CN114415121A - 一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法 - Google Patents

一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114415121A
CN114415121A CN202111257952.8A CN202111257952A CN114415121A CN 114415121 A CN114415121 A CN 114415121A CN 202111257952 A CN202111257952 A CN 202111257952A CN 114415121 A CN114415121 A CN 114415121A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
space
transmitting
radar system
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111257952.8A
Other languages
English (en)
Inventor
黎薇萍
陈伟超
梁家乐
王伟伟
段崇棣
杨晓超
朱江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xian Institute of Space Radio Technology
Priority to CN202111257952.8A priority Critical patent/CN114415121A/zh
Publication of CN114415121A publication Critical patent/CN114415121A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/282—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/66—Radar-tracking systems; Analogous systems
    • G01S13/72—Radar-tracking systems; Analogous systems for two-dimensional tracking, e.g. combination of angle and range tracking, track-while-scan radar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/933—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of aircraft or spacecraft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/36—Means for anti-jamming, e.g. ECCM, i.e. electronic counter-counter measures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

一种抗干扰天基TDM‑MIMO雷达系统目标探测方法，基于天基TDM‑MIMO雷达系统的信号模型，建立了发射波形的参数化模型，以表征雷达探测性能的发射信号集复合模糊函数和表征抗欺骗干扰的正交性为评价函数优化设计雷达发射信号集，通过对回波信号依次进行与各发射波形对应匹配滤波、校正高速目标的阵列走动及分组相干累积等信号处理，获得了信号处理增益，同时提高了信干噪比，保证了雷达探测性能的前提下，兼顾了抗干扰性能，而且波形的复合模糊函数具有对多普勒不敏感的特性，在检测高速运动目标时，适用于天基TDM‑MIMO雷达探测高速空间目标的实际工程应用。

Description

一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法
技术领域
本发明涉及一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，属于雷 达技术领域，更进一步涉及天基空间碎片目标探测及抗干扰领域。
背景技术
随着世界航天技术的高速发展，由失效卫星、火箭箭体、抛弃物及其相互 碰撞产生的空间碎片数目急剧增长。特别近年来随着低成本商业航天和大规模 低轨星座的迅速发展，使得空间碎片更是呈现爆炸式增长态势，从而给在轨运 行航天器及人类太空活动安全造成极大威胁。目前对于空间碎片的探测手段主 要为地基雷达与光学系统。天基雷达对空间碎片进行探测，与光学、红外等传 感器相比，具有全天时、全天候、高精度定位测速的优势；与地面雷达相比， 可以近距离对目标进行监测，对功率孔径需求及代价小，且由于太空电磁波衰 减弱，因此可以工作在很高的波段，采用很高的分辨率对空间碎片进行细节刻画。因此天基雷达探测是未来空间碎片探测的重要发展趋势。目前美国、俄罗 斯、法国、加拿大等航天强国均开展了天基空间碎片监测雷达系统研究和论证。 根据文献调研，目前国内外只有美国搭载空间站上的天基碎片探测雷达，缺少 公开资料，且这些雷达系统均不是MIMO雷达体制。
而天基雷达以其在空间小碎片探测方面的独有优势，受到国内外科研机构 的高度重视，天基雷达在未来空间碎片探测，保障空间飞行器飞行安全方面具 有十分广阔的市场应用前景。同时，在未来太空对抗中，天基雷达也可用于对 空间高威胁目标进行抵近侦察及跟踪，但由于天基雷达其运行轨道已知，因此 雷达频率、波形等相关参数极易被敌方侦察设备侦收到，并利用电子攻击对天 基雷达实施瞄准式电磁干扰，因此也需要兼顾系统的抗干扰性能。
目前，国内外多家研究机构开展了MIMO雷达体制波形设计的相关研究， 主要有频分复用(FrequencyDivision Multiplexing，FDM)、码分多路复用(Code DivisionMultiplexing，CDM)和时分复用(TDM)几种实现形式。TDM-MIMO雷 达体制常用于调频连续波雷达。CDM-MIMO常用于脉冲雷达，多采用正交编码 信号，但存在多普勒敏感等问题。FDM-MIMO雷达体制多用于MIMO-SAR， 但占用的频带资源大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种抗干扰天基 TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，解决高速目标探测性能损失，同时考虑到 天基雷达的发射波形等相关参数极易被敌方侦察设备侦收到，存在抗欺骗干扰 的问题。
本发明的技术解决方案是：一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探 测方法，包括如下步骤：
基于M发N收天基TDM-MIMO雷达系统信号模型，建立抗干扰天基 TDM-MIMO雷达系统发射波形的参数化模型；
确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M和各波形的码长P；
构建雷达信号发射波形集；
建立发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系；
M个发射天线按照建立的映射关系依次发射信号，接收阵列同时接收回波 信号；
分别对N个阵元接收的回波数据，按照发射波形的顺序依次利用各波形对 应的匹配滤波权值进行距离向脉冲压缩；
校正发射阵列每个阵列相对目标产生的走动；
每M个脉冲进行分组相干积累，消除旁瓣，同时提高了信干比；
对所有脉冲的信号进行相干积累处理，实现运动目标检测。
进一步地，所述雷达系统发射信号为
Figure BDA0003324707800000021
其中，
Figure BDA0003324707800000031
可以表示为：
Figure BDA0003324707800000032
其中，
Figure BDA0003324707800000033
所述f0为中心频率，P＝BT为码长，B和T分别为 信号的带宽和时宽，Tp＝T/P为子脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期；所述
Figure BDA0003324707800000034
为第
Figure BDA0003324707800000035
个 发射信号第p个码元；所述M为雷达发射阵元的数目；所述N为雷达接收阵元 的数目。
进一步地，所述确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M的方法包括如 下步骤：
根据雷达所需的斜距分辨率ρr确定信号带宽B或者给定信号带宽，满足以 下条件：
Figure BDA0003324707800000036
其中c＝3×108m/s为常数；
根据雷达系统参数设定信号时宽T和脉冲重复周期Tr；所述雷达系统参数 包括雷达发射功率、天线增益、作用距离；
根据信号的时宽T和带宽B确定信号的初步码长P＝BT；即
Figure BDA0003324707800000037
根据要求的角度分辨率指标Δβ确定天基TDM-MIMO雷达的发射阵元数M 和接收阵元数N，满足以下条件：
Figure BDA0003324707800000038
其中k′＝0.886为常数。
进一步地，通过初始序列迭代多次构建M个码长为P的正交码
Figure BDA0003324707800000039
Figure BDA00033247078000000310
具体包括如下步骤：
(1)根据公式求解初始序列的码长P0及迭代次数a和b：
Figure BDA0003324707800000041
(2)找到两个长度为P0的、且互相关结果为0序列X0和Y0；
(3)以[X0,Y0]为初始向量，依下式进行a次递归迭代得到两个长度为P1的序列Xa和Ya，(P1＝2aP0)，其中下式中的
Figure BDA0003324707800000042
是指Ya倒序排列后的序列。
[X1 Y1]＝[X0Y0 (-X0)Y0]
[Xa Ya]＝[Xa-1Ya-1 (-Xa-1)Ya-1]
(4)令初始矩阵
Figure BDA0003324707800000043
将F0划分成四部分，为：
Figure BDA0003324707800000044
这四部分可以表示为
Figure BDA0003324707800000045
(1≤i,j≤2)，
Figure BDA0003324707800000046
是长度为1×P1的向量；迭代1次，得 到F1，即将F0这四部分分别复制一倍得到F1的左上角和右下角部分，将F0的这四部分分别复制一倍并原始部分取负号，得到F1的右上角和左下角部分。
将F1划分成四部分，表示为
Figure BDA0003324707800000047
由2×2P1矩阵F0迭代b次得到M×P矩阵Fb：
Figure BDA0003324707800000048
其中，
Figure BDA0003324707800000051
和
Figure BDA0003324707800000052
(1≤i,j≤K且K＝M/2)是长度为1×P/M的向量，其表达式 如下式所示：
Figure BDA0003324707800000053
Figure BDA0003324707800000054
Figure BDA0003324707800000055
Figure BDA0003324707800000056
(5)将M×P矩阵Fb的每一个行向量作为正交码序列集
Figure BDA0003324707800000057
中 的一组序列码。
进一步地，M个发射正交波形集中任意两个信号
Figure BDA0003324707800000058
和
Figure BDA0003324707800000059
(p＝1,2,3,...,P；r,s＝1,2,...,M)之间的互相关函数Rr,s(τ)(r≠s)满足Rr,s(0)＝0。
进一步地，M个发射波形{S1(t),S2(t),...,SM(t)}的复合模糊函数具有脉冲冲击函数的特点，所述复合模糊函数
Figure BDA00033247078000000510
由下式给出：
Figure BDA00033247078000000511
其中，
Figure BDA00033247078000000512
是Sm(t)的模糊函数，τ是时延，fd是多普勒频率；在fd＝0时，复 合模糊函数也就是复合相关函数，也就是所有波形的自相关函数的和函数，即 所有的旁瓣均为零。
进一步地，所述发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系为：
(1)发射脉冲的序号l与其对应的发射天线的序号m之间的关系为
m＝l-kk×M
其中kk为整数，1≤m≤M，1≤l≤L；L为总的发射脉冲数；
(2)发射脉冲的序号l与其对应的发射信号的序号
Figure BDA00033247078000000513
之间 的关系，由公式
Figure BDA00033247078000000514
确定，其中randperm(M)表示对整数1～M共M个整数的随机排列。
进一步地，N个接收天线接收回波信号，第n(n＝1,2,…,N)个接收天线接 收的回波信号经过下变频之后表示为：
Figure BDA0003324707800000061
其中上式中第一项表示目标回波信号，第二项为欺骗干扰信号，AT是目标 幅度，τT是目标时延，fd是目标多普勒频率，AJ是干扰幅度，τJ是干扰的时延， n0为噪声。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序， 所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达 系统目标探测方法的步骤。
一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测设备，包括存储器、处理 器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处 理器执行所述的计算机程序时实现所述一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统 目标探测方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，该方法基于天 基TDM-MIMO雷达系统的信号模型，建立了基于复合模糊函数和互相关函数 的发射波形设计的参数化模型，在保证了雷达探测性能的前提下，兼顾了抗干 扰性能。
(2)通过该发明所提目标探测方法的TDM-MIMO雷达信号，对多普勒不 敏感，在检测高速运动目标时，适用于天基TDM-MIMO雷达探测高速空间目 标的实际工程应用。
附图说明
图1是本发明目标探测方法的处理流程图；
图2是本发明发射信号集的距离模糊函数示意；
图3是本发明发射信号在多普勒频率分别为0Hz和600KHz情况下的复合 距离模糊函数示意；
图4是本发明发射信号的复合模糊函数示意；
图5是本发明发射信号1与发射信号3之间的正交性能示意；
图6是单个脉冲回波信号进行脉冲压缩处理后结果；
图7采用本发明接收阵列1、2、3分别接收回波信号经距离走动校正后的 结果；
图8是距离走动校正之后进行相干累积处理的结果；
图9是动目标检测结果。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技 术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本 申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情 况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种抗干扰天基 TDM-MIMO雷达系统目标探测方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包 括(如图1～9所示)：基于M发N收天基TDM-MIMO雷达系统信号模型，建 立抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统发射波形的参数化模型；确定雷达系统发 射波形集的正交波形个数M和各波形的码长P；构建雷达信号发射波形集；建 立发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系；M个发射天线按照建立的映射关系依次发射信号，接收阵列同时接收回波信号；分别对N个阵元接收的 回波数据，按照发射波形的顺序依次利用各波形对应的匹配滤波权值进行距离 向脉冲压缩；校正发射阵列每个阵列相对目标产生的走动；每M个脉冲进行分 组相干积累，消除旁瓣，同时提高了信干比；对所有脉冲的信号进行相干积累 处理，实现运动目标检测。
雷达的发射接收阵列为一维线阵，M个发射阵元和N个接收阵元，发射阵 元间距为dT＝Nλ/2，接收阵元间距为dR＝λ/2，可以等效成阵元间距λ/2的一维 M×N虚拟阵列，其中所述λ为雷达工作波长；雷达的发射信号集有M个正交波 形，记为
Figure BDA0003324707800000071
M个发射天线按照预先设定的映射关系依次发射信 号，每M个脉冲设为一组脉冲串，在一组脉冲串内，发射天线的发射信号从雷 达的发射信号集中选择一个波形进行发射，保证M个发射天线的发射信号不重 复；所有接收天线同时接收回波信号；设总共有L1组脉冲串，每组脉冲串均是 由发射阵列1～M依次发射，其对应的发射信号的序号是M个整数的顺序排列 或者随机排列；发射的脉冲总数为L，即L＝M×L1。
所述的预先设定的映射关系是指：
1)发射脉冲的序号l与其对应的发射天线的序号m之间的关系是：
m＝l-kk×M
其中kk为整数，1≤m≤M，1≤l≤L；
2)发射脉冲的序号l与其对应的发射信号的序号
Figure BDA0003324707800000088
之间的 关系，由公式
Figure BDA0003324707800000081
给出，其中randperm(M)表示对整数1～M共M个整数的随机排列。
一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，步骤如下：
(1)基于M发N收天基TDM-MIMO雷达系统，建立抗干扰天基 TDM-MIMO雷达波形设计的参数化模型，雷达系统发射信号可以表示为：
Figure RE-GDA0003568975510000083
其中
Figure BDA0003324707800000083
可以表示为：
Figure BDA0003324707800000084
其中：
Figure BDA0003324707800000085
所述f0为中心频率，P＝BT为码长，B和T分别为信号的带宽和时宽，Tp＝T/P 为子脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期；所述
Figure BDA0003324707800000086
为第
Figure BDA0003324707800000087
个发射信号第p个码元；所 述M为雷达发射阵元的数目；所述N为雷达接收阵元的数目；
所述天基TDM-MIMO雷达系统发射波形集的参数化模型是以表征雷达探 测性能的发射信号集复合模糊函数和表征抗欺骗干扰的波形之间正交性为评价 函数进行优化设计发射波形集。
(2)确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M和各波形的码长P等参 数；
1)根据雷达所需的斜距分辨率ρr确定信号带宽B或者给定信号带宽，满 足以下条件：
Figure BDA0003324707800000091
其中c＝3×108m/s为常数；
2)根据雷达发射功率、天线增益、作用距离等系统参数设定信号时宽T 和脉冲重复周期Tr；
3)根据信号的时宽T和带宽B确定信号的初步码长P＝BT；即
Figure BDA0003324707800000092
4)根据要求的角度分辨率指标Δβ(单位为弧度)来确定天基TDM-MIMO 雷达的发射阵元数M和接收阵元数N，满足以下条件：
Figure BDA0003324707800000093
其中k′＝0.886为常数。
(3)通过初始序列迭代多次构建M个码长为P的正交码
Figure BDA0003324707800000094
1)根据公式求解初始序列的码长P0及迭代次数a和b：
Figure BDA0003324707800000095
2)找到两个长度为P0的序列X0和Y0，要求两个序列的互相关结果为0；
3)以[X0,Y0]为初始向量，依下式进行a次递归迭代得到两个长度为P1的 序列Xa和Ya，(P1＝2aP0)，其中下式中的
Figure BDA0003324707800000096
是指Ya倒序排列后的序列。
[X1 Y1]＝[X0Y0 (-X0)Y0]
[Xa Ya]＝[Xa-1Ya-1 (-Xa-1)Ya-1]
4)令初始矩阵
Figure BDA0003324707800000101
将F0划分成四部分，可以写成：
Figure BDA0003324707800000102
这四部分可以表示为
Figure BDA0003324707800000103
(1≤i,j≤2)，
Figure BDA0003324707800000104
是长度为1×P1的向量。如下式所 示，迭代1次，可以得到F1，即将F0这四部分分别复制一倍得到F1的左上角 和右下角部分，将F0的这四部分分别复制一倍并原始部分取负号，得到F1的 右上角和左下角部分。将F1划分成四部分，表示为
Figure BDA0003324707800000105
由2×2P1矩阵F0迭代b次得到M×P维矩阵Fb：
Figure BDA0003324707800000106
其中，
Figure BDA0003324707800000107
和
Figure BDA0003324707800000108
(1≤i,j≤K且K＝M/2)是长度为1×P/M的向量，其表达式 如下式所示：
Figure BDA0003324707800000109
Figure BDA00033247078000001010
Figure BDA00033247078000001011
Figure BDA00033247078000001012
5)将M×P矩阵Fb的每一个行向量作为
Figure BDA0003324707800000111
序列集中的一组序列码。
M个发射正交波形集中任意两个信号
Figure BDA0003324707800000112
和
Figure BDA0003324707800000113
(p＝1,2,3,...,P；r,s＝1,2,...,M) 之间的互相关函数Rr,s(τ)(r≠s)满足Rr,s(0)＝0的要求，所述互相关函数由下式给出：
Figure BDA0003324707800000114
M个发射波形{S1(t),S2(t),...,SM(t)}的复合模糊函数具有脉冲冲击函数的特点， 所述复合模糊函数
Figure BDA0003324707800000119
由下式给出：
Figure BDA0003324707800000115
其中，
Figure BDA0003324707800000116
是Sm(t)的模糊函数，τ是时延，fd是多普勒频率。在fd＝0时，复 合模糊函数也就是复合相关函数，也就是所有波形的自相关函数的和函数，即 所有的旁瓣均为零。
(4)建立发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系；M个发射天 线按照建立的映射关系依次发射信号，接收阵列同时接收回波信号。
(5)N个接收天线接收回波信号，第n(n＝1,2,…,N)个接收天线接收的 回波信号经过下变频之后可以表示为：
Figure BDA0003324707800000117
其中上式中第一项表示目标回波信号，第二项为欺骗干扰信号(其中
Figure BDA0003324707800000118
是被截获的发射信号)。AT是目标幅度，τT是目标时延，fd是目标多普勒频率， AJ是干扰幅度，τJ是干扰的时延。
(6)按照发射波形的顺序依次利用各自波形的匹配滤波器对N个接收天 线分别接收的L个回波信号进行距离向脉冲压缩，并进行FFT转换到频域；
(7)利用keystone等方法校正各发射阵列相对目标产生的距离走动；
(8)将距离走动补偿之后结果每M个脉冲进行一次相干累积处理；由于 匹配函数与发射信号的跳变一一对应，可对目标信号能量进行相干累积，而干 扰信号仅与截获的发射信号的匹配函数匹配，与其他发射波形正交，并没有得 到大的累积增益，因此相干累积处理后大大提高了输出信干噪比；由于M个发 射信号的复合模糊函数具有零旁瓣的特性，因此相干累积处理后消除了旁瓣的 影响。
所述基于天基TDM-MIMO雷达系统回波信号的信号处理过程中，将距离 走动补偿之后结果每M个脉冲进行一次相干累积处理；由于匹配函数与发射信 号的跳变一一对应，可对目标信号能量进行相干累积，而干扰信号仅与截获的 发射信号的匹配函数匹配，与其他发射波形正交，并没有获得大的累积增益， 因此相干累积处理后大大提高了输出信干噪比，达到了抗干扰的目的；由于M 个发射信号的复合模糊函数具有零旁瓣的特性，因此相干累积处理后消除了旁 瓣的影响。
(9)最后对(8)处理结果进行运动目标检测。
在本申请实施例所提供的方案中，本发明的使用场景为：采用稀疏发射阵 作为雷达平台，发射阵元间距为dT＝Nλ/2，接收阵元间距为dR＝λ/2，电磁波传播 速度c＝3×108m/s，空间碎片目标与TDM-MIMO雷达相对速度是5km/s，目标距 离雷达的初始距离为25km，干扰距离雷达为30km，信噪比SNR＝-5dB，干噪 比JNR＝15dB，信干噪比-20dB；发射脉冲数L＝96。
如图1所示为本发明目标探测方法的处理流程图，由图1可知，本发明提 供的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，具体实施步骤如下：
(1)基于M发N收天基TDM-MIMO雷达系统，建立抗干扰天基 TDM-MIMO雷达波形设计的参数化模型，雷达系统发射信号可以表示为：
Figure RE-GDA0003568975510000121
其中
Figure BDA0003324707800000122
可以表示为：
Figure BDA0003324707800000131
其中：
Figure BDA0003324707800000132
所述f0＝90GHz为中心频率，P＝BT为码长，B和T分别为信号的带宽和 时宽，Tp＝T/P为子脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期；所述
Figure BDA0003324707800000133
为第
Figure BDA0003324707800000134
个发射信号第 p个码元；所述M为雷达发射阵元的数目；所述N为雷达接收阵元的数目；
(2)确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M和各波形的码长P等参 数；
1)根据雷达所需的斜距分辨率ρr＝5m确定信号带宽B＝32MHz，满足以下 条件：
Figure BDA0003324707800000135
其中c＝3×108m/s为常数；
2)根据雷达发射功率等系统参数设定信号时宽T＝5us和脉冲重复周期 Tr＝0.5ms；
空间碎片运行速度快，太空战争中国际上规定必须机动规避的距离一般设 定为1km，为了保证雷达探测距离大于1km，发射脉冲的宽度要求小于6.67us， 因此设定信号时宽为T＝5us；
考虑到太空战争中国际上规定警告距离为50km，最大不模糊距离50km对 应的PRF为3000Hz，为了避免距离模糊要求系统脉冲重复频率小于3000Hz， 因此雷达系统的重频设计为2000Hz，因此脉冲重复周期为Tr＝0.5ms；
3)根据信号的时宽T和带宽B确定信号的初步码长P＝BT＝160；
4)根据要求的角度分辨率指标Δβ＝0.174rad(对应10°)来确定天基 TDM-MIMO雷达的发射阵元数M和接收阵元数N，满足以下条件：
Figure BDA0003324707800000136
其中k′＝0.886为常数。因此，设定发射阵元数M＝4，接收阵元数N＝3。
(3)通过初始序列迭代多次构建M个码长为P的正交码
Figure BDA0003324707800000141
1)根据公式求解初始序列的码长P0＝20及迭代次数a＝1和b＝1：
Figure BDA0003324707800000142
2)找到两个长度为P0的序列X0和Y0，
[X0]＝[+--+-+---++------++-][Y0]＝[-++------+-+++-+-++-]
两个序列的互相关结果为0；
3)以X0和Y0为初始向量，依下式进行a＝1次递归迭代得到两个长度为 P1＝40的序列X1和Y1，其中下式中的
Figure BDA0003324707800000143
是指Ya倒序排列后的序列。
[X1 Y1]＝[X0Y0 (-X0)Y0]
4)令初始矩阵
Figure BDA0003324707800000144
将F0划分成四部分，可以写成：
Figure BDA0003324707800000145
这四部分可以表示为
Figure BDA0003324707800000146
(1≤i,j≤2)，
Figure BDA0003324707800000147
是长度为1×40的向量。如下式所 示，迭代1次，可以得到F1，即将F0这四部分分别复制一倍得到F1的左上角 和右下角部分，将F0的这四部分分别复制一倍并原始部分取负号，得到F1的 右上角和左下角部分。将F1划分成四部分，表示为
Figure BDA0003324707800000148
5)将4×160矩阵F1的每一个行向量作为正交码序列集
Figure BDA0003324707800000149
中的 一组序列码。
(4)建立发射脉冲与4个发射阵元天线及发射信号的映射关系；
发射脉冲的序号l＝{1,2,3,4，…,128}其对应的发射天线的序号为m＝{1,2,3,4，1,2,3,4,…,1,2,3,4}；
假设发射信号为顺序跳变，发射脉冲的序号l＝{1,2,3,4，…,128}其对应的 发射信号的序号为
Figure BDA0003324707800000153
4个发射天线按照预先设定的映射关系依次发射信号，每4个脉冲设为一 组脉冲串，在一组脉冲串内，发射天线的发射信号从雷达的发射信号集中选择 一个波形进行发射，保证4个发射天线的发射信号不重复；所有接收天线同时 接收回波信号；设总共有L1＝32组脉冲串，每组脉冲串均是由发射阵列1～4依 次发射，其对应的发射信号的序号是4个整数的顺序排列或者随机排列；发射 的脉冲总数为L＝128。
(5)3个接收天线接收回波信号，第n(n＝1,2,3)个接收天线接收的回波 信号经过下变频之后可以表示为：
Figure RE-GDA0003568975510000151
其中上式中第一项表示目标回波信号，第二项为欺骗干扰信号(其中
Figure BDA0003324707800000152
是被截获的发射信号)。假设SNR＝-5dB和JNR＝15dB，得到目标幅度AT＝0.56和 干扰幅度AJ＝5.6，目标时延τT＝166us，干扰的时延τJ＝200us，目标多普勒频率 fd＝600kHz，n0是功率为0dBW的高斯白噪声。
(6)利用各自波形的匹配滤波器对N个接收天线分别接收的L个回波信 号进行距离向脉冲压缩，并进行FFT转换到频域；
(7)利用keystone等方法校正各发射阵列相对目标产生的距离走动；
(8)将距离走动补偿之后结果每4个脉冲进行一次相干累积处理；由于 匹配函数与发射信号的跳变一一对应，可对目标信号能量进行相干累积，而干 扰信号仅与截获的发射信号的匹配函数匹配，与其他发射波形正交，并没有得 到大的累积增益，因此相干累积处理后大大提高了输出信干噪比；由于4个发 射信号的复合模糊函数具有零旁瓣的特性，因此相干累积处理后消除了旁瓣的 影响；
(9)最后对步骤(8)处理结果进行运动目标检测。
图2给出了优化设计的各发射信号的距离模糊函数示意，由图2可知，发 射信号的距离模糊函数有一定的旁瓣电平。图3给出了优化设计的发射信号在 多普勒频率分别为0Hz和600kHz情况下的复合距离模糊函数示意。由图3可 知，复合距离模糊函数的旁瓣电平很低，几乎为0，因此M个发射波形的复合 距离模糊函数具有脉冲冲击函数的特点。图4是本发明发射信号的复合模糊函 数示意；图5是本发明发射信号1与发射信号3之间的正交性能示意，由图5 可知，发射信号之间的正交性较好。图6是单个脉冲回波信号进行脉冲压缩处理后结果，由图6可看出图中有两个峰值，目标只有一个，因此其中有一个是 虚假峰值，该虚假峰值对应的是干扰。图7采用本发明接收阵列1、2、3分别 接收回波信号经距离走动校正后的结果；图8是距离走动校正之后进行相干累 积处理的结果；由图8可看出图中只有一个峰值，虚假的峰被抑制了，而且旁 瓣电平也被抑制到较低的水平，因此可以说干扰信号被抑制了。图9是动目标 检测结果，可以看出检测到一个动目标。
通过本发明具体实施方式可以看出，一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系 统目标探测方法，在保证了雷达探测性能的前提下，兼顾了抗干扰性能，而且 波形的复合模糊函数具有对多普勒不敏感的特性，在检测高速运动目标时，适 用于天基TDM-MIMO雷达探测高速空间目标的实际工程应用。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计 算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的 方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结 合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包 含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和 光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品 的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或 方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式 处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机 或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流 程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申 请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及 其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于M发N收天基TDM-MIMO雷达系统信号模型，建立抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统发射波形的参数化模型；
确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M和各波形的码长P；
构建雷达信号发射波形集；
建立发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系；
M个发射天线按照建立的映射关系依次发射信号，接收阵列同时接收回波信号；
分别对N个阵元接收的回波数据，按照发射波形的顺序依次利用各波形对应的匹配滤波权值进行距离向脉冲压缩；
校正发射阵列每个阵列相对目标产生的走动；
每M个脉冲进行分组相干积累，消除旁瓣，同时提高了信干比；
对所有脉冲的信号进行相干积累处理，实现运动目标检测。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于：所述雷达系统发射信号为
Figure FDA0003324707790000011
其中，
Figure FDA0003324707790000012
可以表示为：
Figure FDA0003324707790000013
其中，
Figure FDA0003324707790000014
所述f0为中心频率，P＝BT为码长，B和T分别为信号的带宽和时宽，Tp＝T/P为子脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期；所述
Figure FDA0003324707790000015
为第
Figure FDA0003324707790000016
个发射信号第p个码元；所述M为雷达发射阵元的数目；所述N为雷达接收阵元的数目。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，所述确定雷达系统发射波形集的正交波形个数M的方法包括如下步骤：
根据雷达所需的斜距分辨率ρr确定信号带宽B或者给定信号带宽，满足以下条件：
Figure FDA0003324707790000021
其中c＝3×108m/s为常数；
根据雷达系统参数设定信号时宽T和脉冲重复周期Tr；所述雷达系统参数包括雷达发射功率、天线增益、作用距离；
根据信号的时宽T和带宽B确定信号的初步码长P＝BT；即
Figure FDA0003324707790000022
根据要求的角度分辨率指标Δβ确定天基TDM-MIMO雷达的发射阵元数M和接收阵元数N，满足以下条件：
Figure FDA0003324707790000023
其中k′＝0.886为常数。
4.根据权利要求1所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，通过初始序列迭代多次构建M个码长为P的正交码
Figure FDA0003324707790000024
Figure FDA0003324707790000025
具体包括如下步骤：
(1)根据公式求解初始序列的码长P0及迭代次数a和b：
Figure FDA0003324707790000026
(2)找到两个长度为P0的、且互相关结果为0序列X0和Y0；
(3)以[X0,Y0]为初始向量，依下式进行a次递归迭代得到两个长度为P1的序列Xa和Ya，(P1＝2aP0)，其中下式中的
Figure FDA0003324707790000031
是指Ya倒序排列后的序列。
[X1 Y1]＝[X0Y0 (-X0)Y0]
[Xa Ya]＝[Xa-1Ya-1 (-Xa-1)Ya-1]
(4)令初始矩阵
Figure FDA0003324707790000032
将F0划分成四部分，为：
Figure FDA0003324707790000033
这四部分可以表示为
Figure FDA0003324707790000034
Figure FDA0003324707790000035
是长度为1×P1的向量；迭代1次，得到F1，即将F0这四部分分别复制一倍得到F1的左上角和右下角部分，将F0的这四部分分别复制一倍并原始部分取负号，得到F1的右上角和左下角部分。将F1划分成四部分，表示为
Figure FDA0003324707790000036
由2×2P1矩阵F0迭代b次得到M×P矩阵Fb：
Figure FDA0003324707790000037
其中，
Figure FDA0003324707790000038
和
Figure FDA0003324707790000039
(1≤i,j≤K且K＝M/2)是长度为1×P/M的向量，其表达式如下式所示：
Figure FDA00033247077900000310
Figure FDA00033247077900000311
Figure FDA00033247077900000312
Figure FDA00033247077900000313
(5)将M×P矩阵Fb的每一个行向量作为正交码序列集
Figure FDA0003324707790000041
中的一组序列码。
5.根据权利要求4所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，M个发射正交波形集中任意两个信号
Figure FDA0003324707790000042
和
Figure FDA0003324707790000043
(p＝1,2,3,...,P；r,s＝1,2,...,M)之间的互相关函数Rr,s(τ)(r≠s)满足Rr,s(0)＝0。
6.根据权利要求4所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，M个发射波形{S1(t),S2(t),...,SM(t)}的复合模糊函数具有脉冲冲击函数的特点，所述复合模糊函数
Figure FDA0003324707790000048
由下式给出：
Figure FDA0003324707790000044
其中，
Figure FDA0003324707790000045
是Sm(t)的模糊函数，τ是时延，fd是多普勒频率；在fd＝0时，复合模糊函数也就是复合相关函数，也就是所有波形的自相关函数的和函数，即所有的旁瓣均为零。
7.根据权利要求1所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，所述发射脉冲与发射阵元天线及发射信号的映射关系为：
(1)发射脉冲的序号l与其对应的发射天线的序号m之间的关系为
m＝l-kk×M
其中kk为整数，1≤m≤M，1≤l≤L；L为总的发射脉冲数；
(2)发射脉冲的序号l与其对应的发射信号的序号
Figure FDA0003324707790000046
之间的关系，由公式
Figure FDA0003324707790000047
确定，其中randperm(M)表示对整数1～M共M个整数的随机排列。
8.根据权利要求1所述的一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测方法，其特征在于，N个接收天线接收回波信号，第n(n＝1,2,…,N)个接收天线接收的回波信号经过下变频之后表示为：
Figure FDA0003324707790000051
其中上式中第一项表示目标回波信号，第二项为欺骗干扰信号，AT是目标幅度，τT是目标时延，fd是目标多普勒频率，AJ是干扰幅度，τJ是干扰的时延，n0为噪声。
9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求8任一所述方法的步骤。
10.一种抗干扰天基TDM-MIMO雷达系统目标探测设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～权利要求8任一所述方法的步骤。
CN202111257952.8A 2021-10-27 2021-10-27 一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法 Pending CN114415121A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111257952.8A CN114415121A (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111257952.8A CN114415121A (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114415121A true CN114415121A (zh) 2022-04-29

Family

ID=81265285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111257952.8A Pending CN114415121A (zh) 2021-10-27 2021-10-27 一种抗干扰天基tdm-mimo雷达系统目标探测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114415121A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117890898A (zh) * 2024-03-01 2024-04-16 清华大学 基于相位中心捷变阵列的双基地雷达加密目标探测方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117890898A (zh) * 2024-03-01 2024-04-16 清华大学 基于相位中心捷变阵列的双基地雷达加密目标探测方法
CN117890898B (zh) * 2024-03-01 2024-05-14 清华大学 基于相位中心捷变阵列的双基地雷达加密目标探测方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110412559B (zh) 分布式无人机mimo雷达的非相参融合目标检测方法
CN110456334B (zh) 基于优化稀疏阵的tdm-mimo雷达系统及其信号处理方法
CN104297734B (zh) 基于频率分集阵列的mimo雷达的欺骗式干扰抑制方法
Wang et al. Main-beam range deceptive jamming suppression with simulated annealing FDA-MIMO radar
CN110412568B (zh) 基于扩展方位角相位编码的距离模糊杂波抑制方法
CN111693983B (zh) 互补波形构建方法及模块、认知雷达系统及波形发射方法
CN111880171B (zh) 一种消除雷达目标盲速的脉冲分段编码方法
CN102156279B (zh) 基于mimo的双基地雷达地面动目标检测方法
CN104977571B (zh) 基于俯仰频率分集stap的距离模糊杂波抑制方法
CN107037410A (zh) 一种对雷达进行干扰的方法、装置及频控阵干扰机
CN103018727A (zh) 一种基于样本训练的机载雷达非平稳杂波抑制方法
CN103728606A (zh) 机载mimo雷达的多普勒通道关联两级降维方法
CN109283497B (zh) 双基地fda-mimo雷达距离欺骗干扰识别方法
CN109765529B (zh) 一种基于数字波束形成的毫米波雷达抗干扰方法及系统
CN111830482B (zh) 基于捷变ofdm的fda雷达目标定位方法
CN110109117A (zh) 基于频控阵的星载合成孔径雷达卷积调制干扰方法
CN106066473A (zh) 正交波形下mimo雷达目标的多波束联合测角和点迹融合方法
CN114152916A (zh) 一种基于先导信息的mimo雷达波形正交方法
CN105974388B (zh) 基于距离-方位耦合的双基地mimo雷达信号处理方法
CN116359857B (zh) 机载预警雷达空时频自适应抗主瓣欺骗干扰方法与装置
CN105182313A (zh) 一种基于不完全杂波先验知识的mimo-stap稳健波形设计方法
CN104267389A (zh) 一种mimo天波超视距雷达信号处理方法
CN114019462A (zh) 一种提高雷达低截获性和抗干扰性的方法
CN114764136A (zh) 基于多时间尺度耦合网络的雷达抗干扰波形产生方法
CN115480222A (zh) 一种基于频控阵干扰机的雷达干扰技术方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination