雷达探测等。相对于光电探测，雷达具有全天侯探测能力强，搜索速度快等优点，是目前各国重点发展的低空目标探测装备。但传统主动有源雷达成本高，存在电磁污染，抗电磁干扰和抗摧毁打击能力差，难以实现在空间和时间上无缝连续探测。

有别于传统主动有源雷达，外辐射源雷达(又称无源雷达)无需主动辐射电磁信号，而是间接利用第三方发射的电磁信号探测目标，具有低成本、隐蔽性好、抗干扰能力强、电磁兼容性好等诸多优势，同时在探测低空目标方面也具有巨大的潜力，近年来在国内外引起了广泛的关注。

特别是移动通信信号，包括目前正在并网运行的2G、3G、4G信号，以及目前全球正在大力发展的5G移动通信信号，作为世界上分布最为广泛的商用信号之一，利用移动通信信号做为机会照射源进行目标探测，除了具备常规外辐射源雷达的共有优势以外，其发射资源十分丰富，可以以雷达组网形式可实现对全国空域的无缝覆盖，实现无空间和时间盲区探测，同时其低小慢目标探测能力强，将作为未来低空区域监视的有效补充手段，为未来低空空域精准探测、重点区域防护、无缝区域覆盖以及低空空域开放提供强有力的支撑，具有重要的应用价值。

但与传统外辐射源雷达不同，移动通信外辐射源雷达中不仅存在主基站干扰同时存在很多其他同频基站干扰，而目前国内外研究的外辐射源雷达干扰抑制方法大都是主基站干扰抑制方法，难以实现对移动通信外辐射源雷达中的同频干扰进行有效抑制。因此迫切需要研究有效的同频干扰抑制方法，为移动通信外辐射源雷达的发展提供关键技术支撑。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统及方法。这种系统成本低、组网方便。这种方法可在移动通信外辐射源雷达多照射源同频干扰情况下，实现对来自不同照射源的同频干扰时延和能量进行精确估计，进而实现对其进行有效抑制。

实现本发明目的的技术方案是：

一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统，包括信号处理机和与信号处理机连接的接收机A、接收机B及恒虚警检测与航迹处理模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线，信号处理机输入端连接接收机A和接收机B，输出端连接恒虚警检测与航迹处理模块。

所述参考天线为阵列天线，其中，阵列天线中单个天线的波束宽度为全向360°，在系统工作过程中参考天线的主要作用是形成分别指向各个同频干扰基站方向的M个波束，用以获得各同频干扰基站参考信号。

所述回波天线为水平极化具有指向性的窄波束天线，回波天线主瓣指向可能存在目标回波的区域，接收目标回波信号以及由多个同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号。

接收机A和接收机B，分别对参考天线接收到的各同频干扰基站直达的参考信号和回波天线接收到的回波信号进行混频以及滤波放大获得模拟中频信号，并使后端的信号处理机能够工作在最佳的线性范围，结果送给信号处理机。

信号处理机，将接收机A和接收机B输出的模拟中频信号进行A/D变换和数字下变频处理，分别得到数字基带的各同频干扰基站参考信号

m＝1,2,...M和数字基带回波信号S_echo，并利用参考信号和回波信号依次进行同频干扰时延能量参数估计和相消，最后进行距离-多普勒二维相关运算。

所述的恒虚警检测与航迹处理模块，用于对信号处理机的二维相关信号进行恒虚警检测和航迹处理，以获得目标航迹信息。

系统工作过程中，参考天线完成对雷达系统周围360°方向所有同频基站辐射的信号进行接收，并将接收的信号传送给接收机A，回波天线接收包括目标回波以及同频干扰的回波信号，并将回波信号传送给接收机B；接收机A和接收机B分别对接收到的信号进行滤波放大处理，并将滤波放大处理结果传送给信号处理机；信号处理机对接收机传送过来的模拟信号完成A/D变换，数字下变频处理，同频干扰参数估计和相消以及距离多普勒二维相关运算，并将距离多普勒二维相关运算结果传送给恒虚警检测与航迹处理模块，完成目标的检测和航迹处理，同时解算目标位置并进行跟踪滤波，得到目标位置信息，并在水平面二维坐标图中显示。

采用上述外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统的估计方法，包括如下步骤：

1)采用参考天线形成M个波束分别指向移动通信辐射源各同频干扰基站方向，获得各同频干扰基站直达的参考信号

m＝1,2,...M，采用回波天线指向目标区域，获得包含目标回波以及同频干扰的回波信号S_echo；

2)采用本地导频信号P与回波信号S_echo做互相关处理，并进行恒虚警检测后，得到相对于本地导频的同频干扰时延向量τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数，过程为；

1-2)首先对回波信号S_echo按照如下公式(1)做频偏补偿：

公式(1)中S_echo[n]表示为回波信号S_echo的第n个采样，N表示S_echo总的采样数，w为本地载频相对于发射基站频率的偏移量；

2-2)采用本地导频序列P与频偏补偿以后的回波信号R[n]进行时延相关处理，得到相关后的向量为R_c[τ_c]为公式(2)：

公式(2)中τ_c为相关时延，C为设定的干扰相对于本地导频的最大时延；

3-2)对R_c[τ_c]向量进行恒虚警检测，即可得到相对于本地导频的同频干扰时延向量为τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数；

3)采用本地导频信号P分别与各同频干扰基站直达的参考信号

做互相关处理，并检测其最大值以后，得到相对于本地导频的各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]，m＝1,2,...M，其中互相关处理表达式如公式(3)所示：

公式(3)中τ_m为相关时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最小时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最大时延；

4)将同频干扰时延向量τ_echo[i]分别与各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]做聚类匹配处理，得到各同频干扰相对于各同频干扰基站参考信号的粗时延矩阵为τ_im[m,j_m]，其中j_m＝1,2...J_m，J_m表示与第m同频基站匹配上的同频干扰个数，聚类匹配处理过程为：

1-4)初始化，首先设定同频干扰计数i为1，粗时延矩阵τ_im[m,j]为0，同时设定各个同频干扰基站匹配上的同频干扰个数J_m为0，m＝1,2,...M；

2-4)采用第i个干扰时延τ_echo[i]分别与所有M个同频干扰基站参考信号时延τ_ref[m]进行比较，得到与第i个干扰时延相差最小的第f个同频干扰基站，也即：

3-4)更新第f个同频基站匹配上的同频干扰个数J_f＝J_f+1；

4-4)更新粗时延矩阵为：τ_im[f,J_f]＝τ_echo[i]；

5-4)判断i是否小于同频干扰总数I，如果小于则设定i＝i+1，然后转入步骤4-4)继续运行，否则运行结束；

5)采用粗时延矩阵τ_im[m,j]和各同频基站参考信号

构建同频干扰信号矩阵S_int为公式(4)所示：

公式(4)中

表示第M个同频干扰基站参考信号

时延τ_im[M,J_M]以后的向量；

6)采用子空间投影的方法得到同频干扰时延和能量两维精确估计如公式(5)所示：

[τ_ac，N_ac]＝(S_int ^HS_int)^-1S_int ^HS_echo (5)，

公式(5)中τ_ac和N_ac分别表示通过两步精确估计得到的同频干扰时延和能量值。

本技术方案具有以下优点：

1)方法复杂度低，易于工程实现：本技术方案采用辐射源信号的自身导频信道特性实现对同频干扰参数进行估计，不需要建立完备的干扰空间进行滤波，因此具有更高计算效率和计算复杂度，易于工程实现；

2)参数估计精度高：本技术方案采用两步处理完成对回波信号中同频干扰参数进行估计，首先利用辐射源信号的自身特性完成对同频干扰进行参数粗估计，然后利用子空间投影的方法完成对参数进行精估计，从而可以保证在降低算法复杂的同时，实现对同频干扰参数进行高精度估计。

3)可实现时延和能量两维联合估计：本技术方案采用在时延粗估计的基础上，将得到的干扰子空间矩阵投影到目标回波信号中，可以实现包括时延和能量的两维参数的联合估计。

这种系统成本低、组网方便。这种方法可在移动通信外辐射源雷达多照射源同频干扰情况下，实现对来自不同照射源的同频干扰时延和能量进行精确估计，进而实现对其进行有效抑制。

附图说明

图1为实施例的系统结构示意图；

图2为实施例方法流程示意图；

图3为实施例中回波信号距离-多普勒相关结果示意图；

图4为实施例中进行主基站干扰抑制后距离-多普勒相关结果示意图；

图5为实施例中同频干扰时延参数进行粗估计以后的结果示意图；

图6为实施例中得到的时延和能量参数进行同频干扰相消以后的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作详细的阐述，但不是对本发明的限定。

参照图1，一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统，包括信号处理机和与信号处理机连接的接收机A、接收机B及恒虚警检测与航迹处理模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线，信号处理机输入端连接接收机A和接收机B，输出端连接恒虚警检测与航迹处理模块，其中信号处理机和恒虚警检测与航迹处理模块均采用基于GPU架构的实时数字处理系统。

所述参考天线为阵列天线，其中，阵列天线中单个天线的波束宽度为全向360°，在系统工作过程中参考天线的主要作用是形成分别指向各个同频干扰基站方向的M个波束，用以获得各同频干扰基站参考信号。

所述回波天线为水平极化具有指向性的窄波束天线，回波天线主瓣指向可能存在目标回波的区域，接收目标回波信号以及由多个同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号。

接收机A和接收机B，分别对参考天线接收到的各同频干扰基站直达的参考信号和回波天线接收到的回波信号进行混频以及滤波放大获得模拟中频信号，并使后端的信号处理机能够工作在最佳的线性范围，结果送给信号处理机。

信号处理机，将接收机A和接收机B输出的模拟中频信号进行A/D变换和数字下变频处理，分别得到数字基带的各同频干扰基站参考信号

m＝1,2,...M和数字基带回波信号S_echo，并利用参考信号和回波信号依次进行同频干扰时延能量参数估计和相消，最后进行距离-多普勒二维相关运算。

所述的恒虚警检测与航迹处理模块，用于对信号处理机的二维相关信号进行恒虚警检测和航迹处理，以获得目标航迹信息。

系统工作过程中，参考天线完成对雷达系统周围360°方向所有同频基站辐射的信号进行接收，并将接收的信号传送给接收机A，回波天线接收包括目标回波以及同频干扰的回波信号，并将回波信号传送给接收机B；接收机A和接收机B分别对接收到的信号进行滤波放大处理，并将滤波放大处理结果传送给信号处理机；信号处理机对接收机传送过来的模拟信号完成A/D变换，数字下变频处理，同频干扰参数估计和相消以及距离多普勒二维相关运算，并将距离多普勒二维相关运算结果传送给恒虚警检测与航迹处理模块，完成目标的检测和航迹处理，同时解算目标位置并进行跟踪滤波，得到目标位置信息，并在水平面二维坐标图中显示。

参照图2，采用上述外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统的估计方法，包括如下步骤：

1)采用参考天线形成M个波束分别指向移动通信辐射源各同频干扰基站方向，获得各同频干扰基站直达的参考信号

m＝1,2,...，M，采用回波天线指向目标区域，获得包含目标回波以及同频干扰的回波信号S_echo；

2)采用本地导频信号P与回波信号S_echo做互相关处理，并进行恒虚警检测后，得到相对于本地导频的同频干扰时延向量τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数，过程为；

1-2)首先对回波信号S_echo按照如下公式(1)做频偏补偿：

公式(1)中S_echo[n]表示为回波信号S_echo的第n个采样，N表示S_echo总的采样数，w为本地载频相对于发射基站频率的偏移量；

2-2)采用本地导频序列P与频偏补偿以后的回波信号R[n]进行时延相关处理，得到相关后的向量为R_c[τ_c]为公式(2)：

公式(2)中τ_c为相关时延，C为设定的干扰相对于本地导频的最大时延；

3-2)对R_c[τ_c]向量进行恒虚警检测，即可得到相对于本地导频的同频干扰时延向量为τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数，具体过程如下：

1-3-2)按照如下式获得恒虚警检测噪声平台能量β：

2-3-2)然后初始化检测得到同频干扰个数i为1，同时初始化k为1以及同频干扰时延向量为τ_echo[i]＝0；

3-3-2)比较回波相关向量第k个量R_c[k]与噪声平台能量β的值，如果有

α为检测门限，一般取为100，则转到步骤4-3)，否则转到步骤5-3)；

4-3-2)更新同频干扰时延向量τ_echo[i]＝k，更新同频干扰个数i＝i+1；

5-3-2)更新k＝k+1；

6-3-2)判断k是否大于C，如果是转到步骤3-3)，否则转到步骤7-3)；

7-3-2)设定I＝i-1，运行结束；

3)采用本地导频信号P分别与各同频干扰基站直达的参考信号

做互相关处理，并检测其最大值以后，得到相对于本地导频的各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]，m＝1,2,...M，其中互相关处理表达式如公式(3)所示：

公式(3)中τ_m为相关时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最小时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最大时延。

4)将同频干扰时延向量τ_echo[i]分别与各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]做聚类匹配处理，得到各同频干扰相对于各同频干扰基站参考信号的粗时延矩阵为τ_im[m,j_m]，其中j_m＝1,2...J_m，J_m表示与第m同频基站匹配上的同频干扰个数，聚类匹配处理过程为：

1-4)初始化，首先设定同频干扰计数i为1，粗时延矩阵τ_im[m,j]为0，同时设定各个同频干扰基站匹配上的同频干扰个数J_m为0，m＝1,2,...M；

2-4)采用第i个干扰时延τ_echo[i]分别与所有M个同频干扰基站参考信号时延τ_ref[m]进行比较，得到与第i个干扰时延相差最小的第f个同频干扰基站，也即：

3-4)更新第f个同频基站匹配上的同频干扰个数J_f＝J_f+1；

4-4)更新粗时延矩阵为：τ_im[f,J_f]＝τ_echo[i]；

5-4)判断i是否小于同频干扰总数I，如果小于则设定i＝i+1，然后转入步骤4-4)继续运行，否则运行结束；

5)利用粗时延矩阵τ_im[m,j]和各同频基站参考信号

构建同频干扰信号矩阵S_int为如下所示：

式中

表示第M个同频干扰基站参考信号

时延τ_im[M,J_M]以后的向量；

6)利用子空间投影的方法得到同频干扰时延和能量两维精确估计如下式所示：

[τ_ac，N_ac]＝(S_int ^HS_int)^-1S_int ^HS_echo

式中τ_ac和N_ac分别表示通过两步精确估计得到的同频干扰时延和能量值，

最后根据估计得到的同频干扰时延和能量值，按照如下式子进行同频干扰相消：

式中N_ac[m]和τ_ac[m]分别表示m个同频干扰的能量和时延值。

对本例技术方案进行仿真，仿真条件：

1)在本例中以CDMA移动通信信号为外辐射源雷达的机会照射源信号，根据CDMA移动通信系统的典型布站方式，在仿真场景中仿真1主辐射源基站也即是进行目标探测的基站，同时仿真3个同频辐射源干扰基站，仿真得到的主基站位置坐标为(0,0)km，3个同频辐射源干扰基站的位置坐标为T1(-10.5-10.2)km，T2(0，-30.2)km，T3(50.5，0)km.设目标位于距离主基站40km处，方位45°的方向，

2)实验效果：

如图3所示，从结果中可以看出在零多普勒单元处存在很多由主基站干扰信号引起的峰值，而目标回波由于比较弱，被掩盖在干扰背景中没有被检测出来，

如图4所示，从结果中可以看出在零多普勒处的峰值已经被消除，说明主基站的干扰已经被消除，但是仍然检测不目标回波，说明接收信号回波中，不仅存在主基站干扰，同时还会存在其他同频基站的干扰，且同频信号能量相对于目标回波能量信号还是大很多，需要对同频干扰进行抑制以后才能检测得到目标回波。

如图5所示，从图中可以看出得到明显的由其他同频干扰引起的尖峰，对其进行恒虚警检测即可以得到各同频干扰相对于导频信号的时延粗估计。

如图6所示，图6是按照本例方法估计以后，进行同频干扰相消以后，与主基站信号进行距离-多普勒两维相关以后的结果，从图中可以看出明显的由目标回波峰值，说明本例方法可以实现对移动通信外辐射源雷达的同频干扰时延和能量参数进行准确估计，进而可以实现对同频干扰进行有效消除。

Claims (1)

1.一种外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计方法，包括外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统，所述外辐射源雷达同频干扰时延和能量快速估计系统包括信号处理机和与信号处理机连接的接收机A、接收机B及恒虚警检测与航迹处理模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线，信号处理机输入端连接接收机A和接收机B，输出端连接恒虚警检测与航迹处理模块，所述参考天线为阵列天线，其中，阵列天线中单个天线的波束宽度为全向360°；所述回波天线为水平极化具有指向性的窄波束天线，回波天线主瓣指向可能存在目标回波的区域，接收目标回波信号以及由多个同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)采用参考天线形成M个波束分别指向移动通信辐射源各同频干扰基站方向，获得各同频干扰基站直达的参考信号

采用回波天线指向目标区域，获得包含目标回波以及同频干扰的回波信号S_echo；

2)采用本地导频信号P与回波信号S_echo做互相关处理，并进行恒虚警检测后，得到相对于本地导频的同频干扰时延向量τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数，过程为；

1-2)首先对回波信号S_echo按照如下公式(1)做频偏补偿：

公式(1)中S_echo[n]表示为回波信号S_echo的第n个采样，N表示S_echo总的采样数，w为本地载频相对于发射基站频率的偏移量；

2-2)采用本地导频序列P与频偏补偿以后的回波信号R[n]进行时延相关处理，得到相关后的向量为R_c[τ_c]为公式(2)：

公式(2)中τ_c为相关时延，C为设定的干扰相对于本地导频的最大时延；

3-2)对R_c[τ_c]向量进行恒虚警检测，即可得到相对于本地导频的同频干扰时延向量为τ_echo[i]，i＝1,2,...I，I表示目标回波信号中同频干扰个数；

3)采用本地导频信号P分别与各同频干扰基站直达的参考信号

做互相关处理，并检测其最大值以后，得到相对于本地导频的各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]，m＝1,2,...M，其中互相关处理表达式如公式(3)所示：

公式(3)中τ_m为相关时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最小时延，

为设定的第m个同频基站参考信号相对于本地导频的最大时延；

4)将同频干扰时延向量τ_echo[i]分别与各同频干扰基站参考信号时延向量τ_ref[m]做聚类匹配处理，得到各同频干扰相对于各同频干扰基站参考信号的粗时延矩阵为τ_im[m,j_m]，其中j_m＝1,2...J_m，J_m表示与第m同频基站匹配上的同频干扰个数，聚类匹配处理过程为：

1-4)初始化，首先设定同频干扰计数i为1，粗时延矩阵τ_im[m,j]为0，同时设定各个同频干扰基站匹配上的同频干扰个数J_m为0，m＝1,2,...M；

2-4)采用第i个干扰时延τ_echo[i]分别与所有M个同频干扰基站参考信号时延τ_ref[m]进行比较，得到与第i个干扰时延相差最小的第f个同频干扰基站，也即：

3-4)更新第f个同频基站匹配上的同频干扰个数J_f＝J_f+1；

4-4)更新粗时延矩阵为：τ_im[f,J_f]＝τ_echo[i]；

5-4)判断i是否小于同频干扰总数I，如果小于则设定i＝i+1，然后转入步骤4-4)继续运行，否则运行结束；

5)采用粗时延矩阵τ_im[m,j]和各同频基站参考信号

构建同频干扰信号矩阵S_int为公式(4)所示：

公式(4)中

表示第M个同频干扰基站参考信号

时延τ_im[M,J_M]以后的向量；

6)采用子空间投影的方法得到同频干扰时延和能量两维精确估计如公式(5)所示：

[τ_ac，N_ac]＝(S_int ^HS_int)^-1S_int ^HS_echo (5)，

公式(5)中τ_ac和N_ac分别表示通过两步精确估计得到的同频干扰时延和能量值。

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