CN113219413A - 一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法，首先计算待抑制杂波速度区间的中间值，通过信号跳频序列和正交投影矩阵，构建单点速度的零陷约束矩阵，然后采用二次约束的零陷加宽方法，将单点速度零陷约束矩阵在速度维进行扩展，最后对接收信号进行杂波抑制后，通过细距离、速度二维搜索进行目标参数估计，从而实现脉间捷变频回波的相参积累，实现目标检测。本发明克服直接采用正交投影矩阵构建速度维宽零陷的杂波抑制滤波器时，由于矩阵病态，滤波器构建失败的问题，利用高性能数字信号处理器实时计算杂波抑制滤波器，也可以根据跳频序列提前计算并存储该杂波抑制滤波器参数，该方法鲁棒性强，工程易实现。

Description

一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法

技术领域

本发明涉及雷达探测与信号处理领域，可用于脉间捷变频体制雷达对地物杂波的抑制，本发明提出一种当雷达采用脉间捷变频体制来对抗干扰时，基于二次约束的零陷展宽调相的杂波抑制方法。

背景技术

随着战场环境的日趋复杂和电子战的迅猛发展，转发式电子干扰严重威胁雷达的战场生存和战术效能的发挥。为改变这一现状，脉间捷变频雷达体制开始被关注，脉冲间根据预先设计好的伪随机跳频序列，快速改变发射频率，可以有效欺骗干扰机的工作，达到不容易被干扰的目的。

脉间频率捷变雷达最大的特点就是在一组发射脉冲内每个脉冲的发射频率按照跳频序列变化，所以雷达回波信号是非平稳信号，因此不能在慢时间维利用快速傅里叶变换方法将目标从杂波中分离出来。

为解决这一问题，一种变参数的MTI滤波器杂波抑制方法被提出。传统的MTI滤波器不能满足脉间捷变频雷达的杂波对消要求，需要根据频点变化来重新设计MTI滤波器系数，但伪随机跳频序列的组合十分巨大，所以这种方法很难找到最优的滤波器系数。除此之外，还有一种利用杂波空间来抑制杂波分量的方法。这种方法利用正交子空间投影思想，实现回波信号中杂波分量的抑制，但是受限于脉冲积累个数，在构造速度维宽零陷的杂波抑制滤波器时，会出现矩阵病态，求逆错误的问题，导致滤波器构建失败。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法。脉间频率捷变雷达信号属于非平稳信号，其回波的初相跟频率有关，不是线性变化，无法使用传统的基于傅里叶变换的线性相参处理与杂波抑制。

本发明通过研究脉间捷变频信号模型慢时间相位关系，得到了一种基于零陷展宽调相的杂波抑制方法。首先计算待抑制杂波速度区间的中间值v₀，通过信号跳频序列和正交投影矩阵，构建单点速度v₀的零陷约束矩阵P₀，然后采用二次约束的零陷加宽方法，将单点速度零陷约束矩阵P₀在速度维进行扩展得到P，最后对接收信号进行杂波抑制后，通过细距离、速度二维搜索进行目标参数估计，从而实现脉间捷变频回波的相参积累，实现目标检测。本发明经某型实装雷达验证，直接采用正交投影矩阵进行速度维宽零陷的杂波抑制矩阵最多只能做到[-5,5]，而所提方法可以扩展为[-20,20]，单位为m/s，说明该方法的有效性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤1：窄带脉间捷变频雷达带宽为B＝MΔf，Δf为脉间捷变频的最小频点间隔，M为独立跳频点频个数，则细距离定义为R_x＝c/2Δf，目标的真实距离是关于细距离周期模糊的，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf，c为光速，一个CPI包含N个脉冲，则第n个脉冲对应的目标回波信号表示为：

式(1)中，s为信号包络，在窄带条件下近似认为保持不变，f_n＝f_c+M_nΔf为第n个脉冲对应的频率，n＝1,2,…,N，f_c为射频基础频率，M_n为第n个脉冲的频点序号，R_s为目标距离，v_s为目标速度，f_r是脉冲重复频率，n_n为噪声；则一个CPI内，雷达接收到的回波信号表示为：

y＝s_r1,s_r2,…,s_rN (2)

目标的等效导向矢量表示为：

式(3)中，(R_s,v_s)为目标的距离值和速度值，需要注意的是，目标距离R_s是关于细距离R_x周期模糊的；

步骤2：首先，需要抑制的杂波速度区间为v_min,v_max，取杂波速度区间的中间值v₀＝(v_min+v_max)/2，则全细距离段单点速度的约束矩阵C表示为：

C＝a(0,v₀),a(ΔR,v₀),…,a(R_xΔR,v₀) (4)

式中，0,ΔR,…,R_x-ΔR表示细距离的分段；

基于正交投影矩阵，利用约束矩阵C构造零陷约束矩阵P₀：

P₀＝I_N-C[C^HC]^-1C^H (5)

式中，I_N是N维单位矩阵；

步骤3：其次，采用二次约束的零陷加宽方法，将单点速度零陷约束矩阵在速度维进行扩展，扩展零陷约束矩阵P可由式(6)优化求得：

式中，Q为杂波速度区间等效导向矢量的积分约束矩阵：

ε控制零陷深度，越小则零陷越深；

采用拉格朗日乘子法，得到：

P＝I_N-λQ^-1P₀ (8)

拉格朗日算乘子λ通过求解式(9)逼近求解得到：

其中，eps为逼近门限，λ的搜索初值为零，λ以搜索步长Δλ递增，直到式(9)成立；

将接收数据矩阵与扩展零陷约束矩阵P相乘，得到剔除地杂波后的数据矩阵y_a：

y_a＝y·P (10)

然后，根据目指信息确定目标速度搜索范围，通过二维搜索，得到目标的细距离和速度的估计值：

式中，a(R_q,v_q)为等效搜索导向矢量，R_q∈[0,R_x-ΔR]，v_q∈[v_smin,v_smax]，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf，速度分辨率为Δv＝cf_r/2f_cN；

步骤4：利用目标的细距离和速度的估计值

构建导向矢量

实现脉间捷变频回波的相参积累，即

实现目标检测。

所述ε取值为10^-5。

所述逼近门限eps取值为0.1，

所述搜索步长Δλ取值为0.01。

本发明的有益效果在于本发明中的杂波抑制方法利用信号跳频序列和杂波速度特征，通过构建两级零点约束矩阵来实现速度维宽零陷的杂波抑制滤波器，克服直接采用正交投影矩阵构建速度维宽零陷的杂波抑制滤波器时，由于矩阵病态，滤波器构建失败的问题，经某型实装雷达验证，直接采用正交投影矩阵进行速度维宽零陷的杂波抑制矩阵最多只能做到[-5,5]，而所提方法可以扩展为[-20,20]，单位为m/s。此外，在工程实现中可以利用高性能数字信号处理器实时计算杂波抑制滤波器，也可以根据跳频序列提前计算并存储该杂波抑制滤波器参数，该方法鲁棒性强，工程易实现。

附图说明

图1是本发明脉间捷变频信号杂波抑制工作流程图。

图2是本发明的杂波抑制零陷图。

图3是本发明的杂波抑制零陷图(速度维视角)。

图4是本发明直接采用正交投影矩阵进行速度维宽零陷的杂波抑制图。

图5是本发明直接采用正交投影矩阵进行速度维宽零陷的杂波抑制图(速度维视角)。

图6是本发明脉间捷变频回波的相参积累图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施如下：

第一步：接收一个CPI中每个脉冲的回波信号，经过采样、脉冲压缩，形成回波数据矩阵y；

第二步：取杂波速度区间的中间值v₀＝(v_min+v_max)/2，构建全细距离段单点速度的约束矩阵C：

C＝a(0,v₀),a(ΔR,v₀),…,a(R_xΔR,v₀) (1)

式中，0,R_x-ΔR为细距离范围，ΔR＝c/2B为细距离分辨率，c为光速，需要注意的是，脉间捷变频雷达的距离是关于细距离周期模糊的，对于窄带脉间捷变频雷达带宽为B＝MΔf，Δf为脉间捷变频的最小频点间隔，M为独立跳频点频个数，则细距离定义为R_x＝c/2Δf，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf。

等效导向矢量a(R,v)表示为：

式(2)中，(R,v)为细距离和速度，f_n＝f_c+M_nΔf为第n个脉冲对应的频率，n＝1,2,…,N，f_c为射频基础频率，M_n为第n个脉冲的频点序号，f_r是脉冲重复频率；

第三步：基于正交投影矩阵，利用约束矩阵C构造零陷约束矩阵P₀：

P₀＝I_N-C[C^HC]-1C^H (3)

第四步：采用二次约束的零陷加宽方法，将单点速度零陷约束矩阵在速度维进行扩展，扩展零陷约束矩阵P可由下式优化求得：

式中，Q为杂波速度区间等效导向矢量的积分约束矩阵：

ε可以控制零陷深度，越小则零陷越深，一般设置为10^-5。

采用拉格朗日乘子法，可以得到：

P＝I_N-λQ^-1P₀ (6)

拉格朗日算乘子λ通过求解下式逼近求解得到：

其中，eps为逼近门限，一般设置为0.1，λ的搜索初值为零，λ以搜索步长Δλ递增，直到式(7)成立，Δλ一般设置为0.01。

第五步：将接收数据矩阵与扩展零陷约束矩阵P相乘得到剔除地杂波后的数据矩阵y_a，即

y_a＝y·P (8)

第六步：根据目指信息确定目标速度搜索范围，通过二维搜索，得到目标的细距离和速度的估计值：

式中，a(R_q,v_q)为等效搜索导向矢量，R_q∈[0,R_x-ΔR]，v_q∈[v_smin,v_smax]，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf，速度分辨率为Δv＝cf_r/2f_cN。

利用目标的细距离和速度的估计值

构建导向矢量

通过

实现脉间捷变频回波的相参积累，实现目标检测。

仿真实验：

假设场景内包含一个目标，地杂波速度段-15m/s到15m/s，Ku波段，脉间捷变频工作模式，起始频点12GHz，最小频点间隔为50MHz，发射脉冲为简单脉冲信号，脉冲重复频率为65KHz，一个脉组共10个频点、128个脉冲，目标速度40m/s，距离280m，每个PRT采样50个点。

采用本发明中提出的杂波抑制算法，在搜索目标真实速度前构造速度维宽零陷的杂波抑制滤波器，在杂波所在速度范围内形成零陷。图2和图3中可以看出本发明能在杂波所在速度范围形成零陷，有效抑制杂波，并在目标处形成峰值，获得了理想效果。图4和图5是采用直接采用正交投影矩阵构建速度维宽零陷的杂波抑制滤波器，可以看出，由于矩阵病态，滤波器构建失败，无法在杂波所在速度范围形成零陷，目标也淹没在杂波中。由此可以看出，本发明可以有效改善脉间捷变频雷达的杂波抑制问题，方法可行、有效。

上述实施方式仅是本发明的一个具体实例，不会对本发明构成任何限制，显然，按照本发明的思想，可以进行不同实现方法的改进，但这些都在本发明的保护之列。

Claims (4)

1.一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：窄带脉间捷变频雷达带宽为B＝MΔf，Δf为脉间捷变频的最小频点间隔，M为独立跳频点频个数，则细距离定义为R_x＝c/2Δf，目标的真实距离是关于细距离周期模糊的，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf，c为光速，一个CPI包含N个脉冲，则第n个脉冲对应的目标回波信号表示为：

式(1)中，s为信号包络，在窄带条件下近似认为保持不变，f_n＝f_c+M_nΔf为第n个脉冲对应的频率，n＝1,2,…,N，f_c为射频基础频率，M_n为第n个脉冲的频点序号，R_s为目标距离，v_s为目标速度，f_r是脉冲重复频率，n_n为噪声；则一个CPI内，雷达接收到的回波信号表示为：

y＝s_r1,s_r2,…,s_rN (2)

目标的等效导向矢量表示为：

式(3)中，(R_s,v_s)为目标的距离值和速度值，目标距离R_s是关于细距离R_x周期模糊的；

步骤2：首先，需要抑制的杂波速度区间为v_min,v_max，取杂波速度区间的中间值v₀＝(v_min+v_max)/2，则全细距离段单点速度的约束矩阵C表示为：

C＝a(0,v₀),a(ΔR,v₀),…,a(R_x-ΔR,v₀) (4)

式中，0,ΔR,…,R_x-ΔR表示细距离的分段；

基于正交投影矩阵，利用约束矩阵C构造零陷约束矩阵P₀：

P₀＝I_N-C[C^HC]^-1C^H (5)

式中，I_N是N维单位矩阵；

步骤3：其次，采用二次约束的零陷加宽方法，将单点速度零陷约束矩阵在速度维进行扩展，扩展零陷约束矩阵P由式(6)优化求得：

式中，Q为杂波速度区间等效导向矢量的积分约束矩阵：

ε控制零陷深度；

采用拉格朗日乘子法，得到：

P＝I_N-λQ^-1P₀ (8)

拉格朗日算乘子λ通过求解式(9)逼近求解得到：

其中，eps为逼近门限，λ的搜索初值为零，λ以搜索步长Δλ递增，直到式(9)成立；

将接收数据矩阵与扩展零陷约束矩阵P相乘，得到剔除地杂波后的数据矩阵y_a：

y_a＝y·P (10)

然后，根据目指信息确定目标速度搜索范围，通过二维搜索，得到目标的细距离和速度的估计值：

式中，a(R_q,v_q)为等效搜索导向矢量，R_q∈[0,R_x-ΔR]，v_q∈[v_smin,v_smax]，细距离分辨率为ΔR＝c/2MΔf，速度分辨率为Δv＝cf_r/2f_cN；

步骤4：利用目标的细距离和速度的估计值

构建导向矢量

实现脉间捷变频回波的相参积累，即

实现目标检测。

2.根据权利要求1所述的一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法，其特征在于：

所述ε取值为10^-5。

3.根据权利要求1所述的一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法，其特征在于：

所述逼近门限eps取值为0.1。

4.根据权利要求1所述的一种零陷展宽的脉间捷变频雷达杂波抑制方法，其特征在于：

所述搜索步长Δλ取值为0.01。

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