CN114994619A - 基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法 - Google Patents

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CN114994619A CN202210586252.1A CN202210586252A CN114994619A CN 114994619 A CN114994619 A CN 114994619A CN 202210586252 A CN202210586252 A CN 202210586252A CN 114994619 A CN114994619 A CN 114994619A
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Abstract

本发明公开了一种基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰方法，主要解决现有技术存在的抗干扰带来期望信号能量损失以及大规模共形阵抗干扰计算复杂度高的问题。本发明的具体实施步骤为：接受导航卫星回波数据；自适应选取有效阵元；构建广义旁瓣相消器的降维矩阵；计算广义旁瓣相消器自适应权矢量；将广义旁瓣相消器自适应权矢量与有效阵元回波数据矩阵相乘对其进行抗干扰处理。本发明能够抑制低空强干扰的同时保留目标的回波能量，降低计算复杂度，利于工程实现。可应用于大规模共形阵列抑制低空强干扰。

Description

基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法。本发明可用于共形阵列的假目标干扰抑制，当雷达回波中混入多个强干扰信号时，阵列天线性能急剧下降，通过对雷达回波进行广义旁瓣相消处理，可以达到抑制干扰的目的。
背景技术
卫星导航系统因其全天候、全天时、全球性的技术优势，无论是在民用还是军用方面都已得到广泛应用，但是卫星信号从发射到达地面阵列天线的时候已经非常微弱，极易受到各种低空强干扰和人为干扰，导致地面阵列天线性能急剧下降。这就要求天线阵列必须具备良好的抗干扰能力。自适应抗干扰是卫星导航抗干扰的重要技术手段。基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰方法可以利用广义旁瓣相消技术抑制强干扰的同时，降低计算复杂度，利于工程实现。
重庆九州星熠导航设备有限公司在其申请的专利文献“一种圆环共形阵列空时抗干扰方法”(申请号：201811088759.4申请日：2018.09.18申请公布号：CN 109245781 A)中公开了一种共形阵抗干扰方法。该方法通过自适应阵元选择和特征值分解进行干扰抑制。其实现步骤为：第一步，通过自适应阵元选择为算法提供有效信息；第二步，将接收信号移频到基带，实现IQ分解，并通过数字低通滤波对带外信号进行抑制；第三步，通过一定样本点数的累计计算自相关矩阵；第四步：通过特征值分解进行自相关矩阵求逆；第五步：根据权值自适应调节信号幅度和相位，使干扰方向形成较深零陷。该方法存在的不足之处在于，在大规模共形阵列背景下，即使进行有效阵元选择和特征值分解，计算复杂度仍然较高，不利于工程实现。
武汉中元通信股份有限公司在其申请的专利文献“一种空时自适应抗干扰方法及装置”(申请号：2020.10933085.4申请日：2020.09.08申请公布号：CN112162299A)中公开了一种空时自适应抗干扰方法。其实现步骤为：第一步，采集数字中频信号，并对所述数字中频信号进行正交变频，得到复基带信号；第二步，将各路所述复基带信号按空时抗干扰架构进行时域抽头处理，得到抽头数据；第三步，计算各所述抽头数据的协方差矩阵，并对所述协方差矩阵进行求逆，得到协方差矩阵的逆矩阵；第四步，根据所述逆矩阵采用LCMV准则计算各抽头数据的抗干扰权值；第五步，利用所述抗干扰权值对相应抽头数据进行空时二维滤波，得到抗干扰滤波后的复基带信号。该方法存在的不足之处是，对干扰进行抑制的同时，会损失部分目标回波信号能量，导致目标检测成功的概率下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，用于解决共阵列天线对低空强干扰抑制，期望信号能量损失以及计算复杂度高的问题。
实现本发明目的的具体思路是，在卫星导航系统中针对大规模共形阵列低空强干扰，由于共形阵载体遮挡引起的部分阵元不能有效接收信号，引起抗干扰性能下降。本发明通过阵元位置信息和来波方向自适应选取有效阵元，减少阵元回波数据的数据量，并在广义旁瓣相消算法中进行降维处理，再次减少数据量，由此解决现有技术中的自适应抗干扰计算复杂度高的问题。本发明采用广义旁瓣相消方法，在利用回波数据计算协方差矩阵时，将期望信号回波从总回波数据中剔除，对协方差矩阵求逆构建白化矩阵，对接收信号进行白化滤波，无失真保留期望信号。由此解决现有技术干中扰抑制带来的期望信号相消问题。
本发明的具体包括步骤如下：
步骤1，接收导航卫星的回波数据；
步骤2，自适应选取有效阵元；
计算共形阵列天线中每个阵元位置相对于阵列中心位置的连线方向的矢量与导航卫星来波方向的方向矢量夹角，将共形阵列阵元位置相对于阵列中心位置的连线的方向与导航卫星来波方向的夹角小于60°的阵元判定为有效阵元；
步骤3，构建每个脉冲重复间隔PRI的降维矩阵；
步骤3.1，在干扰方向未知的情况下，通过临近方向选取规则选取导航卫星来波方向的临近方向，计算每个临近方向对应的导向矢量，将所有方向的导向矢量组成降维矩阵；
所述临近方向选取规则是，以导航卫星来波方向
Figure BDA0003663531730000021
为中心，θ0表示导航卫星来波方向的方位角，
Figure BDA0003663531730000031
表示导航卫星来波方向的俯仰角，在共形阵列方向图主瓣宽度两倍范围内等间隔选取相对于导航卫星来波方向的临近方向，在θ＝[θ0-2*θ3dB,θ0+2*θ3dB]范围内等间隔选取p个点，θ3dB表示共形阵列方位维主瓣宽度，方位维间隔在
Figure BDA0003663531730000032
范围内确定的一个整数值，
Figure BDA0003663531730000033
范围内等间隔选取q个点，
Figure BDA0003663531730000034
表示共形阵列俯仰维主瓣宽度，俯仰维间隔在
Figure BDA0003663531730000035
范围内确定的一个整数值，共组成p*q个对
Figure BDA0003663531730000036
即共选取p*q个方向；
步骤3.2，在一定个数干扰方向已知的情况下，通过虚拟干扰方向选取规则选取低空虚拟干扰方向，计算每个虚拟干扰方向对应的导向矢量，将所有导向矢量组成降维矩阵；
所述虚拟干扰方向选取规则为：将干扰方向分为两部分，一部分由已知的a个干扰方向确定，另一部分在空间中方位角θ＝[0°,360°]内等间隔选取b个点，方位维间隔应在[5°,60°]范围内确定的一个整数值，低空俯仰角
Figure BDA0003663531730000037
范围内等间隔选取c个点，俯仰维维间隔在[2°,10°]范围内确定的一个整数值，共组成b*c+a个对
Figure BDA0003663531730000038
即共选取b*c+a个方向对；
步骤4，对回波数据进行抗干扰处理；
步骤4.1，根据共形阵列有效阵元总数和导航卫星来波方向对应的导向矢量，计算每个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵；
步骤4.2，分别计算广义旁瓣相消器主通道数据矩阵和广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵；
步骤4.3，计算广义旁瓣相消器的自适应权矢量：
步骤4.4，对回波数据进行抗干扰处理。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明通过阵元位置信息和来波方向自适应选取有效阵元，减少阵元回波数据的数据量，并在广义旁瓣相消算法中进行降维处理，再次减少数据量，克服了现有技术中的自适应抗干扰计算复杂度高的问题，使得本发明两次降低协方差矩阵维度，大大降低计算复杂度，使得本发明提高了抗干扰实时性，利于工程实现。
第二，由于本发明采用广义旁瓣相消方法，在利用回波数据计算协方差矩阵时，将期望信号回波从总回波数据中剔除，对协方差矩阵求逆构建白化矩阵，并对接收信号进行白化滤波。克服了现有技术中干扰抑制带来的期望信号相消问题，使得本发明在抑制干扰的同时无失真输出期望信号。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是为本发明仿真实验中选取主波束的临近波束构造降维矩阵，抗干扰效果图。
图3是为本发明仿真实验中选取低空干扰方向波束构造降维矩阵，抗干扰效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的做进一步的详细描述。
参照图1和实施例，对本发明的实现步骤做进一步的详细描述。
步骤1，接收导航卫星的回波数据。
本发明的实施例是采用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable GateArray)信号处理板，通过其前端共形阵列天线实时接收导航卫星一个脉冲重复间隔PRI(Coherent Pulse Integration)内的回波数据。
步骤2，自适应选取有效阵元。
数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing)波束控制板，计算共形阵列天线中每个阵元位置相对于阵列中心位置的连线方向的矢量与导航卫星来波方向的方向矢量夹角，将共形阵列阵元位置相对于阵列中心位置的连线的方向与导航卫星来波方向的夹角小于60°的阵元判定为有效阵元。
步骤3，构建每个脉冲重复间隔PRI的降维矩阵。
在干扰方向已知和未知情况下，构建降维矩阵的方式不同。在数字信号处理器DSP波束控制板分别构建在干扰方向未知和已知的情况下，每个脉冲重复间隔PRI的降维矩阵。
实施例1：在干扰方向未知的情况下，通过选取导航卫星来波方向的临近方向对应的导向矢量构建降维矩阵。
导航卫星来波方向的临近方向的选取规则是，以导航卫星来波方向(0°,90°)为中心，在共形阵列方向图主瓣宽度两倍范围内等间隔选取相对于导航卫星来波方向的临近方向。在θ＝[0°-40°,0°+40°]范围内等间隔选取6个点，在
Figure BDA0003663531730000051
范围内等间隔选取6个点，共组成36个对
Figure BDA0003663531730000052
即共选取36个方向对应的导向矢量组成降维矩阵。
按照下式，计算在干扰方向未知的情况下每个方向对应的导向矢量：
Figure BDA0003663531730000053
其中，wi表示第i个方向
Figure BDA0003663531730000054
对应的导向矢量，ui表示在干扰方向未知的情况下第i个方向
Figure BDA0003663531730000055
对应的方向矢量，θi表示第i个方向的方位角，
Figure BDA0003663531730000056
表示第i个方向的俯仰角，i＝1,2,…,36，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，λ表示导航卫星发射信号的波长，pe表示共形阵列有效阵元位置矢量矩阵，上角标T表示转置操作。
将36个导向矢量组成降维矩阵为：T＝[w1,w2,…,w36]。
实施例2：在一定个数干扰方向已知的情况下，通过选取低空虚拟干扰方向对应的导向矢量构建降维矩阵。
干扰方向的选取分为两部分。一部分由已知的8个干扰方向确定，另一部分在低空范围θ＝[0°,360°]内等间隔选取10个点，
Figure BDA0003663531730000057
范围内等间隔选取4个点，共组成4*10+8＝48个对
Figure BDA0003663531730000058
即共选取48个方向对应的导向矢量组成降维矩阵。
按照下式，计算在一定个数干扰方向已知的情况下每个方向对应的导向矢量：
Figure BDA0003663531730000059
其中，hi表示第i个方向
Figure BDA00036635317300000510
对应的导向矢量，ci表示在一定个数干扰方向已知的情况下第i个方向
Figure BDA00036635317300000511
对应的方向矢量，i＝1,2,…,48。
将48个导向矢量组成降维矩阵为：T＝[h1,h2,…,h48]。
步骤4，对回波数据进行抗干扰处理。
步骤4.1，按照下式，在数字信号处理器DSP波束控制板构建每个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵：
Figure BDA0003663531730000066
其中，Cn表示第n个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵，IM表示M阶单位阵，M表示共形阵列阵元中有效阵元的总数，w0表示导航卫星来波方向
Figure BDA0003663531730000061
对应的导向矢量，θ0表示导航卫星来波方向的方位角，
Figure BDA0003663531730000062
表示导航卫星来波方向的俯仰角，
Figure BDA0003663531730000063
u0表示导航卫星来波方向的方向矢量，
Figure BDA0003663531730000064
表示w0归一化后的导向矢量，||表示取模操作,上角标H表示共轭转置操作。
步骤4.2，按照下式，现场可编程门阵列FPGA根据有效阵元信息、信号阻塞矩阵和降维矩阵分别得到广义旁瓣相消器主通道数据矩阵和广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵：
xmain＝w0 Hx
xasis＝(CnT)Hx
其中，xmain表示广义旁瓣相消器主通道数据矩阵，xasis表示广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵，x表示共形阵列有效阵元的回波数据矩阵。
步骤4.3，按照下式，数字信号处理器DSP信号处理板计算广义旁瓣相消器的自适应权矢量：
Figure BDA0003663531730000065
其中，wopt表示广义旁瓣相消器的自适应权矢量，L表示在脉冲重复间隔PRI内的采样点的总数，上角标-1表示求逆操作。
步骤4.4，现场可编程门阵列FPGA信号处理板将广义旁瓣相消器自适应权矢量与回波数据相乘得到抗干扰处理结果。
下面结合仿真实验，对本发明的效果做进一步的描述。
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Core(TM)i7-10700 CPU，主频为2.90GHz，内存16GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2021b。
本发明仿真实验的参数设置为：本实验采用一般共形阵列，阵元总数为340，波长0.23m，输入信噪比-30dB，脉冲重复间隔20ms，采样点总数1000，导航卫星来波方向(0°,90°)，有效阵元总数166个，低空强干扰个数15个，在干扰未知情况下，选取36个导航卫星来波方向的临近方向对应的导向矢量，在一定个数干扰方向已知的情况下，选取48个虚拟干扰方向对应的导向矢量。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明的仿真实验有两个。
本发明的仿真实验1是在干扰情况未知情况下，选取36个导航卫星来波方向的临近方向对应的导向矢量组成广义旁瓣相消器的降维矩阵，采用本发明中的基于广义旁瓣相消的共形阵列抗干扰实现方法，对大规模共形阵列接收到的导航卫星的回波数据进行抗干扰处理的方向图增益，其结果如图2所示。
图2(a)中的x轴表示共形阵列天线波束指向的方位角,单位是度°，y轴表示共形阵列天线波束指向的方位角俯仰角，单位是度°，z轴表示归一化共形阵列天线增益，单位是分贝dB。图2(b)中的横轴表示共形阵列天线波束指向方位角，单位是度°，纵轴表示共形阵列天线波束指向俯仰角，单位是度°。从图2(a)可以看出天线波束主瓣能够保持高增益的同时旁瓣干扰位置处零陷能够达到-60dB。从图2(b)可以看出旁瓣干扰分布位置，在十五个干扰分布方向上形成较宽的凹口，从而抑制低空密集强干扰。
本发明的仿真实验2是在一定干扰个数已知情况下，选取48个虚拟干扰方向对应的导向矢量组成广义旁瓣相消器的降维矩阵，采用本发明中的基于广义旁瓣相消的共形阵列抗干扰实现方法，对大规模共形阵列接收到的导航卫星的回波数据进行抗干扰处理的方向图增益，其结果如图3所示。
图3(a)中的x轴表示共形阵列天线波束指向的方位角,单位是度°，y轴表示共形阵列天线波束指向的方位角俯仰角，单位是度°，z轴表示归一化共形阵列天线增益，单位是分贝dB。图3(b)中的横轴表示共形阵列天线波束指向方位角，单位是度°，纵轴表示共形阵列天线波束指向俯仰角，单位是度°。从图3(a)可以看出天线主瓣能够保持高增益的同时旁瓣干扰位置处零陷能够达到-60dB。从图3(b)可以看出旁瓣干扰分布位置，在十五个干扰分布方向上形成较宽的凹口，从而抑制低空密集强干扰。
从图2与图3可以看出，本发明方法均可以有效抑制干扰回波能量，同时保留目标能量。协方差矩阵维度由原来的340×340维经过有效阵元选择后降低至166×166维，再经过广义旁瓣相消器降维后降低到36×36/48×48维，两次降低计算复杂度，利于工程实现。

Claims (6)

1.一种基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，通过自适应选择共形阵列有效阵元，构建广义旁瓣相消器的降维矩阵；该方法的具体步骤包括如下：
步骤1，接收导航卫星的回波数据；
步骤2，自适应选取有效阵元；
计算共形阵列天线中每个阵元位置相对于阵列中心位置的连线方向的矢量与导航卫星来波方向的方向矢量夹角，将共形阵列阵元位置相对于阵列中心位置的连线的方向与导航卫星来波方向的夹角小于60°的阵元判定为有效阵元；
步骤3，构建每个脉冲重复间隔PRI的降维矩阵；
步骤3.1，在干扰方向未知的情况下，通过临近方向选取规则选取导航卫星来波方向的临近方向，计算每个临近方向对应的导向矢量，将所有方向的导向矢量组成降维矩阵；
所述临近方向选取规则是，以导航卫星来波方向
Figure FDA0003663531720000016
为中心，θ0表示导航卫星来波方向的方位角，
Figure FDA0003663531720000017
表示导航卫星来波方向的俯仰角，在共形阵列方向图主瓣宽度两倍范围内等间隔选取相对于导航卫星来波方向的临近方向，在θ＝[θ0-2*θ3dB,θ0+2*θ3dB]范围内等间隔选取p个点，θ3dB表示共形阵列方位维主瓣宽度，方位维间隔在
Figure FDA0003663531720000011
范围内确定的一个整数值，
Figure FDA0003663531720000012
范围内等间隔选取q个点，
Figure FDA0003663531720000013
表示共形阵列俯仰维主瓣宽度，俯仰维间隔在
Figure FDA0003663531720000014
范围内确定的一个整数值，共组成p*q个对
Figure FDA0003663531720000015
即共选取p*q个方向；
步骤3.2，在一定个数干扰方向已知的情况下，通过虚拟干扰方向选取规则选取低空虚拟干扰方向，计算每个虚拟干扰方向对应的导向矢量，将所有导向矢量组成降维矩阵；
所述虚拟干扰方向选取规则为：将干扰方向分为两部分，一部分由已知的a个干扰方向确定，另一部分在空间中方位角θ＝[0°,360°]内等间隔选取b个点，方位维间隔应在[5°,60°]范围内确定的一个整数值，低空俯仰角
Figure FDA0003663531720000022
范围内等间隔选取c个点，俯仰维维间隔在[2°,10°]范围内确定的一个整数值，共组成b*c+a个对
Figure FDA0003663531720000023
即共选取b*c+a个方向对；
步骤4，对回波数据进行抗干扰处理；
步骤4.1，根据共形阵列有效阵元总数和导航卫星来波方向对应的导向矢量，计算每个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵；
步骤4.2，分别计算广义旁瓣相消器主通道数据矩阵和广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵；
步骤4.3，计算广义旁瓣相消器的自适应权矢量：
步骤4.4，对回波数据进行抗干扰处理。
2.根据权利要求1所述的基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，步骤3.1中所述的每个临近方向对应的导向矢量是由下式计算得到的：
Figure FDA0003663531720000021
其中，wi表示第i个方向
Figure FDA0003663531720000024
对应的导向矢量，ui表示在干扰方向未知的情况下第i个方向
Figure FDA0003663531720000025
对应的方向矢量，θi表示第i个方向的方位角，
Figure FDA0003663531720000026
表示第i个方向的俯仰角，i＝1,2,…,K，K表示导向矢量的总数。
3.根据权利要求2所述的基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，步骤3.2中所述的每个虚拟干扰方向对应的导向矢量是由下式计算得到的：
Figure FDA0003663531720000031
其中，hi表示第i个方向
Figure FDA0003663531720000034
对应的导向矢量，ci表示在一定个数干扰方向已知的情况下第i个方向
Figure FDA0003663531720000035
对应的方向矢量，i＝1,2,…,P，P表示导向矢量的总数。
4.根据权利要求1所述的基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，步骤4.1中所述的每个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵是由下式计算得到的：
Figure FDA0003663531720000032
其中，Cn表示第n个脉冲重复间隔PRI的信号阻塞矩阵，IM表示M阶单位阵，M表示共形阵列阵元中有效阵元的总数，w0表示导航卫星来波方向
Figure FDA0003663531720000036
对应的导向矢量，θ0表示导航卫星来波方向的方位角，
Figure FDA0003663531720000037
表示导航卫星来波方向的俯仰角，
Figure FDA0003663531720000033
表示w0归一化后的导向矢量，| |表示取模操作,上角标H表示共轭转置操作。
5.根据权利要求1所述的基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，步骤4.2中所述的广义旁瓣相消器主通道数据矩阵和广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵是由下式计算得到的：
xmain＝w0 Hx
xasis＝(CnT)Hx
其中，xmain表示广义旁瓣相消器主通道数据矩阵，xasis表示广义旁瓣相消器辅助通道数据矩阵，x表示共形阵列有效阵元的回波数据矩阵，T表示降维矩阵。
6.根据权利要求1所述的基于广义旁瓣相消的共形阵抗干扰实现方法，其特征在于，步骤4.3中所述的广义旁瓣相消器的自适应权矢量是由下式计算得到的：
Figure FDA0003663531720000041
其中，wopt表示广义旁瓣相消器的自适应权矢量，L表示在脉冲重复间隔PRI内的采样点的总数，上角标-1表示求逆操作。
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