CN112098956B - 一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，包括：根据单脉冲雷达的脉冲回波信号得到目标一维距离像；对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离‑多普勒信号；对所述二维距离‑多普勒信号进行单脉冲测角，得到目标角度信息；根据所述目标角度信息计算目标三维距离信息，并剔除所述三维距离信息中交叉眼干扰引起的奇异点，得到目标三维像。本发明提供的交叉眼干扰对抗方法不受交叉眼干扰的幅相特性的影响，并且在干信比很高的情况下，也可以有效对抗干扰，从而实现目标的多源分辨与精确测角；且无需设置干扰信号服从特定的起伏分布、干扰信号与目标回波的能量差异，也能够有效测得目标散射点的角度。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法。
背景技术
单脉冲雷达是一种能从单个回波脉冲信号中获得目标全部角坐标信息的跟踪雷达，其由于具有测角精度高、速度快、反角度欺骗干扰的能力强优点而被广泛应用于军事领域，尤其是精确制导领域，对抗干扰单脉冲雷达一度成为电子战(Electronic Warfare，EW)的研究热点。一般情况下，为提高飞机/舰船等重点军事目标战场生存能力，通常采用破坏使用单脉冲技术的主动式雷达导引头的角跟踪环路等措施来达到保护军事目标的目的。通过多年的研究，利用单脉冲雷达设计中的缺陷以及易受多点源干扰的弱点，对抗单脉冲雷达的角度欺骗干扰样式已发展了很多种，例如交叉极化干扰(Cross-PolarizationJamming)、编队干扰(Formation Jamming)、拖曳式诱饵(Towed Decoy)以及交叉眼干扰(Cross-Eye Jamming)等。其中，交叉眼干扰属于相干多点源干扰，被认为是干扰单脉冲雷达最有效的干扰样式。
目前，实现交叉眼干扰的分辨主要有两种方法：一是利用多点源混叠信号在多路和差通道中的参数差异，通过确定性方程组求解或统计性参数估计(如最大似然估计)得到多点源角度信息；二是通过极化域滤波等干扰抑制方法，抑制干扰信号并保留目标信号。
对于方法一，现有的基于统计性计算或确定性计算的多源分辨与参数估计技术，往往要求多点源信号相互独立、服从某种特定的起伏分布，并限定干扰能量接近目标回波能量。当多点源之间具有相干特性、干信比较高时，这一类算法无法有效估计目标角度。对于方法二，极化域抑制和精确测角算法的主要问题在于，其难以对抗变极化干扰源。虽然现有的多种盲源分离算法，能够抑制雷达主瓣或通信系统主信道中存在的压制干扰。但是，盲源分离技术在制导雷达应用中仍然有局限性，分离后信号存在幅相不确定性。因此，当交叉眼干扰具有更复杂的辐射特性时，现有基于干扰抑制的多源分辨与精确测角技术均难以应对。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，包括：
根据单脉冲雷达的脉冲回波信号得到目标一维距离像；
对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号；
对所述二维距离-多普勒信号进行单脉冲测角，得到目标角度信息；
根据所述目标角度信息计算目标三维距离信息，并剔除所述三维距离信息中交叉眼干扰引起的奇异点，得到目标三维像。
在本发明的一个实施例中，根据单脉冲雷达的回波信号得到目标一维距离像，包括：
获取单脉冲雷达的三通道的脉冲回波信号；
对所述三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩，得到三通道的脉压信号；
根据所述三通道的脉压信号得到三通道的目标一维距离像。
在本发明的一个实施例中，在对所述三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩之前，还包括：
对所述三通道的脉冲回波信号分别进行拉伸处理。
在本发明的一个实施例中，对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号，包括：
对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号；
对所述三通道的对齐信号进行相位聚焦，得到三通道的聚焦信号；
对所述三通道的聚焦信号中的和通道聚焦信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
在本发明的一个实施例中，对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号，包括：
对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号；
对所述三通道的对齐信号中的和通道对齐信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
在本发明的一个实施例中，对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号，包括：
选取第一个脉冲回波信号对应的和通道距离像作为参考距离像，设定相关函数以使其余脉冲回波信号的和通道距离像与所述参考距离像相关；
根据所述相关函数得到所述其余脉冲回波信号相对所述第一个脉冲回波信号的时延；
将所有脉冲回波信号的时延拟合为一个多项式函数，并根据所述多项式函数对每个通道的脉压信号进行包络对齐，得到三通道的对齐信号。
在本发明的一个实施例中，对所述三通道的对齐信号进行相位聚焦，得到三通道的聚焦信号，包括：
将所述三通道的对齐信号中的和通道对齐信号表示为矩阵形式；其中，所述矩阵的每一列对应一个距离单元；
计算所述和通道对齐信号在每个距离单元内的归一化幅度方差；
选取所述归一化幅度方差最小的距离单元作为参考距离单元；
在所述参考距离单元内，计算参考距离像与其余距离像之间的相位差，并将该相位差作为参考相位差；其中，所述参考距离像为第一个脉冲回波信号对应的和通道的第一个距离像；
将所述参考相位差应用到所有通道的对齐信号中，得到三通道的聚焦信号。
在本发明的一个实施例中，所述归一化幅度方差的计算公式为：
其中，σn 2表示归一化幅度方差，且满足σn 2≤0.12；
an,m表示信号中第n个距离单元中第m个脉冲的幅度，m＝1,2,…,M，M表示雷达在一个相干处理周期内发射的脉冲信号的个数，/>表示三通道的对齐信号中的和通道对齐信号的矩阵表达式，∑(·)表示求和运算。
在本发明的一个实施例中，对所述二维距离-多普勒信号进行单脉冲测角，得到目标角度信息，包括：
在所述二维距离-多普勒信号中提取出超出检测电平后的幅度，得到距离-多普勒单元对应的方位差幅度和俯仰差幅度；
对所述方位差幅度和所述俯仰差幅度进行归一化处理，得到单脉冲比；
根据所述单脉冲比计算目标的方位角和俯仰角。
在本发明的一个实施例中，根据所述目标角度信息计算目标三维距离信息，并剔除所述三维距离信息中交叉眼干扰引起的奇异点，得到目标三维像，包括：
根据所述目标的方位角和俯仰角计算目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离；
选取水平距离和俯仰距离奇异点偏差更大的一方，并按照一定阈值范围剔除所述目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离中由交叉眼干扰引起的奇异点，得到抗交叉眼干扰后的测角结果和维度距离，从而得到目标三维像。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法不受交叉眼干扰的幅相特性的影响，并且在干信比很高的情况下，也可以有效对抗干扰，从而实现目标的多源分辨与精确测角；
2、本发明提供的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法无需设置干扰信号服从特定的起伏分布、干扰信号与目标回波的能量差异，也能够有效测得目标散射点的角度。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法的流程图；
图2a～2b是本发明实施例提供的交叉眼干扰后的方位角和俯仰角；
图3a～3c是本发明实施例提供的交叉眼干扰后的目标三视图；
图4a～4b是本发明实施例提供的采用基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法对抗干扰后的方位角和俯仰角；
图5a～5c是本发明实施例提供的采用基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法对抗干扰后的目标三视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法的流程图，包括：
步骤1：根据单脉冲雷达的脉冲回波信号得到目标一维距离像。
首先，获取单脉冲雷达的三通道的脉冲回波信号，分别为和通道脉冲回波信号、方位差通道脉冲回波信号以及俯仰差通道脉冲回波信号，也可依次简称为和、差、差通道信号。
然后，对该三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩，得到三通道的脉压信号。
最后再根据三通道的脉压信号得到三通道的目标一维距离像。
在本实施例中，在对三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩之前，还包括：对三通道的脉冲回波信号分别进行拉伸处理。
本实施例进行拉伸处理是因为：实现目标的高分辨成像，必须得用大带宽，对采样频率要求比较高。而拉伸处理可以使采样频率不与带宽相关，只与距离窗有关。拉伸处理后，可使信号的采样频率降低，因此，一般情况先，可选择先对三通道的脉冲回波信号进行分别进行拉伸处理，然后在进行脉冲压缩，
具体地，本实施例对三通道的脉冲回波信号进行分别进行拉伸处理后，得到三通道拉伸信号分别记为
进行脉冲压缩处理后，得到三通道的脉压信号，分别记为 该三通道的脉压信号分别对应和、差、差三通道的目标一维距离像。
步骤2：对目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号，具体包括：
21)对目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号。
首先，选取第一个脉冲回波信号对应的和通道距离像作为参考距离像，设定相关函数以使其余脉冲回波信号的和通道距离像与参考距离像相关。
具体地，取第一个脉冲的和通道距离像作为参考距离像，其它脉冲的和通道距离像/>皆与参考距离像相关，得到相关函数为：
其中，FFT(·)和IFFT(·)分别表示傅里叶变换和傅里叶逆变换，|·|为取绝对值运算，上标*为共轭运算。
然后，根据相关函数得到其余脉冲回波信号相对第一个脉冲回波信号的时延。
在本实施例中，第m个脉冲回波相较于第一个脉冲回波的延时表示为：
最后，将所有脉冲回波信号的时延拟合为一个多项式函数，并根据该多项式函数对每个通道的脉压信号进行包络对齐，得到三通道的对齐信号。
具体地，将Δt拟合为一个低阶多项式函数则可通过/>对每一列进行包络对齐，得到三通道的对齐信号，即：
22)对三通道的对齐信号进行相位聚焦，得到三通道的聚焦信号。
首先，将三通道的对齐信号中的和通道对齐信号表示为矩阵形式，也即将用矢量形式表示为：
其中，式中上标T表示转置运算，矩阵的每一列对应一个距离单元。
然后，计算和通道对齐信号在每个距离单元内的归一化幅度方差。
具体地，若在某个距离单位内归一化幅度方差最小，则说明在该距离单元内可能有一个特显点，对第n个距离单元内的归一化幅度方差可计算为：
其中，
an,m表示信号中第n个距离单元中第m个脉冲的幅度，m＝1,2,…,M，∑(·)表示求和运算，并规定σn 2≤0.12时才适用。
接着选取归一化幅度方差最小的距离单元作为参考距离单元。在本实施例中，令最小归一化幅度方差的距离单元q作为参考距离单元，也即特显点所在的距离单元。
在该参考距离单元内，计算参考距离像与其余距离像之间的相位差，并将该相位差作为参考相位差；其中，参考距离像为第一个脉冲回波信号对应的和通道的第一个距离像。
具体地，在参考距离单元q内，参考距离像和第m个距离像之间的相位差为：
Δψm＝ψq,m-ψq,1；
其中，ψq,1表示参考距离单元q内第1个距离像的相位，也即参考距离像的相位，ψq,m表示参考距离单元q内第m个距离像的相位。
最后将该相位差应用到和通道的其他距离单元以及其余两个差通道的对齐信号中，得到三通道的聚焦信号，即：
23)对三通道的聚焦信号中的和通道聚焦信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
具体地，将表示成矩阵形式，即：
对在多普勒维做相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号：
在本发明的另一个实施例中，步骤2还可以包括：
2a)对目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号；
2b)对三通道的对齐信号中的和通道对齐信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
具体地，当目标场景较简单时，获取的对齐信号效果较好，则可不进行相位聚焦，直接对对齐信号进行处理得到二维距离-多普勒信号，具体的对齐方法同上，在此不再赘述。
步骤3：对二维距离-多普勒信号进行单脉冲测角，得到目标角度信息，具体包括：
31)在二维距离-多普勒信号中提取出超出检测电平后的幅度，得到距离-多普勒单元对应的方位差幅度和俯仰差幅度。
具体地，在距离-多普勒信号P∑中提取超出检测电平后的幅度，并排成一个行向量z∑，将z∑所对应的目标的距离r记录下来；同时得到距离-多普勒单元对应的方位差通道信号中的幅度和俯仰差通道信号中的幅度/>
32)对方位差幅度和所述俯仰差幅度进行归一化处理，得到单脉冲比。
具体地，采用z∑来归一化和/>并取归一化结果的实部，得到单脉冲比：
其中，Re[·]表示取实部。
33)根据单脉冲比计算目标的方位角和俯仰角。
具体地，通过查表计算得到目标的方位角θ和俯仰角
其中，Kaz、Kel分别表示方位维和俯仰维鉴角曲线的斜率。
步骤4：根据目标角度信息计算目标三维距离信息，并剔除三维距离信息中交叉眼干扰引起的奇异点，得到目标三维像。
首先，根据目标的方位角和俯仰角计算目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离。
具体地，通过方位角θ和俯仰角计算目标相对波束中心的水平距离ρaz与俯仰距离ρel，计算公式为：
其中，r为步骤31)中得到的雷达距目标的距离，.*表示点乘运算。
然后，选取水平距离和俯仰距离奇异点偏差更大的一方，并按照一定阈值范围剔除目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离中由交叉眼干扰引起的奇异点，得到抗交叉眼干扰后的测角结果和维度距离，从而得到目标三维像。
具体地，根据目标的团聚效应及对目标像的期望，选取水平距离ρaz和俯仰距离ρel奇异点偏差更大的一方，选取合适的阈值δ剔除该相对距离维度上交叉眼干扰引起的奇异点，相应的，保留抗交叉眼干扰后的测角结果 及三个维度距离/>从而得到目标三维图像。
本实施例提供的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法不受交叉眼干扰的幅相特性的影响，并且在干信比很高的情况下，也可以有效对抗干扰，从而实现目标的多源分辨与精确测角。此外，该方法无需设置干扰信号服从特定的起伏分布、干扰信号与目标回波的能量差异，也能够有效测得目标散射点的角度。
实施例二
下面通过仿真实验对本发明的有益效果作进一步验证说明。
1、仿真条件
本次仿真实验的雷达发射信号为线性调频脉冲信号，中心频率为35GHz，信号带宽是1GHz，信号时宽为25us，雷达与目标距离3.2km，一个相干处理周期内有2048个脉冲信号。仿真目标为某型号飞机，飞机机翼两侧放置交叉眼干扰机。仿真实验在MATLAB2019上完成。
2、实验内容及结果分析
设置脉冲压缩前信噪比为-12.8dB，干信比为35.6dB，两干扰幅度比为0.95，两干扰支路相位差为178°，利用目标团聚效应剔除交叉眼干扰引起的奇异点，得到飞机干扰前后的测角结果及三维像。请参见图2～图5，图2a～2b是本发明实施例提供的交叉眼干扰后的方位角和俯仰角；其中，图2a为方位角影像，图2b为俯仰角影像。图3a～3c是本发明实施例提供的交叉眼干扰后的目标三视图；其中，图3a是距离-方位平面投影像，图3b是距离-俯仰平面投影像，图3c是方位-俯仰平面投影像。图4a～4b是本发明实施例提供的采用基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法对抗干扰后的方位角和俯仰角；其中，图4a为方位角影像，图4b为俯仰角影像。图5a～5c是本发明实施例提供的采用基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法对抗干扰后的目标三视图，其中，图5a是距离-方位平面投影像，图5b是距离-俯仰平面投影像，图5c是方位-俯仰平面投影像。
从图2～图5可以看出，对于不同交叉眼干扰的幅相特性，采用本发明提出的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法均可以有效对抗干扰，实现精确的目标测角；并且在干信比很高的情况下，本发明提出的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法也能适用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，包括：
根据单脉冲雷达的脉冲回波信号得到目标一维距离像；
对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号；
对所述二维距离-多普勒信号进行单脉冲测角，得到目标角度信息；包括：
在所述二维距离-多普勒信号中提取出超出检测电平后的幅度，得到距离-多普勒单元对应的方位差幅度和俯仰差幅度；
对所述方位差幅度和所述俯仰差幅度进行归一化处理，得到单脉冲比；
根据所述单脉冲比计算目标的方位角和俯仰角；
根据所述目标角度信息计算目标三维距离信息，并剔除所述三维距离信息中交叉眼干扰引起的奇异点，得到目标三维像；包括：
根据所述目标的方位角和俯仰角计算目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离；
选取水平距离和俯仰距离奇异点偏差更大的一方，并按照一定阈值范围剔除所述目标相对波束中心的水平距离和俯仰距离中由交叉眼干扰引起的奇异点，得到抗交叉眼干扰后的测角结果和维度距离，从而得到目标三维像。
2.根据权利要求1所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，根据单脉冲雷达的回波信号得到目标一维距离像，包括：
获取单脉冲雷达的三通道的脉冲回波信号；
对所述三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩，得到三通道的脉压信号；
根据所述三通道的脉压信号得到三通道的目标一维距离像。
3.根据权利要求2所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，在对所述三通道的脉冲回波信号分别进行脉冲压缩之前，还包括：
对所述三通道的脉冲回波信号分别进行拉伸处理。
4.根据权利要求1所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号，包括：
对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号；
对所述三通道的对齐信号进行相位聚焦，得到三通道的聚焦信号；
对所述三通道的聚焦信号中的和通道聚焦信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
5.根据权利要求1所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，对所述目标一维距离像进行运动补偿，得到二维距离-多普勒信号，包括：
对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号；
对所述三通道的对齐信号中的和通道对齐信号在多普勒维进行相干积累并取绝对值，得到二维距离-多普勒信号。
6.根据权利要求4或5所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，对所述目标一维距离像进行包络对齐，得到三通道的对齐信号，包括：
选取第一个脉冲回波信号对应的和通道距离像作为参考距离像，设定相关函数以使其余脉冲回波信号的和通道距离像与所述参考距离像相关；
根据所述相关函数得到所述其余脉冲回波信号相对所述第一个脉冲回波信号的时延；
将所有脉冲回波信号的时延拟合为一个多项式函数，并根据所述多项式函数对每个通道的脉压信号进行包络对齐，得到三通道的对齐信号。
7.根据权利要求4所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，对所述三通道的对齐信号进行相位聚焦，得到三通道的聚焦信号，包括：
将所述三通道的对齐信号中的和通道对齐信号表示为矩阵形式；其中，所述矩阵的每一列对应一个距离单元；
计算所述和通道对齐信号在每个距离单元内的归一化幅度方差；
选取所述归一化幅度方差最小的距离单元作为参考距离单元；
在所述参考距离单元内，计算参考距离像与其余距离像之间的相位差，并将该相位差作为参考相位差；其中，所述参考距离像为第一个脉冲回波信号对应的和通道的第一个距离像；
将所述参考相位差应用到所有通道的对齐信号中，得到三通道的聚焦信号。
8.根据权利要求7所述的基于成像技术的交叉眼干扰对抗方法，其特征在于，所述归一化幅度方差的计算公式为：
其中，σn 2表示归一化幅度方差，且满足σn 2≤0.12；
an,m表示信号中第n个距离单元中第m个脉冲的幅度，m＝1,2,…,M，M表示雷达在一个相干处理周期内发射的脉冲信号的个数，/>表示三通道的对齐信号中的和通道对齐信号的矩阵表达式，∑(·)表示求和运算。
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