一种基于形态分量分析的外辐射源雷达风场杂波抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于形态分量分析的外辐射源雷达风场杂波抑制方法，利用雷达接收回波中目标信号与风场杂波具有不同的形态特性，且都可在相应的变换域进行稀疏表示，从而可利用形态分量分析的方法对信号进行分离；本发明的方法使风场杂波得到较好抑制，同时具有稳定性好、计算简便等优点，提高了外辐射源雷达目标检测性能。

说明书

技术领域

本发明属于外辐射源雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于形态分量分 析的外辐射源雷达风场杂波抑制方法。

背景技术

外辐射源雷达(又称无源雷达)是一种利用第三方发射的电磁信号进行目标 探测的双/多基地雷达系统，该体制雷达自身并不直接辐射电磁能量，而是通过 接收来自外部非协同辐射的直达波及其照射目标后形成的反射波或散射波，完成 对目标的探测、定位和跟踪。由于可利用的外部辐射源(包括广播电台、电视台 和移动通信基站等)具有空域、时域覆盖范围广及基站配置冗余度高等特点，因 此，外辐射源雷达除具备成本低廉、隐蔽性好、抗摧毁能力强等优点外，还能够 缩小常规雷达低空探测盲区，实现对低空移动目标的大范围覆盖，并有利于隐身 目标探测。这些独特优点使它成为当前新体制雷达研究中的热点和重点。

在雷达的实际应用中，当目标自身或其部件存在微动时，会对雷达回波信号 产生频率调制，生成关于目标主体的多普勒边带，这种调制现象称为微多普勒效 应。近年来，全球风电发展迅速，风力发电机具有长而宽的叶片，且有较高的转 速，产生的雷达回波具有较强的幅度，且在频域上具有宽的多普勒频谱，强而宽 的多普勒边带致使目标被掩盖，对雷达目标检测构成干扰。外辐射源雷达是一种 新体制雷达，当前国内外对外辐射源雷达的研究主要集中在目标探测、定位及跟 踪，而对风场杂波问题研究较少，此外，现存的各种外辐射源雷达时域、空域杂 波抑制算法只能抑制静止的杂波，无法对非零频成分的风场杂波进行有效的抑 制。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，提出了一种基于形态分量分析的外辐射源 雷达风场杂波抑制方法，为提高外辐射源雷达目标探测性能提供了一种新的解决 方法。

本发明的技术方案是：一种基于形态分量分析的外辐射源雷达风场杂波抑制 方法，包括如下步骤：

步骤1，对参考通道、监测通道分别进行参考信号重构和多径杂波抑制，然 后计算参考通道与监测通道二维互相关函数；

步骤2，是否存在沿多普勒轴与零多普勒对称的、呈周期出现的多次谐波副 峰；如果存在，则需进行风场杂波抑制；如果不存在，则表明无风场杂波；

步骤3，当存在沿多普勒轴与零多普勒对称的呈周期出现的多次谐波副峰 时，通过求解以下约束优化问题得到稀疏系数和

$\{{\hat{c}}_1,{\hat{c}}_2\}=\arg \underset{c_1,c_2}{\min }{\lambda }_1\left|\right|c_1|{|}_1+{\lambda }_2|\left|c_2\right|{|}_1$

s.t.y＝A₁c₁+A c₂

其中，c₁和c₂是稀疏系数；和分别是c₁和c₂的最佳估计；λ₁、λ₂为参数， 且λ₁＝1-λ₂；y为雷达接收到的复合信号；A₁、A₂分别为傅里叶变换及短时傅里 叶变换；

然后根据估计的得到信号分量从而实现信号分 离。

优选的，所述的步骤3中，最佳稀疏系数和通过以下子步骤进行求解：

步骤3.1，初始化变量：迭代次数初始值k＝0，惩罚参数μ＞0，待求解稀 疏系数初始值c_1,0、c_2,0，迭代过程中间变量初始值d_1,0、d_2,0；

步骤3.2，更新变量：

v_i,k+1＝soft(c_i,k+d_i,k,λ_i/μ)-d_i,k，i＝1,2

g_k+1＝y-A₁v_1,k+1-A₂v_2,k+1

$d_{i,k+1}=\frac{1}{2}{A}_i^H{g}_{k+1},i=1,2$

c_i,k+1＝d_i,k+1+v_i,k+1，i＝1,2

其中，soft(.)为软阈值函数，soft(x,T)＝max(1-T/|x|,0)，x,T分别软阈值函数 中的变量，|x|为变量x的绝对值；v_i,k+1、g_k+1、d_i,k+1、c_i,k+1分别表示第i个信号分 量在进行第k+1次迭代时的中间变量；A₁、A₂分别为傅里叶变换及短时傅里叶 变换；H为转置复共轭；

步骤3.3，判断是否满足终止条件，满足则停止；否则，k＝k+1。

本发明的有益效果是：一种基于形态分量分析的外辐射源雷达风场杂波抑制 方法，利用雷达接收回波中目标信号与风场杂波具有不同的形态特性，且都可在 相应的变换域进行稀疏表示，从而可利用形态分量分析的方法对信号进行分离； 本发明的方法使风场杂波得到较好抑制，同时具有稳定性好、计算简便等优点， 提高了外辐射源雷达目标检测性能。

附图说明

图1为本发明实施例中风场杂波抑制处理总体框图；

图2为本发明实施例中基于多频网信号实验收、发站点位置布局图；

图3-1为本发明实施例1中多径杂波抑制前距离多普勒谱图；

图3-2为本发明实施例1中多径杂波抑制后距离多普勒谱图；

图3-3为本发明实施例1中多径杂波抑制后距离多普勒谱局部放大图；

图3-4为本发明实施例1中风扇叶片杂波抑制后距离多普勒普图；

图4为本发明实施例中基于多频网信号实验收、发站点位置布局图；

图5-1为本发明实施例2中多径杂波抑制前距离多普勒谱图；

图5-2为本发明实施例2中多径杂波抑制后距离多普勒谱图；

图5-3为本发明实施例2中多径杂波抑制后距离多普勒谱局部放大图；

图5-4为本发明实施例2中风扇叶片杂波抑制后距离多普勒普图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本实施例通过外场实验来验证本发明的有效性。

图1为本发明实施例中风场杂波抑制处理总体框图，具体为：

一种基于形态分量分析的外辐射源雷达风场杂波抑制方法，包括下述步骤：

步骤1，对参考通道、监测通道分别进行参考信号重构和多径杂波抑制，然 后计算参考通道与监测通道二维互相关函数；

步骤2，是否存在沿多普勒轴与零多普勒对称的、呈周期出现的多次谐波副 峰；如果存在，则需进行风场杂波抑制；如果不存在，则表明无风场杂波；

步骤3，当存在沿多普勒轴与零多普勒对称的呈周期出现的多次谐波副峰 时，通过求解以下约束优化问题得到稀疏系数和

$\{{\hat{c}}_1,{\hat{c}}_2\}=\arg \underset{c_1,c_2}{\min }{\lambda }_1\left|\right|c_1|{|}_1+{\lambda }_2|\left|c_2\right|{|}_1$

s.t.y＝A₁c₁+A c₂

其中，c₁和c₂是稀疏系数；和分别是c₁和c₂的最佳估计；λ₁、λ₂为参数， 且λ₁＝1-λ₂；y为雷达接收到的复合信号；A₁、A₂分别为傅里叶变换及短时傅里 叶变换；

然后根据估计的得到信号分量从而实现信号分 离。

所述的步骤3中，最佳稀疏系数和通过以下子步骤进行求解：

步骤3.1，初始化变量：迭代次数初始值k＝0，惩罚参数μ＞0，待求解稀 疏系数初始值c_1,0、c_2,0，迭代过程中间变量初始值d_1,0、d_2,0；

步骤3.2，更新变量：

v_i,k+1＝soft(c_i,k+d_i,k,λ_i/μ)-d_i,k，i＝1,2

g_k+1＝y-A₁v_1,k+1-A₂v_2,k+1

$d_{i,k+1}=\frac{1}{2}{A}_i^H{g}_{k+1},i=1,2$

c_i,k+1＝d_i,k+1+v_i,k+1，i＝1,2

其中，soft(.)为软阈值函数，soft(x,T)＝max(1-T/|x|,0)，x,T分别软阈值函 数中的变量，|x|为变量x的绝对值；v_i,k+1、g_k+1、d_i,k+1、c_i,k+1分别表示第i个信号 分量在进行第k+1次迭代时的中间变量；A₁、A₂分别为傅里叶变换及短时傅里 叶变换；H为转置复共轭；

步骤3.3，判断是否满足终止条件，满足则停止；否则，k＝k+1。

本发明实施例中实验接收区场景位于武汉大学电子信息学院实验中心楼顶， 一竖直面内转动的3叶片风扇用以模拟风力发电机，风扇叶片长为0.75m，实验 时转速约为280-290rpm，8单元均匀圆形阵列配置为监测通道。

实施例1：

图2为本发明实施例中基于多频网信号实验收、发站点位置布局图。武汉市 发射站位于龟山电视塔，收、发站点间距离为7.9km，发射信号中心频率为754 MHz，带宽8MHz，发射功率3kW。

为了便于性能分析，在实测数据的第3个距离元(对应双基地距离为79.37 m)、第20个多普勒元(对应双基地多普勒为39.84Hz)处注入信杂比为-45dB 的动目标信号，保证注入目标位于风扇叶片产生的杂波区内。

图3-1至图3-4为所采集到的一组数据的处理结果，其中，图3-1为多径杂 波抑制前的距离多普勒谱，可见，图中除零多普勒处存在强的多径杂波外，无法 获取其它任何有效信息。采用空域方法进行多径杂波抑制后的结果如图3-2所示， 可见将零多普勒处的多径杂波抑制后，回波谱基底降低，此时沿多普勒轴在零多 普勒周围周期出现了多次谐波副峰，这是因为风扇没有平移运动，旋转的风扇叶 片在雷达回波中产生了额外的频率调制，表现在频谱上的特征就是在零多普勒周 围产生谐波谱线。图3-3为多径杂波抑制后距离多普勒谱局部放大图，由于风扇 叶片产生强而宽的边带，目标被掩盖，无法正确检测出真实目标。进一步利用本 发明方法抑制风扇叶片产生的杂波，结果如图3-4所示，此时风扇叶片杂波被消 除，目标清晰的显现出来。

实施例2：

图4为本发明实施例中基于多频网信号实验收、发站点位置布局图。武汉单 频网信号中心频率为658MHz，信号带宽8MHz，采用垂直极化，发射功率1kW。 为了便于性能分析，在实测数据的第26个距离元(对应双基地距离为750m)、 第20个多普勒元(对应双基地多普勒为39.35Hz)处注入信杂比为-60dB的动 目标信号，保证注入目标位于风扇叶片产生的杂波区内。

图5-1至图5-4为其中一组典型数据的处理结果，其中，图5-1为多径杂波 抑制前的距离多普勒谱，其典型特征是在零多普勒处存在强的多径杂波，其余信 息被淹没在强多径杂波干扰的旁瓣之下。采用空域处理方法进行多径杂波抑制， 抑制后的结果如图5-2所示，可以看到零多普勒位置的杂波得到有效抑制，然而 此时沿多普勒轴在零频左右呈周期出现了多次谐波副峰，而且沿距离轴还存在扩 展，这与利用多频网信号作为照射源时风扇叶片产生的杂波特征有很大的不同。 这是因为在单频网结构下，一个目标可能被多个照射源同时照射而产生多个量测 值；其次，单频网又是一个多径情况严重的无线环境，分布于不同距离单元位置 的多普勒边带还可能由强的多径分量引起。因此，在单频网结构下，风力发电机 叶片会产生更严重的杂波干扰，图5-3显示了多径杂波抑制后的距离多普勒谱局 部放大图，可见目标与风扇叶片产生的杂波混合在一起，无法进行有效区分。采 用本发明方法对风扇杂波进行抑制，结果如图5-4所示，此时，风扇叶片杂波被 消除，目标清晰可见。

本发明实施例中外场实验数据处理结果证明了本发明方法的有效性。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属 技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采 用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义 的范围。