CN113126037B - 一种基于mti的杂波背景下旁瓣相消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法，包括：获取主天线和各辅助天线接收的脉冲重复周期信号，初始化旁瓣相消次数t＝1；分别对每个脉冲重复周期信号中的第t～t+P‑1个脉冲做MTI处理得到MTI输出信号；根据幅值门限从每个MTI输出信号中均选取L_t个MTI输出点，并利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量；根据自适应权矢量对各辅助天线接收的第T＝t‑1+(P+1)/2个脉冲重复周期信号进行加权求和，并利用加权求和结果对消主天线接收的第T个脉冲重复周期信号中的干扰，得到第t次旁瓣相消的结果；当t＝M‑P+1时完成旁瓣相消，否则令t＝t+1，继续MTI处理。本发明可以在杂波背景下实现机械扫描雷达的抗干扰。

Description

一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法。

背景技术

自适应旁瓣相消是雷达领域一种重要的抗干扰手段，自上世纪50年代以来受到了广泛关注。如图2所示，自适应旁瓣相消系统基于最小均方误差准则，利用若干辅助天线信号加权来逼近主天线中的干扰分量，将其与主天线输出信号进行对消，从而使得从旁瓣进入雷达的干扰信号得到了有效抑制。

常规自适应旁瓣相消方法工作时，首先需要利用主辅天线接收信号，把一个脉冲重复周期内休止期处的采样数据作为样本，计算自适应权，并用该自适应权对消当前脉冲重复周期内的干扰。由于智能干扰和扫频干扰的存在，脉冲多普勒雷达在休止期采集到的样本中可能没有干扰信号，此时要做自适应旁瓣相消就必须使用在工作期采集到的样本来计算自适应权。但是在杂波环境且不考虑目标的情况下，脉冲多普勒雷达工作期采集到的样本中必然同时包含杂波和干扰，这就表明现有的旁瓣相消方法会使用包含杂波的样本，来计算自适应权，并进行旁瓣相消处理。而包含杂波的样本必定会影响自适应权的计算，从而影响自适应旁瓣相消的结果。因此，有必要在杂波环境下进行自适应旁瓣相消处理时去除样本中的杂波。

针对以上问题，现有方法首先对多个脉冲利用运动目标检测(MTD)或者运动目标显示(MTI)抑制杂波；然后，再对杂波抑制后的信号进行旁瓣对消。对于机械扫描雷达而言，由于天线的转动，干扰角度随天线转动而改变，不同脉冲重复周期内的干扰方向是不同的。如果使用MTD来抑制杂波，则 MTD滤波器组在抑制杂波的同时，其各多普勒通道输出信号为多个脉冲重复周期信号的加权求和，故而各多普勒通道包含多个方向的干扰，在有限的自由度下无法对消多个方向的干扰，使得干扰抑制能力受到严重影响。如果使用MTI来抑制杂波，MTI滤波器会对少量脉冲进行加权求和，其输出信号的主成分为MTI权模值最大值对应脉冲，因此旁瓣对消后干扰的主成分可以被对消；但是，现有的这种利用MTI后的信号直接做旁瓣相消的方式会抑制低速目标，从而给目标的检测造成影响。

综上可见，对于如何在杂波背景下实现机械扫描雷达的抗干扰，现有技术中尚没有较佳的解决方案。

发明内容

为了在杂波背景下实现机械扫描雷达的抗干扰，本发明提供了一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法。

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MTI的杂波背景下旁瓣相消方法，应用于雷达设备，所述方法包括以下步骤：

A、获取主天线接收的M个脉冲重复周期信号以及N个辅助天线接收的M个脉冲重复周期信号，并初始化旁瓣相消次数t＝1；

B、分别对主天线和每个辅助天线所接收的M个脉冲重复周期信号中的第t～t+P-1个脉冲做MTI处理，得到主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号；其中，每个所述MTI输出信号均包括K个MTI输出点，P为MTI 脉冲数，且P为奇数，P＜M；

C、根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个MTI输出点，并根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量；

D、根据步骤C中所计算出的自适应权矢量，对各个辅助天线接收的第 T＝t-1+(P+1)/2个脉冲重复周期信号进行加权求和，并利用加权求和结果对消主天线接收的第T个脉冲重复周期信号中的干扰，得到第t次旁瓣相消的结果；

E、判断t是否等于M-P+1；当判断结果为否时，令t＝t+1，返回步骤 B；当判断结果为是时，完成旁瓣相消。

优选地，步骤B中进行MTI处理所使用的MTI权矢量为

其中，

表示排列组合数，[]^T表示矩阵或向量的转置。

优选地，步骤C中，根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量，包括：

根据从主天线的MTI输出信号中所选取的L_t个MTI输出点构建行矢量 d＝[d_t(k₁),d_t(k₂),…,d_t(k_Lt)]；k₁,k₂,…,k_Lt为选取的MTI输出点的索引；

根据从N个辅助天线的MTI输出信号中所选取的N×L个MTI输出点构建矩阵X＝[X_t(k₁),X_t(k₂),…,X_t(k_Lt)]；

利用公式

计算自适应权矢量

其中，

为辅助天线自相关矩阵的估计，

为主天线和辅助天线互相关矢量的估计，[]^-1表示矩阵求逆操作。

优选地，所述根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI 输出信号中均选取L_t个MTI输出点，包括：

分别对各个辅助天线中相同索引的MTI输出点的信号幅值进行求和，得到K个幅值总和；

确定幅值总和大于预设的幅值门限的MTI输出点的索引k₁,k₂,…,k_Lt；

按照所述确定的索引k₁,k₂,…,k_Lt，分别从主天线以及每个辅助天线的K 个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

优选地，所述根据预设的信号幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个样本，包括：

任选一个辅助天线的MTI输出信号；

确定所选取的该MTI输出信号中，幅值大于预设的幅值门限的MTI输出点的索引k₁,k₂,…,k_Lt；

按照所述确定的索引k₁,k₂,…,k_Lt，分别从主天线以及每个辅助天线的K 个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

优选地，步骤E中完成旁瓣相消后，共对消得到M-P+1次旁瓣相消的结果；所述方法还包括：

将所述M-P+1次旁瓣相消的结果通过MTD滤波器进行杂波抑制和相干积累。

优选地，所述雷达设备为机械扫描雷达设备。

本发明提供的基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法中，充分利用了数字处理的优势，将原始接收的脉冲重复周期信号重复使用，并利用MTI处理后的MTI输出信号来估计自适应权矢量，将自适应权矢量该作用于原始接收的脉冲重复周期信号中，以对消原始接收的脉冲重复周期信号中某一脉冲重复周期的干扰；在这个过程中，本发明采用滑动处理，每MTI处理一次便计算一次自适应权值，从而对消原始接收信号中的一个脉冲重复周期的干扰；经过多次对消最终实现旁瓣相消。相较于现有技术利用MTI处理后的信号直接做旁瓣相消的方式，本发明所采用的方法能够降低对低速目标的影响，不仅适用于机械扫描雷达在杂波背景下的抗干扰，也可适用于非机械扫描雷达在杂波背景下的抗干扰。

以下将结合附图及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基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法的流程图；

图2是本发明实施例的提供的基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法的实现原理图；

图3示出了仿真条件1下主天线干扰对消前某一脉冲重复周期内的信号幅度图；

图4(a)示出了仿真条件1下现有方法1的旁瓣对消输出信号幅度；

图4(b)示出了仿真条件1下现有方法2的旁瓣对消输出信号幅度；

图4(c)示出了仿真条件1下本发明实施例的旁瓣对消输出信号幅度；

图5(a)示出了仿真条件2下现有方法1的旁瓣对消输出信号幅度；

图5(b)示出了仿真条件2下本发明实施例的旁瓣对消输出信号幅度。

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。

为了在杂波背景下实现机械扫描雷达的抗干扰，本发明实施例提供了一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法，该方法可以用于应用于电子设备。具体的，该电子设备可以为机械扫描雷达或非机械扫描雷达。

参见图2所示，本发明实施例提供的基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法包括以下步骤：

A、获取主天线接收的M个脉冲重复周期信号以及N个辅助天线接收的M个脉冲重复周期信号，并初始化旁瓣相消次数t＝1。

在实际应用中，可以从雷达接收机中获取主天线接收的M个脉冲重复周期信号以及N个辅助天线所各自接收的M个脉冲重复周期信号。该雷达接收机所在的雷达设备采用了主天线以及在主天线周围增设的N个辅助天线。

这里，主天线接收的M个脉冲重复周期信号的第k次采样可以用向量 S(k)＝[s₁(k),s₂(k),…,s_M(k)]^T来表示；其中，s_m(k)为主天线接收第m个脉冲重复周期信号的第k次采样，N个辅助天线中的第n个辅助天线接收的M个脉冲重复周期信号的第k次采样可以用向量S_n(k)＝[S_n1(k),S_n2(k),…,S_nM(k)]^T来表示；其中，S_nm(k)表示第n个辅助天线第m个脉冲重复周期信号的第k次采样，k＝1,2,…,K，K为一个脉冲重复周期的采样点数。

B、分别对主天线和每个辅助天线所接收的M个脉冲重复周期信号中的第t至t+P-1个脉冲做MTI处理，得到主天线以及每个辅助天线的MTI 输出信号；其中，每个MTI输出信号均包括K个MTI输出点，P为MTI 脉冲数，且P为奇数，P＜M。

该步骤B中，进行MTI处理所使用的MTI权矢量可以为

其中，

表示排列组合数，[]^T表示矩阵或向量的转置。

主天线的MTI输出信号可以表示为：

N个辅助天线中的第n个辅助天线的MTI输出信号可以表示为：

由此，N个辅助天线MTI输出信号组成的列向量为：

X_t(k)＝[x_1t(k),x_2t(k),…,x_Nt(k)]^T。

其中，[]^H表示矩阵或向量的共轭转置。

C、根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个MTI输出点，并根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量，L_t≤K。该步骤C中，从主天线以及每个辅助天线的MTI 输出信号中均选取L_t个MTI输出点的具体实现方式存在多种。示例性的，在一种实现方式中，根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI 输出信号中均选取L_t个MTI输出点，可以包括：

(1)分别对各个辅助天线中相同索引的MTI输出点的信号幅值进行求和，得到K个幅值总和；

(2)确定幅值总和大于预设的幅值门限的MTI输出点的索引k₁,k₂,…,

(3)按照所确定的索引k₁,k₂,…,

分别从主天线以及每个辅助天线的K 个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

在另一种实现方式中，根据预设的信号幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个样本，可以包括：

(1)任选一个辅助天线的MTI输出信号；

(2)确定所选取的该MTI输出信号中，幅值大于预设的幅值门限的MTI 输出点的索引k₁,k₂,…,

(3)按照所确定的索引k₁,k₂,…,

分别从主天线以及每个辅助天线的K 个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

另外，该步骤C中，根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量，具体可以包括：

(1)根据从主天线的MTI输出信号中选取的L_t个MTI输出点构建1×L_t的行矢量

(2)根据从N个辅助天线的MTI输出信号中选取的N×L_t个MTI输出点构建矩阵

(3)利用公式

计算自适应权矢量

其中，

为辅助天线自相关矩阵的估计，

为主天线和辅助天线互相关矢量的估计，[]^-1表示矩阵求逆操作。

D、根据步骤C中所计算出的自适应权矢量，对各个辅助天线接收的第 T＝t-1+(P+1)/2个脉冲重复周期信号进行加权求和，并利用加权求和结果对消主天线接收的第T个脉冲重复周期信号中的干扰，得到第t次旁瓣相消的结果。

需要说明的是，鉴于MTI的系数为二项式系数，最中间的值绝对值最大，故本发明实施例用计算出的自适应权矢量对MTI输入的P个脉冲重复周期信号中最中间的脉冲重复周期信号进行干扰对消，即对接收的第 T＝t-1+(P+1)/2个脉冲重复周期信号进行干扰对消，这样的对消效果是最好的。由此，第t次旁瓣相消结果可以表示为：

其中，s_T(k)代表主天线接收的第T个脉冲重复周期信号， [S_1T(k),S_2T(k),…,S_NT(k)]^T代表各辅助天线接收的第T个脉冲重复周期信号构成的矢量，该矢量中的S_nT(k)代表第n个辅助天线接收的第T个脉冲重复周期信号中的第k个采样点。

E、判断t是否等于M-P+1；当判断结果为否时，令t＝t+1，返回步骤 B；当判断结果为是时，完成旁瓣相消。

可以理解的是，如果t等于M-P+1，则说明是对接收的M个脉冲重复周期中最后的P个脉冲进行MTI，因此结束处理。由此，步骤E中完成旁瓣相消后，共对消得到M-P+1次旁瓣相消的结果。

以上，本发明实施例的提供的基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法的各个执行步骤。

本发明提供的基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法中，充分利用了数字处理的优势，将原始接收的脉冲重复周期信号重复使用，并利用MTI处理后的MTI输出信号来估计自适应权矢量，将自适应权矢量该作用于原始接收的脉冲重复周期信号中，以对消原始接收的脉冲重复周期信号中某一脉冲重复周期的干扰；在这个过程中，本发明采用MTI处理，每MTI处理一次便计算一次自适应权值，从而对消原始接收信号中的一个脉冲重复周期的干扰；经过多次对消最终实现旁瓣相消。相较于现有技术利用MTI处理后的信号直接做旁瓣相消的方式，本发明所采用的方法能够降低对低速目标的影响，不仅适用于机械扫描雷达在杂波背景下的抗干扰，也可适用于非机械扫描雷达在杂波背景下的抗干扰。

可选地，在一种实现方式中，在完成旁瓣相消后，还可以进一步将得到的M-P+1次旁瓣相消的结果通过MTD滤波器进行杂波抑制和相干积累。

这里，杂波抑制和相干积累结果包括了多个多普勒通道的MTD输出；其中，任一多普勒通道对应的MTD权矢量W_MTD为一个(M-P+1)×1的列向量，因此该多普勒通道MTD输出可以表示为：

另外，关于通过MTD滤波器进行杂波抑制和相干积累的具体实现过程，非本发明实施例的发明点，与现有技术中通过MTD滤波器进行杂波抑制和相干积累的时效方式相同或相似，故本发明实施例不再赘述。

下面通过计算机仿真验证结构对本发明实施例的有益效果进行说明。

仿真验证1：

(1)仿真条件：设主天线为均匀线阵，阵元数为16，阵元间距半波长，有2个辅助天线，辅助天线位于主天线上方；有两个干扰源均为远场窄带噪声干扰，干扰带宽均为2MHz，干扰1的干噪比为40dB，干扰2的干噪比为50dB。主天线波束指向为仰角0°，方位角0°；干扰1仰角5°，方位角-30°，干扰2仰角5°，方位角40°；设杂波为静止点杂波；雷达采用机械扫描方式，转速为6转/分钟。脉冲重复周期为3ms，脉冲数为16。

(2)仿真过程：图3给出了某一个脉冲重复周期的信号幅度图，前900 距离单元同时含有干扰与杂波，901～4900距离单元仅含有干扰。基于仿真条件1对本发明实施例与现有常规旁瓣相消方法得到的对消结果进行对比。为了对比的合理性，仿真过程中所涉及的MTD滤波器权矢量均相同。

其中，常规方法1包括：利用各脉冲重复周期前900距离单元估计自适应权值，对消整个脉冲重复周期的干扰，将第2～15个脉冲对消输出通过 MTD滤波器；常规方法2包括：主天线、辅助天线的第2～15个脉冲信号分别通过MTD滤波器得到的输出信号中，利用前900距离单元估计自适应权值，用于对消MTD输出信号中的干扰。本发明实施例中，利用前900距离单元估计自适应权值来对消整个脉冲重复周期内的干扰，仿真中MTI权矢量为[1,-2,1]^T。本发明实施例基于仿真条件1产生的数据处理得到14个脉冲，将14个脉冲通过MTD滤波器得到输出。

(3)仿真结果对比：将本发明实施例的输出与两种现有常规方法的输出进行对比，干扰对消结果参见图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，横坐标为距离单元，纵坐标为幅度值，单位为分贝。对比图4(a)、图4(b)和图4(c)可见，本发明实施例的干扰对消剩余最小，其次为常规方法2，而常规方法1对消剩余最大，在干扰清洁区统计干扰对消比，本发明方法的干扰对消比为 27.9dB，常规方法2的干扰对消比为17.1dB，常规方法1的干扰对消比为 4.3dB。由此证明了现有的常规方法干扰对消效果较差，而本发明实施例相较于现有的常规方法的干扰对消效果有较大的改善。

仿真验证2：

(1)仿真条件：回波信号中存在目标，目标方位角0°，俯仰角0°，目标信噪比为15dB，目标为一低速目标，其多普勒频率为58Hz，其它仿真条件同仿真验证1的仿真条件。

(2)仿真过程：基于仿真条件2对本发明方法与现有的常规旁瓣相消方法得到的对消结果的输出信干噪比进行对比。其中，该常规方法处理流程为：利用对主天线和各辅助天线的16个脉冲进行三脉冲MTI滑动处理，输出14个脉冲，并利用各输出脉冲的前900距离单元估计自适应权值，用于对消各MTI输出脉冲，得到14个旁瓣相消输出脉冲，再通过MTD滤波器。

(3)仿真结果对比：为了对比的合理性，对常规方法与本发明实施例输出信号的干扰噪声分量做归一化，对比输出信号的幅度参见如图5(a)和图 5(b)所示。其中，横坐标为距离单元，纵坐标为幅度值，单位为分贝，目标所在距离单元为3000。另外，仿真过程中所涉及的MTD滤波器权矢量均相同。对比图5(a)、图5(b)可以看出，在噪声功率相同的情况下，本发明实施例输出信号幅度明显高于常规方法，经过统计，本发明实施例的输出信干噪比为28.4dB，而常规方法的输出信干噪比为20.6dB，其主要原因是常规方法对低速目标有抑制作用，而本发明实施例能有效解决现有常规方法的不足。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

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 (6)

1.一种基于MTI的杂波背景下旁瓣相消方法，其特征在于，应用于雷达设备，所述方法包括以下步骤：

A、获取主天线接收的M个脉冲重复周期信号以及N个辅助天线接收的M个脉冲重复周期信号，并初始化旁瓣相消次数t＝1；

B、分别对主天线和每个辅助天线所接收的M个脉冲重复周期信号中的第t～t+P-1个脉冲做MTI处理，得到主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号；其中，每个所述MTI输出信号均包括K个MTI输出点，P为MTI脉冲数，且P为奇数，P<M；

C、根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个MTI输出点，并根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量，L_t≤K；

D、根据步骤C中所计算出的自适应权矢量，对各个辅助天线接收的第T＝t-1+(P+1)/2个脉冲重复周期信号进行加权求和，并利用加权求和结果对消主天线接收的第T个脉冲重复周期信号中的干扰，得到第t次旁瓣相消的结果；

E、判断t是否等于M-P+1；当判断结果为否时，令t＝t+1，返回步骤B；当判断结果为是时，完成旁瓣相消；

步骤C中，根据所选取的MTI输出点利用矩阵求逆算法估计自适应权矢量，包括：

根据从主天线的MTI输出信号中所选取的L_t个MTI输出点构建行矢量

为选取的MTI输出点的索引；

根据从N个辅助天线的MTI输出信号中所选取的N×L个MTI输出点构建矩阵

利用公式

计算自适应权矢量

其中，

为辅助天线自相关矩阵的估计，

为主天线和辅助天线互相关矢量的估计，[]^-1表示矩阵求逆操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中进行MTI处理所使用的MTI权矢量为

其中，

表示排列组合数，[]^T表示矩阵或向量的转置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个MTI输出点，包括：

分别对各个辅助天线中相同索引的MTI输出点的信号幅值进行求和，得到K个幅值总和；

确定幅值总和大于预设的幅值门限的MTI输出点的索引

按照所确定的索引

分别从主天线以及每个辅助天线的K个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的信号幅值门限，从主天线以及每个辅助天线的MTI输出信号中均选取L_t个样本，包括：

任选一个辅助天线的MTI输出信号；

确定所选取的该MTI输出信号中，幅值大于预设的幅值门限的MTI输出点的索引

按照所确定的索引

分别从主天线以及每个辅助天线的K个MTI输出点中选取L_t个MTI输出点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤E中完成旁瓣相消后，共对消得到M-P+1次旁瓣相消的结果；所述方法还包括：

将所述M-P+1次旁瓣相消的结果通过MTD滤波器进行杂波抑制和相干积累。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述雷达设备为机械扫描雷达设备。

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