CN114252857A - 基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,包括以下步骤:对线性调频脉冲体制雷达接收信号做去斜率处理后计算能量函数,分析时域不连续性特征,得到所需阈值的选取准则;构造剔除干扰信号段的掩膜,进行平滑处理,得到目标回波信号的筛选函数,将其与接收信号相乘提取出没有间歇采样转发式干扰ISRJ的信号段;构建具有低旁瓣的带通滤波器,对接收信号的匹配滤波结果做带通滤波,获得抗干扰后的脉压结果,数据重排后做MTD和CFAR获取目标峰值位置,计算出目标的距离和速度。本发明在低信噪比下也能有效抑制间歇采样转发式干扰,保留目标信号,提高目标发现概率,且信号处理的计算复杂度较低。
Description
技术领域
本发明属于雷达信息技术领域,特别是一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法。
背景技术
间歇采样转发式干扰(interrupted sampling repeater jamming,ISRJ)是一种新型雷达主瓣干扰方式,由国防科技大学的王雪松等研究者于2007年提出,它由一种称为数字射频存储的设备实现。ISRJ干扰机采样一小段信号并将其重新发射,然后重复此过程直到脉冲结束,因此干扰信号能够在真实目标反射回波的同一个距离门内到达雷达接收机。由于数字射频存储设备的干扰机转发的信号与雷达发射信号相干,所以干扰信号通过脉冲压缩后可以得到很高的信号处理增益,且转发的干扰信号相对于目标回波在空间上仅为单程衰减,于是ISRJ干扰机利用很小的发射能量就能在雷达中形成较多较强的电子假目标。
ISRJ方法提出以后,针对ISRJ的电子反对抗算法引起了很多关注。脉内正交的相位-频率编码信号和脉内正交的线性调频-相位编码信号先后被提出,他们的基本思想都是将发射脉冲拆分成多个正交子信号,利用子信号匹配滤波器只对对应子信号累积能量的特点对干扰进行有效对抗。还有一部分学者提出了基于带通滤波的抗干扰方案,他们利用雷达回波信号的时频分析的不连续特性生成特定带通滤波器,以保留脉压结果中的目标信号并滤去干扰。但是在一个相干处理时间内干扰参数改变时,上述方法中,每个脉冲重复时间内选择的信号的匹配滤波器不全相同,每个脉冲重复时间内对于脉压结果的带通滤波器也不全相同,这都会导致动目标检测结果错误。后来有学者提出了基于自适应CLEAN算法和反卷积算法的干扰参数估计和干扰重构消除的来抑制LFM信号的ISRJ,但是当ISRJ干扰机额外添加一个假目标多普勒频移时,上述算法会失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,以抑制间歇采样转发式干扰,保留目标信号,提高目标发现概率。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,包括以下步骤:
步骤1,对线性调频脉冲体制雷达接收信号做去斜率处理后计算其能量函数,分析能量函数的时域不连续性特征,得到提取目标回波信号所需阈值的选取准则;
步骤2,通过将能量函数与所选阈值进行比较,构造出一个剔除干扰信号段的掩膜,对其进行平滑处理,得到目标回波信号的筛选函数,将其与接收信号相乘提取出没有间歇采样转发式干扰ISRJ的信号段;
步骤3,利用提取出的目标回波信号构建具有低旁瓣的带通滤波器,对接收信号的匹配滤波结果做带通滤波,获得抗干扰后的脉压结果,数据重排后做动目标检测MTD和恒虚警检测CFAR获取目标峰值位置,从而计算出目标的距离和速度。
一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现上述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现上述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)在-5dB以上的信噪比和20dB以下的干信比范围内,本发明能有效抑制间歇采样转发式干扰,经信号处理后能大幅提高信号干扰比,从而提高目标发现概率;(2)本发明可以对每一个PRI的数据做实时处理,即使在一个CPI内干扰信号的参数发生变化,带通滤波器也能自适应地随之改变,保证MTD结果的正确性;(3)该方法不需要进行短时傅立叶变换等时频分析,只需要计算雷达信号的能量函数即可,运算量低,原理简单,即使使用低成本的器件也能实现很好的实时性,在性能与成本方面具有竞争力。
附图说明
图1(a)为干扰采样信号示意图,图1(b)为没有ISRJ干扰和有ISRJ干扰时的接收信号对比图。
图2是本发明信号处理的流程图。
图3是本发明能量函数的示意图。
图4是本发明中的掩膜和目标回波信号筛选函数的示意图。
图5是本发明提取出的不受ISRJ干扰的信号段示意图。
图6是本发明带通滤波函数示意图。
图7(a)~图7(d)是本发明抗干扰前后的对比图,其中图7(a)为抗干扰前的脉冲压缩示意图,图7(b)为抗干扰后的脉冲压缩示意图,图7(c)为抗干扰前的MTD示意图,图7(d)为抗干扰后的MTD示意图。
图8(a)~图8(c)是本发明在不同信噪比和干信比下的处理增益和目标发现概率,其中图8(a)为处理增益示意图,图8(b)为抗干扰后的目标发现概率示意图,图8(c)为抗干扰前的目标发现概率示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,主要包括计算接收信号能量函数和选取阈值、提取没有ISRJ的目标回波信号段,以及构建带通滤波器和后续信号处理三部分。
步骤一:计算接收信号能量函数和选取阈值:对线性调频脉冲体制雷达接收信号做去斜率处理后计算其能量函数,其中不受干扰影响的目标回波部分能量小且稳定,包含干扰的接收信号段能量大且有强烈波动,分析能量函数的时域不连续性特征后,得到提取目标回波信号所需阈值的选取准则;
假设归一化的线性调频LFM基带信号为
其中,
K是LFM信号的调频斜率,Tp是发射信号的脉宽。
假设本发明使用的真实目标只有一个散射点,并且它与雷达之间的距离为Rt。那么,目标回波信号可以写作
其中,τtar是目标回波时延,τtar=2Rt/c,c是光速,Ar是目标回波幅度。
ISRJ的基本思想是“存储-转发-存储-转发”,也就是说干扰机首先采样并存储部分雷达信号,然后将其转发到对方雷达,像这样重复直到雷达发射信号结束。设Tr为干扰机的采样重复周期,τ为采样脉冲宽度,那么ISRJ干扰机的采样脉冲信号可表示为
那么接收到的ISRJ的模型可以表示为
Aj是干扰幅度,Nr是一个发射信号脉宽中的干扰采样脉冲数。
本发明接收信号的示意图如图1(a)、图1(b)所示,图1(a)为干扰采样信号示意图,图1(b)为没有ISRJ干扰和有ISRJ干扰时的接收信号对比图。
接收到信号后,开始做信号处理,图2为信号处理的流程图。
对于ISRJ干扰,由于干扰机转发的信号与雷达发射信号相干,所以能在接收雷达的LFM信号脉冲压缩结果中形成多个虚假的目标峰值。
去斜率处理是宽带LFM信号的常用方法之一,去斜率后的目标回波信号将变成单频信号。去斜率后的目标回波信号可以表示为
干扰信号经过去斜率处理后的表达式为
定义能量函数为信号模数的平方,通过能量函数分析有干扰存在时的雷达接收信号在时间-能量域中的分布特征。去斜率后的目标回波st_de(t)、干扰信号sj_de(t),以及接收信号x(t)=st_de(t)+sj_de(t)的能量函数分别如下
要想达到有效干扰,干扰的功率一般远大于目标回波功率。ISRJ干扰器在采样雷达信号时不会发送干扰信号,因此接收信号的时频分布是不连续的。本发明的能量函数示意图如图3所示,对比去斜率后的目标回波信号、ISRJ信号和雷达接收信号的能量函数曲线可以发现,在采样期间,能量稳定且很小,这是因为干扰器不发送干扰信号,仅接收目标回波信号,而能量在发送干扰信号期间快速而强烈地波动。由此可以构造带通滤波器去提取没有ISRJ的信号段。
在提取未受干扰影响的目标回波信号段时,需要针对接收信号的能量函数设定一个合适的阈值。
由于接收信号是目标回波和干扰信号的叠加,因此总有Et(t)≥Ar 2。在不考虑噪声影响,或噪声较小时,根据式(10)可以看出,在存在干扰的接收信号段内,有(Aj-Ar)2≤Et(t)≤(Aj+Ar)2。所以当(Aj-Ar)2≥Ar 2,即Aj≥2Ar时,能找到一个阈值γ,满足Ar 2<γ<(Aj-Ar)2,该阈值比仅有目标回波段的接收信号能量函数值大,比有干扰段的接收信号能量函数值小,因此通过比较Ex(t)与γ可以得到目标回波信号的筛选函数。
通过如下的式子计算阈值γ:
步骤二:提取没有ISRJ的目标回波信号段:通过将能量函数与所选阈值进行比较,构造出一个剔除干扰信号段的掩膜,对其进行平滑处理后进一步减小噪声的影响,得到目标回波信号的筛选函数,将其与接收信号相乘提取出没有间歇采样转发式干扰ISRJ的“纯净”信号段;
通过比较接收信号的能量函数Ex(t)与门限γ,构造一个掩膜c(t),在不考虑噪声或噪声较小时,对于雷达接收信号x(t)中的任意时刻t0,若Ex(t0)<γ,则c(t0)=1,否则c(t0)=0,那么不受ISRJ信号干扰的信号段可以表示为h(t)=x(t)·c(t)。
而当噪声无法忽略时,能量函数的包络将不再恒定,当噪声大到一定程度时,若使用确定的阈值来提取不受ISRJ信号干扰的信号段,能量函数的剧烈起伏会导致提取出的目标回波段也被泄露进大量的干扰信号,那么后续依此构建出的带通滤波函数就会存在高旁瓣,从而在之后的处理中引入较大的误差。为了解决干扰泄露的问题,需要对掩膜c(t)做一次包络的提取,去除其中起伏的毛刺。具体步骤如下:
①求得c(t)中所有数值为1的点对应的时刻坐标I(i),将坐标从小到大排列,用后一个点的坐标减去前一个点的坐标作为坐标间隔spa(i),即spa(i)=I(i+1)-I(i)。求得坐标间隔的最大值max(spa(i)),用这个最大值减去一个浮动值ε作为间隔门限,此处取ε=10%×max(spa(i))。若c(t)中为1的时间坐标的距离spa(i)小于间隔门限,则将后一个时间坐标I(i+1)对应的c(I(i+1))置为0,由此可以根据c(t)为1得到掩膜需要屏蔽的每一段干扰的左边界;
②将c(t)中所有数值为1的点对应的时刻坐标从大到小排列,同样去求坐标间隔,若坐标间隔小于间隔门限,则将前一个时间坐标对应的c(t)置为0,由此可以根据c(t)为1得到掩膜需要屏蔽的每一段干扰的右边界;
③将左右边界加起来,得到的就是掩膜需要屏蔽的每一段干扰信号的完整边界,将它定义为目标回波信号的筛选函数。
目标回波信号的筛选函数相对于原始掩膜更加平滑,具有一定的抑制噪声影响的能力,由此可以准确定位出所需屏蔽的干扰和所需提取的目标回波信号在接收信号中的位置。图4所示就是初始掩膜c(t)和目标回波信号筛选函数的示意图。
假设目标回波信号的筛选函数为cho(t),那么提取出的不含ISRJ信号的接收信号段可以表示为
h(t)=x(t)·cho(t) (12)
图5显示了提取出的不受ISRJ干扰的信号段。
步骤三:构建带通滤波器和后续信号处理:利用提取出的目标回波信号构建具有低旁瓣的带通滤波器,对接收信号的匹配滤波结果做带通滤波,获得抗干扰后的脉压结果,数据重排后做动目标检测MTD和恒虚警检测CFAR获取目标峰值位置,从而计算出目标的距离和速度。
对提取出的不含ISRJ信号的接收信号段h(t)加窗,然后做匹配滤波,对其进行归一化处理后取模,可以获得带通滤波函数fil(t),即
其中,win(t)是窗函数,pp(t)是发射信号对应的匹配滤波器。
图6是构建出的带通滤波函数示意图。
对接收信号x(t)做匹配滤波,得到脉冲压缩的结果。
将mf(t)与带通滤波函数fil(t)相乘,ISRJ干扰就会被滤除,得到抗干扰后的脉冲压缩结果如下
y(t)=mf(t)·fil(t) (15)
以上是对一个脉冲重复周期PRI的信号所做的处理,在处理完一个相干处理间隔CPI的数据后,将数据重排,对每个距离门的数据做傅里叶变换,从而得到MTD的结果。接下来用有序统计恒虚警检测OS-CFAR检测目标峰值,得到目标所在单元的横纵坐标x、y后,由以下公式求得目标的距离和速度:
其中,fs是数据率,λ是发射信号波长,N是发射信号的一个CPI中的PRI个数,T是发射信号的PRI长度。
图7(a)~图7(d)就是抗干扰前后的对比图,图7(a)为抗干扰前的脉冲压缩示意图,图7(b)为抗干扰后的脉冲压缩示意图,图7(c)为抗干扰前的MTD示意图,图7(d)为抗干扰后的MTD示意图。
本发明在低信噪比下也能有效抑制间歇采样转发式干扰,保留目标信号,提高目标发现概率,且信号处理的计算复杂度较低。
实施例
本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明。
在仿真实验的指标设计中,将目标距离设在1000m,速度为100m/s。根据具体实施的设计方法,雷达和干扰机的波形参数设计如表1所示:
表1
在对MTD结果做OS-CFAR时,所用滑窗的窗长度为32,虚警概率为10-6。
为了表示信噪比SNR和干信比JSR对抗干扰性能的影响,使用信干比改善因子SJRIF和目标发现概率来体现本方法的性能。代表处理增益的SJRIF可以表示为
SJRIF=SJROUT-SJRIN (18)
其中SJROUT表示抗干扰处理后的信干比SJR,SJRIN表示回波PRI的SJR。
图8(a)~图8(c)为Matlab仿真在不同信噪比和干信比下的处理增益和目标发现概率。输入JSR范围取5dB至30dB,以5dB为步进,输入SNR范围取-20dB至20dB,同样以5dB为步进。
图8(a)为SJRIF的结果。随着SNR的增加,本发明带来的处理增益,即SJRIF,也随之增加。当SNR为-10dB时,各JSR下的处理增益就能达到10dB,而当SNR为0dB时,各JSR下的处理增益能达到25dB,因此可以看出,本发明能有效抑制间歇采样转发式干扰。
图8(b)和图8(c)为抗干扰后和抗干扰前的目标发现概率的结果。可以看出,抗干扰前,当JSR为10dB时,目标发现概率就为0了,也就是说目标已经完全被干扰淹没。而抗干扰后,SNR越大、JSR越小,目标发现概率越高,当SNR为-10dB、JSR为15dB时,目标发现概率为95.10%,当SNR为0dB、JSR为25dB时,目标发现概率也达到了91.13%,因此可以看出,能量函数法能有效提高目标发现概率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,对线性调频脉冲体制雷达接收信号做去斜率处理后计算其能量函数,分析能量函数的时域不连续性特征,得到提取目标回波信号所需阈值的选取准则;
步骤2,通过将能量函数与所选阈值进行比较,构造出一个剔除干扰信号段的掩膜,对其进行平滑处理,得到目标回波信号的筛选函数,将其与接收信号相乘提取出没有间歇采样转发式干扰ISRJ的信号段;
步骤3,利用提取出的目标回波信号构建具有低旁瓣的带通滤波器,对接收信号的匹配滤波结果做带通滤波,获得抗干扰后的脉压结果,数据重排后做动目标检测MTD和恒虚警检测CFAR获取目标峰值位置,从而计算出目标的距离和速度。
2.根据权利要求1所述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,其特征在于,步骤1所述的对线性调频脉冲体制雷达接收信号做去斜率处理后计算其能量函数,分析能量函数的时域不连续性特征,得到提取目标回波信号所需阈值的选取准则,具体如下:
假设归一化的线性调频LFM基带信号为
其中,
K是LFM信号的调频斜率,Tp是发射信号的脉宽;
假设真实目标只有一个散射点,并且它与雷达之间的距离为Rt;那么,目标回波信号可写作
其中,τtar是目标回波时延,τtar=2Rt/c,c是光速,Ar是目标回波幅度;
设Tr为干扰机的采样重复周期,τ为采样脉冲宽度,则ISRJ干扰机的采样脉冲信号可表示为
那么接收到的ISRJ的模型可表示为
Aj是干扰幅度,Nr是一个发射信号脉宽中的干扰采样脉冲数;
去斜率后的目标回波信号表示为
干扰信号经过去斜率处理后的表达式为
定义能量函数为信号模数的平方,通过能量函数分析有干扰存在时的雷达接收信号在时间-能量域中的分布特征;去斜率后的目标回波st_de(t)、干扰信号sj_de(t),以及接收信号x(t)=st_de(t)+sj_de(t)的能量函数分别如下
在提取未受干扰影响的目标回波信号段时,需要针对接收信号的能量函数设定一个合适的阈值;由于接收信号是目标回波和干扰信号的叠加,因此总有Et(t)≥Ar 2;不考虑噪声影响,根据式(10)可以看出,在存在干扰的接收信号段内,有(Aj-Ar)2≤Et(t)≤(Aj+Ar)2;所以当(Aj-Ar)2≥Ar 2,即Aj≥2Ar时,能找到一个阈值γ,满足Ar 2<γ<(Aj-Ar)2,该阈值比仅有目标回波段的接收信号能量函数值大,比有干扰段的接收信号能量函数值小,因此通过比较Ex(t)与γ可以得到目标回波信号的筛选函数;
通过如下的式子计算阈值γ:
4.根据权利要求2所述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,其特征在于,步骤2所述的通过将能量函数与所选阈值进行比较,构造出一个剔除干扰信号段的掩膜,对其进行平滑处理,得到目标回波信号的筛选函数,将其与接收信号相乘提取出没有间歇采样转发式干扰ISRJ的纯净信号段,具体如下:
通过比较接收信号的能量函数Ex(t)与门限γ,构造一个掩膜c(t),在不考虑噪声时,对于雷达接收信号x(t)中的任意时刻t0,若Ex(t0)<γ,则c(t0)=1,否则c(t0)=0,那么不受ISRJ信号干扰的信号段可表示为h(t)=x(t)·c(t);
对掩膜c(t)做一次包络的提取,去除其中起伏的毛刺,具体如下:
①求得c(t)中所有数值为1的点对应的时刻坐标I(i),将坐标从小到大排列,用后一个点的坐标减去前一个点的坐标作为坐标间隔spa(i),即spa(i)=I(i+1)-I(i);求得坐标间隔的最大值max(spa(i)),用这个最大值减去一个浮动值ε作为间隔门限,此处取ε=10%×max(spa(i));若c(t)中为1的时间坐标的距离spa(i)小于间隔门限,则将后一个时间坐标I(i+1)对应的c(I(i+1))置为0,由此可以根据c(t)为1得到掩膜需要屏蔽的每一段干扰的左边界;
②将c(t)中所有数值为1的点对应的时刻坐标从大到小排列,同样去求坐标间隔,若坐标间隔小于间隔门限,则将前一个时间坐标对应的c(t)置为0,由此可以根据c(t)为1得到掩膜需要屏蔽的每一段干扰的右边界;
③将左右边界加起来,得到掩膜需要屏蔽的每一段干扰信号的完整边界,将它定义为目标回波信号的筛选函数;
假设目标回波信号的筛选函数为cho(t),那么提取出的不含ISRJ信号的接收信号段表示为
h(t)=x(t)·cho(t) (12)
5.根据权利要求4所述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法,其特征在于,步骤3所述的利用提取出的目标回波信号构建具有低旁瓣的带通滤波器,对接收信号的匹配滤波结果做带通滤波,获得抗干扰后的脉压结果,数据重排后做动目标检测MTD和恒虚警检测CFAR获取目标峰值位置,从而计算出目标的距离和速度,具体如下:
对提取出的不含ISRJ信号的接收信号段h(t)加窗,然后做匹配滤波,对其进行归一化处理后取模,可以获得带通滤波函数fil(t),即
其中,win(t)是窗函数,pp(t)是发射信号对应的匹配滤波器;
对接收信号x(t)做匹配滤波,得到脉冲压缩的结果;
将mf(t)与带通滤波函数fil(t)相乘,ISRJ干扰被滤除,得到抗干扰后的脉冲压缩结果如下:
y(t)=mf(t)·fil(t) (15)
以上是对一个脉冲重复周期PRI的信号所做的处理,在处理完一个相干处理间隔CPI的数据后,将数据重排,对每个距离门的数据做傅里叶变换,从而得到MTD的结果;接下来用有序统计恒虚警检测OS-CFAR检测目标峰值,得到目标所在单元的横纵坐标x、y后,由以下公式求得目标的距离和速度:
其中,fs是数据率,λ是发射信号波长,N是发射信号的一个CPI中的PRI个数,T是发射信号的PRI长度。
6.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一所述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的基于能量函数和带通滤波的抗间歇采样转发式干扰方法。
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CN115327491A (zh) * | 2022-10-18 | 2022-11-11 | 中国人民解放军空军预警学院 | 一种雷达脉间波形捷变抗转发式假目标干扰的方法 |
CN116400303A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-07-07 | 西安电子科技大学 | 一种脉内联合脉间时域编码抗isrj的波形设计方法 |
CN116609732A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-18 | 江西红声技术有限公司 | 反间歇采样转发干扰雷达方法、系统、存储介质及计算机 |
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2021
- 2021-12-06 CN CN202111472562.2A patent/CN114252857A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115327491A (zh) * | 2022-10-18 | 2022-11-11 | 中国人民解放军空军预警学院 | 一种雷达脉间波形捷变抗转发式假目标干扰的方法 |
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CN116400303B (zh) * | 2023-05-30 | 2023-08-11 | 西安电子科技大学 | 一种脉内联合脉间时域编码抗isrj的波形设计方法 |
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