CN113552542B - 针对脉冲体制强辐射源干扰的fmcw雷达干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对脉冲体制强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法，目标回波信号与干扰信号的混合信号与本振信号进行混频，通过低通滤波后得到混入干扰的中频信号；将采样到的中频信号进行短时傅里叶变换得到时频谱，在时频谱上进行频率轴方向上的Sobel算子卷积，然后将卷积后的结果在频率轴上进行求和积累，得到的结果即是抑制干扰后的结果。本发明分析典型脉冲体制强辐射源干扰在中频的干扰形式，根据干扰与回波信号在时频域上的差异进而使用短时傅里叶变换将信号从时域转换为时频域，并在时频域上进行卷积滤波去除干扰；本方法能够在较高的干信比下滤除干扰，得到滤除干扰的频谱信息。

Description

针对脉冲体制强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及近程探测抗干扰技术，具体涉及一种针对脉冲体制强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法。

背景技术

调频连续波FMCW体制以其能够同时测距测速，成本较低，原理简单，无探测距离盲区等优点，在高度表、近炸引信等领域中获得广泛的应用。但是近些年来，电子对抗发展迅速，各种干扰手段层出不穷。强辐射源雷达多采用脉冲体制，当强辐射源产生的脉冲干扰的功率超过一定限度时，将会影响FMCW雷达的正常工作，对FMCW雷达造成严重干扰。

目前抗干扰方式大致分为两种，一种通过改变雷达发射的信号参数，在回波接收阶段就去除干扰信号，例如脉冲重复捷变、极化捷变等等；发明专利CN110109075公开了一种基于白化滤波的捷变频雷达抗干扰方法，其实现步骤为：(1)针对密集假目标干扰，计算接收回波矩阵的协方差矩阵，并对其进行广义特征值分解；(2)利用分解后所有特征值中大于特征值门限的所有特征值和对应的特征向量构建白化矩阵；(3)对接收回波进行白化滤波。由于脉冲体制的强辐射源干扰功率大，产生的泄露干扰通常会覆盖很大带宽，所以此类抗干扰方式对于脉冲体制强辐射源干扰的抑制作用有限。

另一种则是在信号处理阶段通过干扰信号与回波信号在各个变换域上的差异进行识别与抑制。发明专利CN 111796242 A公开了一种基于功率特征值提取的改进块稀疏贝叶斯抗干扰方法，其实现步骤为：(1)采集雷达中频回波数据构造稀疏恢复感知原理系统模型；(2)初始化感知矩阵相关参数、分块矩阵元素大小、设置学习速率和最大迭代次数大小；(3)构造系统优化代价函数，利用初始信息和雷达回波矩阵信息对改进后的块稀疏贝叶斯架构下的期望最大化算法相关参数进行估计；(4)根据设定门限判断是否是干扰信号的特征功率，如果超过门限进行干扰信号和雷达有用回波信号的恢复子字典的建立；(5)利用子字典信息对干扰信号和回波信号进行重构，恢复原始雷达有用回波信号。该方法存在的不足之处是，在算法处理的过程中严重依赖于功率特征值门限，若功率特征值门限选取不恰当，干扰不能被有效地抑制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对脉冲强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法，可以在有强辐射源脉冲干扰的情况下，提取出有效干扰特征并以此进行干扰滤除，使FMCW雷达正常工作。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种针对脉冲强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法，包括：

接收机将具有干扰的回波信号与本振信号混频，通过低通滤波器得到包含干扰信号和目标回波信号的中频信号；

将低通滤波器之后的中频信号进行短时傅里叶变换，将信号从离散时域变换成时频谱；

在时频谱上进行频率轴方向上的Sobel算子卷积，然后将卷积后的结果在频率轴上进行求和积累，得到的结果即是抑制干扰后的结果。

进一步的，接收机将回波信号加常规脉冲串干扰与本振信号进行混频后得到包含干扰的中频信号的信号模型下：

其中，Δτ为干扰传输时延，τ是脉冲宽度，k为参考LFM信号调频斜率，f₀、f₁分别为发射LFM的载频和常规脉冲串的载频，每段LFM信号的带宽为kτ，个数T_sp、T_s分别为LFM信号单一上下扫频周期和脉冲重复周期。

进一步的，对离散中频信号s(u)进行短时傅里叶变换，将信号从时域变换成时频域，其表达式为：

其中，w(t)为短时窗函数，它特性为

进一步的，针对脉冲干扰在中频产生的干扰形式，对S(k,t)进行k方向上的Sobel算子卷积滤波，得到卷积结果为G(k,t)，表达式为：

式中G(k,t)为卷积后的结果，S(k,t)为STFT处理的结果，是卷积符号，ksobel是Sobel算子。

进一步的，对G(k,t)进行k方向上的求和，得到抑制干扰后的频谱结果F(k)，表达式如下：

F(k)＝sum(G(k,t),1)。

本发明相比于现有技术，其显著优点在于：本发明通过分析出强辐射源脉冲干扰在中频的干扰形式后，运用了基于短时傅里叶变换的时频域分析，在时频域上提取出具有强区分度的特征；并根据此特征使用Sobel算子的卷积，对得到的时频谱进行滤波，滤除干扰；最后将滤除干扰后的时频谱在时间轴上进行积累运算，得到滤除干扰后的频谱；使用该方法能有效抑制干扰，并能够显著提高严重干扰环境下的目标检测性能。

附图说明

图1为本发明针对脉冲强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法流程图。

图2为发射信号时-频特性示意图。

图3为常规脉冲串时域波形仿真图。

图4为常规脉冲串频域波形仿真图。

图5为目标加干扰信号进入接收机混频后的频谱仿真图。

图6为滤波后进入中频通带的干扰加目标时域信号仿真图。

图7为滤波后进入中频通带的干扰加目标频域信号仿真图。

图8为对中频做STFT运算后的时频域仿真图。

图9为对带有干扰的时频域图进行Sobel算子卷积仿真图。

图10为时域积累消除干扰的频谱仿真图。

具体实施方式

如图1所示，一种FMCW雷达对抗强辐射源脉冲干扰的抗干扰方法，包括接收机处理、分析干扰产生机理、提取干扰特征、短时傅里叶变换、Sobel算子卷积、时域频谱积累。

本发明针对锯齿波调制的FMCW雷达进行分析，发射信号时-频特性如图2所示。图中上半部分给出的是锯齿形LFMCW雷达的发射信号与回波信号的频率随时间的变化关系，其中B为发射机带宽，也称调制频偏；T为扫频时长，其为锯齿波重复周期。图中的下半部分给出了差拍信号的时频关系。从图中可以看出，差拍信号由P1、P2两段单频信号组成，其中P1段为有效区间，时宽为T，带宽为B，频率大小为f_b；P2段是无效区间。

对于锯齿波调频周期而言，发射信号为：

式中，τ_R(t)为信号往返传播延时，A为调频波的幅度，为调频波的初始相位，B为调频波的带宽，T为调频波的调制时间，f₀为调频波的载频。其表示为

式中，R₀为目标初始距离，c为光速。

为了方便分析，设定目标是静止目标，其差拍信号在有效区间内的频率可以表示为：

式中，c为光速，R为目标距离，T为锯齿波调制周期。

由上式可知，目标时延τ_R(t)和距离R与差拍频率f_b之间的正比例关系。因此可以通过测量有效区内的差频来获取目标的距离信息：

常规脉冲串是脉冲雷达使用的典型波形之一，本发明以常规脉冲强辐射源干扰为例，设其脉宽为τ，重复周期为T_s，记为p(t)，可以建模为：

式中为矩形脉冲包络函数，δ(t-nT_s)为脉冲冲击函数，T_s为脉冲串的脉冲重复周期，τ为脉冲串的脉冲宽度。

利用傅里叶变换关系可得其频谱P(f)为：

式中，f_s为FFT计算的采样率，Sa函数的定义为

对于进入到接收机的常规脉冲串干扰，与参考的LFM信号进行混频后，等效于对参考的LFM信号进行周期性的采样，采样后的干扰信号可以描述为：

式中，Δτ为干扰传输时延，k为参考LFM信号调频斜率，f₀、f₁分别为发射LFM的载频和常规脉冲串的载频。常规脉冲串信号与参考LFM进行混频后，实质上就是周期性的截取LFM信号，每段LFM信号的带宽为kτ,个数T_sp、T_s分别为LFM信号单一上下扫频周期和脉冲重复周期。干扰混频的主要能量由于实际上干扰与雷达发射信号的载频不一致，所以往往差频大于前端滤波器带宽，被滤波器抑制，而截断产生的能量泄露对于发射功率可达千瓦、兆瓦级的强辐射源而言，其进入探测器中频通带的功率相对于微弱的目标回波信号而言，仍然不可以忽视。所以能够分析出干扰的作用机理是由于脉冲信号在混频时进行截断，产生吉布斯效应，导致频谱泄露造成通带内的宽带干扰。

脉冲干扰在与本振信号混频时，由于脉冲干扰的频率与本振信号不一致，脉冲干扰大部分能量皆被后端低通滤波器滤除。

脉冲干扰在中频信号中产生的干扰是由于脉冲边缘在混频时对本振信号进行截断，信号截断产生吉布斯效应，导致脉冲干扰的频谱泄露，由于脉冲干扰的能量远远大于回波信号，所以脉冲干扰泄露进来的能量对回波信号造成严重干扰，并且干扰是宽带干扰。

信号截断是干扰产生的原因，所以强辐射源脉冲干扰在中频的干扰仅会在脉冲的截断处产生，具有时间分离度。

对中频信号进行短时傅里叶变换，短时傅里叶变换表达式为：

其中，u为中频信号采样序列；w(t)为短时窗函数，它特性为

然后对STFT计算得到的结果进行Sobel算子的卷积运算，表达式为：

式中G(k,t)为卷积后的结果，S(k,t)为STFT处理的结果，是卷积符号，ksobel是Sobel算子。

之后对卷积后的结果进行时间轴上的累加，表达式为：

F(k)＝sum(G(k,t),1)

得到的F(k)即为消除干扰后的频谱，用于进行后续处理。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明使用C波段进行实例分析，并不排斥适用于其余波段能够实施。本实施例采用以下参数进行仿真：假定干扰机的常规脉冲串信号参数为载频为C波段，脉重复周期为τ＝10us，脉宽为T_s＝5us，持续时间为100us。设定雷达工作频率同样为C波段，系统采样率f_s为100MHz，调频波的带宽设定为1GHz，三角波的调制频率T_m设定为10khz，接收机中频通带设定为10MHz。假定目标距离为20m，光速c＝3×10⁸m/s，干信比设置为50dB。

图3和图4为常规脉冲串时域和频域的仿真波形图，可以看出常规脉冲串的频谱呈现sinc函数形状，离散谱线间隔为脉冲串信号带宽为/>相邻零点之间的间隔为脉冲串信号的频谱幅度随着离中心频率的距离越来呈倒数衰减，但是对于发射功率可达千瓦、兆瓦级的强辐射源而言，其进入探测器中频通带的功率相对于微弱的目标回波信号而言，仍然不可以忽视。

图5为目标加干扰信号进入接收机混频后的频谱仿真图，从图中可以看出，强辐射源脉冲干扰的主要能量干扰汇聚在1GHz左右，当进入接收机时，会被接收机的低通滤波器滤掉。

图6为滤波后进入中频通带的干扰加目标时域信号仿真图，图7为滤波后进入中频通带的干扰加目标频域信号仿真图，可以看出虽然干扰信号混频后的能量大部分被滤除掉，但是由于截断效应，导致能量泄露，在脉冲的截断处，时域波形仍然会产生突变。由于干扰的干信比极大，泄露进来的能量对微弱回波信号会有影响，将会严重影响频谱以及后续操作，如图7所示。

对此中频信号进行STFT后，得到的时频图如图8所示，从图中可以看出，强辐射源脉冲干扰在时域突变处即脉冲边缘处产生了覆盖通带的宽带干扰，严重影响了信号检测，但是此类干扰在时域上具有可区分度。

根据干扰在图中为宽带干扰且其在时频图中表现为纵向，而目标信号则是窄带信号，且在时频图中表现为横向；使用基于k方向上Sobel算子的卷积运算，即检测k方向上的边缘。如图9所示，可以看出由强辐射源脉冲干扰引入的宽带干扰被滤除，目标信号则被保留下来，达到抗干扰的效果。

对卷积运算后的时频图进行时间轴上的累加得到消除干扰之后的频谱，如图10所示。与未去除干扰的频谱图7比较，能明显看出干扰被滤除，滤除后的频谱能较好地完成目标信号的检测和提取；在图10中可以看出有两个峰值，这是由于在边缘检测的卷积运算时，目标在时频图上能够检测出两条边缘；从图10中检测出两个峰值，f₁＝2.344MHz，f₂＝2.93MHz，所以目标为f_target＝(f₁+f₂)/2＝2.637MHz。根据假设的目标信息能够算的理论上目标对应频点为可知目标信号提取准确。

本发明基于时频域Sobel算子滤波的方法可以利用脉冲干扰在时频域表现的干扰形式进行干扰抑制，能够在较高的干信比下滤除干扰，得到滤除干扰的频谱信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种针对脉冲强辐射源干扰的FMCW雷达干扰抑制方法，其特征在于，包括：

接收机将具有干扰的回波信号与本振信号混频，通过低通滤波器得到包含干扰信号和目标回波信号的中频信号，信号模型下：

其中，Δτ为干扰传输时延，τ是脉冲宽度，k为参考LFM信号调频斜率，f₀、f₁分别为发射LFM的载频和常规脉冲串的载频，每段LFM信号的带宽为kτ，个数T_sp、T_s分别为LFM信号单一上下扫频周期和脉冲重复周期；

将低通滤波器之后的中频信号进行短时傅里叶变换，将信号从离散时域变换成时频谱；具体为：

对离散中频信号s(u)进行短时傅里叶变换，将信号从时域变换成时频域，其表达式为：

其中，w(t)为短时窗函数，短时窗函数的特性为

在时频谱上进行频率轴方向上的Sobel算子卷积，然后将卷积后的结果在频率轴上进行求和积累，得到的结果即是抑制干扰后的结果；

针对脉冲干扰在中频产生的干扰形式，对S(k,t)进行k方向上的Sobel算子卷积滤波，得到卷积结果为G(k,t)，表达式为：

式中G(k,t)为卷积后的结果，S(k,t)为STFT处理的结果，是卷积符号，ksobel是Sobel算子；

对G(k,t)进行k方向上的求和，得到抑制干扰后的频谱结果F(k)，表达式如下：

F(k)＝sum(G(k,t),1)。