CN117092594A - 一种基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法。本发明通过正交极化天线获取监测信号；利用极化校准校正阵列误差带来的影响；通过信号重构的方法获取纯净的参考信号；采用空域及时域滤波方法抑制干扰与杂波信号，得到滤波后水平通道数据以及滤波后垂直通道数据；将滤波后水平通道数据与滤波后垂直通道数据分别与纯净参考信号进行匹配滤波处理得到水平通道信号距离多普勒谱以及垂直通道信号距离多普勒谱；利用极化加权合并方法合并两个通道数据，使合并后目标信噪比优于任一单极化通道；采用恒虚警率检测方法得到目标连续检测点迹。

Description

一种基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法。
背景技术
外辐射源雷达作为一种新体制雷达系统，因为其无辐射，低成本等特性，成为了近些年来的研究热点。外辐射源雷达顾名思义，其可利用的辐射源多为民用广播电视信号等外部辐射源，其发射源不可控。外辐射源雷达处理方法通常采用相干处理技术，在接收系统中至少要设置2个通道：参考通道和监测通道，分别用来接收参考信号和目标回波信号，综上所述，外辐射源雷达是一种特殊的双/多基地雷达系统。目标的极化散射特性是一个多参数变量，与信号频率、入射角、反射角、目标结构、材料、飞行姿态等因素有关。参数的变化会导致雷达系统不同极化接收通道信号强度产生起伏，这对传统单极化外辐射源雷达目标检测十分不利。本发明基于极化加权合并技术提出了一种全新的信号处理方法流程。本发明通过实验验证了该方法有效利用了两个极化通道信号的极化起伏特性，提高了外辐射源雷达目标信号检测效果。
极化加权合并技术，将不同极化通道信号进行加权合并，有效提升了目标信号信噪比。本发明将极化加权合并技术与外辐射源雷达相关技术相结合，增强目标信号，降低噪声及剩余杂波信号对目标信噪比影响。本发明所提方法可以作为现有检测方法的一种补充，具有研究意义。
外辐射源雷达检测效果的提升一直是领域内的研究热点与难点之一。传统单极化外辐射源雷达系统无法获取目标极化信息，检测效果受不同极化通道目标散射回波闪烁影响较大。极化外辐射源雷达采用极化接收天线，可以有效接收到目标多极化散射回波信号，传统的极化非相干积累方法可以增强目标信号，提升目标检测效果，但是受到不同极化通道目标信噪比不平衡性的影响，严重时会导致最终检测效果反而不如单极化雷达系统。因此，找到一种有效、鲁棒的极化外辐射源雷达目标信号增强方法是十分必要的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于极化加权合并的外辐射源雷达信号处理方法。
本发明的技术方案为一种基于极化加权合并的外辐射源雷达信号处理方法，具体包括以下步骤：
步骤1：利用极化天线阵列获取极化监测信号，并采用阵列校准技术校正极化阵列误差；
步骤2：利用参考天线获取参考信号，并通过信号重构方法提纯参考信号；
步骤3：将步骤1中校准后垂直通道与水平通道监测信号分别进行空域滤波处理，利用步骤2中所述纯净参考信号与空域滤波后垂直通道、水平通道数据分别进行时域滤波处理，抑制监测信号中的直达波及多径杂波，得到滤波后垂直通道及滤波后水平通道数据；
步骤4：将步骤3中所述滤波后水平通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到水平通道信号距离多普勒谱，将步骤3中所述滤波后垂直通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到垂直通道信号距离多普勒谱;
步骤5：根据不同极化通道目标信噪比的差异，构造极化合并加权值，加权合并水平与垂直通道数据；
步骤6：采用恒虚警率检测方法对合并后的信号进行目标检测。作为优选，步骤1中所述原始极化天线阵列信号为：
其中，表示k个极化通道的幅度 增益；,表示初始相位，k 表示阵列通道数目，h表示极化天线数目；表 示极化矢量，γ、φ与分别表示发射极化波的极化角、方位角与极化相位差；表示阵列空域导向矢量矩阵，d为阵列间距，λ为极 化波波长；n(t)为白噪声。
采用有源校准技术，先设定一个基准通道，利用比值法得到其他通道与基准通道相对幅相误差；扣除已知的空间相差，如果基准通道为1号通道，即第1根极化天线的垂直通道，阵列接收信号为：
精确测量有源校准发射天线与阵列法线夹角及发射极化角度，就可以得到实际的误差矩阵；将原始阵列信号数据扣除误差值就可以得到消除幅相误差后的数据。
作为优选，步骤2中所述OFDM信号重构流程图如图2所示。
参考信号重构基本原理是首先利用通信中采用的解调、解码和纠错技术获得纯净的码流，然后再重复发射端所进行的编码和调制过程重现发射信号，并将其作为雷达系统的参考信号。重构方法本质上只要求需重构的信号在接收信号中的信噪比达到一定要求即可。
作为优选，步骤3中所述空域滤波技术处理为：
对步骤1中所述校准后的垂直通道与水平通道监测信号进行空域滤波，干扰抑制后，垂直天线阵列输出信号可以表示为：
水平天线阵列输出矢量可以表示为：
其中，“H”为共轭转置符号；“v”表示垂直极化“h”表示水平极化。
波束形成器垂直阵列最优权矢量为：
波束形成器水平阵列最优权矢量为：
其中，为期望信号波达方向；为导向矢量符号；为阵 列输入信号协方差矩阵；μ表示一个比例常数可以表示为：
步骤3中所述时域滤波技术处理为：
空域滤波后，还需要对剩余干扰、杂波信号进行进一步处理，利用步骤2中提取的纯净参考信号对空域滤波后垂直通道与水平通道监测信号进行时域相消处理，以垂直通道信号为例，如果令干扰相消后剩余信号功率最小：
其中，，为纯净的参 考信号；
矩阵B为一个选择矩阵，作用是选择右边相邻矩阵的最后N行。矩阵B可以表示为：
为对角矩阵，对应于第p个多普勒单元：
构建参考信号的零多普勒延时序列为：
其中，D为单位延时矩阵，其被定义为：
由式可以获得：
因此，垂直通道监测信号经过杂波抑制后变为：
矩阵P为正交投影矩阵，其将垂直通道监测信号投影到干扰信号子空间的正交子空间中，这样剩余信号中将不再包含干扰信号成分，干扰得到抑制。
作为优选，步骤4中所述匹配滤波技术为：
将步骤2中所述的纯净参考信号与垂直、水平通道滤波后数据分别进行二维互相关，垂直、水平通道匹配滤波过程表示为：
其中，表示纯净参考信号；与分别表示监测天 线垂直通道滤波后与水平通道滤波后数据，；表示距离多普勒 谱，υ表示多普勒频移单元。
作为优选，步骤5中所述极化加权合并方法实现过程如下：
(1) 杂波抑制后水平、垂直通道数据分别进行二维互相关处理，得到匹配滤波数据；
(2) 分别对水平、垂直通道匹配滤波数据进行平方律检波；
(3) 以参考单元平均值作为待检测单元平均噪声基底，计算水平、垂直极化通道同一位置待检测单元信噪比，以此求得权矢量与；
(4) 对不同极化通道加权合并，输出结果输入恒虚警率检测器；
(5)重复步骤4~ 6，直到距离多普勒上所有数据合并及检测完成；
具体实现流程图见图3。
将步骤4中所述的垂直通道信号距离多普勒谱与水平通道信号距离多普勒谱分别 经过平方律检波处理，以垂直通道距离多普勒谱为例，第k个通道，第m个待检测单元为，定义PWC输出信号为：
其中，，表示第l个通道，第m个待检 测单元的参考单元样本平均值。
极化加权合并方法具体实现原理图如图4所示。
作为优选，步骤6中所述恒虚警率检测技术为：
以单元平均恒虚警率（CA-CFAR）检测器为例，根据实际的参考单元样本平均值和设定的虚警概率确定检测门限，如果待检测单元大于检测门限，则认为该单元存在目标，否则认为目标不存在，CA-CFAR处理如图5所示。
本发明所提基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，将极化加权合并技术与外辐射源雷达处理方法相结合，新的信号处理方法利用了极化通道间的闪烁特性，有效提升了目标检测效果。
本发明采用变权矢量的方式，根据不同极化通道目标信噪比的不同灵活构建加权值，有效避免了传统非相干积累方法易受通道间不平衡性影响的缺点，使目标检测效果具有更好鲁棒性。与单极化检测方法及极化非相干积累方法相比，本方法具有更好的目标检测效果（见图6、7、8）。
附图说明
图1是本发明的步骤流程。
图2是OFDM信号重构流程图。
图3是极化加权合并方法具体实现流程图。
图4是极化加权合并方法具体实现原理图。
图5是CA-CFAR处理原理图。
图6是本发明基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法与单极化外辐射源雷达信号处理方法检测结果在垂直通道与PWC检测结果的对比，ADS-B为广播式自动相关监视系统。
图7是本发明基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法与单极化外辐射源雷达信号处理方法检测结果在水平通道与PWC检测结果的对比，ADS-B为广播式自动相关监视系统。
图8是本发明基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法与极化非相干积累处理后检测结果对比，ADS-B为广播式自动相关监视系统。
具体实施方法
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施方式中为极化分集外辐射源雷达，本发明实施方式中所用辐射源为中国数字多媒体广播，其发射频率为 714MHz，采用正交极化天线接收信号。
下面结合图1至图4介绍本发明实施方式，本发明实施方式包括以下步骤：
步骤1：利用极化天线阵列获取极化监测信号，并采用阵列校准技术校正极化阵列误差；
步骤2：利用参考天线获取参考信号，并通过信号重构方法提纯参考信号；
步骤3：将步骤1中校准后垂直通道与水平通道监测信号分别进行空域滤波处理，利用步骤2中所述纯净参考信号与空域滤波后垂直通道、水平通道数据分别进行时域滤波处理，抑制监测信号中的直达波及多径杂波，得到滤波后垂直通道及滤波后水平通道数据；
步骤4：将步骤3中所述滤波后水平通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到水平通道信号距离多普勒谱，将步骤3中所述滤波后垂直通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到垂直通道信号距离多普勒谱;
步骤5：根据不同极化通道目标信噪比的差异，构造极化合并加权值，加权合并水平与垂直通道数据；
步骤6：采用恒虚警率检测方法对合并后的信号进行目标检测。作为优选，步骤1中所述原始极化天线阵列信号为：
其中，表示k个极化通道的幅度 增益；,表示初始相位，k 表示阵列通道数目，h表示极化天线数目；表 示极化矢量，γ、φ与分别表示发射极化波的极化角、方位角与极化相位差；表示阵列空域导向矢量矩阵，d为阵列间距，λ为极 化波波长；n(t)为白噪声。
采用有源校准技术，先设定一个基准通道，利用比值法得到其他通道与基准通道相对幅相误差；扣除已知的空间相差，如果基准通道为1号通道，即第1根极化天线的垂直通道，阵列接收信号为：
精确测量有源校准发射天线与阵列法线夹角及发射极化角度，就可以得到实际的误差矩阵；将原始阵列信号数据扣除误差值就可以得到消除幅相误差后的数据。
作为优选，步骤2中所述OFDM信号重构流程图如图2所示：
参考信号重构基本原理是首先利用通信中采用的解调、解码和纠错技术获得纯净的码流，然后再重复发射端所进行的编码和调制过程重现发射信号，并将其作为雷达系统的参考信号。重构方法本质上只要求需重构的信号在接收信号中的信噪比达到一定要求即可。
作为优选，步骤3中所述空域滤波技术处理为：
对步骤1中所述校准后的垂直通道与水平通道监测信号进行空域滤波，干扰抑制后，垂直天线阵列输出信号可以表示为：
水平天线阵列输出矢量可以表示为：
其中，“H”为共轭转置符号；“v”表示垂直极化“h”表示水平极化。
波束形成器垂直阵列最优权矢量为：
波束形成器水平阵列最优权矢量为：
其中，为期望信号波达方向；为导向矢量符号；为阵 列输入信号协方差矩阵；μ表示一个比例常数可以表示为：
步骤3中所述时域滤波技术处理为：
空域滤波后，还需要对剩余干扰、杂波信号进行进一步处理，利用步骤2中提取的纯净参考信号对空域滤波后垂直通道与水平通道监测信号进行时域相消处理，以垂直通道信号为例，如果令干扰相消后剩余信号功率最小：
其中，，为纯净的参 考信号；
矩阵B为一个选择矩阵，作用是选择右边相邻矩阵的最后N行。矩阵B可以表示为：
为对角矩阵，对应于第p个多普勒单元：
构建参考信号的零多普勒延时序列为：
其中，D为单位延时矩阵，其被定义为：
由式可以获得：
因此，垂直通道监测信号经过杂波抑制后变为：
矩阵P为正交投影矩阵，其将垂直通道监测信号投影到干扰信号子空间的正交子空间中，这样剩余信号中将不再包含干扰信号成分，干扰得到抑制。
作为优选，步骤4中所述匹配滤波技术为：
将步骤2中所述的纯净参考信号与垂直、水平通道滤波后数据分别进行二维互相关，垂直、水平通道匹配滤波过程表示为：
其中，表示纯净参考信号；与分别表示监测天 线垂直通道滤波后与水平通道滤波后数据，；表示距离多普勒 谱，υ表示多普勒频移单元。
作为优选，步骤5中所述极化加权合并方法实现过程如下：
(1) 杂波抑制后水平、垂直通道数据分别进行二维互相关处理，得到匹配滤波数据；
(2) 分别对水平、垂直通道匹配滤波数据进行平方律检波；
(3) 以参考单元平均值作为待检测单元平均噪声基底，计算水平、垂直极化通道同一位置待检测单元信噪比，以此求得权矢量与；
(4) 对不同极化通道加权合并，输出结果输入恒虚警率检测器；
(5)重复步骤4~ 6，直到距离多普勒上所有数据合并及检测完成；
具体实现流程图见图3。
将步骤4中所述的垂直通道信号距离多普勒谱与水平通道信号距离多普勒谱分别 经过平方律检波处理，以垂直通道距离多普勒谱为例，第k个通道，第m个待检测单元为，定义PWC输出信号为：
其中，，表示第l个通道，第m个待检 测单元的参考单元样本平均值。
极化加权合并方法具体实现原理图如图4所示：
作为优选，步骤6中所述恒虚警率检测技术为：
以单元平均恒虚警率（CA-CFAR）检测器为例，根据实际的参考单元样本平均值和设定的虚警概率确定检测门限，如果待检测单元大于检测门限，则认为该单元存在目标，否则认为目标不存在，CA-CFAR处理如图5所示。
本发明实施方式通过上述步骤得到实验结果，如图6、7、8所示。图6、7 表明，本发明方法相比于传统单极化外辐射源雷达，其检测性能提升8.2%（垂直单极化接收），14.5%（水平单极化接收）；相比于极化非相干积累方法，检测性能提升9.7%。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用极化天线阵列获取极化监测信号，并采用阵列校准技术校正极化阵列误差；
步骤2：利用参考天线获取参考信号，并通过信号重构方法提纯参考信号；
步骤3：将步骤1中校准后垂直通道与水平通道监测信号分别进行空域滤波处理，利用步骤2中所述纯净参考信号与空域滤波后垂直通道、水平通道数据分别进行时域滤波处理，抑制监测信号中的直达波及多径杂波，得到滤波后垂直通道及滤波后水平通道数据；
步骤4：将步骤3中所述滤波后水平通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到水平通道信号距离多普勒谱，将步骤3中所述滤波后垂直通道数据与步骤2中所述纯净参考信号进行匹配滤波处理得到垂直通道信号距离多普勒谱；
步骤5：根据不同极化通道目标信噪比的差异，构造极化合并加权值，加权合并水平与垂直通道数据；
步骤6：采用恒虚警率检测方法对合并后的信号进行目标检测。
2.根据权利要求1所述的基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤1中所述原始极化天线阵列信号为：
其中，表示k个极化通道的幅度增益；,表示初始相位，k表示阵 列通道数目，h表示极化天线数目；表示极化 矢量，γ、φ与分别表示发射极化波的极化角、方位角与极化相位差；表示阵列空域导向矢量矩阵，d为阵列间距，λ为极 化波波长；n(t)为白噪声；
采用有源校准技术，先设定一个基准通道，利用比值法得到其他通道与基准通道相对幅相误差；扣除已知的空间相差，如果基准通道为1号通道，即第1根极化天线的垂直通道，阵列接收信号为：
精确测量有源校准发射天线与阵列法线夹角及发射极化角度，就可以得到实际的误差矩阵；将原始阵列信号数据扣除误差值就可以得到消除幅相误差后的数据。
3.根据权利要求1所述的基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤2中所述OFDM信号重构流程如下：
采样：OFDM信号－参考天线－模拟前端－ADC－DDC；
解调：同步及OFDM解调－信道估计与均衡－星座逆映射－信道解码；
调制：信道编码－星座映射－插入导频－OFDM调制－重构参考信号；
参考信号重构基本原理是首先利用通信中采用的解调、解码和纠错技术获得纯净的码流，然后再重复发射端所进行的编码和调制过程重现发射信号，并将其作为雷达系统的参考信号，
重构方法本质上只要求需重构的信号在接收信号中的信噪比达到一定要求即可。
4.根据权利要求1所述的基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤3中所述空域滤波技术处理为：
对步骤1中所述校准后的垂直通道与水平通道监测信号进行空域滤波，干扰抑制后，垂直天线阵列输出信号可以表示为：
水平天线阵列输出矢量可以表示为：
其中，“H”为共轭转置符号；“v”表示垂直极化“h”表示水平极化；
波束形成器垂直阵列最优权矢量为：
波束形成器水平阵列最优权矢量为：
其中， 为期望信号波达方向； 为导向矢量符号；为阵列 输入信号协方差矩阵；μ表示一个比例常数可以表示为：
步骤3中所述时域滤波技术处理为：
空域滤波后，还需要对剩余干扰、杂波信号进行进一步处理，利用步骤2中提取的纯净参考信号对空域滤波后垂直通道与水平通道监测信号进行时域相消处理，以垂直通道信号为例，如果令干扰相消后剩余信号功率最小：
其中，，为纯净的参考信 号；矩阵B为一个选择矩阵，作用是选择右边相邻矩阵的最后N行，
矩阵B可以表示为：
为对角矩阵，对应于第p个多普勒单元:
构建参考信号的零多普勒延时序列为：
其中，D为单位延时矩阵，其被定义为：
由式可以获得：
因此，垂直通道监测信号经过杂波抑制后变为：
矩阵P为正交投影矩阵，其将垂直通道监测信号投影到干扰信号子空间的正交子空间中，这样剩余信号中将不再包含干扰信号成分，干扰得到抑制。
5.根据权利要求1所述的基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤4中所述匹配滤波技术为：
将步骤2中所述的纯净参考信号与垂直、水平通道滤波后数据分别进行二维互相关，垂直、水平通道匹配滤波过程表示为：
其中，表示纯净参考信号；与分别表示监测天线垂 直通道滤波后与水平通道滤波后数据，；表示距离多普勒谱，υ表 示多普勒频移单元。
6.根据权利要求1所述的基于极化加权合并（PWC）技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤5中所述极化加权合并方法实现过程如下：
(1) 杂波抑制后水平、垂直通道数据分别进行二维互相关处理，得到匹配滤波数据；
(2) 分别对水平、垂直通道匹配滤波数据进行平方律检波；
(3) 以参考单元平均值作为待检测单元平均噪声基底，计算水平、垂直极化通道同一位置待检测单元信噪比，以此求得权矢量与；
(4) 对不同极化通道加权合并，输出结果输入恒虚警率检测器；
(5)重复步骤4~ 6，直到距离多普勒上所有数据合并及检测完成；
具体实现流程为：开始－匹配滤波后输出－平方律检波－对H通道和V通道SNR估计－求取加权值WH和WV－对H通道和V通道加权合并－恒虚警率检测－结束；
将步骤4中所述的垂直通道信号距离多普勒谱与水平通道信号距离多普勒谱分别经过 平方律检波处理，以垂直通道距离多普勒谱为例，第k个通道，第m个待检测单元为，定义PWC输出信号为：
其中，，表示第l个通道，第m个待检测单 元的参考单元样本平均值。
7.根据权利要求1所述的基于极化加权合并技术的外辐射源雷达信号处理方法，其特征在于：作为优选，步骤6中所述恒虚警率检测技术为：
以单元平均恒虚警率（CA-CFAR）检测器为例，根据实际的参考单元样本平均值和设定的虚警概率确定检测门限，如果待检测单元大于检测门限，则认为该单元存在目标，否则认为目标不存在。
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