CN113504536A - 一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法，其特征在于，包括如下步骤:1）获得包含基站直达波、建筑物和地形反射的多径干扰以及动目标回波的信号；2）进行零点延时互相关处理；3）对步骤2）互相关处理后的回波信号进行空间谱估计，获得中各个信号来波方向和对应的幅度；4）设定具有最大幅度的信号来波方向为照射源基站直达波信号来波方向；5）构建副瓣干扰子空间和主瓣干扰子空间；6）获得主基站直达波信号。这种方法可以应用于城市或郊区等复杂探测环境下，实现当存在主瓣干扰时获取纯净的外辐射源雷达基站直达波信号。

Description

一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及雷达参考信号获取，具体来说是一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法。

技术背景

随着现代技术的发展，传统雷达面临着目标隐身、反辐射攻击、低空突防及电子干扰等方面的威胁，迫切需要研究新体制雷达以适应新的需求。有别于传统主动有源雷达，外辐射源雷达(又称无源雷达)无需主动辐射电磁信号，而是间接利用第三方发射的电磁信号探测目标，具有低成本、隐蔽性好、抗干扰能力强、电磁兼容性好等诸多优势，同时在探测隐身目标和低空目标方面也具有巨大的潜力。因此外辐射源雷达是一种典型的具有“四抗”能力的新体制雷达，近年来在国内外引起了广泛的关注。

外辐射源雷达本身不发射信号，而是依靠环境中已有的信号如调频广播、数字电视、移动通信等信号作为外辐射源雷达的第三方照射源，因此在外辐射源雷达中首先需要解决的问题是如何获取照射源基站纯净的直达波信号，以作为干扰抑制和相干积累的参考信号。但由于外辐射源雷达主要应用场景是城市或者郊区等电磁频谱紧张和存在高楼大厦等地形复杂区域，因此雷达天线接收的信号包括基站直达波，动目标回波信号以及数量众多的多径干扰信号，这些多径干扰信号对直达波信号获取而言不仅可以是副瓣干扰也可以是主瓣干扰，目前，常规单独利用稳健波束形成方法获取直达波信号虽然可以抑制副瓣干扰，但无法实现抑制主瓣干扰，导致获得的直达波参考信号受到其他主瓣干扰的污染，从而给后续的干扰抑制和相干积累带来很大的影响，进而大幅度降低外辐射源雷达的目标探测性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法。这种方法可以应用于城市或郊区等复杂探测环境下，实现当存在主瓣干扰时获取纯净的外辐射源雷达基站直达波信号。

实现本发明目的的技术方案是：

一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法，包括如下步骤:

1)采用M个阵元的均匀阵列天线作为外辐射源雷达的接收天线，获得包含基站直达波、建筑物和地形反射的多径干扰以及动目标回波的信号

M为阵元的数量；

2)采用接收天线中第一个阵元接收的信号

分别与所有阵元的接收信号

进行零点延时互相关处理，如下式所示：

式子中

表示

的第n个采样点的信号，N表示

的数据长度，*表示取共轭；

3)采用改进的牛顿迭代搜索法对步骤2)互相关处理后的回波信号R进行空间谱估计，获得R中各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k，k＝1,2,...K,K表示估计得到的信号个数，具体过程为：

3-1)构建空间谱估计代价函数J如下式所示：

式中

x＝[x(1),x(2),…,x(M)]^T是待求解的空间谱估计向量，c是一个设定的常数，A是由天线不同指向的导向矢量组成的观测矩阵，具体可以写成如下形式：

式中

表示回波天线阵列在

方位处的导向矢量，N_A为对0°-180°的方位范围进行分割的维度；

3-2)初始化空间谱估计向量x＝0，最大的迭代步数L，以及当前迭代步数l＝1；

3-3)求解代价函数J第l步的共轭梯度g和Hessian矩阵E为如下所示：

式子中diag[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]表示以向量[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]为元素的对角矩阵；

3-4)采用预共轭梯度法PCG(preconditioned conjugate gradients，简称PCG)获得第l步搜索方向Δx；

3-5)采用回归线性搜索方法获得第l步的步长s；

3-6)更新空间谱估计向量x＝x+sΔx；

3-7)更新l＝l+1,然后判断l是否小于L,如果是则转到步骤3-3)，否则转到步骤3-8)；

3-8)对得到的空间谱估计向量x进行恒虚警检测最终得到各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k；

4)设定具有最大幅度max(q_k)的信号来波方向为照射源基站直达波信号来波方向θ_d，具有最大幅度信号对应的幅度q_d，设定其它幅度信号的来波方向为干扰信号来波方向

其它幅度信号对应的幅度为

5)构建副瓣干扰子空间和主瓣干扰子空间，过程为：

5-1)设定当前搜索次序h＝1，副瓣干扰子空间R_s＝0,主瓣干扰子空间R_o＝0；

5-2)判断

是否大于接收天线的3dB波束宽度，如果大于则判定第h个干扰为副瓣干扰，转到步骤5-3)执行，否则判定第h个干扰为主瓣干扰，转到步骤5-4)执行；

5-3)更新副瓣干扰子空间为

式中

表示为接收天线在

方向处的导向矢量，H表示为共轭转置；

5-4)更新主瓣干扰子空间为

5-5)更新当前搜索次序h＝h+1，判断h是否小于K+1,如果小于则转到步骤5-2)执行，否则搜索结束；

6)采用融合稳健波束形成和斜投影的处理算法，获得基站直达波信号S_ref，过程为：

6-1)对天线接收回波信号

采用对角加载稳健波束形成算法，获得指向基站直达波方向且抑制旁瓣干扰的权值为w_a：

w_a＝(G+λI_M)^-1a(θ_d)，

其中，λ为采用对角加载稳健波束形成方法求得的对角加载因子，G＝S_echoS_echo ^H-a(θ_d)q_d ²a(θ_d)^H-R₀表示消除基站直达波和主瓣干扰的回波信号自协方差矩阵，I_M为M×M维的单位对角矩阵；

6-2)按照如下式子构建斜投影算子B：

B＝R_s(R_s ^HR_M ^⊥R_s)R_s ^HR_M ^⊥

式子中R_o ^⊥＝I_M-R_o(R_o ^HR_s)R_s ^H；

6-3)采用斜投影波束形成算法得到同时抑制主瓣干扰和副瓣干扰的主基站直达波信号为：

S_ref＝w_a ^HBS_echo。

本技术方案具有以下优点：

1.本技术方案采用改进的牛顿迭代搜索法进行空间谱估计，相对于传统方法，由于不需要引入新的信号矢量，本技术方案具有更低的计算复杂度和内存占有量，从而更易于工程实现，同时可以实现方位和能量两维联合估计；

2.本技术方案采用融合斜投影和稳健波束形成的处理算法，不仅可以抑制副瓣干扰，同时可抑制主瓣干扰，从而可实现城市或郊区等复杂探测环境下获取纯净的基站参考信号，因此相对于传统处理方法具有更广的应用场景和更优的探测性能。

这种方法可以应用于城市或郊区等复杂探测环境下，实现当存在主瓣干扰时获取纯净的外辐射源雷达基站直达波信号。

附图说明

图1为实施例的方法流程示意图；

图2为实施例中对天线接收的回波信号进行空间谱估计的结果示意图；

图3为实施例中对天线接收的回波信号进行稳健波束形成的以后的结果示意图；

图4为实施例中天线接收的回波信号融合利用稳健波束形成与斜投影以后的结果示意图；

图5为实施例中得到的直达波信号与纯净直达波信号互相关与纯净直达波信号自相关结果对比示意图。

具体实施方式

参照图1，一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法，包括如下步骤:

1)采用M个阵元的均匀阵列天线作为外辐射源雷达的接收天线，获得包含基站直达波、建筑物和地形反射的多径干扰以及动目标回波的信号

M为阵元的数量；

2)采用接收天线中第一个阵元接收的信号

分别与所有阵元的接收信号

进行零点延时互相关处理，如下式所示：

式子中

表示

的第n个采样点的信号，N表示

的数据长度，*表示取共轭；

3)采用改进的牛顿迭代搜索法对步骤2)互相关处理后的回波信号R进行空间谱估计，获得R中各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k，k＝1,2,...K,K表示估计得到的信号个数，具体过程为：

3-1)构建空间谱估计代价函数J如下式所示：

式中

x＝[x(1),x(2),…,x(M)]^T是待求解的空间谱估计向量，c是一个设定的常数，本例取2，A是由天线不同指向的导向矢量组成的观测矩阵，具体可以写成如下形式：

式中

表示回波天线阵列在

方位处的导向矢量，N_A为对0°-180°的方位范围进行分割的维度；

3-2)初始化空间谱估计向量x＝0，设本例最大的迭代步数L为100，以及当前迭代步数l＝1；

3-3)求解代价函数J第l步的共轭梯度g和Hessian矩阵E为如下所示：

式子中diag[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]表示以向量[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]为元素的对角矩阵；

3-4)采用预共轭梯度法PCG获得第l步搜索方向Δx；

3-5)采用回归线性搜索方法获得第l步的步长s；

3-6)更新空间谱估计向量x＝x+sΔx；

3-7)更新l＝l+1,然后判断l是否小于L,如果是则转到步骤3-3)，否则转到步骤3-8)；

3-8)对得到的空间谱估计向量x进行恒虚警检测最终得到各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k；

4)设定具有最大幅度max(q_k)的信号来波方向为照射源基站直达波信号来波方向θ_d，具有最大幅度信号对应的幅度q_d，设定其它幅度信号的来波方向为干扰信号来波方向

其它幅度信号对应的幅度为

5)构建副瓣干扰子空间和主瓣干扰子空间，过程为：

5-1)设定当前搜索次序h＝1，副瓣干扰子空间R_s＝0,主瓣干扰子空间R_o＝0；

5-2)判断

是否大于接收天线的3dB波束宽度，如果大于则判定第h个干扰为副瓣干扰，转到步骤5-3)执行，否则判定第h个干扰为主瓣干扰，转到步骤5-4)执行；

5-3)更新副瓣干扰子空间为

式中

表示为接收天线在

方向处的导向矢量，H表示为共轭转置；

5-4)更新主瓣干扰子空间为

5-5)更新当前搜索次序h＝h+1，判断h是否小于K+1,如果小于则转到步骤5-2)执行，否则搜索结束；

6)采用融合稳健波束形成和斜投影的处理算法，获得基站直达波信号S_ref，过程为：

6-1)对天线接收回波信号

采用对角加载稳健波束形成算法，获得指向基站直达波方向且抑制旁瓣干扰的权值为w_a：

w_a＝(G+λI_M)^-1a(θ_d)，

其中，λ为采用对角加载稳健波束形成方法求得的对角加载因子，G＝S_echoS_echo ^H-a(θ_d)q_d ²a(θ_d)^H-R₀表示消除基站直达波和主瓣干扰的回波信号自协方差矩阵，I_M为M×M维的单位对角矩阵；

6-2)按照如下式子构建斜投影算子B：

B＝R_s(R_s ^HR_M ^⊥R_s)R_s ^HR_M ^⊥

式子中R_o ^⊥＝I_M-R_o(R_o ^HR_s)R_s ^H；

6-3)采用斜投影波束形成算法得到同时抑制主瓣干扰和副瓣干扰的主基站直达波信号为：

S_ref＝w_a ^HBS_echo。

进行仿真实验：

1.仿真条件：

对本例方法的结果性能进行仿真分析，采用GSM信号作为外辐射源雷达的机会照射源，雷达采用8阵元的阵列天线作为雷达接收天线，天线阵元间距为半波长，仿真过程中设定雷达接收站离基站距离为1km，目标离基站的距离为1.1km左右，离雷达接收站的距离为2km，考虑雷达的探测环境为城市郊区，因此外辐射源雷达天线接收的回波信号将包含1个照射源基站的直达波信号，直达波信号的信噪比为60dB，同时包含数量众多的多径干扰信号，在仿真中设定基站的多径干扰为15个，其中3个为强干扰信号，其对应的信噪比为55dB到50dB；其它11个为弱干扰信号，其对应的信噪比为0dB到20dB，目标回波相对于雷达接收机的角度为90°,基站直达波信号相对于雷达接收机的角度为49°，3个强多径干扰信号与雷达接收机的角度分别为60°,110°，130°，可以看出相对于直达波信号而言，3个强干扰信号包括1主瓣多径干扰信号(57°方向)，已及2个副瓣多径干扰信号；

2.实验效果

如图2所示，对按照上述条件仿真得到的天线接收回波信号利用改进的牛顿迭代搜索法进行空间谱估计的得到的结果，从图中可以很明显看到在49°和60°,110°，130°方向形成的尖峰，其中49°方向尖峰能量最大，说明此来波方向对应为直达波的来波方向；

如图3所示，对天线接收的回波信号进行最差性能最优稳健波束形成的结果，从图中可以看出此时波束主瓣指向49°方向，也即直达波信号的方向，同时在110°，130°方向形成了零陷，说明可以抑制副瓣干扰，但是并没有在60°的主瓣干扰方向形成零陷，说明利用稳健波束性能并不能有效抑制主瓣干扰；

如图4所示，融合利用稳健波束形成和斜投影算法联合处理得到的波束形成结果，从结果中可以看出，相对单独采用稳健波束形成，其在60°,110°，130°都形成了零陷，说明采用融合处理算法不仅可以实现抑制旁瓣干扰，同时可以抑制主瓣干扰。

为了比较利用稳健波束形成和斜投影算法联合处理得到的直达波参考信号与纯净的基站直达波信号之间的差别，将获得的信号与纯净的基站直达波信号做互相关处理，将互相关的结果与纯净的基站直达波信号自相关的结果作比较，如图5所示，从图5中可以看出，两者几乎没有差别，这说明本例方法获得的基站直达波信号是比较纯净的。

Claims (1)

1.一种复杂探测环境下的外辐射源雷达基站直达波获取方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)采用M个阵元的均匀阵列天线作为外辐射源雷达的接收天线，获得包含基站直达波、建筑物和地形反射的多径干扰以及动目标回波的信号

M为阵元的数量；

2)采用接收天线中第一个阵元接收的信号

分别与所有阵元的接收信号

进行零点延时互相关处理，如下式所示：

式子中

表示

的第n个采样点的信号，N表示

的数据长度，*表示取共轭；

3)采用改进的牛顿迭代搜索法对步骤2)互相关处理后的回波信号R进行空间谱估计，获得R中各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k，k＝1,2,...K,K表示估计得到的信号个数，具体过程为：

3-1)构建空间谱估计代价函数J如下式所示：

式中

x＝[x(1),x(2),…,x(M)]^T是待求解的空间谱估计向量，c是一个设定的常数，A是由天线不同指向的导向矢量组成的观测矩阵，写成如下形式：

，式中

表示回波天线阵列在

方位处的导向矢量，N_A为对0°-180°的方位范围进行分割的维度；

3-2)初始化空间谱估计向量x＝0，最大的迭代步数L，以及当前迭代步数l＝1；

3-3)求解代价函数J第l步的共轭梯度g和Hessian矩阵E为如下所示：

式子中diag[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]表示以向量[|x(1)|^-1,…,|x(M)|^-1]为元素的对角矩阵；

3-4)采用预共轭梯度法PCG获得第l步搜索方向Δx；

3-5)采用回归线性搜索方法获得第l步的步长s；

3-6)更新空间谱估计向量x＝x+sΔx；

3-7)更新l＝l+1,然后判断l是否小于L,如果是则转到步骤3-3)，否则转到步骤3-8)；

3-8)对得到的空间谱估计向量x进行恒虚警检测最终得到各个信号来波方向θ_k和对应的幅度q_k；

4)设定具有最大幅度max(q_k)的信号来波方向为照射源基站直达波信号来波方向θ_d，具有最大幅度信号对应的幅度q_d，设定其它幅度信号的来波方向为干扰信号来波方向

其他幅度信号对应的幅度为

k＝1,2,...K-1；

5)构建副瓣干扰子空间和主瓣干扰子空间，过程为：

5-1)设定当前搜索次序h＝1，副瓣干扰子空间R_s＝0,主瓣干扰子空间R_o＝0；

5-2)判断

是否大于接收天线的3dB波束宽度，如果大于则判定第h个干扰为副瓣干扰，转到步骤5-3)执行，否则判定第h个干扰为主瓣干扰，转到步骤5-4)执行；

5-3)更新副瓣干扰子空间为

式中

表示为接收天线在

方向处的导向矢量，H表示为共轭转置；

5-4)更新主瓣干扰子空间为

5-5)更新当前搜索次序h＝h+1，判断h是否小于K+1,如果小于则转到步骤5-2)执行，否则搜索结束；

6)采用融合稳健波束形成和斜投影的处理算法，获得基站直达波信号S_ref，过程为：

6-1)对天线接收回波信号

采用对角加载稳健波束形成算法，获得指向基站直达波方向且抑制旁瓣干扰的权值为w_a：

w_a＝(G+λI_M)^-1a(θ_d)，

其中，λ为采用对角加载稳健波束形成方法求得的对角加载因子，G＝S_echoS_echo ^H-a(θ_d)q_d ²a(θ_d)^H-R₀表示消除基站直达波和主瓣干扰的回波信号自协方差矩阵，I_M为M×M维的单位对角矩阵；

6-2)按照如下式子构建斜投影算子B：

B＝R_s(R_s ^HR_M ^⊥R_s)R_s ^HR_M ^⊥

式子中R_o ^⊥＝I_M-R_o(R_o ^HR_s)R_s ^H；

6-3)采用斜投影波束形成算法得到同时抑制主瓣干扰和副瓣干扰的主基站直达波信号为：

S_ref＝w_a ^HBS_echo。

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