一种用于多发射GMTI雷达系统的认知波形优化处理方法

摘要

本发明公开了一种用于多发射GMTI雷达系统的认知波形优化处理方法，将待检测距离单元设为期望信号，而其相邻距离单元的信息被看成为干扰信号。基于一个初始的脉压滤波器权值，得到初始的时域响应输出结果，然后根据先验信息对其旁瓣区加入人工干扰，再通过控制人工干扰的功率来优化设计下一次的脉压滤波器的权值，如此多次迭代之后得到与环境逆匹配的时域响应图，也就是在较强杂波干扰的地方形成低旁瓣，在较弱或无杂波干扰处形成较高旁瓣。本发明所设计的滤波器以根据环境先验知识设计的模板为参照，在强杂波区设计低旁瓣，弱或无杂波区设计高旁瓣。因此它具有自适应能力，能够更好地抑制杂波。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及该领域中的一种基于先验环境知识自 适应的脉冲压缩滤波器设计方法，本发明可以应用于任意波形与任意 环境逆匹配的脉冲压缩处理，还可应用于多发射波形情况下分离每个 波形的脉冲压缩信息。滤波器是参照与环境逆匹配的模板设计的，因 此能够更好地抑制杂波从而提高目标的检测性能。

背景技术

认知系统是通过对于目标和环境的学习，将从回波中提取的信息反馈 到发射机，形成闭环系统，然后发射机根据环境信息自适应优化设计 新的发射信号，使其适应环境达到改善雷达性能的目的。环境信息主 要来源于：雷达发射信号在空间环境中反射后的回波，基于我方相应 设备所获得的敌方雷达侦察设备的知识及其他传感器所获取的环境分 布信息。在多发射GMTI的认知雷达系统中，抑制来自静止目标或者地 面杂波的回波才能更容易检测地面运动目标。多通道的杂波抑制性能 与通道的一致性有关。因此，在多发射GMTI的认知雷达系统中，不仅 仅要求每个通道（脉冲压缩结果）和环境信息逆匹配，还要求脉压分 离出的多个通道之间具有高的相关系数。

传统脉冲压缩滤波器对环境没有自适应能力，在复杂电磁环境背景下 目标检测能力往往会下降。已有的最小二乘方法可以优化设计均匀分 布的旁瓣，但是由于能量恒定，均匀分布的旁瓣电平有理论极限值， 因此不一定能够得到理想的结果。而实际环境信息往往瞬息万变且不 是均匀分布的，与时变复杂电磁环境自适应的波形设计及处理更能符 合实际需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种与时变环境自 适应的脉冲压缩滤波器的设计方法。该方法以根据环境先验知识设计 的模板为参考，通过迭代处理设计出与环境逆匹配的滤波器，提高多 通道之间的相关性，从而改善了杂波和干扰背景下目标不易检测的问 题，提高了目标的检测性能。

本发明的基本思路是：首先接收多发射波形的回波数据；对环境进行 认知，设计出与环境逆匹配的脉冲压缩滤波器时域响应图，将其作为 参考模板；然后针对任意波形设计与参考模板相匹配的脉冲压缩滤波 器；用设计好的滤波器处理单/多发射波形回波数据，分离出每个波形 的脉冲压缩信息，从不同的通道输出；最后对每个通道的输出数据进 行相消处理，完成杂波抑制等信号处理。

一种用于多发射GMTI雷达系统的认知波形优化处理方法，包括如下步 骤：

（1）接收多发射波形的回波数据；

（2）对环境进行认知，设计与环境逆匹配的脉冲压缩参考模板；

（3）参照参考模板设计与环境逆匹配的任意波形脉冲压缩滤波器；

3a）初始化参数：约束主瓣区域、期望信息矩阵C和对应的约束值g、 初始加权系数矩阵W，迭代次数K；

3b）计算出加权时域相关矩阵B；

3c）计算出滤波器权值h；

3d）将得到的脉压结果与参考模板进行对比。判断脉压结果是否和模 板匹配若匹配则停止，滤波器设计完毕；若不匹配，则找出旁瓣的最 低峰值电平Pr作为参考电平，更新加权系数矩阵W，返回到3b）迭代K 次直到满足要求后完成滤波器的设计；

（4）用（3）设计的脉冲压缩滤波器对多发射波形回波数据进行处理 时，针对多发分离得到多发射波形中每个波形进行脉压,尽可能保证具 有相似的主旁瓣特性,即要求对不同的发射波形采用同样的脉压参考模 板；

多发射波形中有M个发射波形，每个波形的约束矩阵为，用替换（3 ）中任意波形滤波器设计中的C；

（5）对获得的多发射波形脉压数据之间做相消处理完成杂波抑制。

所述的优化处理方法，步骤（3）具体执行以下步骤：

首先设置初始参数：给定主瓣区域Ω、期望信息矩阵C=span(x_i)i∈Ω 和对应的约束值g；其中x_i是接收回波数据矩阵的第i个列向量，span (·)表示由括号内元素张成的向量；若约束的主瓣范围仅包括一个主 峰点，那么C=x₀和g=1；设置初始加权系数矩阵W；旁瓣区的人工干扰 功率的初值为1，主瓣区人工干扰功率的初值为0，即当i∈Ω时w(i)= 0；当时w(i)=1，迭代系数λ是一个常量；

然后计算初始的加权时域相关矩阵B：

B=XWX^*                                 (1)

其中(·)^*为括号内矩阵的转置；

通过解决带约束的优化问题$\left(\begin{array}{c}\underset{h}{\min }h*\mathrm{Bh}\\ s.t{C}^{*}h=g\end{array}\right)$得出滤波器的最优权值h ：

h=B^-1C(C^*B^-1C)^-1g                        (2)

其中，表示以h为变量取括号内元素的最小值，s.t表示约束条件符号 ，(·)^-1为括号内矩阵的逆矩阵；

计算时域响应y：

y=X^*h                        （3）

然后将得到的脉冲压缩结果与参考模板进行对比；若和模板匹配则停 止，滤波器设计完毕；若不匹配，则寻找旁瓣的最低峰值电平Pr，将 其作为参考电平；在迭代过程中Pr的位置也是变化的，通过以下方法 找到：将某一距离单元的电 平值与其左右相邻的电平值比较，若它的电平值大于其左右相邻距离 单元的电平值，则它为峰值电平，所有峰值电平中最小的一个即为最 低峰值电平Pr；与参考模板的旁瓣相比较，在高于参考模板旁瓣的旁 瓣区其加权系数应增加，而在低于参考旁瓣电平的旁瓣区域其加权系 数应下降；更新加权系数矩阵W，

其中，max(·)表示取括号内元素的最大值，|(·)|表示取括号内元素 的绝对值，Pr D(i)是将时域脉冲压缩响应的参考模板线性尺度变换 到最低峰值电平的程度，称作绝对电平；

最后根据更新后的W重新计算时域相关矩阵B，迭代K次直到滤波器的响 应与模板匹配，完成滤波器的设计；迭代的目的是最小化实际旁瓣电 平与期望参考模板旁瓣电平之差的最大值。

所述的优化处理方法，步骤（4）具体执行以下步骤：设多发射波形中 有M个发射波形，回波信号的输入矩阵和加权时域相关矩阵以及对应 于第m个发射波形的约束矩阵分别表示为：

$\tilde{X}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{X}^m,{\tilde{C}}^m=\mathrm{span}\left(x_i^m\right),i\in \Omega ---\left(5\right)$

其中，表示对括号内元素求和，X^m是对应于第m个发射波形的回波数 据矩阵，是对于于第m个发射波形的约束矩阵，是X^m的第i个列向量 ；用替换步骤3滤波器设计中的X，同样C用替换，便可分离得到多发 射波形中每个发射波形对应的脉冲压缩结果，从不同的通道中输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明所设计的滤波器适用于任意环境和任意波形下单发射波 形的脉冲压缩处理，并且适用于多发射波形情况下从回波中分离出每 个发射波形的脉冲压缩处理。

第二，本发明所设计的滤波器以根据环境先验知识设计的模板为参照 ，在强杂波区设计低旁瓣，弱或无杂波区设计高旁瓣。因此它具有自 适应能力，能够更好地抑制杂波。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为任意波形脉冲压缩滤波器设计的流程图；

图3为基于环境先验知识设计的脉冲压缩滤波器的模板；

图4为采用本发明方法得到的多发射波形在接收端分离后的第一通道输 出的第一波形脉冲压缩结果；

图5为采用本发明方法得到的多发射波形在接收端分离后的第二通道输 出的第二波形脉冲压缩结果；

图6为采用本发明方法得到的多发射波形在接收端分离后的第三通道输 出的第三波形脉冲压缩结果；

图7为第一和第二多发射通道脉冲压缩数据的对消结果；

图8为第二和第三多发射通道脉冲压缩数据的对消结果；

图9为第一和第三多发射通道脉冲压缩数据的对消结果；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1和图2，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1. 接收多发射波形的回波数据X；

步骤2. 对环境进行认知，设计与环境逆匹配的脉冲压缩参考模板D；

步骤3. 参照参考模板设计与环境逆匹配的任意波形脉冲压缩滤波器 ；

首先设置初始参数：给定主瓣区域Ω（包括L个距离单元）、期望信息 矩阵C=span(x_i)i∈Ω和对应的约束值g。其中x_i是接收回波数据矩阵 的第i个列向量，span(·)表示由括号内元素张成的向量。若约束的主 瓣范围仅包括一个主峰点，那么C=x₀和g=1。设置初始加权系数矩阵W ，实际上加权系数是人工干扰功率。旁瓣区的人工干扰功率的初值为 1，主瓣区人工干扰功率的初值为0，即当i∈Ω时w(i)=0；当时w(i) =1。迭代系数λ是一个常量。

然后计算初始的加权时域相关矩阵B：

B=XWX^*                                 (1)

其中(·)^*为括号内矩阵的转置。

通过解决带约束的优化问题$\left(\begin{array}{c}\underset{h}{\min }h*\mathrm{Bh}\\ s.t{C}^{*}h=g\end{array}\right)$得出滤波器的最优权值h ：

h=B^-1C(C^*B^-1C)^-1g                        (2)

其中，表示以h为变量取括号内元素的最小值，s.t表示约束条件符号 ，(·)^-1为括号内矩阵的逆矩阵。

计算时域响应y：

y=X^*h                        （3）

然后将得到的脉冲压缩结果与参考模板进行对比。若和模板匹配则停 止，滤波器设计完毕；若不匹配，则寻找旁瓣的最低峰值电平Pr，将 其作为参考电平。 需要指出的是在迭代过程中Pr的位置也是变化的，可以通过以下方法 找到：将某一距离单元的电平值与其左右相邻的电平值比较，若它的 电平值大于其左右相邻距离单元的电平值，则它为峰值电平，所有峰 值电平中最小的一个即为最低峰值电平Pr。与参考模板的旁瓣相比较 ，在高于参考模板旁瓣的旁瓣区其加权系数应增加，而在低于参考旁 瓣电平的旁瓣区域其加权系数应下降。更新加权系数矩阵W，

其中，max(·)表示取括号内元素的最大值，|(·)|表示取括号内元素 的绝对值，Pr D(i)是将时域脉冲压缩响应的参考模板线性尺度变换 到最低峰值电平的程度，称作绝对电平。

最后根据更新后的W重新计算时域相关矩阵B，迭代K次直到滤波器的响 应与模板匹配，完成滤波器的设计。迭代的目的是最小化实际旁瓣电 平与期望参考模板旁瓣电平之差的最大值。

步骤4. 用步骤3设计的脉冲压缩滤波器对多发射波形回波数据进行处 理时，针对多发分离得到多发射波形中每个波形进行脉压,尽可能保证 具有相似的主旁瓣特性,即要求对不同的发射波形采用同样的脉压参考 模板；

设多发射波形中有M个发射波形，回波信号的输入矩阵和加权时域相 关矩阵以及对应于第m个发射波形的约束矩阵分别表示为：

$\tilde{X}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{X}^m,{\tilde{C}}^m=\mathrm{span}\left(x_i^m\right),i\in \Omega ---\left(5\right)$

其中，表示对括号内元素求和，X^m是对应于第m个发射波形的回波数 据矩阵，是对于于第m个发射波形的约束矩阵，是X^m的第i个列向量 。用替换步骤3滤波器设计中的X，同样C用替换，便可分离得到多发 射波形中每个发射波形对应的脉冲压缩结果，从不同的通道中输出。

步骤5. 对各通道输出每个波形的脉压数据做相消处理完成杂波抑制 。

本发明的效果可以通过下述仿真实验加以说明：

仿真条件

采用的多发射波形是利用遗传算法优化设计的一组三个码长为150的正 交二相编码信号，多个发射信号由多个发射天线同时发射。滤波器优 化设计的初始参数如下：约束主瓣范围Ω=[0]，码长N=P=150，迭代次 数为30，迭代系数λ=0.1。

仿真结果

图3是一种环境逆匹配的脉冲压缩时域响应图的参考模板。基于图3的 参考模板，采用本发明的方法设计脉冲压缩滤波器，图4为第一个通道 的脉冲压缩结 果，图5为第二个通道的脉冲压缩结果，图6为第三个通道的脉冲压缩 结果。在图4到图6中，横坐标表示距离单元序号，纵坐标表示不同距 离单元的脉压输出结果，其单位是dB。由仿真结果可以看出，脉冲压 缩滤波器的输出结果和模板相匹配，证明了采用本发明所设计的脉冲 压缩滤波器能够使得脉冲压缩结果与实际环境逆匹配。

图7为第1、2通道的相消结果，图8为第2、3通道的相消结果，图9为第 1、3通道的相消结果。横坐标表示距离单元序号，纵坐标表示相消后 的剩余量。由仿真结果可以看到，利用本发明根据模板设计的滤波器 ，脉冲压缩后对消，剩余量小，对杂波有较好的抑制能力，进而提高 目标的检测性能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以 改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的 保护范围。