CN113608180B - 阵元-脉冲编码的mimo雷达主瓣欺骗式干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵元‑脉冲编码MIMO雷达主瓣欺骗式干扰抑制方法，主要解决现有雷达难以抑制欺骗干扰的问题。其实现方案是：生成相位编码信号；设计正交基带信号；根据相位编码信号与正交基带信号生成射频的发射信号；接收发射信号的回波，并对其处理得到数字接收信号；对数字接收信号进行多波形分离得到原始数据矢量；根据阵元‑脉冲相位编码构建解码矢量，并用其对原始数据矢量进行解码，找出目标对应的发射脉冲；根据目标对应发射脉冲的相位编码构建权矢量，用该权矢量与原始数据矢量做脉冲维的匹配滤波，完成对干扰的抑制。本发明提升了传统雷达的抗干扰能力，降低系统复杂度，节省平台空间资源，可用于抑制与距离相关的主瓣欺骗式干扰。

Description

阵元-脉冲编码的MIMO雷达主瓣欺骗式干扰抑制方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种MIMO雷达主瓣欺骗式干扰抑制方法，可用于抑制与距离相关的主瓣欺骗式干扰。

背景技术

随着现代电子技术的发展，电子干扰的形式和手段日益复杂。欺骗式干扰，尤其是主瓣欺骗式干扰，是由干扰机截获雷达信号并进行时延调制后在空间、时间、频率、极化等多维空间形成的与目标信号具有相似性的信号。这种欺骗式干扰会诱导雷达系统将干扰信号当作真实目标信号来处理，达到以假乱真的效果，严重影响了雷达对真实目标的检测与追踪，对雷达在战场中生存能力带来了极大的威胁。

目前国内外在对抗旁瓣的欺骗式干扰方面取得了相当的研究成果，如自适应波束形成，超低旁瓣天线，空时自适应处理等技术。但是对于从天线主瓣进入的干扰，若要从被干扰污染的雷达回波中提取出有效的真实目标信息，难度大大增加。对于主瓣干扰抑制的研究主要在空域，时域，频域，极化域及联合域等范围内展开，在对抗来自主瓣的欺骗式干扰也取得了相当的研究成果。

董玮等人在2017年第2期现代防御技术中【一种雷达主瓣欺骗干扰抑制算法】提出了一种欺骗式干扰抑制方法，该算法利用盲源分离将回波信号与干扰信号分离，不仅能够抑制干扰信号对目标回波的影响，而且还能够从回波信号中提取出干扰信号，通过对干扰信号分析，采取更有效的抗干扰措施。但是该方法需要利用多个接收通道接收目标回波和干扰信号的混合信号，通道数与干扰源和目标的数量有关，通常要求通道数不小于目标和干扰数量总和。

电子科技大学在其申请的专利“一种分布式椭圆双曲线联合定位抗距离欺骗干扰抑制方法”(申请号：201710285708，公开号：CN107037411A)中提出了分布式多基地雷达对抗主瓣干扰，该专利利用目标与干扰在椭圆定位和双曲线定位中的分布特性的不同，对两个定位平面进行取交操作，达到抑制干扰保留真实目标的目的。虽然这种多站雷达能够抑制主瓣干扰，但是该体制的系统复杂度过高，平台占用资源过多。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，从单基地雷达出发，提出一种基于阵元-脉冲编码的MIMO雷达的有源主瓣欺骗式干扰抑制方法，以降低系统复杂度，节省平台空间资源，且对雷达的接收通道数没有要求。

本发明的基本思路是：通过MIMO雷达在发射通道和不同发射脉冲之间进行相位编码，得到雷达系统多通道发射信号；通过对接收到的回波信号进行对应的解码处理，实现不同发射脉冲对应的回波信号的区分；通过利用区分不同发射脉冲对应回波信号的能力，将来自不同距离模糊区间的真假目标区分出来，进而利用不同的模糊区间对应的不同相位编码，将假目标带来的欺骗式干扰抑制掉。

根据上述思路，本发明的其实现方案包括如下：

(1)在具有M个发射阵元，N个接收阵元的MIMO雷达中，雷达的一个发射阵元在一个相干处理时间内发射K个发射脉冲，根据发射阵元和发射脉冲进行阵元-脉冲编码，生成阵元-脉冲相位编码信号c_m,i，其中，i＝1,2...K为发射脉冲序号

(2)生成每一个发射阵元在发射脉冲下发射的正交基带信号

各个阵元发射的正交基带信号波形是独立的，其中，m＝1,2...M；

(3)根据阵元-脉冲相位编码信号c_m,i和正交基带信号

生成发射信号/>

并将发射信号/>

输入到信号处理机，再通过雷达射频前端将其上变频为射频后的发射信号s_m,k(t)发射出去；

(4)雷达接收射频回波信号，并经过混频，滤波以及采样后得到N路数字接收信号

(5)对上述得到的N路数字接收信号

进行多路波形匹配滤波分离，即分别用M个发射阵元的发射信号进行匹配分离，得到原始数据矢量x：

x＝s+g+n

其中，s是目标信号，g是干扰信号，n是噪声；

(6)根据(1)中设计的阵元-脉冲编码模型c_m,i构建解码矢量g_i，i＝1,2...K，依次用解码矢量g_i对(5)中的原始数据矢量x进行解码，得到解码后的接收信号

(7)利用解码后接收信号

进行干扰抑制：

(7a)对解码后的接收信号

画功率谱图，根据功率谱图的距离维区分干扰和目标：

若只有远处距离出现干扰分量，则解码矢量g_i成功匹配出干扰，即该干扰是第i个发射脉冲的回波；

若只有近处距离出现目标分量，则解码矢量g_i成功匹配出目标，即该目标是第i个发射脉冲的回波，其中，i＝1,2...K为发射脉冲序号；

(7b)取目标所对应的第i个发射脉冲的相位编码作为匹配信号，用匹配信号与原始数据矢量x做相位编码匹配，抑制掉干扰。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于通过在发射阵元和发射脉冲之间引入相位编码，对不同阵元不同脉冲基带信号的初始相位进行编码调制，实现了对不同发射脉冲对应的回波信号的区分。

第二，本发明由于在不同发射脉冲间加载了相位编码，使得发射阵元不同脉冲的相位编码不一样，同时由于假目标与真目标存在延迟，使得真目标和假目标的相位编码也不一样，本发明利用这一差异，将目标的相位编码作为匹配信号，用匹配信号与接收到的回波信号做相位编码匹配，由于假目标的相位编码与匹配信号不一致，因此回波信号中的假目标可以被抑制掉，提升了传统雷达的抗干扰能力，降低了系统复杂度，节省了平台空间资源。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明检测干扰信号和目标信号的效果图；

图3是用本发明抑制掉干扰后的信号效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，生成相位编码信号。

1.1)设置由M个发射阵元，N个接收阵元组成的MIMO雷达系统，该系统在一个相干处理时间内包含K个发射脉冲；

1.2)选定第m个发射阵元的第i个脉冲的发射信号，并设置编码参数γ，再对第m个发射阵元的第i个发射脉冲构建相位编码信号c_m,i，表达式为：

c_m,i＝exp{j2πγ(m-1)(i-1)}，

其中，γ表示编码系数。m＝1,2...m,...M，M为发射阵元数，i＝1,2,...i,...K，K表示相干处理时间发射的脉冲总数。

由于上式中，m在1～M范围变化，i在1～K范围内变化，所以该相位编码信号的相位不仅在不同的发射阵元间变化，也在不同的发射脉冲间变化。

步骤2，设计正交基带信号。

(2.1)生成每一个发射阵元在发射脉冲下发射的正交基带信号

该基带信号不随着脉冲而变化，且每一个发射阵元发射的正交基带信号的波形是独立的，即M个发射阵元发射的M个正交基带信号的波形各不相同；

(2.2)根据第m个阵元的正交基带信号

构建正交波形矢量/>

该M个阵元的正交基带信号互相满足

的关系，其中，T_p为脉冲宽度，h＝1,2,…,M,符号[·]^*为共轭运算。

步骤3，根据相位编码信号何正交基带信号生成射频的发射信号。

(3.1)用第m个阵元的正交基带信号

和第m个阵元的第i个脉冲的编码信号c_m,i生成发射信号/>

(3.2)将该发射信号

输入到信号处理机，通过雷达射频前端将其上变频为射频的发射信号s(t)：/>

其中，

为脉冲函数，T_p为脉冲持续时间，t∈(0,T_r)为脉冲重复时间内的时间变量，T_r是脉冲重复周期，f₀为工作频率。

步骤4，对回波信号处理得到数字接收信号。

(4.1)把信号s(t)发射出去，雷达的N个接收阵元接收M个发射信号的回波信号；

(4.2)射频回波信号经过混频，滤波，采样等处理，得到N路频率为中频的数字接收信号

步骤5，对接收信号进行多波形分离得到原始数据矢量。

对上述得到的N路数字接收信号

进行多路波形匹配滤波分离，即用M个发射阵元的发射波形与/>

进行卷积匹配，得到NM×1维原始数据矢量x：

x＝s+g+n＝[x_1,1,i x_1,2,i … x_n,m,i … x_N,M,i]

其中，x表示第i个回波脉冲信号，i＝1,2,...i,...K，s是目标信号，g是干扰信号，n是噪声，

步骤6，根据阵元-脉冲相位编码信号构建解码矢量，并对原始数据矢量进行解码得到解码后信号。

(6.1)根据步骤1中设计的阵元-脉冲编码模型c_m,i构建编码矢量c_i，再由c_i构建解码矢量g_i，表示如下：

c_i＝[c_1,i c_2,i … c_m,i … c_M,i]^T

其中，1_N为全1的列矢量，c_i为编码矢量，c_m,i表示第m个发射阵元的第i发射脉冲的相位编码，m＝1,2...M，上标T代表转置；

(6.2)依次用解码矢量g_i对步骤5中的原始数据矢量x进行解码，得到解码后的接收信号

其中，x为原始数据矢量，g_i为解码矢量，diag{g_i}为对解码矢量进行对角化运算，上标H表示为共轭转置运算，x_i其表示第i个解码矢量解码后的接收信号，i＝1,2...K。

步骤7，利用解码后的接收信号

进行干扰抑制。

(7.1)对解码后的接收信号

画功率谱图，根据功率谱图的距离维区分干扰和目标：

若远处距离出现多个干扰分量，则说明解码矢量g_i成功匹配出干扰，即该干扰是第i个发射脉冲的回波；

若近处距离出现了目标分量，则说明解码矢量g_i成功匹配出目标，即该目标是第i个发射脉冲的回波，执行(7.2)，其中，i＝1,2...K为发射脉冲序号；

(7.2)取目标所对应的第i₀个发射脉冲的相位编码

构建权矢量w：

其中

是第i₀个脉冲对应的相位编码，m＝1,2...M

(7.3)从步骤5的信号x中取单个接收阵元的信号x_s：

x_s＝[x_1,i x_2,i ... x_m,i ... x_M,i]

其中x_m,i是单个接收阵元中收到的第m个发射阵元第i个脉冲的信号；

(7.4)用权矢量w与接收阵元的信号x_s做脉冲维匹配滤波，得到抑制干扰后的信号功率谱图P：

由功率谱图P的式子可知，功率谱图为sinc形状，当且仅当信号x_s中脉冲数i＝i₀时，此时sinc函数空间功率增益最大，增益最大为1；又因为目标所对应的是第i₀个发射脉冲的回波信号，所以目标位于功率谱增益最大位置，根据假目标与目标存在延迟的特性可知目标和假目标属于不同的发射脉冲，由于假目标没有位于功率增益最大位置，即假目标的增益小于1，因此假目标功率下降，故可得出假目标带来的干扰得到了抑制。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1)仿真条件：

实验仿真参数如表1所示，实验中，所有的阵元均用来发射和接收雷达信号，假定雷达主瓣方向存在一个干扰机，干扰机截获雷达信号并进行时延调制，形成5个干扰信号位于下一个接收脉冲内。

表1系统仿真参数

系统参数	参数值	系统参数	参数值
				工作频率	16GHz	脉冲重频	10kHz
发射/接收阵元数	16	发射/接收阵间距	0.05m
				脉冲数	100	目标距离	300m
目标角度	0°	干扰角度	0°

2.仿真内容与结果：

仿真1，在上述仿真参数下，采用本发明方法，利用MIMO雷达在发射阵元和不同发射脉冲之间进行相位编码，并对回波信号进行解码检测不同距离模糊区间的假目标和真目标，结果如图2所示。其中：

图2(a)为目标和假目标的距离-多普勒域功率图；

图2(b)为目标和假目标的距离域的功率图；

由图2(a)和图2(b)可以看出，在假目标距离处有5个假目标，目标距离处出现一个真目标，说明该方法能够检测出不同距离模糊区间的假目标和真目标。

仿真2，在上述仿真参数下，采用本发明方法，使用目标的编码矢量构建匹配信号矢量，对整个接收信号进行解码后抑制假目标信号，使其功率下降。结果如图3所示。

由图3可以看出，采用本发明方法后，假目标带来的欺骗式干扰功率被抑制掉10dB左右，表明本发明具有抑制与距离相关的主瓣式干扰的能力。

上述仿真结果表明，本发明能有效的抑制掉来自主瓣的欺骗式干扰，它利用发射阵元和发射脉冲之间加载相位编码，得到多通道的发射信号，并在接收端进行相应的解码操作后，最终实现不同发射脉冲对应的回波信号的区分。以此来进行目标和干扰的区分，从而利用相位编码不同利用编码匹配将假目标带来的欺骗式干扰抑制掉。提升了传统雷达的抗干扰能力，降低了系统复杂度，节省了平台空间资源。实测数据的实验结果证明了本发明的正确性和有效性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种阵元-脉冲编码的MIMO雷达主瓣欺骗式干扰抑制方法，其特征在于，包括：

(1)在具有M个发射阵元，N个接收阵元的MIMO雷达中，用雷达的一个发射阵元在一个相干处理时间内发射K个发射脉冲，根据发射阵元和发射脉冲进行阵元-脉冲编码，生成阵元-脉冲相位编码信号c_m,i，其中，i＝1,2...K为发射脉冲序号

(2)生成每一个发射阵元在发射脉冲下发射的正交基带信号

各个阵元发射的正交基带信号波形是独立的，其中，m＝1,2...M；

(3)根据阵元-脉冲相位编码信号c_m,i和正交基带信号

生成发射信号/>

并将发射信号/>

输入到信号处理机，再通过雷达射频前端将其上变频为射频后的发射信号s_m,k(t)发射出去；

(4)雷达接收射频回波信号，并经过混频，滤波以及采样后得到N路数字接收信号

(5)对上述得到的N路数字接收信号

进行多路波形匹配滤波分离，即分别用M个发射阵元的发射信号进行匹配分离，得到原始数据矢量x：

x＝s+g+n

其中，s是目标信号，g是干扰信号，n是噪声；

(6)根据(1)中设计的阵元-脉冲编码模型c_m,i构建解码矢量g_i，i＝1,2...K，依次用解码矢量g_i对(5)中的原始数据矢量x进行解码，得到解码后的接收信号

(7)利用解码后接收信号

进行干扰抑制：

(7a)对解码后的接收信号

画功率谱图，根据功率谱图的距离维区分干扰和目标：

若只有远处距离出现干扰分量，则解码矢量g_i成功匹配出干扰，即该干扰是第i个发射脉冲的回波；

若只有近处距离出现目标分量，则解码矢量g_i成功匹配出目标，即该目标是第i个发射脉冲的回波，其中，i＝1,2...K为发射脉冲序号；

(7b)取目标所对应的第i个发射脉冲的相位编码作为匹配信号，用匹配信号与原始数据矢量x做相位编码匹配，抑制掉干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(1)中生成阵元-脉冲相位编码信号c_m,i，表示如下：

c_m,i＝exp{j2πγ(m-1)(i-1)}

其中，γ表示编码系数，m为发射阵元数，i为发射脉冲数。

3.根据权利要求1所述方法，其中(2)中生成的每一个发射阵元在发射脉冲下发射的正交基带信号

表示如下：

其中T_p为脉冲宽度，h＝1,2,…,M,符号[·]^*为共轭运算。

4.根据权利要求1所述的方法，其中(3)根据阵元-脉冲相位编码信号c_m,i和正交基带信号

生成发射信号/>

表示如下：

5.根据权利要求1所述的方法，其中(3)根据将发射信号

输入到信号处理机，再由雷达射频前端将其上变频为射频后的发射信号s_i(t)，表示如下：

其中，

为脉冲函数，T_p为脉冲持续时间，t∈(0,T_r)为脉冲重复时间内的时间变量，t_i∈(0,KT_r)为整个相干处理时间内的时间变量，f₀为工作频率。

6.根据权利要求1所述方法，其中(6)根据阵元-脉冲相位编码信号构建的解码矢量g_i，表示如下：

其中，1_N为全1的列矢量，c_i为编码矢量，c_i＝[c_1,i c_2,i … c_m,i … c_M,i]^T，c_m,i表示第m个发射阵元的第i发射脉冲的相位编码，m＝1,2...M，上标T代表转置。

7.根据权利要求1所述方法，其中(6)中得到解码后的接收信号

表示如下：

其中，

其表示第i个解码矢量解码后的接收信号，x为原始数据矢量，g_i为解码矢量，diag{g_i}表示对解码矢量进行对角化运算，上标H表示为共轭转置运算。

8.根据权利要求1所述方法，其中(7b)中用匹配信号与原始数据矢量x做相位编码匹配，是将目标所对应的第i个发射脉冲的相位编码矢量c_i作为编码信号h，通过h构建匹配信号g_h，用匹配信号g_h与原始数据矢量x做相位编码匹配，表示如下：

其中，

是利用匹配编码抗干扰后的信号，h是编码，g_h是匹配信号，x是原始数据矢量，1_N为全1的列矢量，/>

为克罗内克积。

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