一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法及系统

摘要

本发明公开了一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法及系统，将灵巧干扰解析为压制性分量和欺骗性分量，使用基于空间投影技术对灵巧干扰欺骗性分量进行抑制，在角度‑速度‑距离三维参数空间内实现了对目标的有效检测，同时将OFDM波形与MIMO雷达优势相结合，有效降低了MIMO雷达信号处理的计算量和所需训练样本数，这为机载MIMO雷达多维信号处理技术的进一步研究和工程应用提供了理论基础。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法及系统。

背景技术

灵巧干扰是电子干扰的一种，具体是用特殊方式调制的一种噪声干扰。它对被干扰雷达产生的影响介于欺骗和压制之间，而不是简单的遮盖或屏蔽。

基于数字射频存储(DRFM)的灵巧干扰技术能够在一定条件下长时间、较精确、较完整地录取和保存雷达的当前工作波形，在需要干扰的时候，复制和再现保存的雷达波形，并根据干扰任务的需要自适应地改变干扰信号的样式和参数，对其加以各种欺骗、遮盖干扰的复合调制，在时间、空间、频率、极化等多维信息域内对雷达实施最佳干扰。特别的，当灵巧干扰从机载雷达的主瓣进入时，雷达将接收到在空域、时域和频域三域都高度逼真的密集的假目标信号，且由于干扰信号与目标信号是相干的，干扰中的每一个分量都可以获得雷达接收机的匹配滤波增益，从而使目标回波信号的功率与干扰信号的功率比可能很小，即目标回波被强干扰所淹没，严重影响目标信号的检测及目标参数的估计。在这种情况下，干扰机与目标位于同一角度，由于传统MIMO(多输入多输出)雷达发射频率和接收频率均是角度依赖的这一局限性，难以具备有效的系统自由度区分目标信号和虚假目标，即使采用先进的STAP(空时自适应处理)算法也无法解决这一问题。

当干扰信号进入雷达天线主瓣时，雷达的检测性能将明显下降。常见的干扰抑制方法主要有以下3种：(1)自适应波束形成；(2)天线极化特性；(3)干扰相 消。这些方法虽然有一定改善效果，但不同程度会造成主瓣畸变与有用信号被抑制等问题。现有技术中提出了对角加载法、采样协方差矩阵求逆法以及阻塞矩阵预处理法，这些方法解决了主瓣畸变问题，但同时也产生了计算量增大、信噪比降低、性能不稳定等新问题。传统相控阵雷达难以抑制主瓣内灵巧干扰的根本原因在于没有有效的系统自由度区分目标信号和虚假目标。

发明内容

本发明实施例提供了一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法及系统，用以解决现有技术中存在的问题。

一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法，其特征在于，包括：

在发射-接收平面上构造杂波信号的子空间，该杂波信号的子空间中包括杂波信号和目标信号，利用子空间投影技术将所述杂波信号的子空间中的杂波信号和目标信号进行抑制，获得抑制后的信号；

利用二阶统计特性估计灵巧干扰信号的欺骗性分量的距离和角度参数，获得距离和角度的估计值；

利用所述距离和角度的估计值，在发射-接收平面上构造灵巧干扰信号的欺骗性分量的第一子空间；

根据所述欺骗性分量的第一子空间在发射-接收-时间三维空间中构造欺骗性分量的第二子空间，并根据所述欺骗性分量的第二子空间对所述抑制后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；

根据所述预处理后的信号，利用杂波信号和灵巧干扰信号的压制性分量的距离不依赖性，估计协方差矩阵；

根据所述协方差矩阵以及最小方差无失真响应准则确定波束形成器；

解波束形成器，获得相应的解。

优选地，步骤“在发射-接收平面上构造杂波信号的子空间”中构造的所述杂波信号的子空间为：

$>{\Pi }_{TR,clu}=\underset{i=1}{\overset{M+N-1}{\Sigma }}[a_T(0,{\theta }_i)\otimes a_R\left({\theta }_i\right)]{[a_T(0,{\theta }_i)\otimes a_R\left({\theta }_i\right)]}^H---\left(1\right);$>

式(1)中，П_TR，clu为所述杂波信号的子空间，M为接收天线的个数，N为发射天线的个数，a_T(0，θ_i)为发射导向矢量，θ_i为目标角度，a_R(θ_i)为接收导向矢量；

目标信号位于式(1)所示的子空间中，因此利用子空间投影技术获得的抑制后的信号为：

式(2)中，为接收快拍数据的投影，I_MN为M×N维的单位阵，X为接收快拍数据。

优选地，步骤“利用所述距离和角度参数的估计值，在发射-接收平面上构造灵巧干扰信号的欺骗性分量的第一子空间”中构造的所述欺骗性分量的第一子空间为：

式(3)中，П_TR，dec(r)为所述欺骗性分量的第一子空间，P为假目标产生器的个数，为发射导向矢量，为估计得到的第p个假目标产生器的距离，r为目标真实距离，为估计得到的第p个假目标产生器的角度，a_R(θ_p)为接收导向矢量，θ_p为第p个假目标产生器的真实角度。

优选地，步骤“根据所述欺骗性分量的第一子空间在发射-接收-时间三维空间中构造欺骗性分量的第二子空间，并根据所述欺骗性分量的第二子空间对所述抑制后的信号进行预处理，获得预处理后的信号”中构造的所述欺骗性分量的第二子空间为：

$>{\Pi }_{dec}\left(r\right)={\Pi }_{TR,dec}\left(r\right)\otimes I_K---\left(4\right);$>

式(4)中，П_dec(r)为所述欺骗性分量的第二子空间，I_K为K维的单位阵；

所述预处理后的信号为：

式(5)中，为预处理后的接收快拍数据，I_MNK为M×N×K的单位阵，为 的列向量。

优选地，步骤“根据所述预处理后的信号，利用杂波信号和灵巧干扰信号的压制性分量的距离不依赖性，估计协方差矩阵”中估计得到的协方差矩阵为：

$>\tilde{R}=\frac{1}{L-1}\underset{l=1,l\ne l_0}{\overset{L}{\Sigma }}{\tilde{x}}_l{\tilde{x}}_l^H---\left(6\right);$>

式(6)中，为所述协方差矩阵，L为距离门的个数，l₀为待检测的距离环，为第l个距离门的预处理后的信号。

优选地，步骤“根据最小方差无失真响应准则确定波束形成器”中确定的波束形成器为：

式(7)中，w为自适应权值，θ为目标角度，v为目标径向速度，为经补偿后的导向矢量，其表达式为：

式(8)中，g(r)为发射-接收二维补偿矢量，I_N为N维的单位阵。

优选地，步骤“解波束形成器，获得相应的解”中获得的解为：

$>w=\mu {\tilde{R}}^{-1}\tilde{s}(0,\theta ,v)---\left(9\right);$>

式(10)中，为补偿矢量，其表达式为μ为归一化因子，其表达式为：

本发明实施例还提供了一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制系统，包括：

第一子空间构造模块，用于在发射-接收平面上构造杂波信号的子空间，该 杂波信号的子空间中包括杂波信号和目标信号，利用子空间投影技术将所述杂波信号的子空间中的杂波信号和目标信号进行抑制，获得抑制后的信号；

参数估计模块，用于利用二阶统计特性估计灵巧干扰信号的欺骗性分量的距离和角度参数，获得距离和角度的估计值；

第二子空间构造模块，用于利用所述距离和角度的估计值，在发射-接收平面上构造灵巧干扰信号的欺骗性分量的第一子空间；

第三子空间构造模块，用于根据所述欺骗性分量的第一子空间在发射-接收-时间三维空间中构造欺骗性分量的第二子空间，并根据所述欺骗性分量的第二子空间对所述抑制后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；

协方差估计模块，用于利用杂波信号和灵巧干扰信号的压制性分量的距离不依赖性，估计协方差矩阵；

波束形成器确定模块，用于根据所述协方差矩阵以及最小方差无失真响应准则确定波束形成器；

波束形成器求解模块，用于解波束形成器，获得相应的解。

本发明实施例中一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法及系统，将灵巧干扰解析为压制性分量和欺骗性分量，使用基于空间投影技术对灵巧干扰欺骗性分量进行抑制，在角度-速度-距离三维参数空间内实现了对目标的有效检测，同时将OFDM波形与MIMO雷达优势相结合，有效降低了MIMO雷达信号处理的计算量和所需训练样本数，这为机载MIMO雷达多维信号处理技术的进一步研究和工程应用提供了理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制系统的功能模块图；

图3为本发明实施例中目标信号、假目标、压制性分量和杂波信号的分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供了一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法，该方法包括：

步骤100，在发射-接收平面上构造杂波信号的子空间，该杂波信号的子空间中包括杂波信号和目标信号，利用子空间投影技术将杂波信号的子空间中的杂波信号和目标信号进行抑制，获得抑制后的信号；

具体地，构造的杂波信号的子空间为：

$>{\Pi }_{TR,clu}=\underset{i=1}{\overset{M+N-1}{\Sigma }}[a_T(0,{\theta }_i)\otimes a_R\left({\theta }_i\right)]{[a_T(0,{\theta }_i)\otimes a_R\left({\theta }_i\right)]}^H---\left(1\right);$>

式(1)中，П_TR，clu为杂波信号的子空间，M为接收天线个数，N为发射天线个数，a_T(0，θ_i)为发射导向矢量，θ_i为目标角度，a_R(θ_i)为接收导向矢量。

目标信号位于式(1)所示的子空间中，因此利用子空间投影技术获得的抑制后的信号为：

式(2)中，为接收快拍数据的投影，I_MN为M×N维的单位阵，X为接收快拍数据。

步骤101，利用二阶统计特性估计灵巧干扰信号的欺骗性分量的距离和角度参数，获得距离和角度参数的估计值；

步骤102，利用距离和角度参数的估计值，在发射-接收平面上构造灵巧干扰信号的欺骗性分量的第一子空间，获得的欺骗性分量的第一子空间为：

式(3)中，П_TR，dec(r)为欺骗性分量的第一子空间，P为假目标产生器的个数，为发射导向矢量，为估计得到的第p个假目标产生器的距离，r为目标真实距离，为估计得到的第p个假目标产生器的角度，a_R(θ_p)为接收导向矢量，θ_p为第p个假目标产生器的真实角度。

由此可以看出，式(3)所示的子空间是距离依赖的。

步骤103，在发射-接收-时间三维空间中构造欺骗性分量的第二子空间，并根据所述欺骗性分量的第二子空间对所述抑制后的信号进行预处理，获得预处理后的信号，实现对距离依赖的欺骗性分量的抑制；

具体地，构造的欺骗性分量的第二子空间为：

$>{\Pi }_{dec}\left(r\right)={\Pi }_{TR,dec}\left(r\right)\otimes I_K---\left(4\right);$>

式(4)中，П_dec(r)为欺骗性分量的第二子空间，I_K为K维的单位阵。

预处理后的信号为：

式(5)中，为预处理后的接收快拍数据，I_MNK为M×N×K的单位阵，为 的列向量。

步骤104，根据预处理后的信号，利用杂波信号和灵巧干扰信号的压制性 分量的距离不依赖性，估计协方差矩阵，即：

$>\tilde{R}=\frac{1}{L-1}\underset{l=1,l\ne l_0}{\overset{L}{\Sigma }}{\tilde{x}}_l{\tilde{x}}_l^H---\left(6\right);$>

式(6)中，为协方差矩阵，L为距离门的个数，l₀为待检测的距离环，为第l个距离门的预处理后的信号。

步骤105，根据最小方差无失真响应(MVDR)准则确定波束形成器；

具体地，确定的波束形成器表示为：

式(7)中，w为自适应权值，θ为目标角度，v为目标径向速度，为经补偿后的导向矢量，其表达式为：

式(8)中，g(r)为发射-接收二维补偿矢量，I_N为N维的单位阵。

式(9)中，s(r，θ，v)为经补偿后的导向矢量，为发射导向矢量，a_R(θ)为接收导向矢量，b(v)为时域导向矢量。

步骤106，解波束形成器，获得相应的解；

具体地，波束形成器的解为：

$>w=\mu {\tilde{R}}^{-1}\tilde{s}(0,\theta ,v)---\left(10\right);$>

式(10)中，为补偿矢量，其表达式为μ为归一化因子，其表达式为：

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制系统，如图2所示，由于该系统解决技术问题的原理和一种机载 多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法相似，因此该系统的实施可参照方法的实施，重复之处不再赘述。

第一子空间构造模块200，用于在发射-接收平面上构造杂波信号的子空间，该杂波信号的子空间中包括杂波信号和目标信号，利用子空间投影技术将所述杂波信号的子空间中的杂波信号和目标信号进行抑制，获得抑制后的信号；

参数估计模块201，用于利用二阶统计特性估计灵巧干扰信号的欺骗性分量的距离和角度参数，获得距离和角度的估计值；

第二子空间构造模块202，用于利用所述距离和角度的估计值，在发射-接收平面上构造灵巧干扰信号的欺骗性分量的第一子空间；

第三子空间构造模块203，用于根据所述欺骗性分量的第一子空间在发射-接收-时间三维空间中构造欺骗性分量的第二子空间，并根据所述欺骗性分量的第二子空间对所述抑制后的信号进行预处理，获得预处理后的信号；

协方差估计模块204，用于利用杂波信号和灵巧干扰信号的压制性分量的距离不依赖性，估计协方差矩阵；

波束形成器确定模块205，用于根据最小方差无失真响应(MVDR)准则确定波束形成器；

波束形成器求解模块206，用于解波束形成器，获得相应的解。

参照图3，经本发明的方法和系统处理后，目标信号300、杂波信号301和灵巧干扰信号的欺骗性分量在发射空间的频率分别为：

其中，为目标信号的发射空间频率，d_T为发射阵元间距，λ₀为工作波>为杂波信号的发射空间频率，为灵巧干扰信号的欺骗性分量的发射空间频率，Δf为步进频率，c为光速，r_p为第p个假目标产生器的距离，r为目标的距离。

从式(12)、(13)和(14)可以看出，经补偿后的目标信号300和杂波301对应的发射空间频率不再是距离依赖的，灵巧干扰信号的压制性分量302的分布不受影响，而灵巧干扰信号的欺骗性分量对应的发射导向矢量仍然是距离依赖的。利用该特性，OFDM(正交频分复用)-MIMO雷达就可以在距离维上实现从众多的假目标303中区分出目标信号300和杂波301。图中，f_T、f_R和f_D分别为发射频率、接收频率和多普勒频率。

图3a给出了发射-接收-时间三维空间中目标信号300、杂波信号301、压制性分量302和假目标303的分布示意图。其中，假设发射和接收采用相同的天线，即M＝N，d_T＝d_R。压制性分量在发射和时间两维空间中都是高斯分布的，仅在接收维具有角度依赖性，并且假目标303与目标信号300不同，在三维空间中是可以被分辨出来的。由图3b可知，目标信号300和杂波信号301落在了同一平面上，而假目标303没有落在目标信号300和杂波信号301所在的平面上，这是由于经补偿后假目标303的发射空间频率仍然是距离依赖的，而目标信号300和杂波信号301的发射空间频率不再是距离依赖的。由图3c可知，同一个假目标产生器(FTG)304产生的所有假目标303均具有相同的发射和接收频率，并且，在发射-接收平面上假目标303并不是对角分布的，而目标信号300和杂波信号301是对角分布的。总之，通过将角度、多普勒和距离信息结合在OFDM-MIMO雷达的发射-接收-时间三维空间中，目标信号300就可以被检测出来，而杂波信号301和干扰将被有效抑制，这是传统MIMO雷达做STAP处理所无法实现的。

应当理解，以上一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制系统包括的模块仅为根据该系统实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述 模块的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制系统所实现的功能与上述实施例提供的一种机载多输入多输出雷达主瓣灵巧干扰抑制方法一一对应，对于该系统所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。