CN112596033B - 阵元-脉冲编码mimo雷达欺骗式干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阵元‑脉冲编码(Element‑pulse‑coding,EPC)多输入多输出(Multi‑input‑multi‑output,MIMO)雷达欺骗式干扰抑制方法,通过设计编码系数和补偿矢量,使得虚假目标恰好位于方向图零点而被有效抑制,实现主瓣欺骗式干扰的抑制,该方法考虑虚假目标相比于真实目标延迟了若干个脉冲,因此真、假目标位于不同的距离模糊区间,通过发射端导向矢量预补偿和接收端匹配滤波分离各发射波形,EPC‑MIMO雷达能够区分来自不同距离模糊区间的回波信号,最终在发射、接收空间频率及脉冲三维域实现真、假目标的鉴别,并通过波束置零抑制主瓣欺骗式干扰,提高了雷达在电子战中的性能。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域,具体涉及一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法。
背景技术
阵列天线广泛应用于通信、雷达、声纳、导航等无线电系统中,然而,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。随着数字射频存储器技术的发展,欺骗式干扰的样式愈加复杂。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。
传统阵列雷达通过波束调零抑制干扰的同时也错误地抑制掉了真实目标信号。而近年来提出的频率分集阵(Frequency diverse array radar,FDA)-多输入多输出(Multi-input-multi-output,MIMO)雷达通过距离-角度二维波束调零可以有针对性地抑制某个方向、某个距离的电子干扰。利用FDA-MIMO雷达抑制主瓣欺骗式干扰的原理是在发射慢时间区分来自不同发射脉冲的真、假目标回波信号。然而,由于在FDA-MIMO雷达中,需要首先对接收数据进行逐个距离门补偿,补偿后的距离量化误差无可避免,此时,利用FDA-MIMO雷达技术的抗主瓣欺骗式干扰性能变差。因此,研究对抗来自主瓣方向的欺骗式干扰方法是当今雷达领域亟待解决的重要难点问题之一。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法,通过设计编码系数和补偿矢量,使得虚假目标恰好位于方向图零点而被有效抑制,实现主瓣欺骗式干扰的抑制,该方法包括:
S1:构建阵元-脉冲编码MIMO雷达的发射端导向矢量和接收端导向矢量,其中,所述发射端导向矢量包括真实目标的发射端导向矢量和虚假目标的发射端导向矢量,所述接收端导向矢量包括真实目标的接收端导向矢量和虚假目标的接收端导向矢量;
S2:构建阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量;
S3:根据所述阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量对所述真实目标的发射端导向矢量和所述虚假目标的发射端导向矢量进行补偿;
S4:构建接收端波形匹配滤波输出矢量;
S5:根据补偿后的所述真实目标的发射端导向矢量、补偿后的所述虚假目标的发射端导向矢量、所述真实目标的接收端导向矢量、所述虚假目标的接收端导向矢量和所述接收端波形匹配滤波输出矢量,得到阵元脉冲编码MIMO雷达位于同一个距离无模糊区间内的经过匹配滤波后的接收数据矩阵;
S6:对所述经过匹配滤波后的接收数据矩阵进行非自适应波束形成处理,得到抑制主瓣欺骗式干扰的回波信号。
在本发明的一个实施例中,所述S1包括:
S11:根据雷达阵列的几何结构,真实目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元脉-冲编码MIMO雷达的真实目标的发射端导向矢量a(γs,θs)和接收端导向矢量b(θs),
其中,γs表示编码系数γ与真实目标的延迟脉冲数ps之积,即γs=γps,γ表示编码系数,ps表示真实目标的脉冲延迟数,θs表示MIMO雷达捕获的真实目标相对阵列法线方向的角度;
S12:根据所述雷达阵列的几何结构,每个虚假目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元-脉冲MIMO雷达每个虚假目标的发射端导向矢量aq(γq,θq)和接收端导向矢量b(θq),
其中,γq表示编码系数γ与第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟脉冲数pq之积,即γq=γpq,pq表示第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟数,且pq>ps,Q表示虚假目标个数,θq表示MIMO雷达捕获的第q个虚假目标相对阵列法线方向的角度。
在本发明的一个实施例中,在所述S2中,按照下式,构建阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量cΤ,
其中,e(·)表示以自然常数e为底的指数操作,j表示虚数单位符号,π表示圆周率,γs表示编码系数γ与真实目标的延迟脉冲数ps之积,M表示发射阵元数,Τ表示转置操作。
在本发明的一个实施例中,在所述S3中,按照下式,对所述真实目标的发射端导向矢量和所述虚假目标的发射端导向矢量进行补偿,得到补偿后的所述真实目标的发射端导向矢量和补偿后的所述虚假目标的发射端导向矢量/>
其中,⊙表示Hardmard积操作,表示补偿后的真实目标的发射空间频率,d表示阵元间距,λ0表示MIMO雷达的工作波长,γp=pγ,p表示真实目标与第q个虚假目标的脉冲延迟数之差,p=pq-ps,/>表示补偿后的第q个虚假目标的发射空间频率,/>
在本发明的一个实施例中,在所述S4中,按照下式,构建接收端匹配滤波输出矢量r,
在本发明的一个实施例中,在所述S5中,按照下式,得到阵元脉冲编码MIMO雷达位于同一个距离无模糊区间内的经过匹配滤波后的接收数据矩阵X,
其中,αs表示真实目标的复幅度,表示Kronecker积操作,/>表示发射波形匹配滤波输出矢量,f(vs)表示MIMO雷达捕获的真实目标的Doppler矢量,f(vs)=2vs/λ0,vs表示目标速度,λ0表示MIMO雷达的工作波长,αq表示第q个虚假目标的复幅度,f(vq)表示MIMO雷达捕获的虚假目标的Doppler矢量,f(vq)=f(vs),G表示高斯白噪声矩阵。
在本发明的一个实施例中,在所述S6中,按照下式完成非自适应波束形成处理:
y=wHX,
在本发明的一个实施例中,所述编码系数γ的生成过程如下:
其中,k表示正整数,k=1,2,…,M-1。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明的阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法,利用EPC(Element-pulse-coding,阵元-脉冲编码)技术在MIMO雷达中对抗干扰,通过对EPC编码系数的设计,通过波束置零,能够提取出某个特定距离模糊区间的真实目标信号,抑制来自其他距离模糊区间的假目标,进而实现距离模糊回波分离、主瓣欺骗式干扰的抑制。
2.本发明的阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法,考虑虚假目标相比于真实目标延迟了若干个脉冲,因此真、假目标位于不同的距离模糊区间,通过发射端导向矢量预补偿和接收端匹配滤波分离各发射波形,EPC-MIMO雷达能够区分来自不同距离模糊区间的回波信号,最终在发射、接收空间频率及脉冲三维域实现真、假目标的鉴别,并通过波束置零抑制主瓣欺骗式干扰,提高了雷达在电子战中的性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的假目标的产生过程示意图;
图3是本发明实施例提供的真、假目标在发射空域、接收空域和脉冲三维空间分布示意图;
图4是本发明实施例提供的EPC-MIMO雷达不同编码系数距离模糊区间分离示意图;
图5是本发明实施例提供的不同雷达体制的主瓣欺骗式干扰抑制结果示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及具体实施方式,对依据本发明提出的一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效,在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明,可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解,然而所附附图仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1,图1是本发明实施例提供的一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法的流程图。如图所示,该方法通过设计编码系数和补偿矢量,使得虚假目标恰好位于方向图零点而被有效抑制,实现主瓣欺骗式干扰的抑制,在本实施例中,所述的主瓣欺骗式干扰,即就是干扰机将雷达发射波形截获后经过调制及一段时间的延时再转发出去,形成Q个欺骗式假目标,其中,真实目标与虚假目标具有相同的角度,但是虚假目标与真实目标位于不同的发射脉冲。假设在雷达搜索阶段已知关于真实目标角度和距离信息的粗估计(即真实目标的脉冲延迟数);在雷达跟踪阶段进行欺骗式干扰抑制,考虑欺骗式干扰存在距离模糊,即虚假目标相对于真实目标至少延迟一个脉冲后再被转发;
具体地,该方法包括以下步骤:
S1:构建阵元-脉冲编码(Element-pulse-coding,EPC)MIMO雷达的发射端导向矢量和接收端导向矢量;
其中,所述发射端导向矢量包括真实目标的发射端导向矢量和虚假目标的发射端导向矢量,所述接收端导向矢量包括真实目标的接收端导向矢量和虚假目标的接收端导向矢量。
S2:构建阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量;
S3:根据所述阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量对所述真实目标的发射端导向矢量和所述虚假目标的发射端导向矢量进行补偿;
S4:构建接收端波形匹配滤波输出矢量;
S5:根据补偿后的所述真实目标的发射端导向矢量、补偿后的所述虚假目标的发射端导向矢量、所述真实目标的接收端导向矢量、所述虚假目标的接收端导向矢量和所述接收端波形匹配滤波输出矢量,得到阵元脉冲编码MIMO雷达位于同一个距离无模糊区间内的经过匹配滤波后的接收数据矩阵;
S6:对所述经过匹配滤波后的接收数据矩阵进行非自适应波束形成处理,得到抑制主瓣欺骗式干扰的回波信号。
具体地,所述S1包括:
S11:根据雷达阵列的几何结构,真实目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元脉-冲编码MIMO雷达的真实目标的发射端导向矢量a(γs,θs)和接收端导向矢量b(θs),
其中,γs表示编码系数γ与真实目标的延迟脉冲数ps之积,即γs=γps,γ表示编码系数,ps表示真实目标的脉冲延迟数,θs表示MIMO雷达捕获的真实目标相对阵列法线方向的角度;
S12:根据所述雷达阵列的几何结构,每个虚假目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元-脉冲MIMO雷达每个虚假目标的发射端导向矢量aq(γq,θq)和接收端导向矢量b(θq),
其中,γq表示编码系数γ与第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟脉冲数pq之积,即γq=γpq,pq表示第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟数,且pq>ps,Q表示虚假目标个数,θq表示MIMO雷达捕获的第q个虚假目标相对阵列法线方向的角度,由于虚假目标位于主瓣,所以θq=θs。
在本实施例中,EPC-MIMO雷达的真实目标的发射端导向矢量a(γs,θs)和接收端导向矢量b(θs),以及EPC-MIMO雷达的每个虚假目标的发射端导向矢量aq(γp,θq)和接收端导向矢量b(θq)的表达式如下:
其中,e(·)表示以自然常数e为底的指数操作,j表示虚数单位符号,π表示圆周率,d表示阵元间距,λ0表示MIMO雷达的工作波长,Τ表示转置操作,N表示接收阵元数,M表示发射阵元数。
进一步地,在所述S2中,按照公式(5),构建阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量cΤ,
进一步地,在所述S3中,按照公式(6)-(7),对所述真实目标的发射端导向矢量和所述虚假目标的发射端导向矢量进行补偿,得到补偿后的所述真实目标的发射端导向矢量和补偿后的所述虚假目标的发射端导向矢量/>
其中,⊙表示Hardmard积操作,表示补偿后的真实目标的发射空间频率,d表示阵元间距,λ0表示MIMO雷达的工作波长,γp=pγ,p表示真实目标与第q个虚假目标的脉冲延迟数之差,p=pq-ps,/>表示补偿后的第q个虚假目标的发射空间频率,/>
进一步地,在所述S4中,按照公式(8),构建接收端匹配滤波输出矢量r,
进一步地,在所述S5中,按照公式(9),得到阵元脉冲编码MIMO雷达位于同一个距离无模糊区间内的经过匹配滤波后的接收数据矩阵X,
其中,αs表示真实目标的复幅度,表示Kronecker积操作,/>表示发射波形匹配滤波输出矢量,f(vs)表示MIMO雷达捕获的真实目标的Doppler矢量,f(vs)=2vs/λ0,vs表示目标速度,λ0表示MIMO雷达的工作波长,αq表示第q个虚假目标的复幅度,f(vq)表示MIMO雷达捕获的虚假目标的Doppler矢量,f(vq)=f(vs),G表示高斯白噪声矩阵。
进一步地,在所述S6中,按照公式(10)完成非自适应波束形成处理:
y=wHX (10),
该回波信号为只包含来自特定距离模糊区间的真实目标而抑制来自其他距离模糊区间的虚假目标的信号矢量。
进一步地,在本实施例的方法中,所述编码系数γ的生成过程如下:
其中,k表示正整数,k=1,2,…,M-1。
本实施例的阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法,利用EPC(Element-pulse-coding,阵元-脉冲编码)技术在MIMO雷达中对抗干扰,通过对EPC编码系数的设计,通过波束置零,能够提取出某个特定距离模糊区间的真实目标信号,抑制来自其他距离模糊区间的假目标,进而实现距离模糊回波分离、主瓣欺骗式干扰的抑制。
本实施例的方法,考虑虚假目标相比于真实目标延迟了若干个脉冲,因此真、假目标位于不同的距离模糊区间,通过发射端导向矢量预补偿和接收端匹配滤波分离各发射波形,EPC-MIMO雷达能够区分来自不同距离模糊区间的回波信号,最终在发射、接收空间频率及脉冲三维域实现真、假目标的鉴别,并通过波束置零抑制主瓣欺骗式干扰,提高了雷达在电子战中的性能。
进一步地,请参见图2,图2是本发明实施例提供的假目标的产生过程示意图。如图所示,不同的慢时间脉冲代表不同的距离模糊区间。假设真实目标的延迟脉冲数为1,即真实目标位于第二个距离模糊区间,虚假目标1相对于真实目标延迟了一个脉冲,即位于第三个距离模糊区间,而虚假目标2相对于真实目标延迟了两个脉冲,即位于第四个距离模糊区间。特别地,经过合适的时延,在一个距离无模糊区间内,虚假目标1具有负的距离偏移(超前于真实目标),虚假目标2具有正的距离偏移(滞后于真实目标)。由于真、假目标处于不同的距离模糊区间,因此可以直观地区分真、假目标。
进一步地,请参见图3是本发明实施例提供的真、假目标在发射空域、接收空域和脉冲三维空间分布示意图。由于虚假目标位于主瓣,则真、假目标具有相同的接收空间频率,因此它们分布在发射空间频率-脉冲平面内(如中间子图所示)。最左侧子图给出了发射-接收空间域的真、假目标分布情况,由于真、假目标具有相同的接收空间频率,则它们分布在一条给定接收空间频率的水平线上。最右侧子图表示了固定接收空间频率的发射空间频率-脉冲维剖面,其中,真、假目标以编码系数γ为斜率呈斜线分布。
进一步地,请参见图4,图4是本发明实施例提供的EPC-MIMO雷达不同编码系数距离模糊区间分离示意图,其中,(a)图为等效发射方向图,(b)图为/>双程接收方向图,(c)图为/>等效发射方向图,(d)图为/>双程接收方向图。如图所示,来自不同距离模糊区间的真、假目标的回波等效具有不同的发射波束指向,因此EPC-MIMO雷达能够区分来自不同距离模糊区间的真、假目标。当γ=1/M,即延迟了一个脉冲的信号的等效发射方向图主瓣恰好对准第一个零点,延迟了两个脉冲的对应第二个零点,故从(b)图可见,接收双程方向图中,假目标对应的主瓣方向能量下降,且越远离真实目标的主瓣(即/>)衰减越大。此外,由(c)图和(d)图可见,选择不同的编码系数,会导致假目标的等效发射方向图主瓣具有不同的指向。
进一步地,请参见图5,图5是本发明实施例提供的不同雷达体制的主瓣欺骗式干扰抑制结果示意图。其中,雷达体制包括单输入单输出(single-input single-output,SISO)雷达、MIMO雷达、FDA-MIMO雷达以及本实施例的EPC-MIMO雷达。如图所示,传统的SISO雷达由于没有距离和角度维的自由度,因此无法抑制干扰。对于MIMO雷达,由于仅具有角度维的自由度而缺乏距离维信息,也无法有效抑制欺骗式干扰。尽管FDA-MIMO雷达可以抑制主瓣欺骗式干扰,然而,当存在距离量化误差时,抗干扰性能变差。具体而言,对于位于第170号距离门的虚假目标,其在一个距离无模糊区间的实际主值距离为5110m,然而根据距离门大小,即30m和距离门号算出的量化距离为5100m,因此存在10m的距离量化误差,因此虚假目标偏离了其理论的零点位置。作为对比,在EPC-MIMO雷达体制中,虚假目标因为恰好落入方向图的零点从而可以被有效地抑制。
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 (9)
1.一种阵元-脉冲编码MIMO雷达欺骗式干扰抑制方法,其特征在于,通过设计编码系数和补偿矢量,使得虚假目标恰好位于方向图零点而被有效抑制,实现主瓣欺骗式干扰的抑制,该方法包括:
S1:构建阵元-脉冲编码MIMO雷达的发射端导向矢量和接收端导向矢量,其中,所述发射端导向矢量包括真实目标的发射端导向矢量和虚假目标的发射端导向矢量,所述接收端导向矢量包括真实目标的接收端导向矢量和虚假目标的接收端导向矢量;
S2:构建阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量;
S3:根据所述阵元-脉冲编码MIMO雷达发射端补偿矢量对所述真实目标的发射端导向矢量和所述虚假目标的发射端导向矢量进行补偿;
S4:构建接收端波形匹配滤波输出矢量;
S5:根据补偿后的所述真实目标的发射端导向矢量、补偿后的所述虚假目标的发射端导向矢量、所述真实目标的接收端导向矢量、所述虚假目标的接收端导向矢量和所述接收端波形匹配滤波输出矢量,得到阵元脉冲编码MIMO雷达位于同一个距离无模糊区间内的经过匹配滤波后的接收数据矩阵;
S6:对所述经过匹配滤波后的接收数据矩阵进行非自适应波束形成处理,得到抑制主瓣欺骗式干扰的回波信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述S1包括:
S11:根据雷达阵列的几何结构,真实目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元脉-冲编码MIMO雷达的真实目标的发射端导向矢量a(γs,θs)和接收端导向矢量b(θs),
其中,γs表示编码系数γ与真实目标的延迟脉冲数ps之积,即γs=γps,γ表示编码系数,ps表示真实目标的脉冲延迟数,θs表示MIMO雷达捕获的真实目标相对阵列法线方向的角度;
S12:根据所述雷达阵列的几何结构,每个虚假目标的角度和距离,以及信号在传播过程中的相位变化关系,构建阵元-脉冲MIMO雷达每个虚假目标的发射端导向矢量aq(γq,θq)和接收端导向矢量b(θq),
其中,γq表示编码系数γ与第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟脉冲数pq之积,即γq=γpq,pq表示第q(q=1,2,…,Q)个虚假目标的脉冲延迟数,且pq>ps,Q表示虚假目标个数,θq表示MIMO雷达捕获的第q个虚假目标相对阵列法线方向的角度。
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多载频MIMO-SAR对消处理抗欺骗干扰;李云涛;陈永光;贾鑫;邓云凯;尹灿斌;;电子学报(第09期);全文 * |
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