CN111812630B - 干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与doa估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统及方法。所述方法为：1)参考天线获得主基站直达的参考信号；2)将参考信号S_ref与回波信号

分别进行时域干扰相消，得到回波天线各阵元干扰相消以后的信号；3)将参考信号S_ref与回波天线各阵元干扰相消以后的信号

分别作多段连续匹配滤波处理，得到各阵元多段匹配信号；4)对多段匹配信号

的各个多普勒‑时延单元进行空间谱估计；5)构建各个来波方向θ处的多普勒‑时延两维矩阵；6)完成目标检测与DOA估计。这种系统成本低、组网方便。这种方法能在移动通信外辐射源雷达中当时域干扰相消以后仍然剩余大量同频干扰的情况下，完成对目标进行检测与精确DOA估计，这种方法易于工程实现。

Description

干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体是一种干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA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。相对于光电探测，雷达具有全天侯探测功能，且能力强、搜索速度快的优点，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。

但是与FM等传统外辐射源雷达只存在主基站，也就是作为照射源的基站，干扰不同，移动通信系统由于采用蜂窝网通信结构，导致利用其作为照射源的外辐射源雷达不仅存在主基站干扰，同时存在其他辐射源的同频干扰，因此常规利用时域方法只能消除主基站干扰，将仍然剩余大量的同频干扰，这些剩余同频干扰的存在严重影响目标检测与波达方向DOA(Direction Of Arrival，简称DOA)估计。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统及方法。这种系统成本低、组网方便。这种方法能在移动通信外辐射源雷达中当时域干扰相消以后仍然剩余大量同频干扰的情况下，完成对目标进行检测与精确DOA估计，这种方法易于工程实现。

实现本发明目的的技术方案是：

一种干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统，与现有技术不同处在于，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DOA估计模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线阵，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DOA估计模块。

所述接收机B上设有的回波天线阵用以接收目标回波信号以及由多个移动通信同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号。

所述接收机A上设有的参考天线为窄波束天线，窄波束天线指向主基站方向，用以接收主基站发射的直达波信号。

采用上述雷达系统用于干扰剩余时的外辐射源雷达目标检测与DOA估计方法，包括如下步骤：

1)采用参考天线指向移动通信主基站方向，获得主基站直达的参考信号S_ref,采用回波天线阵指向目标区域，获得包含目标回波以及干扰的回波信号：

其中M表示回波天线阵总的阵元数；

2)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元接收的回波信号

分别进行时域干扰相消，得到回波天线各阵元干扰相消以后的信号

3)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元干扰相消以后的信号

分别作多段连续匹配滤波处理，得到各阵元多段匹配信号为

式中I表示总的分段数，具体过程如下：

3-1)初始化当前匹配段i＝1；

3-2)构造第i段截断的参考信号矢量

式中K表示每段的分段长度，d表示每段的分隔距离；

3-3)初造第m个阵元中第i段截断的干扰相消以后的信号矢量

为：

式中τ表示匹配最大时延；

3-4)分别进行各阵元第i段信号匹配处理，如下式所示：

式中f_d表示多普勒频移，t表示时延；

3-5)判断i是否等于I，如果等于则运行结束，否则在在前匹配段i上加1，并转到步骤3-2)继续运行；

4)对多段匹配信号

的各个多普勒-时延单元进行空间谱估计，具体步骤如下所示：

4-1)首先采用多段匹配信号

按照如下式子构建每个多普勒-时延单元的信号阵列矢量为：

4-2)采用A_i(f_d,t)获得每个多普勒-时延单元的自相关矩阵如下所示：

4-3)对自相关矩阵R(f_d,t)采用MUSIC算法进行空间谱估计，即可获得各个多普勒-时延单元在来波方向θ处的空间谱能量为P(f_d,t,θ)；

5)采用P(f_d,t,θ)构建各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵为：

式中F_d表示最大的多普勒频移，τ表示最大的时延；

6)对各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵J(θ)分别进行恒虚警检测，检测得到的非零多普勒频移的尖峰即为目标回波，同时估计得到此目标的来波方向为θ。

本技术方案具有以下优点：

(1)可实现移动通信外辐射源雷达多同频干扰情况下，对目标进行有效检测与精确DOA估计，本技术方案首先采用时域算法消除主基站干扰，然后在多普利-时延域上进行空间谱估计，使剩余干扰与目标回波在空域上区分开来，进而可实现对目标进行有效检测与精确DOA估计；

(2)这种方法复杂度低且成熟稳健，易于工程实现，本技术方案采用多段连续匹配滤波处理构建干扰相消以后的信号在多普勒-时延域上的二维自相关矩阵，因而在空间谱估计时时可利用目前比较成熟有效的MUSIC空间谱估计算法，其相对于压缩感知等基于单次快拍数据的空间谱估计算法，复杂度要低很多，同时算法稳健，更易于工程实现。

这种系统成本低、组网方便。这种方法能在移动通信外辐射源雷达中当时域干扰相消以后仍然剩余大量同频干扰的情况下，完成对目标进行检测与精确DOA估计，这种方法易于工程实现。

附图说明

图1为实施例的系统结构示意图；

图2为实施例方法的流程示意图；

图3为实施例中回波原始信号进行多普勒-时延相关匹配后的结果示意图；

图4为实施例中进行时域干扰相消以后多普勒-时延相关匹配结果示意图；

图5为实施例中目标对应的多普勒-时延单元进行空间谱估计的结果示意图；

图6为实施例中目标方向处获得的多普勒-时延能量图。

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1，一种干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA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DOA估计模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线阵，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DOA估计模块。

所述接收机B上设有的回波天线阵用以接收目标回波信号以及由多个移动通信同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号。

所述接收机A上设有的参考天线为窄波束天线，窄波束天线指向主基站方向，用以接收主基站发射的直达波信号。

本例中的参考天线采用水平极化且具有指向性的窄波束天线，其3dB波束宽度为10°；回波天线阵为包含M个阵元的阵列天线，各个阵元的3dB波束宽度为90°。

本例中的接收机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阵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。

本例中的信号处理机，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主基站参考信号S_ref和数字基带回波信号

并将参考信号和回波信号依次进行时域干扰相消，多段连续匹配滤波处理以及多普勒-时延域空间谱估计。

本例中的恒虚警检测与DOA估计模块，用于对信号处理机处理得得到的空间谱进行恒虚警检测和DOA估计。

本例中的外辐射源雷达系统工作过程中，参考天线接收主基站直达的参考信号，并将接收的信号传送给接收机A，回波天线阵接收包括目标回波以及干扰的回波信号，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，时域干扰相消，分段匹配滤波处理以及多普勒-时延域空间谱估计，并将空间谱估计结果传送给恒虚警检测与DOA估计模块，完成目标的检测和DOA估计，同时解算目标位置，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，采用本例中的干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统用于干扰剩余时的目标检测与DOA估计方法，包括如下步骤：

1)采用参考天线指向移动通信主基站方向，获得主基站直达的参考信号S_ref,采用回波天线阵指向目标区域，获得包含目标回波以及干扰的回波信号：

其中M表示回波天线阵总的阵元数；

2)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元接收的回波信号

分别进行时域干扰相消，得到回波天线各阵元干扰相消以后的信号

本例采用ECA算法得到回波天线各阵元干扰相消以后的信号，过程如下：

2-1)采用参考信号S_ref构建干扰空间矩阵为：

式中S_ref(l)表示参考信号的第l个数据，l表示干扰最大的时延，L表示拟相消的回波信号总长度；

2-2)设定回波天线阵元计数m为1；

2-3)采用干扰空间矩阵S_ref按照如下式子进行m个阵元接收的回波信号

时域干扰相消：

2-4)判断m是否等于M，如果等于则运行结束，否则在在阵元计数m上加1，并转到步骤2-4)继续运行；

3)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元干扰相消以后的信号

分别作多段连续匹配滤波处理，得到各阵元多段匹配信号为

式中I表示总的分段数，具体过程如下：

3-1)初始化当前匹配段i＝1；

3-2)构造第i段截断的参考信号矢量

式中K表示每段的分段长度，d表示每段的分隔距离；

3-3)初造第m个阵元中第i段截断的干扰相消以后的信号矢量

为：

式中τ表示匹配最大时延；

3-4)分别进行各阵元第i段信号匹配处理，如下式所示：

式中f_d表示多普勒频移，t表示时延；

3-5)判断i是否等于I，如果等于则运行结束，否则在在前匹配段i上加1，并转到步骤3-2)继续运行；

4)对多段匹配信号

的各个多普勒-时延单元进行空间谱估计，具体步骤如下所示：

4-1)首先采用多段匹配信号

按照如下式子构建每个多普勒-时延单元的信号阵列矢量为：

4-2)采用A_i(f_d,t)获得每个多普勒-时延单元的自相关矩阵如下所示：

4-3)对自相关矩阵R(f_d,t)采用MUSIC算法进行空间谱估计，即可获得各个多普勒-时延单元在来波方向θ处的空间谱能量为P(f_d,t,θ)；

5)采用P(f_d,t,θ)构建各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵为：

式中F_d表示最大的多普勒频移，τ表示最大的时延；

6)对各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵J(θ)分别进行恒虚警检测，检测得到的非零多普勒频移的尖峰即为目标回波，同时估计得到此目标的来波方向为θ。

仿真实验：

1)仿真条件：在本例中采用GSM移动通信信号为外辐射源雷达的机会照射源信号，信号频率为952MHz，根据GSM移动通信系统的典型布站方式，在本例中仿真场景中仿真1主辐射源基站(也即是进行目标探测的基站)，同时仿真5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，5个同频辐射源干扰基站的位置坐标为T1(-5.5-4.2)km，T2(0，-4.2)km，T3(5.5，0)km，T4(-2.8，3.2)km，T5(3.5，2.5)km，设目标位于距离主基站2.5km处，方位-40°的方向，仿真过程中使用的回波天线阵列的阵元个数为8，阵元间距为半波长。

2)实验效果：

图3为本例仿真得到的回波信号直接与基站信号进行多普勒-时延相关匹配以后的结果，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；

图4是本例仿真中对回波信号进行时域干扰相消以后结果，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，说明还存其他同频干扰剩余，剩余干扰的副瓣掩盖了目标回波信号，导致其无法被检测；

图5是按照本例所述方法在目标所处的多普勒-时延域进行空间谱估计结果，可以看出本例所述方法可以将目标回波与其他剩余干扰在空域中区分开来。

图6是按照本例所述方法得到的目标方向处的多谱勒-距离(时延)能量图，从图中可很明显的看到由目标引起的尖峰，对其利用恒虚警算法即检测得到目标回波，进而获得目标的DOA。

Claims (1)

1.一种干扰剩余时的外辐射源雷达目标检测与DOA估计方法，包括干扰剩余时外辐射源雷达目标检测与DOA估计系统，所述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DOA估计模块，接收机A上设有参考天线，接收机B上设有回波天线阵，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DOA估计模块，其中，所述接收机B上设有的回波天线阵用以接收目标回波信号以及由多个移动通信同频辐射源基站发射的直达波和多径干扰信号，所述接收机A上设有的参考天线为窄波束天线，窄波束天线指向主基站方向，用以接收主基站发射的直达波信号，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)采用参考天线指向移动通信主基站方向，获得主基站直达的参考信号S_ref,采用回波天线阵指向目标区域，获得包含目标回波以及干扰的回波信号：

其中M表示回波天线阵总的阵元数；

2)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元接收的回波信号

分别进行时域干扰相消，得到回波天线各阵元干扰相消以后的信号

3)将主基站直达的参考信号S_ref与回波天线各阵元干扰相消以后的信号

分别作多段连续匹配滤波处理，得到各阵元多段匹配信号为

式中I表示总的分段数，具体过程如下：

3-1)初始化当前匹配段i＝1；

3-2)构造第i段截断的参考信号矢量

式中K表示每段的分段长度，d表示每段的分隔距离；

3-3)初造第m个阵元中第i段截断的干扰相消以后的信号矢量

为：

式中τ表示匹配最大时延；

3-4)分别进行各阵元第i段信号匹配处理，如下式所示：

式中f_d表示多普勒频移，t表示时延；

3-5)判断i是否等于I，如果等于则运行结束，否则在在前匹配段i上加1，并转到步骤3-2)继续运行；

4)对多段匹配信号

的各个多普勒-时延单元进行空间谱估计，具体步骤如下所示：

4-1)首先采用多段匹配信号

按照如下式子构建每个多普勒-时延单元的信号阵列矢量为：

4-2)采用A_i(f_d,t)获得每个多普勒-时延单元的自相关矩阵如下所示：

4-3)对自相关矩阵R(f_d,t)采用MUSIC算法进行空间谱估计，即可获得各个多普勒-时延单元在来波方向θ处的空间谱能量为P(f_d,t,θ)；

5)采用P(f_d,t,θ)构建各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵为：

式中F_d表示最大的多普勒频移，τ表示最大的时延；

6)对各个来波方向θ处的多普勒-时延两维矩阵J(θ)分别进行恒虚警检测，检测得到的非零多普勒频移的尖峰即为目标回波，同时估计得到此目标的来波方向为θ。

Images