CN113702922B - 基于多维协同的干扰抑制方法 - Google Patents

基于多维协同的干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多维协同的干扰抑制方法，主要解决在高干信比条件下，干扰类型未知或多种干扰组合产生的干扰抑制问题。方案包括：1)雷达接收机接收目标与多种干扰形成的混合回波信号；2)对混合回波信号进行解线调；3)对解线调之后的信号进行短时傅里叶变换；4)设置时频筛选门限值，并根据其进行判断获取时频域筛选矩阵；5)利用时频域筛选矩阵对变换后解线调信号进行时频域筛选；6)对筛选后时频域混合回波信号进行恢复与去解线调处理，并对处理结果进行脉冲压缩得到最终的干扰抑制结果。本发明能够对抗组合干扰，并使干扰有效对抗率大幅度提升，可用于雷达频谱弥散与切片重复转发组合干扰等多种干扰的抑制。

Description

基于多维协同的干扰抑制方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，进一步涉及干扰抑制技术，具体为一种基于多维协同的干扰抑制方法，可用于抑制多种干扰。
背景技术
随着数字射频存储DRFM(Digital Radio Frequency Memory)技术的广泛应用，干扰机产生的有源欺骗干扰与雷达发射信号高度相似使得雷达难以检测和抑制，雷达导引头面临的挑战愈发严重，据此出现了许多对抗雷达干扰的方法。在抗频谱弥散干扰与切片重复转发干扰方面也出现了多种有效的抗干扰技术。
基于数字射频存储DRFM技术的频谱弥散SMSP(Smeared Spectrum)干扰是一种专门针对线性调频LFM(Linear Frequency Modulated)脉冲雷达的有源欺骗干扰，既能对雷达形成多个假目标，又能够有效的压制雷达。频谱弥散干扰通过改变信号的内部形式，只需转发一次即可在真实目标前后生成高密度梳状假目标群，并由干扰机转发给雷达，雷达对频谱弥散干扰信号进行匹配滤波处理，使得在真实目标附近产生大量假目标，降低雷达对目标的检测性能。因此在目标检测过程中需要对频谱弥散干扰进行抑制，提高雷达的抗干扰能力。
当雷达检测到雷达回波信号中包含频谱弥散干扰信号时，现有的方法通常对雷达回波信号进行分数阶傅里叶变换FRFT(Fractional Fourier Transfor m)在u域对其进行扫频滤波，从而对干扰进行抑制。但此方法并不能完全消除频谱弥散干扰，并且对扫频滤波器带宽的要求较高，选取的带宽不合适会对雷达获取真实目标造成不良影响。
李飞等人在“基于盲源分离的雷达信号欺骗干扰抑制[J].海军航空工程学院学报,2015,30(5):424-428.DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.005.”中，提出了一种基于盲分离的SMSP干扰抑制算法，通过研究信号高阶累积量的性质，推导了一种新的基于峭度的代价函数，根据采样自然梯度方法对新代价函数优化后，最终实现目标回波与SMSP干扰的分离，但是此方法在实现的时候需要应用多通道雷达，且对于接收信号的信噪比有较高要求。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于多维协同的干扰抑制方法，用于解决在干扰类型未知时或多种干扰组合下，高干信比条件下的干扰抑制问题。可用于在高干信比背景下对雷达频谱弥散等干扰进行抑制，同时也可用于雷达频谱弥散与切片重复转发组合干扰等多种干扰的抑制。
实现本发明方案的思路是：首先根据发射信号的先验信息，对干扰与目标混合回波信号进行解线调处理，通过对解线调处理后的信号进行短时傅里叶变换STFT得到其时频域信息，然后通过计算出合适的时频域能量阈值，从而求解出解线调后回波信号时频域信息的时频域筛选矩阵，将时频域筛选矩阵中大于时频域能量阈值的时频能量点设为0；利用求解的时频域筛选矩阵对解线调后的回波信号进行时频筛选，即对其进行时频域滤波；最后对滤波后的信号恢复解线调，再对其进行脉冲压缩处理，最终得到干扰抑制后的信号。
本发明实现上述目的具体步骤如下：
(1)雷达接收机接收由频谱弥散SMSP干扰、切片重复转发干扰与真实目标回波构成的混合回波信号y(n)：
y(n)＝x(n)+j1(n)+j2(n)，
其中，x(n)表示真实目标回波信号，j1(n)表示频谱弥散干扰信号，j2(n)表示切片重复转发干扰信号；
(2)对混合回波信号y(n)进行解线调，得到解线调之后的信号r(n)：
Figure BDA0003216247890000031
其中，μ表示雷达发射线性调频信号的调频率，exp()表示e的指数函数，j表示复数，t表示雷达混合回波信号的时长，Ts表示采样周期；
(3)对解线调之后的信号r(n)进行短时傅里叶变换STFT，得到变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)：
Figure BDA0003216247890000032
其中，k∈{0,1,…,L-1}表示窗内信号离散频率，n∈{0,1,…,N-1}表示离散时间，N表示接收到回波信号的采样点数，L表示矩形窗的窗长；
Figure BDA0003216247890000033
表示解线调信号经过短时傅里叶变换得到的第k个离散频率、第n个离散时间对应的时频能量点；
(4)对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，步骤如下：
(4.1)设置时频点筛选门限值为p；
(4.2)构建与变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)维度相同的矩阵Ψ：
Figure BDA0003216247890000034
其中，αab为矩阵Ψ中第a行、第b列的时频筛选点，a∈{1,2,…,L}，b∈{1,2,…,N}；
(4.3)根据时频点筛选门限值p对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，即对其时频能量点进行如下判断：
若
Figure BDA0003216247890000044
则令矩阵Ψ中的参数αab值为0；
若
Figure BDA0003216247890000045
则令矩阵Ψ中的参数αab值为1；
(4.4)得到由0和1组成的时频筛选矩阵Ψ；
(5)利用时频域筛选矩阵Ψ，对解线调信号STFT|r(n)(k,n)进行时频域筛选，得到筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)；
(6)对筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)进行恢复与去解线调处理，得到干扰抑制后的信号
Figure BDA0003216247890000041
Figure BDA0003216247890000042
其中，ξn表示第n个离散时间点干扰抑制后的信号；
(7)对干扰抑制后的信号
Figure BDA0003216247890000043
进行脉冲压缩处理，得到最终的干扰抑制结果。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一、本发明在对抗组合干扰的时候，首先采用真实目标与干扰混合的信号对其进行解线调处理，然后对解线调处理之后的信号进行短时傅里叶变换，通过预先设置的时频点筛选门限对混合回波信号进行时频筛选，从而有效抑制掉干扰信号；
第二、由于本发明利用干扰与目标在时频联合域的差异，采用多维协同抗干扰的方式，在高干信比的干扰背景下，面对多目标欺骗干扰、距离、速度拖引等干扰形式，或组合干扰形式，无需干扰方的先验信息，便可使干扰有效对抗率大幅度提升。
附图说明
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为真实目标回波与干扰的时域仿真图；
图3为对真实目标回波与干扰分别进行短时傅里叶变换后得到的时频仿真图；
图4为对混合回波信号进行时频点筛选后的时频仿真图；
图5为受干扰前后的回波信号分别进行脉冲压缩的仿真结果对比图；
图6为使用本发明方法对混合回波信号进行干扰抑制与未进行干扰抑制的脉冲压缩仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现步骤及效果作进一步详细描述。
实施例一：
参照图1，本发明提出的一种基于多维协同的干扰抑制方法，具体实现步骤如下：
步骤1，雷达接收机接收目标与干扰形成的混合回波信号，该回波信号由由频谱弥散SMSP干扰、切片重复转发干扰与真实目标回波构成；混合回波信号y(n)可表示如下：
y(n)＝x(n)+j1(n)+j2(n)，
其中，x(n)表示真实目标回波信号，j1(n)表示频谱弥散SMSP干扰信号，j2(n)表示切片重复转发干扰信号；
步骤2，对混合回波信号y(n)进行解线调，得到解线调之后的信号r(n)：
Figure BDA0003216247890000051
其中，μ表示雷达发射线性调频信号的调频率，该调频率μ对于雷达来说是已知的；exp()表示e的指数函数，j表示复数，t表示雷达混合回波信号的时长，Ts表示采样周期；
步骤3，对解线调之后的信号r(n)进行短时傅里叶变换STFT，按如下公式实现：
Figure BDA0003216247890000061
其中，n∈{0,1,…,N-1}表示离散时间，k∈{0,1,…,L-1}表示窗内信号离散频率，l∈{0,1,…,L-1}表示滑窗内信号的离散时间，N表示接收到回波信号的采样点数，L表示矩形窗的窗长。
对r(n)进行短时傅里叶变换后，得到如下：
Figure BDA0003216247890000062
其中，
Figure BDA0003216247890000063
表示r(n)在离散时间为n时的离散傅里叶变换；进一步得到变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)：
Figure BDA0003216247890000064
其中，
Figure BDA0003216247890000065
表示解线调信号经过短时傅里叶变换得到的第k个离散频率、第n个离散时间对应的时频能量点；
步骤4，对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，步骤如下：
(4.1)设置时频点筛选门限值为p；
(4.2)构建与变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)维度相同的矩阵Ψ：
Figure BDA0003216247890000071
其中，αab为矩阵Ψ中第a行、第b列的时频筛选点，a∈{1,2,…,L}，b∈{1,2,…,N}；
(4.3)根据时频点筛选门限值p对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，即对其时频能量点进行如下判断：
若
Figure BDA0003216247890000072
则令矩阵Ψ中的参数αab值为0；
若
Figure BDA0003216247890000073
则令矩阵Ψ中的参数αab值为1；
(4.4)得到由0和1组成的时频筛选矩阵Ψ；
步骤5，利用时频域筛选矩阵Ψ，对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)，对干扰回波信号进行时频域筛选，得到筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)：
Figure BDA0003216247890000074
其中，εkn表示第k个离散频率、第n个离散时间对应的筛选后时频域混合回波信号时频点。
步骤6，对筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)进行恢复与去解线调处理，得到干扰抑制后的信号
Figure BDA0003216247890000081
Figure BDA0003216247890000082
其中，ξn表示第n个离散时间点干扰抑制后的信号，其按如下公式得到：
Figure BDA0003216247890000083
步骤7，对干扰抑制后的信号
Figure BDA0003216247890000084
进行脉冲压缩处理，得到最终的干扰抑制结果。
本方法针对未知干扰类型进行抑制，由于一般干扰能量大小远比目标信号能量大，根据这个特点对干扰进行抑制，可以根据时频域筛选矩阵Ψ对干扰信号进行剔除，再对剔除后的信号进行脉冲压缩处理便可以得到干扰抑制后的信号。
实施例二：参照图1，本发明提出的一种基于多维协同的干扰抑制方法，其实现步骤同实施例一，另外对于步骤4作进一步描述，具体如下：
由于频谱弥散SMSP干扰的调制方式是将回波信号的调频率进行改变，所以在对解线调信号进行时频变换之后，真实目标所在的频域维度会有多个干扰信号的重叠处；在高干信比背景下，干扰信号时频点的能量值比目标时频点的能量值大很多，在进行选取阈值之后，令变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)大于阈值所对应时频筛选矩阵Ψ中的时频点能量为0，从而可以有效滤除干扰。
设置时频点筛选门限值p，并根据该门限值对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)进行如下筛选：
若
Figure BDA0003216247890000085
则令矩阵Ψ中的参数αab值为0；
若
Figure BDA0003216247890000086
则令矩阵Ψ中的参数αab值为1；
本发明实施例中，所述时频点筛选门限值p为：
p＝2*mean(mean(STFT|r(n)(k,n)))，
其中，mean(·)表示对·取平均；当然此处也可根据实际情况选用其它方式确定该门限；在高干信比的电磁背景下，干扰信号的时频能量比真实目标回波信号的时频能量值大很多，对所有时频点求均值可以获得一个高于信号且小于干扰的时频能量均值。若变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)时频点的能量大于这一均值则令所对应时频筛选矩阵Ψ中的时频点能量为0，反之则为1；得到由0和1组成的时频筛选矩阵Ψ。
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的说明：
1)仿真实验环境和内容
实验环境：MATLAB R2015b,Intel(R)Core(TM)i7-10700 CPU 2.90GHz，Windows10。
仿真实验内容：实验使用了matlab仿真雷达线性调频信号与干扰的混合回波信号，其中干扰是由频谱弥散SMSP和切片重复转发组合得到的干扰信号。雷达发射带宽设置为40MHz，时宽为8μs。雷达接收机采样频率为80MHz。干扰机发射SMSP干扰子脉冲数设定为n1＝4,切片重复转发干扰的转发次数n2＝7；干信比设置为30dB。信号的短时傅里叶变换采用的长度M＝31的Hamming窗。时频点筛选条件设为在每个频率维丢弃小于p时为0，反之为1。实验中对干扰混合信号的时域仿真结果如图2所示；对混合信号进行短时傅里叶变换而得到的时频仿真结果如图3所示；在没有进行干扰抑制与进行了干扰抑制方面，实验中对混合回波信号进行时频点筛选之后的时频点筛选矩阵时频仿真结果如图4所示。实验中关于干扰抑制前后脉冲压缩信号的对比进行了仿真，结果如图5、图6所示。
2)实验结果：
结果如图5、图6，可以看到本发明提出的干扰抑制方法在高干信比的背景下，有着良好的抗干扰性能。另外由于现实中雷达遇到的干扰不会只是单独的一种，本发明针对频谱弥散SMSP和切片重复转发干扰形成的组合干扰等干扰进行抑制，不会受到只能抑制单一调制方式的频谱弥散干扰的条件限制，可适用于多种干扰的抑制。
实验结果表明，本发明在高干信比的背景下，能够有效的抑制掉雷达频谱弥散与切片重复转发的混合干扰等多种基于DRFM的干扰，经过脉冲压缩之后能够准确的测量目标的参数信息。上述仿真分析证明了本发明所提方法的正确性与有效性。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多维协同的干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)雷达接收机接收由频谱弥散SMSP干扰、切片重复转发干扰与真实目标回波构成的混合回波信号y(n)：
y(n)＝x(n)+j1(n)+j2(n)，
其中，x(n)表示真实目标回波信号，j1(n)表示频谱弥散干扰信号，j2(n)表示切片重复转发干扰信号；
(2)对混合回波信号y(n)进行解线调，得到解线调之后的信号r(n)：
Figure FDA0003216247880000011
其中，μ表示雷达发射线性调频信号的调频率，exp()表示e的指数函数，j表示复数，t表示雷达混合回波信号的时长，Ts表示采样周期；
(3)对解线调之后的信号r(n)进行短时傅里叶变换STFT，得到变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)：
Figure FDA0003216247880000012
其中，k∈{0,1,…,L-1}表示窗内信号离散频率，n∈{0,1,…,N-1}表示离散时间，N表示接收到回波信号的采样点数，L表示矩形窗的窗长；
Figure FDA0003216247880000013
表示解线调信号经过短时傅里叶变换得到的第k个离散频率、第n个离散时间对应的时频能量点；
(4)对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，步骤如下：
(4.1)设置时频点筛选门限值为p；
(4.2)构建与变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)维度相同的矩阵Ψ：
Figure FDA0003216247880000021
其中，αab为矩阵Ψ中第a行、第b列的时频筛选点，a∈{1,2,…,L}，b∈{1,2,…,N}；
(4.3)根据时频点筛选门限值p对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)的时频域进行筛选，即对其时频能量点进行如下判断：
若
Figure FDA0003216247880000022
则令矩阵Ψ中的参数αab值为0；
若
Figure FDA0003216247880000023
则令矩阵Ψ中的参数αab值为1；
(4.4)得到由0和1组成的时频筛选矩阵Ψ；
(5)利用时频域筛选矩阵Ψ，对变换后解线调信号STFT|r(n)(k,n)进行时频域筛选，得到筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)；
(6)对筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)进行恢复与去解线调处理，得到干扰抑制后的信号
Figure FDA0003216247880000024
Figure FDA0003216247880000025
其中，ξn表示第n个离散时间点干扰抑制后的信号；
(7)对干扰抑制后的信号
Figure FDA0003216247880000026
进行脉冲压缩处理，得到最终的干扰抑制结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述对解线调之后的信号r(n)进行短时傅里叶变换STFT，按如下公式实现：
Figure FDA0003216247880000031
其中，l∈{0,1,…,L-1}表示滑窗内信号的离散时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4.1)中所述时频点筛选门限值p，根据下式进行设置：
p＝2*mean(mean(STFT|r(n)(k,n)))，
其中，mean(·)表示对·取平均。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中所述筛选后时频域混合回波信号y1(k,n)，具体如下：
Figure FDA0003216247880000032
其中，εkn表示第k个离散频率、第n个离散时间对应的筛选后时频域混合回波信号时频点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中第n个离散时间点干扰抑制后的信号，按如下公式得到：
Figure FDA0003216247880000041
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基于干扰重构和峭度最大化的SMSP干扰抑制方法;李欣;王春阳;原慧;金珊珊;;北京航空航天大学学报(第06期);全文 *

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