CN113376601A - 基于clean算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体公开了一种基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，包括：建立捷变频雷达的发射信号模型和回波信号模型；对每个脉冲的回波信号依次进行下变频和脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的回波信号；构建捷变频雷达回波信号基矩阵，采用相关算法对脉冲压缩后的回波信号进行脉间相参积累；采用CLEAN算法抑制所述相关处理结果中的目标旁瓣，得到旁瓣抑制后的结果。本发明通过CLEAN算法抑制相关处理结果中目标的旁瓣，从而提高对弱小目标的检测概率，计算复杂度低，运算量小。

Description

基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，可应用于捷变频雷达相参积累后的目标旁瓣抑制。

背景技术

捷变频雷达是指在相邻脉冲间发射信号载频在一定带宽范围内快速跳变，各个脉冲的载频可按一定规律变化，也可随机跳变。捷变频雷达具有一系列优势：(1)强电子对抗能力。雷达载频捷变可以主动规避干扰覆盖频段，能有效对抗窄带瞄准式干扰、跨脉冲重复周期干扰及部分前拖干扰。(2)良好的目标探测能力。脉间频率捷变降低了目标长期处于雷达散射截面积衰落区的可能性，有利于目标检测概率的提高。(3)优异的电磁兼容性能。捷变频雷达在单频点驻留时间短，可以有效减少对邻近设备的干扰。此外，也可以通过频谱管理，实现设备之间的频谱共享。因此，在日益复杂的电磁环境中，捷变频雷达具有广阔的应用前景。

对于捷变频雷达距离-速度二维联合相参处理，可以采用匹配滤波方法，即相关处理，该方法的优点是计算复杂度低，计算结果比较稳定，但是积累后目标的旁瓣较高。在检测过程中，随机起伏的旁瓣不仅会掩盖弱小目标，也会导致虚警。针对旁瓣的抑制，可以优化设计载频序列或者采用基于稀疏重构理论的信号处理算法。但是这两类方法存在如下问题：(1)采用预先设计载频序列的方法来降低旁瓣水平的效果是有限的。(2)在电子对抗中，固定的载频跳变序列容易被干扰机识别，抗干扰性能较差。(3)虽然基于稀疏重构理论的信号处理算法能有效抑制旁瓣，但是算法的计算复杂度较高，稀疏重构结果不稳定，且受观测场景稀疏性以及信噪比的限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，通过CLEAN算法抑制相关处理结果中目标的旁瓣，从而提高对弱小目标的检测概率，计算复杂度低，运算量小。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立捷变频雷达的发射信号模型和回波信号模型；

步骤2，对每个脉冲的回波信号依次进行下变频和脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的回波信号；

步骤3，构建捷变频雷达回波信号基矩阵，采用相关算法对脉冲压缩后的回波信号进行脉间相参积累，得到对应的相关处理结果；

步骤4，采用CLEAN算法抑制所述相关处理结果中的目标旁瓣，得到旁瓣抑制后的结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明选用捷变频雷达，相对于传统脉冲多普勒雷达，具有强电子对抗能力，良好的目标探测能力以及优异的电磁兼容性能等诸多优点；

(2)与预先设计载频序列的方法相比，本发明没有对载频捷变序列提出要求，不会导致捷变频雷达的抗干扰性能下降；

(3)相对于基于稀疏重构理论的信号处理算法，本发明不涉及复杂的矩阵求逆运算，计算复杂度低，运行速度快，且不受观测场景稀疏性的限制。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法的实现流程图；

图2是本发明实施例仿真实验中的相关处理结果图；

图3是本发明实施例仿真实验中旁瓣抑制后的结果图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明提供的一种基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立捷变频雷达的发射信号模型和回波信号模型；

1a)设定一个相参处理间隔内捷变频雷达发射N个脉冲，每个发射脉冲的复包络采用线性调频信号，则第n个脉冲发射信号

为：

其中，

为快时间，t_n为慢时间，

为发射信号

的复包络，

为矩形窗函数，T_p为脉冲宽度，γ为调频率，f_n＝f₀+d_n·Δf为第n个脉冲发射信号的载频，f₀为起始频率，d_n∈{0，1，…，M-1}为频率调制码字，M为跳频点数，Δf为跳频间隔。

1b)设雷达观测场景中存在G个目标，第g个目标的后向散射系数为σ_g，每个目标相对雷达的径向距离和径向速度分别表示为r_g和v_g，其中g∈{1，2，…，G}为目标个数索引，则捷变频雷达回波信号

表示为：

其中，

表示第g个目标对应于第n个脉冲的回波时延，T_r为脉冲重复周期，c为光速，

为高斯白噪声。

步骤2，对每个脉冲的回波信号依次进行下变频和脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的回波信号；

2a)将捷变频雷达回波信号

进行下变频处理，得到基带回波信号为：

其中，

表示基带回波信号，

表示下变频后的噪声。

2b)将基带回波信号

与发射信号复包络

的共轭进行卷积处理，得到脉冲压缩后的回波信号：

其中，上标*表示取共轭操作，

表示卷积运算；

表示脉冲压缩后回波信号，A_g表示第g个目标回波信号脉冲压缩后的幅值，sinc(·)表示辛格函数，B表示线性调频信号的带宽，

表示脉冲压缩后的噪声。

步骤3，构建捷变频雷达回波信号基矩阵，采用相关算法对脉冲压缩后的回波信号进行脉间相参积累，得到对应的相关处理结果；

3a)构建捷变频雷达距离维基矩阵R，表示为：

构建捷变频雷达速度维基矩阵D，表示为：

其中，

通过捷变频雷达距离维基矩阵R和速度维基矩阵D，构建回波信号基矩阵Λ，表示为：

Λ＝[diag(r₁)D diag(r₂)D … diag(r_M)D]

其中，

表示雷达距离维基矩阵R的第m列，上标T表示矩阵转置操作，diag(r_m)表示以向量r_m为对角线元素的对角矩阵。

3b)以采样率f_s对脉冲压缩后回波信号

的快时间

进行采样，采样后的回波信号s_pc(q，t_n)表示为：

其中，q表示距离单元序号，

则第q个距离单元的回波信号可以表示为：

y_q＝[s_pc(q，t₁) s_pc(q，t₂) … s_pc(q，t_N)]^T

其中，y_q表示第q个距离单元的回波信号。

3c)将第q个距离单元的回波信号y_q与捷变频雷达回波信号基矩阵Λ做相关处理，得到相关处理结果为：

s_MF＝Λ^H·y_q

其中，s_MF表示相关处理结果，上标H表示矩阵的共轭转置。

步骤4，采用CLEAN算法抑制所述相关处理结果中的目标旁瓣，得到旁瓣抑制后的结果。

4a)寻找相关处理结果s_MF的最大值及其对应的位置，分别记为s_max和i；

其中，s_MF中的每个元素从前往后按顺序进行位置标记，分别标记为1，2，…，i，…MN；

4b)将捷变频雷达回波信号基矩阵Λ中第i列与基矩阵Λ做相关，并把得到的相关结果记为s_est，同时将向量s_est中第i个元素置零；

s_est＝Λ^H·Λ_i；

其中，Λ_i表示基矩阵Λ的第i列；

4c)从相关处理结果s_MF中减去s_est，并更新s_MF为：

S_MF＝S_MF-S_est

计算s_MF的总能量：

4d)循环执行步骤4a)-步骤4c)，直到相邻两次循环对应的总能量E_total之差小于预设阈值，停止循环；当前对应的s_MF为旁瓣抑制后的结果，记为s_supp。

仿真实验

本发明的效果可以通过以下具体实例进一步说明：

1、仿真条件：

捷变频雷达发射波形采用线性调频信号，信号带宽为12MHz，脉宽为4us，一个相参处理间隔内的脉冲数为64个，雷达跳频的起始频率为12GHz，调频间隔为9MHz，调频点数为96，脉冲重复频率为25KHz。假设雷达观测场景中存在两个运动点目标，与雷达的径向距离分别为5756.5m和5752.6m，与雷达的径向速度分别为58.6m/s和96.2m/s，并且两个目标的后向散射系数分别为1和0.4。

2、仿真内容：

在上述仿真参数下，采用本发明基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，对捷变频雷达相关处理结果中目标的旁瓣进行抑制。仿真结果如图2和图3所示，图2为相关处理结果，从图2中可以看出，相关处理只能检测到后向散射系数为1的目标，而后向散射系数为0.4的目标被另外一个目标的旁瓣所掩盖，无法准确检测。图3为本发明的旁瓣抑制后的结果，从图3中可以看出，后向散射系数为0.4的目标也能被检测。可见，本发明能够有效抑制捷变频雷达相关处理结果中的目标旁瓣。

以上仿真实验验证了本发明的正确性、有效性。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立捷变频雷达的发射信号模型和回波信号模型；

步骤2，对每个脉冲的回波信号依次进行下变频和脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的回波信号；

步骤3，构建捷变频雷达回波信号基矩阵，采用相关算法对脉冲压缩后的回波信号进行脉间相参积累，得到对应的相关处理结果；

步骤4，采用CLEAN算法抑制所述相关处理结果中的目标旁瓣，得到旁瓣抑制后的结果。

2.根据权利要求1所述的基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤1包含以下子步骤：

1a)设定一个相参处理间隔内捷变频雷达发射N个脉冲，每个发射脉冲的复包络采用线性调频信号，则第n个脉冲发射信号

为：

其中，

为快时间，t_n为慢时间，

为发射信号

的复包络，

为矩形窗函数，T_p为脉冲宽度，γ为调频率，f_n＝f₀+d_n·Δf为第n个脉冲发射信号的载频，f₀为起始频率，d_n∈{0，1，…，M-1}为频率调制码字，M为跳频点数，Δf为跳频间隔；

1b)设雷达观测场景中存在G个目标，第g个目标的后向散射系数为σ_g，每个目标相对雷达的径向距离和径向速度分别表示为r_g和v_g，g∈{1，2，…，G}为目标个数索引，则捷变频雷达回波信号

表示为：

其中，

表示第g个目标对应于第n个脉冲的回波时延，T_r为脉冲重复周期，c为光速，

为高斯白噪声。

3.根据权利要求2所述的基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，所述对每个脉冲的回波信号依次进行下变频和脉冲压缩处理，具体步骤为：

2a)将捷变频雷达回波信号

进行下变频处理，得到基带回波信号为：

其中，

表示基带回波信号，

表示下变频后的噪声；

2b)将基带回波信号

与发射信号复包络

的共轭进行卷积处理，得到脉冲压缩后的回波信号：

其中，上标*表示取共轭操作，

表示卷积运算；

表示脉冲压缩后回波信号，A_g表示第g个目标回波信号脉冲压缩后的幅值，sinc(·)表示辛格函数，B表示线性调频信号的带宽，

表示脉冲压缩后的噪声。

4.根据权利要求1所述的基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，所述构建捷变频雷达回波信号基矩阵，具体为：

首先，构建捷变频雷达距离维基矩阵R，表示为：

其次，构建捷变频雷达速度维基矩阵D，表示为：

其中，

d_n∈{0，1，…，M-1}为频率调制码字，M为跳频点数，N为脉冲数，f₀为起始频率，Δf为频率间隔，n表示脉冲序号；

最后，通过捷变频雷达距离维基矩阵R和速度维基矩阵D，构建回波信号基矩阵A：

A＝[diag(r₁)D diag(r₂)D…diag(r_M)D]

其中，

表示雷达距离维基矩阵R的第m列，上标T表示转置操作，diag(r_m)表示以向量rm为对角线元素的对角矩阵。

5.根据权利要求2所述的基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，所述采用相关算法对脉冲压缩后的回波信号进行脉间相参积累，具体过程为：

首先，以采样率f_s对脉冲压缩后回波信号

的快时间

进行采样，采样后的回波信号s_pc(q，t_n)表示为：

其中，q表示距离单元序号，

A_g表示第g个目标回波信号脉冲压缩后的幅值，sinc(·)表示辛格函数，B表示线性调频信号的带宽，

表示脉冲压缩后的噪声；

则第q个距离单元的回波信号表示为：

y_q＝[s_pc(q，t₁) s_pc(q，t₂)…s_pc(q，t_N)]^T

其中，上标T表示转置操作，y_q表示第q个距离单元的回波信号；

然后，将第q个距离单元的回波信号y_q与捷变频雷达回波信号基矩阵Λ做相关处理，得到相关处理结果为：

s_MF＝Λ^H·y_q

其中，s_MF表示相关处理结果，上标H表示矩阵的共轭转置。

6.根据权利要求1所述的基于CLEAN算法的捷变频雷达旁瓣抑制方法，其特征在于，所述采用CLEAN算法抑制所述相关处理结果中的目标旁瓣，具体步骤为：

4a)寻找相关处理结果s_MF的最大值及其对应的位置，分别记为s_max和i；

其中，s_MF中的每个元素从前往后按顺序进行位置标记，分别标记为1，2，…，i，…MN；

4b)将捷变频雷达回波信号基矩阵A中第i列与基矩阵A做相关，并把得到的相关结果记为s_est，同时将向量s_est中第i个元素置零；

s_est＝A^H·Λ_i；

其中，Λ_i表示基矩阵Λ的第i列；

4c)从相关处理结果s_MF中减去s_est，并更新s_MF为：

S_MF＝S_MF-S_est

计算s_MF的总能量：

4d)循环执行步骤4a)-4c)，直到相邻两次循环对应的总能量E_total之差小于预设阈值，停止循环；则当前对应的s_MF为旁瓣抑制后的结果，记为s_supp。

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