CN112285656A - 一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法。其实现步骤是：1.构建跟踪航迹集合；2.利用航迹拟合策略剔除无源欺骗干扰；3.利用运动参数匹配关系剔除距离多普勒欺骗干扰；4.利用多通道幅度统计量剔除角度欺骗干扰；5.对筛选后的目标进行持续跟踪。该方法通过分析不同类型欺骗干扰与真实目标航迹特征的差异，分别提取不同航迹高阶轨迹拟合系数、帧间运动参数匹配关系和多通道幅度统计特性，从而实现无源欺骗干扰、有源距离多普勒欺骗干扰、有源角度欺骗干扰与真实目标的分类，可同时兼顾系统设计复杂度和抗欺骗干扰性能。

Description

一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及欺骗干扰抑制方法，可为时敏目标监视雷达提供抗欺骗干扰能力。

背景技术

目前，针对欺骗干扰的特点，已有一些抗干扰措施被提出。波形分集理论在不同脉冲重复周期改变发射信号的正交性，利用干扰信号与当前雷达参考信号的失配特性，通过匹配滤波实现欺骗干扰信号的抑制。空域-极化域联合抗欺骗干扰技术通过对回波信号的空域和极化域参数进行估计，利用空间投影方法在空域-极化域上可对欺骗干扰进行有效滤除。基于时频分析的目标微动特征理论为欺骗干扰的特征提取提供了有效手段，在此基础上，支持向量机等智能信号处理技术可利用多维特征实现干扰类型的识别。

以上方法在理论上为欺骗干扰抑制提供了有效手段，但由于这类方法需要以复杂的雷达系统设计为代价，工程实施成本较高。基于航迹特征的抗干扰技术属于数据域抗干扰技术，不需要增加雷达系统硬件设计复杂度，可以以较高的“性价比”提高我方防御雷达的抗突防能力。部分学者根据二体运动轨道可逆性原理，利用时敏目标航迹轨道根数时不变的特征来识别目标与干扰。另外，亦有学者通过统计多帧目标航迹状态，利用角度检验和N/M逻辑准则判断是否存在假目标角度欺骗干扰。这些已有的基于航迹特征的抗欺骗干扰方法仅适用于某种特定的欺骗干扰类型，对于实际应用中无源欺骗干扰和多种有源欺骗干扰共存的场景，很难实现欺骗干扰的稳健抑制。

为了实现时敏目标跟踪过程中低费效比欺骗干扰的抑制，需要研究信号处理层面的通用型抗时敏目标欺骗干扰方法，可对无源欺骗干扰、有源距离多普勒欺骗干扰以及有源角度欺骗干扰等多类别干扰进行剔除，从而提升天基雷达对真实目标的持续跟踪能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，解决目标跟踪过程中欺骗干扰抑制问题。

本发明的技术方案是：一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，步骤如下：

步骤1构建跟踪航迹集合；

步骤2利用航迹拟合策略剔除无源欺骗干扰；

步骤3利用运动参数匹配关系剔除距离多普勒欺骗干扰；

步骤4利用多通道幅度统计量剔除角度欺骗干扰；

步骤5对筛选后的目标进行持续跟踪。

所述步骤1的具体方法为：设观测目标K帧航迹序列集合表示为(x,y)，其中x和y分别代表直角坐标系下目标的二维位置序列。

所述步骤2的具体方法为：使用三次多项式对目标航迹进行拟合，并剔除无源欺骗干扰或噪声航迹。

所述三次多项式为：y＝A+Bx+Cx²+Dx³，式中A、B、C、D为拟合系数，其中A为常数项，B、C、D为高阶拟合系数，x,y属于集合(x,y)。

所述剔除无源欺骗干扰或噪声航迹的具体方法为：设跟踪航迹集合中所有航迹中高阶拟合系数D的最小值为D₀，设置判定准则如下：若D>λD₀，则认为当前航迹属于无源干扰或噪声航迹，剔除此航迹；否则视其为真实目标航迹；其中λ为与雷达系统位置测量误差有关的系数。

所述步骤3的具体方法为：设目标距离速度组成的N帧序列为{R_m,V_m},m＝1,2,…,N，其中R_m和V_m为第m个目标的距离和速度变量；设电磁干扰在第m帧施放，对应的距离速度组成的N帧序列{R'_m,V'_m}，目标帧间运动满足如下关系

R_m-R_m-1＝V_m-1*CPI_m-1；

其中CPI_m-1为第m-1帧的相参处理时间；

令U_m＝(R_m-R_m-1)-V_m-1*CPI_m-1，判决准则如下：

若U_m>2R_error+V_error·CPI_m-1，则当前跟踪目标为干扰目标，剔除此航迹；否则将其视为真实目标，继续跟踪，其中R_error为雷达系统的测距误差，V_error为雷达系统的测速误差。

所述步骤4的具体方法为：设N为接收天线通道数目，基于多通道幅度统计量的抗角度干扰判决准则如下：

若合成通道的目标幅度与单通道目标的幅度比值大于(20log₁₀N)-I_lose，则判定当前跟踪目标为真实目标，继续跟踪；否则视为电磁干扰，剔除当前跟踪航迹，其中I_lose为主瓣内目标偏离波束中心引起的幅度损失。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1.现有欺骗干扰抑制方法通常需要以复杂的雷达系统设计为代价，工程实施成本较高。所提基于航迹特征的抗干扰技术属于数据域抗干扰技术，不依赖于先验干扰类别信息，适用于多种欺骗干扰共存的复杂电磁环境，并且在干扰抑制后可利用自适应判决门限对不同干扰类型进行分类识别。

2.针对现有雷达干扰机对距离多普勒欺骗干扰的快速转发能力，已有的实时性要求极高的雷达抗干扰系统以牺牲硬件设计成本为代价，工程实施成本较高。本发明提出的基于运动参数匹配的抗距离多普勒欺骗干扰算法具有计算复杂度低、费效比低的特点，利用帧间运动参数匹配关系可实现距离多普勒欺骗干扰的稳健抑制。

3.考虑到雷达照射波束内的目标和角度干扰在单帧的相似性极高，常规的单帧抗角度欺骗干扰手段难以对其区分，本发明基于多帧目标和角度欺骗干扰的多通道幅度统计量差异，提升角度欺骗干扰抑制的稳健性。

附图说明

图1为基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰新方法处理流程。

图2(a)蓝色曲线为立方卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)算法在无源干扰环境多帧滤波恢复的所有“目标航迹”。图2(b)为基于航迹拟合的抗无源欺骗干扰算法去伪后得到的目标航迹。

图3(a)蓝色曲线为CKF算法在距离多普勒干扰环境下多帧滤波恢复的所有“目标航迹”，图中绿色曲线为距离多普勒干扰航迹。图3(b)为基于运动参数匹配的抗距离多普勒欺骗干扰算法去伪后得到的目标航迹。

图4(a)蓝色曲线为CKF算法在角度干扰环境下多帧滤波恢复的所有“目标航迹”，图中绿色曲线为角度干扰航迹。图4(b)为基于多通道幅度统计特性的抗角度干扰算法去伪后得到的目标航迹。

具体实施方式

下面对本发明实施作进一步的详细描述。

本发明的使用场景为：本发明中杂波特性分析方法可应用于雷达抗欺骗干扰领域。首先构建跟踪航迹集合，通过航迹拟合抗无源欺骗干扰策略、运动参数匹配抗距离多普勒欺骗干扰策略以及多通道幅度统计抗角度欺骗干扰策略，实现真实目标航迹的持续跟踪。其实现步骤如下：

步骤1构建跟踪航迹集合。

设观测目标K帧航迹序列集合表示为(x,y)，其中x和y分别代表直角坐标系下目标的二维位置序列；

步骤2利用航迹拟合策略剔除无源欺骗干扰。

使用三次多项式对目标航迹进行拟合

y＝A+Bx+Cx²+Dx³

上式中A、B、C、D为拟合系数，其中A为常数项，B、C、D为高阶拟合系数，x,y属于集合(x,y)；

设跟踪航迹集合中所有航迹中高阶拟合系数D的最小值为D₀，设置判定准则如下：

若D>λD₀，则认为当前航迹属于无源干扰或噪声航迹；否则视其为真实目标航迹；其中λ为与雷达系统位置测量误差有关的系数；

步骤3利用运动参数匹配关系剔除距离多普勒欺骗干扰。

假设目标距离速度组成的N帧序列为{R_m,V_m},m＝1,2,…,N，其中R_m和V_m为第m个目标的距离和速度变量。设电磁干扰在第m帧施放，对应的距离速度组成的N帧序列{R'_m,V'_m}，目标帧间运动满足如下关系

R_m-R_m-1＝V_m-1*CPI_m-1

其中CPI_m-1为第m-1帧的相参处理时间。

令U_m＝(R_m-R_m-1)-V_m-1*CPI_m-1，判决准则如下：

若U_m>2R_error+V_error·CPI_m-1，则当前跟踪目标为干扰目标，剔除此航迹；否则将其视为真实目标，继续跟踪，其中R_error为雷达系统的测距误差，V_error为雷达系统的测速误差；

步骤4利用多通道幅度统计量剔除角度欺骗干扰。

设N为接收天线通道数目，基于多通道幅度统计量的抗角度干扰判决准则如下：

若合成通道的目标幅度与单通道目标的幅度比值大于(20log₁₀N)-I_lose，则判定当前跟踪目标为真实目标，继续跟踪；否则视为电磁干扰，剔除当前跟踪航迹，其中I_lose为主瓣内目标偏离波束中心引起的幅度损失。

步骤5对筛选后的目标进行持续跟踪。

对步骤2～4中欺骗干扰抑制后的航迹集合中目标进行持续跟踪。

下面通过仿真数据对本发明的效果做进一步说明。

假设观测区域为50×50分辨单元大小的区域，目标的初始位置在范围5≤x₁≤15,5≤y₁≤15随机产生，目标初始速度在范围2.0≤v_x≤3.0,2.0≤v_y≤3.0随机产生，其中x₁、y₁单位为分辨单元，v_x、v_y单位为分辨单元/s。目标单帧信噪比设为10dB，电磁干扰单帧干噪比13dB，其中ο表示真实的目标航迹，*表示恢复的“目标航迹”。

1)基于轨迹拟合的抗无源欺骗干扰仿真

图2(a)蓝色曲线为CKF算法在无源干扰环境多帧滤波恢复的所有“目标航迹”，多个无源干扰向目标周围随机施放，导致恢复的虚假航迹明显增加，且多帧虚假航迹方向逐渐偏离目标真实航迹。图2(b)为基于轨迹拟合的抗无源欺骗干扰算法去伪后得到的目标航迹，可以看出利用轨迹拟合高阶拟合系数可有效分离无源干扰引起的虚假航迹，保留目标真实航迹，图中恢复的目标航迹与真实目标航迹不完全重合是由于一步预测过程中状态误差和观测误差导致。上述算法仿真中阈值系数λ设置为100。

2)基于运动参数匹配的抗距离多普勒欺骗干扰仿真

图3(a)蓝色曲线为CKF算法在距离多普勒干扰环境下多帧滤波恢复的所有“目标航迹”，图中绿色曲线为距离多普勒干扰航迹。考虑到距离多普勒欺骗干扰每帧的距离多普勒位置在真实目标位置附近出现，因此，这类欺骗干扰很难满足式(2)的帧间运动关系，图3(b)为基于运动参数匹配的抗距离多普勒欺骗干扰算法去伪后得到的目标航迹，可以看出利用目标帧间距离多普勒参数之间的约束关系，可有效剔除距离多普勒欺骗干扰引起的虚假航迹。

3)基于多通道幅度统计特性的抗角度干扰仿真

图4(a)蓝色曲线为CKF算法在角度干扰环境下多帧滤波恢复的所有“目标航迹”，图中绿色曲线为角度干扰航迹。角度欺骗干扰的目的是将雷达跟踪波束拉偏，从而使目标不在跟踪波束探测范围内。然而随着角度欺骗干扰不断远离真实目标，当干扰出现在跟踪波束之外时，其多通道幅度统计特性与真实目标统计特性将出现较大的差异。图4(b)为基于多通道幅度统计特性的抗角度干扰算法去伪后得到的目标航迹，可以看出利用多通道幅度统计特性可实现真实目标与角度欺骗干扰的稳健分离。

实测数据分析结论：通过分析不同类型欺骗干扰与真实目标航迹特征的差异，分别提取不同航迹高阶轨迹拟合系数、帧间运动参数匹配关系和多通道幅度统计特性，从而实现无源欺骗干扰、有源距离多普勒欺骗干扰、有源角度欺骗干扰与真实目标的分类。该算法充分发挥了多帧航迹处理在抗欺骗干扰中的优势，可同时兼顾系统设计复杂度和抗干扰性能，仿真结果验证了所提算法的有效性。

Claims (7)

1.一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于步骤如下：

步骤1构建跟踪航迹集合；

步骤2利用航迹拟合策略剔除无源欺骗干扰；

步骤3利用运动参数匹配关系剔除距离多普勒欺骗干扰；

步骤4利用多通道幅度统计量剔除角度欺骗干扰；

步骤5对筛选后的目标进行持续跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：设观测目标K帧航迹序列集合表示为(x,y)，其中x和y分别代表直角坐标系下目标的二维位置序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：使用三次多项式对目标航迹进行拟合，并剔除无源欺骗干扰或噪声航迹。

4.根据权利要求3所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述三次多项式为：y＝A+Bx+Cx²+Dx³，式中A、B、C、D为拟合系数，其中A为常数项，B、C、D为高阶拟合系数，x,y属于集合(x,y)。

5.根据权利要求3所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述剔除无源欺骗干扰或噪声航迹的具体方法为：设跟踪航迹集合中所有航迹中高阶拟合系数D的最小值为D₀，设置判定准则如下：若D>λD₀，则认为当前航迹属于无源干扰或噪声航迹，剔除此航迹；否则视其为真实目标航迹；其中λ为与雷达系统位置测量误差有关的系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：设目标距离速度组成的N帧序列为{R_m,V_m},m＝1,2,…,N，其中R_m和V_m为第m个目标的距离和速度变量；设电磁干扰在第m帧施放，对应的距离速度组成的N帧序列{R'_m,V'_m}，目标帧间运动满足如下关系

R_m-R_m-1＝V_m-1*CPI_m-1；

其中CPI_m-1为第m-1帧的相参处理时间；

令U_m＝(R_m-R_m-1)-V_m-1*CPI_m-1，判决准则如下：

若U_m>2R_error+V_error·CPI_m-1，则当前跟踪目标为干扰目标，剔除此航迹；否则将其视为真实目标，继续跟踪，其中R_error为雷达系统的测距误差，V_error为雷达系统的测速误差。

7.根据权利要求1所述的一种基于航迹特征的抗时敏目标欺骗干扰方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：设N为接收天线通道数目，基于多通道幅度统计量的抗角度干扰判决准则如下：

若合成通道的目标幅度与单通道目标的幅度比值大于(20log₁₀N)-I_lose，则判定当前跟踪目标为真实目标，继续跟踪；否则视为电磁干扰，剔除当前跟踪航迹，其中I_lose为主瓣内目标偏离波束中心引起的幅度损失。

Images