CN114594428A - 基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法 - Google Patents
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Abstract
基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,涉及雷达抗干扰领域。本发明是为了解决现有间歇采样干扰抑制方法可实施性差,以及针对经过频率调制的间歇采样干扰时抑制会失效的问题。本发明包括:获取最优脉间频率编码脉内线性调频信号的回波;对回波进行脉冲压缩;将脉冲压缩结果在快时间维进行相位补偿;将相位补偿结果在慢时间维超分辨处理获得真假目标多普勒频率;利用真假目标多普勒频率构建设计斜投影矩阵;利用斜投影矩阵将相位补偿结果在慢时间维滤波处理;对滤波处理结果进行逆相位补偿;将逆相位补偿结果在慢时间维进行多普勒处理获得回波距离多普勒谱;利用回波距离多普勒谱实现目标有效探测。本发明用于抑制间歇采样干扰。
Description
技术领域
本发明涉及雷达抗干扰领域,特别涉及基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法。
背景技术
雷达是通过辐射电磁波来探测目标的电子设备,相较于其他探测设备,雷达具有全天时、全天候的特点,并具有一定的穿透能力,在军事与民用领域都得到了广泛的应用。然而,随着数字技术与硬件技术的快速发展,各种欺骗干扰技术不断被提出,尤其是基于数字射频存储技术(Digital radio frequency memory,DRFM)的间歇采样干扰(Interruptedsampling repeater jamming,ISRJ)的提出,严重影响了雷达探测性能。间歇采样干扰是针对雷达发射的线性调频信号提出的,其通过对雷达信号进行间歇采样并快速转发,形成的间歇采样干扰进入雷达接收机处理后可形成密集假目标,兼具压制与欺骗效果。由于该干扰响应速度快,已成熟的抗欺骗干扰脉间分集技术对这一干扰无法奏效。因此针对该干扰对抗方法的研究已成为本领域的研究重点与热点。
现有针对脉间频率编码脉内线性信号的抗间歇采样干扰技术主要可分为两类,分别为基于信号处理的脉间频率编码脉内线性信号间歇采样干扰抑制方法以及基于波形设计的脉间频率编码脉内线性信号间歇采样干扰对抗方法。前者利用干扰信号在时频谱上的间断离散性,在对干扰参数识别提取基础上构建带通滤波器来滤除干扰,这种方法属于被动抗干扰。为了提高雷达抗干扰的主动性,改善雷达的抗干扰性能,有学者提出通过设计雷达发射波形来实现抗干扰,更充分的调用雷达发射端抗干扰资源,即第二类方法。这一类方法利用干扰信号只能截获部分雷达信号片段的特性,通过波形设计使得未被干扰机截获的雷达信号片段与被截获的信号片段具有低互相关性,进而通过未被干扰机截获的雷达信号片段构建滤波器来滤除干扰。此外,还有学者通过发射端波形设计与接收端滤波器联合设计来改善干扰对抗性能。然而,这些方法主要是针对未进行频率调制的脉间频率编码脉内线性信号的间歇采样干扰提出的,对于经过频率调制的脉间频率编码脉内线性信号间歇采样干扰则会失效。此外,现有技术都是在干扰参数准确估计的前提下实现的,实际工程中干扰参数的准确估计并不是一件易于实现的工作,因此也会导致对脉间频率编码脉内线性调频的抗间歇采样干扰的方法可实施性差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有间歇采样干扰抑制方法针对脉间频率编码脉内线性调频信号还存在由于依赖干扰参数准确估计的前提而导致的干扰抑制方法可实施性差的问题,以及难以有效抑制经过频率调制的间歇采样干扰的问题,而提出了基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法。
基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法具体过程为:
步骤一、获取雷达发射机发射的脉间频率编码脉内线性调频信号的回波rn(t);
所述回波包括:目标回波以及间歇采样干扰信号;
步骤二、对步骤一获取的每个脉冲重复周期的回波分别进行脉冲压缩处理,获得脉冲压缩处理结果;
步骤三、将步骤二获得的脉冲压缩处理结果在快时间维进行相位补偿获得相位补偿结果,然后将相位补偿结果在慢时间维进行超分辨处理获得真目标多普勒频率和间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率;
步骤四、利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,然后利用真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵;
步骤五、利用步骤四获得的斜投影矩阵对步骤三获得的相位补偿结果在慢时间维进行滤波处理,获得滤波处理结果;
步骤六、对步骤五获得的滤波处理结果进行逆相位补偿处理,获得逆相位补偿结果;
所述逆相位补偿的逆相位补偿值与步骤三相位补偿的相位补偿值相反;
步骤七、将步骤六获取的逆相位补偿结果在慢时间维进行多普勒处理获得回波距离多普勒谱,然后利用回波距离多普勒谱获得目标距离多普勒信息,实现目标探测。
本发明的有益效果为:
本发明通过对雷达发射的脉间频率编码脉内线性调频信号进行设计可实现混叠的目标与间歇采样干扰在距离多普勒维分离,同时,本发明通过相位补偿处理使得目标与脉间频率编码脉内线性调频信号间歇采样干扰在多普勒维分离解决了分离后的信号存在距离多普勒耦合性的问题。在此基础上本发明通过设计斜投影矩阵滤除干扰,实现脉间频率编码脉内线性调频信号间歇采样干扰抑制。本发明实现了干扰与目标的分离,因此在抑制干扰时对目标回波特性的影响较低。本发明可同时适用于未经过频率调制以及经过频率调制的脉间频率编码脉内线性信号间歇采样干扰的抑制,达到了稳健的间歇采样干扰对抗效果。此外,本发明的发射端波形设计以及接收端处理方式复杂度都较低,易于在实际工程中应用,提升了干扰抑制方法的可实施性。
附图说明
图1为实施例中雷达发射线性调频脉冲串信号回波距离多普勒处理结果图;
图2(a)为雷达发射脉间频率步进值为0.39MHz的脉间频率编码线性调频信号回波距离多普勒处理结果图;
图2(b)为脉间频率编码线性调频信号回波经过相位补偿后的距离多普勒谱图;
图2(c)为脉间频率编码线性调频信号回波经过相位补偿以及斜投影滤波处理后的距离多普勒谱图;
图2(d)为脉间频率编码线性调频信号回波分别经过相位补偿、斜投影滤波处理以及逆相位补偿处理后的距离多普勒谱图;
图3为脉间频率编码线性调频信号回波分别经过相位补偿、斜投影滤波处理以及逆相位补偿处理后的距离图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法具体过程为:
步骤一、利用雷达接收机获取雷达发射机发射的脉间频率编码脉内线性调频信号的回波,回波中包括目标回波以及干扰机释放的间歇采样干扰信号,包括以下步骤
步骤一一、雷达发射机发射脉间频率编码脉内线性调频信号用于目标探测,发射信号s(t)可表示如下:
式中,N是组成脉间频率编码脉内线性调频信号的脉冲个数,Tr是脉间频率编码脉内线性调频信号中脉冲的重复周期,Δf=B/N为脉间频率步进值,u(t)是脉宽为T,带宽为B的线性调频脉冲信号,fn=nΔf为第(n+1)个脉冲的频率编码值,n∈{0,1,…,N-1},j是虚数单位,k=B/T是线性调频脉冲信号的调频斜率,rect(t)是矩形函数,t是时间变量,e(·)表示以自然数为底的指数函数;
步骤一二、利用雷达接收机获取步骤一一雷达发射信号s(t)照射到威胁目标反射的回波,第(n+1)个脉冲重复周期雷达接收机接收到的目标回波rs,n(t):
其中,As为目标回波复幅度,c表示光速,Rs是威胁目标到雷达的距离,fd,s是威胁目标的多勒普频率;
步骤一三、获取雷达接收机在第(n+1)个脉冲重复周期接收到的间歇采样干扰信号rJ,n(t):
步骤一三一、雷达信号辐射到威胁目标的同时,威胁目标配备的自卫干扰机会通过采样信号p(t)截获雷达信号并进行适当调制来产生间歇采样干扰。干扰机的工作策略是通过检测脉冲前沿,当检测到脉冲前沿时开始采样,当检测到脉冲后沿时,停止采样,因此雷达在第(n+1)个脉冲重复周期接收到的间歇采样干扰信号:
式中,AJ为干扰信号复幅度,τJ为间歇采样干扰信号相比于目标回波的转发延时,p(t)是威胁目标干扰机的采样信号,是威胁目标干扰机在第(n+1)个脉冲重复周期截获的雷达信号,fJ是威胁目标干扰机对采样信号进行频率调制后产生的频移量,T0为采样宽度,Ts为采样周期,fs=1/Ts是干扰机采样频率,表示卷积运算符,δ(t)表示狄拉克函数,m为干扰形成的假目标标号,其可为任意整数;
步骤一三二、将步骤一三一获得的干扰信号进行频域转换获取最终雷达接收的间歇采样干扰信号:
step1、由于在时域上进行乘积运算等价于在频域进行卷积运算,因此式(5)中u(t)p(t)的傅里叶变换处理结果如下所示,
式中,F(·)表示傅里叶变换函数,sa(x)=sin(x)/x为辛格函数,x是参数变量,f是频率变量,am是中间变量;
step2、设F(u(t))=U(f),则式(8)改写为:
其中,U(·)是频域函数,k是任意整数;
从而可得,
step4、将step3获得的u(t)p(t)代入公式(5),第(n+1)个脉冲重复周期雷达接收到的间歇采样干扰信号rJ,n(t)最终为:
步骤一四、利用步骤一三获得的间歇采样干扰信号rJ,n(t)和步骤一二获得的目标回波rs,n(t)获取在不考虑噪声与杂波情况下,雷达接收机在第(n+1)个脉冲重复周期收到的回波rn(t):
步骤二、对步骤一获取的每个脉冲重复周期的回波分别进行脉冲压缩处理,获得脉冲压缩处理结果,如下式:
式(16)在kt+fd=0时输出峰值,因此,根据式(15),当k(t-2Rs/c)+fd,s=0时真目标回波处理输出峰值,由于fd,s较小可忽略,因此当k(t-2Rs/c)=0时真目标回波输出峰值,即真目标处理后在距离单元Rs。此外,当k(t-2Rs/c-τJ)+(mfs+fJ+fd,s)≈k(t-2Rs/c-τJ)+(mfs+fJ)=0时,间歇采样干扰处理后形成的第m个假目标输出峰值,位于距离单元Rs+cτJ/2-c(mfs+fJ)/2k处。可见间歇采样干扰处理后可形成多个假目标,这些假目标在距离维均匀分布。本发明针对脉间频率编码脉内线性调频信号的波形特点,先对回波信号进行压缩,然后对压缩后的信号进行多普勒补偿。
步骤三、将步骤二获得的脉冲压缩处理结果在快时间维进行相位补偿获得相位补偿结果,然后将相位补偿结果在慢时间维进行超分辨处理获得真目标多普勒频率和间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率,包括以下步骤:
本步骤中相位补偿处理不影响真假目标距离位置。
步骤三三、利用超分辨算法对进行处理获得真目标多普勒和间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率,然后利用真假目标的多普勒频率将真假目标分离;根据步骤三二获得的可知真目标回波多普勒频率为fd,sTr-2RsΔf/c,间歇采样干扰形成的假目标的多普勒频率为fd,sTr-Δf(2Rs/c+τJ);
所述超分辨算法为多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法。
步骤四、利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,然后利用真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵,包括以下步骤:
步骤四一、利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,如下:
Us'=[b(fd,sTr-2RsΔf/c)] (21)
UJ'=[b(fd,sTr-Δf(2Rs/c+τJ))] (22)
其中,Us'是真目标多普勒子空间,UJ'是假目标多普勒子空间,fd,sTr-2RsΔf/c是真目标多普勒频率,fd,sTr-Δf(2Rs/c+τJ)是假目标多普勒频率;
需要注意的是,当回波中存在多个位于不同多普勒单元的真目标与假目标时,真假目标多普勒子空间需要进行相应的修改。如当回波中存在P个位于不同多普勒单元的真目标,所处多普勒单元分别为fs,1,…fs,i,,…fs,P,以及存在Q个位于不同多普勒单元的假目标,所处多普勒单元分别为fJ,1,…fJ,l,…,fJ,Q,则真假目标子空间可分别表示为:
Us=[b(fs,1),…,b(fs,P)] (23)
以及
式中,Us是真目标多普勒子空间,UJ是假目标多普勒子空间,fs,i是回波信号中第i个相位补偿后的多普勒频率,是回波信号中第i个真目标辐射的第li个间歇采样干扰形成的假目标相位补偿后的多普勒频率,li∈[1,Qi],Qi是第i个真目标辐射间歇采样干扰形成的假目标的总数,i∈[1,P],P是回波信号中存在的位于不同多普勒单元的真目标的总个数,是回波信号中P个真目标辐射的间歇采样干扰总个数,与分别是第i个真目标的多普勒频率与距离,是第i个真目标辐射的第li个间歇采样干扰相比于第i个真目标的延时。
步骤四二、利用步骤四一获得的真假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵,获得设计好的斜投影矩阵:
步骤五、利用步骤四获得的斜投影矩阵对步骤三获得的相位补偿结果在慢时间维进行滤波处理实现干扰抑制,获得滤波处理结果,如下:
式中,zn(t)是第n+1个滤波通道输出的数据;
步骤六、对步骤五获得的滤波处理结果进行逆相位补偿处理,获得逆相位补偿结果,包括:
其中,相位补偿值与步骤四中的相位补偿值相反;
步骤七、将步骤六获取的逆相位补偿结果在慢时间维进行多普勒处理获得回波距离多普勒谱,然后利用回波距离多普勒谱获得目标距离多普勒信息,实现目标有效探测,包括以下步骤:
步骤七一、对步骤六获取的逆相位补偿结果在慢时间维进行多普勒处理获得回波距离多普勒谱:
其中,fd是多普勒处理的多普勒频率;
步骤七二、在步骤七一获得的距离多普勒谱中寻找峰值输出,从而确定目标距离多普勒信息:
当Δf(t-2Rs/c)+fd,sTr-fdTr=0且t-2Rs/c=0时出现峰值,即目标位于距离Rsm,多普勒频率fd,sHz处,从而可知本发明抑制干扰的同时对目标回波不产生影响。
实施例:
本实施例通过在仿真工具MATLAB上进行验证,雷达发射的脉间频率编码脉内线性调频信号参数为:
此外干扰机采用间歇采样方式截获雷达发射信号,采样信号参数为:
采样宽度 0.5us
采样周期 2us
本实施例的具体过程为:
在距离雷达10km处设置一多普勒频率为2000Hz的威胁目标,威胁目标配备自卫干扰机,干扰机采用间歇采样方式截获雷达发射信号并进行频率调制,调制后转发形成频移间歇采样干扰,间歇采样干扰频率调制值为6MHz,干扰相比于真目标回波延时为0.5us。图1展示了雷达发射线性调频脉冲串信号回波距离多普勒处理结果,线性调频脉冲串信号是脉间频率编码线性调频信号的脉间频率步进值为0Hz时的特殊形式,可见在距离多普勒谱上干扰将目标淹没。图2(a)展示了雷达发射脉间频率步进值为0.39MHz的脉间频率编码线性调频信号回波距离多普勒处理结果,可见真目标与干扰在距离多普勒谱上实现分离。图2(b)展示了脉间频率编码线性调频信号回波经过相位补偿后的距离多普勒谱,可见真目标与干扰分别分布于不同多普勒频率单元上。图2(c)展示了脉间频率编码线性调频信号回波经过相位补偿以及斜投影滤波处理后的距离多普勒谱,可见干扰被滤除,距离多普勒谱上只存在真目标。图2(d)展示了脉间频率编码线性调频信号回波分别经过相位补偿、斜投影滤波处理以及逆相位补偿处理后的距离多普勒谱,可见真目标峰值在谱中距离10km,多普勒频率2031Hz处,与设置值几乎相符。图3展示了脉间频率编码线性调频信号回波分别经过相位补偿、斜投影滤波处理以及逆相位补偿处理后的距离图,可见图中只存在真目标,干扰被有效滤除。
Claims (10)
1.基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,其特征在于所述方法具体过程为:
步骤一、获取雷达发射机发射的脉间频率编码脉内线性调频信号的回波rn(t);
所述回波包括:目标回波以及间歇采样干扰信号;
步骤二、对步骤一获取的每个脉冲重复周期的回波分别进行脉冲压缩处理,获得脉冲压缩处理结果;
步骤三、将步骤二获得的脉冲压缩处理结果在快时间维进行相位补偿获得相位补偿结果,然后将相位补偿结果在慢时间维进行超分辨处理获得真目标多普勒频率和间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率;
步骤四、利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,然后利用真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵;
步骤五、利用步骤四获得的斜投影矩阵对步骤三获得的相位补偿结果在慢时间维进行滤波处理,获得滤波处理结果;
步骤六、对步骤五获得的滤波处理结果进行逆相位补偿处理,获得逆相位补偿结果;
所述逆相位补偿的逆相位补偿值与步骤三相位补偿的相位补偿值相反;
步骤七、将步骤六获取的逆相位补偿结果在慢时间维进行多普勒处理获得回波距离多普勒谱,然后利用回波距离多普勒谱获得目标距离多普勒信息,实现目标探测。
2.根据权利要求1所述的基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,其特征在于:所述步骤一中的获取雷达发射机发射的脉间频率编码脉内线性调频信号的回波,包括以下步骤:
步骤一一、获取雷达发射机发射的脉间频率编码脉内线性调频信号s(t):
其中,N是组成脉间频率编码脉内线性调频信号的脉冲个数,Tr是脉间频率编码脉内线性调频信号中脉冲的重复周期,Δf为脉间频率步进值,u(t)是脉宽为T,带宽为B的线性调频脉冲信号,fn为第(n+1)个脉冲的频率编码值,n∈{0,1,…,N-1},j是虚数单位,k是线性调频脉冲信号的调频斜率,rect(t)是矩形函数,t是时间变量,e(·)表示以自然数为底的指数函数;
步骤一二、获取s(t)照射到威胁目标反射的第(n+1)个脉冲重复周期的目标回波rs,n(t):
其中,As为目标回波复幅度,c表示光速,Rs是威胁目标与雷达之间的距离,fd,s是威胁目标的多勒普频率;
步骤一三、获取第(n+1)个脉冲重复周期的间歇采样干扰信号rJ,n(t);
步骤一四、利用步骤一三获得的间歇采样干扰信号rJ,n(t)和步骤一二获得的目标回波rs,n(t)获取第(n+1)个脉冲重复周期的脉间频率编码脉内线性调频信号的回波rn(t)。
3.根据权利要求2所述的基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,其特征在于:所述步骤一三中的获取第(n+1)个脉冲重复周期的间歇采样干扰信号rJ,n(t),包括以下步骤:
步骤一三一、获取雷达在第(n+1)个脉冲重复周期接收到的间歇采样干扰信号:
式中,AJ为干扰信号复幅度,τJ为间歇采样干扰信号相比于目标回波的转发延时,p(t)是威胁目标干扰机的采样信号,是威胁目标干扰机在第(n+1)个脉冲重复周期截获的雷达信号,fJ是威胁目标干扰机对采样信号进行频率调制后产生的频移量,T0为干扰机采样宽度,Ts为干扰机采样周期,fs=1/Ts是干扰机采样频率,表示卷积运算符,δ(t)表示狄拉克函数,m为任意整数;
步骤一三二、将步骤一三一获得的干扰信号进行频域转换获取最终雷达接收的间歇采样干扰信号rJ,n(t):
step1、将公式(5)中的u(t)p(t)进行傅里叶变换,获得傅里叶变换结果:
式中,F(·)表示傅里叶变换函数,sa(x)=sin(x)/x为辛格函数,x是参数变量,f是频率变量,am是中间变量;
step2、设F(u(t))=U(f),则将式(8)改写为:
其中,U(·)是频域函数,k是任意整数;
从而可得,
step4、将step3获得的u(t)p(t)代入公式(5),雷达接收的间歇采样干扰信号rJ,n(t)最终为:
6.根据权利要求5所述的基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,其特征在于:所述步骤三中的将步骤二获得的脉冲压缩处理结果在快时间维进行相位补偿获得相位补偿结果,然后将相位补偿结果在慢时间维进行超分辨处理获得真目标多普勒频率和间歇采样干扰形成的假目标的多普勒频率,包括以下步骤:
所述真目标多普勒频率为fd,sTr-2RsΔf/c,间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率为fd,sTr-Δf(2Rs/c+τJ)。
7.根据权利要求6所述的基于脉间频率编码脉内线性调频的间歇采样干扰抑制方法,其特征在于:所述步骤四中的利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,然后利用真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵,包括以下步骤:
步骤四一、利用步骤三获取的真目标多普勒频率、间歇采样干扰形成的假目标多普勒频率构建真目标多普勒子空间和假目标多普勒子空间,如下:
Us=[b(fs,1),…,b(fs,P)] (23)
其中,
式中,Us是真目标多普勒子空间,UJ是假目标多普勒子空间,fs,i是回波信号中第i个相位补偿后的多普勒频率,i∈[1,P],P是回波信号中存在的位于不同多普勒单元的真目标的总个数,是回波信号中第i个真目标辐射的第li个间歇采样干扰形成的假目标相位补偿后的多普勒频率,li∈[1,Qi],是回波信号中P个真目标辐射的间歇采样干扰总个数,与分别是第i个真目标的多普勒频率与距离,是第i个真目标辐射的第li个间歇采样干扰相比于第i个真目标的延时;
步骤四二、利用步骤四一获得的真假目标多普勒子空间设计斜投影矩阵,如下:
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