CN112346021B - Fda-mimo雷达基于频率步进量控制的抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种FDA‑MIMO雷达基于频率步进量控制的抗干扰方法，主要解决现有雷达体制难以实现抑制来自主瓣方向的欺骗性干扰的问题。其实现步骤是：1.设计FDA‑MIMO雷达发射端频率步进量；2.根据频率步进量设定参数，构建真实目标的等效发射导向矢量和第q个假目标的等效发射导向矢量；3.利用等效发射距离补偿矢量对上一步构建的矢量进行补偿操作；4.根据补偿后雷达真实目标的等效发射导向矢量，获取经过非自适应波束形成后的输出信号。本发明通过非自适应波束形成方法进行联合发射‑接收二维调零，使得假目标等效位于真实目标对应的波束形成方向图的零点，能够有效抑制主瓣欺骗式干扰。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及数字信息传输，具体为一种频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO(Frequency Diverse Array-Multiple-Input and Multiple-Output)雷达基于频率步进量控制的抗干扰方法。可用于抑制来自雷达天线主瓣方向的欺骗式干扰，提高雷达在电子战中的生存能力。
背景技术
阵列雷达面临日趋复杂的空间电磁环境，容易受到强干扰和强杂波等影响，严重限制了雷达系统的信息获取能力。其中，欺骗式干扰通过向辐射类似于真实目标回波的电磁波，诱使雷达错误地将虚假目标当成真实目标，造成雷达真实目标丢失、雷达资源占用以及异常空情等，使得雷达系统性能急剧恶化。对于来自旁瓣的欺骗式信号，阵列雷达能够有效地进行自适应干扰对抗。然而，若假目标信号位于主瓣区域，将大大增加雷达探测真实目标的难度。因此，研究雷达抗欺骗式干扰，特别是来自主瓣方向的抗干扰技术是当今雷达领域亟待解决的重要难点问题之一。
西安电子科技大学在其专利文献“FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法”(专利号：ZL201710739763.1)中提出了一种频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的方法，该发明利用自适应波束形成的方式对欺骗式干扰对主瓣欺骗式干扰进行抑制。但在实际应用中：1)该专利假设发射完全正交的波形，然而无法得到在任意时延、任意多普勒都正交的MIMO雷达发射波形，因此该方法在实际中不具有普适性；2)采用自适应波束形成的方式进行主瓣欺骗式干扰抑制，需要利用充足的训练样本构建协方差矩阵，而样本挑选的问题尚未解决。
发明内容
本发明目的是针对雷达系统面临的主瓣欺骗式干扰抑制的共性问题，提出了一种频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达基于频率步进量控制的抗干扰方法，用以实现主瓣方向的距离欺骗式干扰抑制，提高目标的检测率以及阵列雷达在电子战中的生存能力。
实现本发明的思路是：针对欺骗式干扰机对截获的雷达信号延迟至少一个脉冲转发形成的假目标，在FDA-MIMO雷达中，利用假目标与真实目标在发射空间频率上的差异，在联合发射-接收二维频率域来对真、假目标进行区分。固定非自适应波束形成权向量为指向目标的导向矢量，通过控制FDA-MIMO雷达发射阵元之间的频率步进量，使得假目标等效位于真实目标对应的波束形成方向图的零点，从而有效地通过收发波束置零来抑制假目标。
实现本发明目的的具体步骤如下：
(1)在具有M个发射天线、N个接收天线的共址频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达中，获取FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf，具体步骤如下：
(1a)按照下式，构建FDA-MIMO雷达发射端频率步进量表达式：
Δf＝fr(z+v)
其中，z表示任意正整数部分，v表示小数部分；
(1b)计算小数部分v：
其中，i表示任意正整数；p表示假目标相对于真实目标的延迟脉冲数；
(1c)得到FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf：
其中，fr表示脉冲重复频率；
(2)根据频率步进量Δf设定真实目标相对于雷达的距离R0、第q个假目标相对于雷达的距离Rq、真实目标和第q个假目标相对于法线方向的角度θ0，并构建FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)；其中，q＝1,2,…,Q，Q表示假目标的总数；
(3)对FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)分别进行补偿操作，得到补偿后的真实目标的等效发射导向矢量
和补偿后的第q个假目标的等效发射导向矢量/>
具体步骤如下：
(3a)构建等效发射距离补偿矢量
其中，
表示根据距离门大小和距离门序号所计算的主值距离，c表示光速，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，[·]T表示转置操作；
(3b)利用
对as(R0,θ0)和aq(Rq,θ0)分别进行补偿，得到补偿后雷达真实目标的等效发射导向矢量/>
和补偿后第q个假目标的等效发射导向矢量/>
其中，⊙表示哈达马Hardmard积操作，d表示雷达天线的阵元间距，λ0表示雷达信号的波长，ps表示真实目标的延迟脉冲数，Ru表示雷达最大无模糊距离，pq表示第q个假目标的延迟脉冲数；
(4)对FDA-MIMO雷达接收数据进行非自适应波束形成处理，得到经过非自适应波束形成后的输出信号：
(4a)构建FDA-MIMO雷达非自适应波束形成权矢量w(R0,θ0)：
其中，b(θ0)表示FDA-MIMO雷达真实目标的接收导向矢量；
表示克罗内克kronecker积操作；
(4b)按照下式，计算FDA-MIMO雷达接收数据矢量y：
其中，α0和αq分别表示真实目标和第q个假目标的反射系数，r表示发射波形匹配滤波输出矢量，∑表示求和操作，n表示高斯白噪声的矢量；
(4c)根据下式得到经过非自适应波束形成后的输出信号z：
z＝wH(R0,θ0)y，
其中，H表示取共轭转置操作。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明通过对FDA-MIMO雷达的频率步进量进行控制，使得假目标等效位于真实目标对应的波束形成方向图零点，从而有效地通过收发波束置零，使得本发明实现主瓣欺骗式干扰的抑制。
第二，由于本发明采用非自适应波束形成技术对接收到的矢量数据进行处理，该数据包括真实目标、假目标和噪声，从而克服了现有FDA-MIMO雷达自适应波束形成抗干扰技术无法获取充足训练样本的缺点。
第三，本发明通过在接收的包括真实目标、假目标和噪声在内的矢量数据中考虑发射波形匹配滤波输出矢量，克服了现有抗干扰技术假设完全理想正交波形这一不具有普遍适用性的缺点，使得本发明更具有工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明中FDA-MIMO雷达假目标与真实目标的延迟脉冲数、频率步进量化关系仿真对比图；
图3是本发明中FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域的目标和假目标分布情况仿真结果图；
图4是本发明中FDA-MIMO雷达与现有技术中MIMO雷达的非自适应波束形成抗干扰输出仿真结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照附图1，本发明的具体实现步骤如下：
步骤1，在具有M个发射天线、N个接收天线的共址FDA-MIMO雷达中，设计FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf，具体如下：
(1a)按照下式，构建FDA-MIMO雷达发射端频率步进量表达式：
Δf＝fr(z+v)
其中，z表示任意正整数部分，v表示小数部分；
(1b)按照如下步骤得到小数部分
其中，i表示任意正整数，且i＜pM；p表示假目标相对于真实目标的延迟脉冲数；
(1b1)给出指向零度方向的非自适应权矢量：
w0＝[1,1,…,1]T
其中，T表示取转置操作。(1b2)给出M个发射天线的指向空间任一角度θ的发射导向矢量：
(1b3)根据指向零度方向的非自适应权矢量w0和指向空间任一角度θ的发射导向矢量o(θ)，给出M个发射天线作为发射阵元对应的归一化阵列方向图表达式：
(1b4)根据等效归一化发射方向图P(θ)的零点条件，计算sin(θ)：
(1b 5)计算发射空间频率fT：
(1b 6)根据步骤(1b5)中计算的发射空间频率fT和假目标相对于真实目标的延迟脉冲数p，得到小数部分v：
(1c)得到FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf：
其中，fr表示脉冲重复频率。
步骤2，根据步骤1中所设计的FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf设定：真实目标相对于雷达的距离R0、第q个假目标相对于雷达的距离Rq、真实目标和第q个假目标相对于法线方向的角度θ0，其中，q＝1,2,…,Q，Q表示假目标的总数；按照下式，构建FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)：
步骤3，对FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)分别进行补偿操作，得到补偿后的真实目标的等效发射导向矢量
和补偿后的第q个假目标的等效发射导向矢量/>
具体步骤如下：
(3a)构建等效发射距离补偿矢量
其中，
表示根据距离门大小和距离门序号所计算的主值距离，c表示光速，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，[·]T表示转置操作；
(3b)利用
对as(R0,θ0)和aq(Rq,θ0)分别进行补偿，得到补偿后雷达真实目标的等效发射导向矢量/>
和补偿后第q个假目标的等效发射导向矢量/>
其中，⊙表示哈达马Hardmard积操作，d表示雷达天线的阵元间距，λ0表示雷达信号的波长，ps表示真实目标的延迟脉冲数，Ru表示雷达最大无模糊距离，pq表示第q个假目标的延迟脉冲数。
步骤4，对FDA-MIMO雷达接收数据进行非自适应波束形成处理，得到经过非自适应波束形成后的输出信号：
(4a)构建FDA-MIMO雷达非自适应波束形成权矢量w(R0,θ0)：
其中，
表示克罗内克kronecker积操作；b(θ0)表示FDA-MIMO雷达真实目标的接收导向矢量，具体形式如下：
(4b)计算FDA-MIMO雷达接收数据和矢量y：
(4b1)按照下式，给出发射波形匹配滤波输出矢量r，其表达式为：
其中，1N表示N×1维全1矢量s表示发射波形匹配滤波后的输出数据，s＝[s1,s2,…,sm,…,sM]T，sm表示对第m个发射波形匹配滤波后的输出数据；
(4b2)按照下式，给出FDA-MIMO雷达真实目标的接收数据矢量ys：
其中，α0表示真实目标的反射系数；
(4b3)按照下式，给出Q个假目标的接收数据矢量
其中，αq表示第q个假目标的反射系数，∑表示求和操作；
(4b4)计算FDA-MIMO雷达包含真实目标、Q个假目标和噪声的接收数据和矢量y：
y＝ys+yj+n
其中，n表示高斯白噪声的矢量；
(4c)根据下式得到经过非自适应波束形成后的输出信号z：
z＝wH(R0,θ0)y，
其中，H表示取共轭转置操作。
下面结合仿真图对本发明做进一步的描述。
1.仿真参数：
表1给出了具体的FDA-MIMO雷达系统仿真参数，其中，设计频率步进量的整数部分z＝1，小数部分取
因此所设计的频率步进量计算为Δf＝10000×(1+6/16)＝13750Hz。假设真实目标的脉冲延迟数为0，一共有4个假目标，目标的参数在表2中给出。
表1 FDA-MIMO雷达系统仿真参数
表2目标参数
2.仿真内容与结果分析：
仿真1，在上述表1和表2的仿真参数下，采用本发明技术，对FDA-MIMO雷达假目标相比于真实目标的延迟脉冲数和频率步进量化关系进行了仿真，结果如图2所示。
其中浅灰色部分表示干扰抑制有效，而深灰色部分表示抗干扰失效。其中，频率步进量取离散值。在给定频率步进量
时，当延迟脉冲数为M个，则普通波束形成抗干扰失效(深灰色部分)，此时假目标的发射频率与真实目标相同。由此可见，采用本发明所设计的频率步进量得到的仿真结果与理论一致。
仿真2，在上述表1和表2的仿真参数下，采用本发明技术，对FDA-MIMO雷达在联合发射-接收空间频率域的目标和假目标分布情况进行了仿真，结果如图3所示。
由于真实目标与假目标具有不同的发射空间频率，因此可以在联合发射-接收二维(2-D)频率域区别开，此外，由于假目标1和假目标2的延迟脉冲数相等，经过距离维频率补偿后，二者具有相同的发射空间频率，因此在联合发射-接收二维(2-D)频率域上重合。由此可见，本发明实现了真实目标与假目标在收发二维空域上的区分。
仿真3，在上述表1和表2的仿真参数下，采用本发明技术，对常规MIMO雷达和FDA-MIMO雷达的非自适应波束形成抗干扰输出结果在0°剖面进行了对比仿真，结果如图4所示。
参照图4，其中圈出的为不同目标对应的输出功率，不难看出：由于传统的MIMO雷达没有距离维的自由度，因此假目标无法被抑制，而FDA-MIMO由于同时具有角度和距离维的自由度，采用非自适应波束形成抑制假目标后，预设的真实目标处会形成峰值。由此可见，本发明实现了欺骗式干扰的有效抑制。
上述仿真分析与测试证明了本发明所提方法的正确性与有效性。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种FDA-MIMO雷达基于频率步进量控制的抗干扰方法，其特征在于，包括：
(1)在具有M个发射天线、N个接收天线的共址频率分集阵多输入多输出FDA-MIMO雷达中，获取FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf，具体步骤如下：
(1a)按照下式，构建FDA-MIMO雷达发射端频率步进量表达式：
Δf＝fr(z+v)
其中，z表示任意正整数部分，v表示小数部分；
(1b)计算小数部分v：
其中，i表示任意正整数；p表示假目标相对于真实目标的延迟脉冲数；
(1c)得到FDA-MIMO雷达发射端频率步进量Δf：
其中，fr表示脉冲重复频率；
(2)根据频率步进量Δf设定真实目标相对于雷达的距离R0、第q个假目标相对于雷达的距离Rq、真实目标和第q个假目标相对于法线方向的角度θ0，并构建FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)；其中，q＝1,2,…,Q，Q表示假目标的总数；
(3)对FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)分别进行补偿操作，得到补偿后的真实目标的等效发射导向矢量
和补偿后的第q个假目标的等效发射导向矢量/>
具体步骤如下：
(3a)构建等效发射距离补偿矢量
其中，
表示根据距离门大小和距离门序号所计算的主值距离，c表示光速，e表示取以2.7为底的指数操作，j表示虚数符号，π表示圆周率，[·]T表示转置操作；
(3b)利用
对as(R0,θ0)和aq(Rq,θ0)分别进行补偿，得到补偿后雷达真实目标的等效发射导向矢量/>
和补偿后第q个假目标的等效发射导向矢量/>
其中，⊙表示哈达马Hardmard积操作，d表示雷达天线的阵元间距，λ0表示雷达信号的波长，ps表示真实目标的延迟脉冲数，Ru表示雷达最大无模糊距离，pq表示第q个假目标的延迟脉冲数；
(4)对FDA-MIMO雷达接收数据进行非自适应波束形成处理，得到经过非自适应波束形成后的输出信号：
(4a)构建FDA-MIMO雷达非自适应波束形成权矢量w(R0,θ0)：
其中，b(θ0)表示FDA-MIMO雷达真实目标的接收导向矢量；
表示克罗内克kronecker积操作；
(4b)按照下式，计算FDA-MIMO雷达接收数据矢量y：
其中，α0和αq分别表示真实目标和第q个假目标的反射系数，r表示发射波形匹配滤波输出矢量，∑表示求和操作，n表示高斯白噪声的矢量；
(4c)根据下式得到经过非自适应波束形成后的输出信号z：
z＝wH(R0,θ0)y，
其中，H表示取共轭转置操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1b)中的小数部分v，具体通过如下步骤得到：
(1b1)给出M个发射天线作为发射阵元对应的归一化阵列方向图表达式：
其中，θ表示发射空间中相对于法线方向的任意角度；
(1b2)根据等效归一化发射方向图P(θ)的零点条件，计算sin(θ)：
(1b3)计算发射空间频率fT：
(1b4)根据步骤(1b3)中计算的发射空间频率fT和假目标相对于真实目标的延迟脉冲数p，得到小数部分v：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中的FDA-MIMO雷达真实目标的等效发射导向矢量as(R0,θ0)和第q个假目标的等效发射导向矢量aq(Rq,θ0)分别表示为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4a)中的FDA-MIMO雷达真实目标的接收导向矢量，其表达式如下：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4b)中的发射波形匹配滤波输出矢量r，其表达式为
其中，1N表示N×1维全1矢量，s表示发射波形匹配滤波后的输出数据；s＝[s1,s2,…,sm,…,sM]T，sm表示对第m个发射波形匹配滤波后的输出数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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