CN113075625A - 一种谱共存下的抗距离欺骗干扰波形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谱共存下的抗距离欺骗干扰波形设计方法,包括认知雷达模式获取先验信息,建立优化问题模型,求解优化问题并得到优化的波形,根据雷达参数发射优化波形并对回波进行处理。在优化问题建模阶段,在已知干扰具体调制类型的基础上,考虑脉内调制波形集,设计准则为降低雷达波形集的加权自相关积分旁瓣电平和加权互相关积分电平。为了保证功率放大器工作在饱和状态,且考虑到数字信号发生器有限相位数量,对设计的波形增加恒模约束和离散相位约束条件,建立优化问题模型。在波形优化设计阶段,针对建立的四次优化问题用非精确的交替方向惩罚法进行求解,得到的波形能够在保证频谱共存的同时抑制距离欺骗干扰,提升雷达探测性能。
Description
技术领域
本发明属于雷达抗干扰技术领域,特别涉及了波形设计和干扰抑制技术。
背景技术
现代电子战中,由于雷达对抗技术的不断进步和频谱资源日渐匮乏,不同形式的干扰已经严重阻碍了雷达对目标的正常检测,而千方百计提高雷达的抗干扰性能已成为雷达设计者所面临的严峻任务。
对于距离欺骗干扰而言,干扰机通过截获复制雷达发射信号并转发给雷达接收机,导致雷达匹配滤波检测后出现很多虚假目标。同时,随着军民用无线通信、遥感探测等电磁设备的日益增多,雷达探测环境中的电磁频谱越来越拥挤,这使得雷达还面临着系统之间互扰的问题,且这类干扰不仅来源于敌方,友方甚至己方的电磁设备也会对雷达产生一定的干扰。因此,为保证雷达在出现距离欺骗干扰与频谱互扰的环境下能够对目标进行正确检测和跟踪,提高雷达系统在谱共存下的抗干扰能力具有重要的理论价值和实际意义。
目前传统雷达关于抗干扰的研究都是针对信号处理方法展开的,然而在认知雷达模式下,根据已知的先验信息进行波形设计可以有效地抑制干扰。波形捷变技术是一种利用波形编码、脉宽、功率、频谱分布等自由度实时优化设计与当前探测环境相匹配的波形的技术。由于在有源欺骗干扰的产生过程中干扰机存在转发时延,这使得波形捷变技术成为了雷达对抗有源欺骗干扰的有效措施之一,同时通过对波形的频谱在干扰所在的频段内进行约束,可以有效地实现频谱共存。但是对于雷达发射系统而言,数字信号发生器可用的相位数量有限,如果设计的波形不考虑有限相位的约束,则会发生性能损失,尤其是在相位数量较少时。
发明内容
为了抑制距离欺骗干扰同时保证频谱兼容,实现雷达对目标的探测和跟踪,本发明提供了一种谱共存下抗距离欺骗干扰的波形设计方法。
本发明的技术方案为:一种谱共存下的抗距离欺骗干扰波形设计方法,包括以下步骤:
步骤1:根据认知雷达模式获取先验信息:
步骤2:建立优化问题模型:
步骤21:建立波形集的自相关加权积分旁瓣电平和加权互相关积分旁瓣电平f(s):
其中,(·)H表示共轭转置操作,Jk为偏移矩阵且k=0,1,...N-1,|·|为求模运算,I(N-k)表示(N-k)×(N-k)维的单位矩阵,s=vec(S),vec(S)为将矩阵按列排成向量的操作,和分别为自相关函数和互相关函数的控制权值;
步骤22:对发射信号的频谱能量进行约束:
步骤23:构建优化模型如下:
构造增广的拉格朗日函数:
步骤33:t=t+1;
为了求得问题的解s(t),在每次迭代中通过固定目标函数中的部分变量s,将目标函数由一个四次问题降阶为一个二次问题,然后利用二次问题的下限函数将其转换成一个线性问题,得到当前第i次迭代的解s(i),判断当前的解是否满足||s(i)-s(i-1)||≤λ,满足则输出s(t)=s(i),否则增加迭代次数i,继续优化,其中,λ表示预先设定的阈值;
其中,
步骤39:判断是否达到停止条件,若是则输出优化波形s(t),否则返回步骤32,继续进行迭代;
步骤4:发射优化设计的波形序列s;
步骤5:雷达接收回波信号处理:将雷达回波信号按照不同的脉冲重复时间进行分类,得到发射不同优化波形的回波序列,对分类后的不同发射波形的回波分别进行脉冲压缩和相参积累处理,将处理的结果相加求和,输出结果。
本发明的有益效果:本发明的方法通过建立优化问题模型,利用发射正交波形的方式来抑制距离欺骗干扰,在此基础上还考虑了回波中窄带信号的抑制,对发射信号在干扰频点的功率谱进行约束,同时还加入了有利于硬件兼容性的恒模与离散相位约束;并提出了一种IADPM算法,解决了所提的优化问题,并通过仿真验证了所提方法在谱共存的抗距离欺骗干扰上的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图;
图2为本发明实施例的信号发射方式图;
图3为本发明实施例的雷达回波信号处理过程图;
图4为本发明实施例的IADPM算法求解流程图;
图6为本发明实施例的仿真时第二个PRT回波匹配滤波后的归一化功率谱密度图;
图7为本发明实施例的仿真时第二个PRT回波匹配滤波后的结果图;
图8为本发明实施例的仿真时所有回波处理结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
本发明步骤包括认知雷达模式获取先验信息,建立优化问题模型,求解优化问题并得到优化的波形,根据雷达参数发射优化波形并对回波进行处理。在优化问题建模阶段,该方法首先在已知干扰具体调制类型的基础上,考虑脉内调制波形集,设计准则为降低雷达波形集的加权自相关积分旁瓣电平和加权互相关积分电平,约束波形在阻带频率范围内的功率谱密度以实现频谱共存。同时为了保证功率放大器工作在饱和状态,且考虑到数字信号发生器有限相位数量,对设计的波形还增加了恒模约束和离散相位约束条件。基于上面的优化准则和约束条件,建立优化问题模型。在波形优化设计阶段,针对建立的四次优化问题提出了一种非精确的交替方向惩罚法(inexact alternating direction penaltymethod,IADPM)进行求解,该方法得到的波形能够在保证频谱共存的同时抑制距离欺骗干扰,提升雷达的探测性能。具体流程如图1所示,包括如下步骤:
步骤1:根据认知雷达模式获取先验信息:
所需的先验信息:波形集内的波形个数M,波形的子码片个数N,M个波形的矩阵S=[s1 s2…sM],其中第m个波形为φm(n)是第m个波形的第n个子码片的相位,(·)T表示转置操作符。雷达波形的H个阻带范围和发射信号在阻带内所能接收的最大能量EI,其中,f1 h和f2 h分别表示第h个干扰频带的上下界归一化频率,h个频带对雷达的影响系数离散相位个数L。
步骤2:建立优化问题模型:
步骤21:建立波形集的自相关加权积分旁瓣电平和加权互相关积分旁瓣电平f(s):
其中,(·)H表示共轭转置操作符,Jk为偏移矩阵且k=0,1,...N-1,|·|为求模运算,I(N-k)表示(N-k)×(N-k)维的单位矩阵,s=vec(S),vec(S)为将矩阵按列排成向量的操作符。和分别为自相关函数和互相关函数的控制权值。
步骤22:对发射信号的频谱能量进行约束:
构造增广的拉格朗日函数:
步骤33:令t=t+1。
具体流程如图5所示,包括如下分步骤:
步骤362:i=0,初始化s(i)=s(t-1)。
步骤3610:判断当前的解是否满足||s(i)-s(i-1)||≤10-6的退出条件,是则输出s(t)=s(i),否则返回步骤365。
步骤39:判断算法是否达到停止条件,若是则输出优化波形s(t),否则返回步骤33并继续进行迭代
其中停止条件设置为:
其中,∈abs>0和∈rel>0分别为绝对容忍度和相对容忍度。
步骤4:发射优化设计的波形序列s:
已知一个相参处理间隔(coherent processing interval,CPI)内的发射波形个数Mp,以及设计的优化波形个数M,则在一个CPI内依次发射M个优化波形。具体的信号发射方式如附图2所示。
步骤5:雷达接收回波信号处理:将雷达回波信号按照不同的脉冲重复时间(pulse2epetition time,PRT)进行分类,得到发射不同优化波形的回波序列,对分类后的不同发射波形的回波分别进行脉冲压缩和相参积累处理,将处理的结果相加求和,输出结果。处理流程如附图3所示。
仿真验证及分析:
在认知雷达模式下,根据先验信息考虑优化设计的相位编码波形长度N=64,波形集内波形个数M=2,离散相位个数L=64,归一化阻带范围为:Ω1=[0.47,0.5],Ω1=[0.7,0.71],影响因子c1=c2=1。令每个发射波形的自相关函数的旁瓣权值为
互相关函数的权值为
其中,Kp为整数,0≤Kp≤N-1,p∈{1,2}。在本次仿真中令K1=K2=16。
假设雷达的脉冲重复周期PRT=32μs,一个CPI内的波形个数Mp=64,发射脉冲时宽T=6.4μs,带宽B=10MHz,采样率为fs=B。假设环境中有一个距离欺骗假目标,距离欺骗干扰滞后雷达发射信号一个PRT,且假目标的距离为RJ=1100m,干噪比JNRr=25dB。已知某个频带干扰信号的归一化频率为fb=0.49,干扰的干噪比JNRn=40dB。假设真实目标的距离为RT=1000m,速度VT=-90m/s,信噪比SNR=20dB。仿真将设计波形与Frank码和未经过频谱约束的正交波形进行了对比,三者的参数保持一致。
从图6可以看出,Frank码和正交波形经过匹配滤波处理后的能量集中在窄带干扰所在的频点附近,而优化的波形在处理后可降低回波在窄带干扰频点处的能量。
由图7可知,由于频谱干扰和距离欺骗干扰的存在,Frank码和正交波形均不能在正确的目标距离处积累,且Frank码会在假目标处形成虚假尖峰,影响雷达的探测。优化设计的波形不仅能显示出真实目标的距离,同时其距离维旁瓣相比于上述两种波形更低,还能够去除掉假目标的干扰。
图8结果显示,优化的波形经过处理之后,可以抑制频谱干扰以及距离欺骗干扰,同时能够得到真实目标的距离和速度信息。
Claims (1)
1.一种谱共存下的抗距离欺骗干扰波形设计方法,包括以下步骤:
步骤1:根据认知雷达模式获取先验信息:
步骤2:建立优化问题模型:
步骤21:建立波形集的自相关加权积分旁瓣电平和加权互相关积分旁瓣电平f(s):
其中,(·)H表示共轭转置操作,Jk为偏移矩阵且|·|为求模运算,I(N-k)表示(N-k)×(N-k)维的单位矩阵,s=vec(S),vec(S)为将矩阵按列排成向量的操作,和分别为自相关函数和互相关函数的控制权值;
步骤22:对发射信号的频谱能量进行约束:
步骤23:构建优化模型如下:
构造增广的拉格朗日函数:
步骤33:t=t+1;
为了求得问题的解s(t),在每次迭代中通过固定目标函数中的部分变量s,将目标函数由一个四次问题降阶为一个二次问题,然后利用二次问题的下限函数将其转换成一个线性问题,得到当前第i次迭代的解s(i),判断当前的解是否满足||s(i)-s(i-1)||≤λ,满足则输出s(t)=s(i),否则增加迭代次数i,继续优化,其中,λ表示预先设定的阈值;
其中,
步骤39:判断是否达到停止条件,若是则输出优化波形s(t),否则返回步骤32,继续进行迭代;
步骤4:发射优化设计的波形序列s;
步骤5:雷达接收回波信号处理:将雷达回波信号按照不同的脉冲重复时间进行分类,得到发射不同优化波形的回波序列,对分类后的不同发射波形的回波分别进行脉冲压缩和相参积累处理,将处理的结果相加求和,输出结果。
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