一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法

摘要

本发明公开了一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法，首先，构造雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号，并对失配滤波器系数进行初始化；然后计算脉压输出结果，基于最小均方算法对失配滤波器系数进行优化；最后利用优化后的失配滤波器得到干扰假目标被有效抑制的脉压结果；本发明能够实现对间歇采样转发式干扰的有效抑制，降低干扰假目标的幅度，从而使得目标可被有效检测。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达电子反对抗技术领域，具体涉及一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法。

背景技术

现代战场电磁环境日益复杂，电子对抗与反对抗技术迅速发展，电磁干扰已经成为制约雷达工作效能的重要瓶颈问题。其中，基于数字射频存储(Digital RadioFrequency Memory，DRFM)技术的间歇采样转发式干扰是一种新型有源干扰，这种干扰信号与雷达发射信号相参，干扰效率高，被广泛应用于雷达对抗领域，成为现代雷达面临的新威胁。因此研究间歇采样转发式干扰的抑制技术具有重要意义。

传统的干扰抑制方法主要集中在空域、时域和频域。空域抗干扰主要是采用旁瓣匿隐和旁瓣对消方法，通过自适应波束形成技术对抗有源干扰，但对于间歇采样转发式干扰，当干扰机与真实目标位于同一角度时，空域处理方法则无法实施。时域上通常通过设计复杂波形来进行干扰抑制，主要波形包括脉内正交的线性调频-相位编码波形、稀疏多普勒敏感波形和时域间断波形等，但此类波形设计方法大多计算过程复杂，无法保证算法的实时性。频域抗干扰主要是通过频率捷变和频率分集技术，但该方法针对间歇采样转发式这种相干干扰，其干扰抑制性能有限。

因此，基于脉冲压缩体制雷达系统，开发一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法，实现对间歇采样转发式干扰的有效抑制，降低干扰假目标的幅度，从而使得目标可以被有效检测，具有重要的实际意义和应用价值。

发明内容

本发明在脉冲压缩体制雷达系统下，从信号处理层面出发，提出一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法，能够实现对间歇采样转发式干扰的有效抑制，降低干扰假目标的幅度，从而使得目标可被有效检测。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法，首先，构造雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号，并对失配滤波器系数进行初始化；然后计算脉压输出结果，基于最小均方算法对失配滤波器系数进行优化；最后利用优化后的失配滤波器得到干扰假目标被有效抑制的脉压结果。

本发明的具体过程如下：

步骤S1，构造雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号。

将雷达发射信号记为s[n]，n＝1,2,…,N,N为信号总长度。间歇采样转发式干扰的工作原理为：干扰机探测到雷达发射信号时开始采样，一段时间后停止采样得到第一个干扰切片，根据控制器中的转发要求对干扰切片进行延时转发，然后再重复采样和转发过程直到雷达发射脉冲结束。根据间歇采样转发式干扰的工作原理，构造干扰信号j[n]，得到包含发射信号和干扰信号的雷达回波信号y[n]。

步骤S2，计算当前信号失配滤波输出。

将失配滤波器的系数记为h[n]，可以用矢量形式表示为h，首先随机生成初始失配滤波器，然后计算此时雷达回波信号经过失配滤波器的输出。当雷达受到间歇采样转发式干扰时，即j[n]信号存在时，会形成一系列逼真假目标，一般第一个假目标与真实目标相比会延时一个采样脉冲宽度。如果干扰机辐射的干扰能量较大，即干信比(Jamming toSignal Ratio，JSR)较大，输出结果中假目标的幅值可能大于目标幅值，真实目标会淹没在假目标干扰中，从而影响雷达对真实目标的探测。

步骤S3，基于最小均方算法优化失配滤波器。

当间歇采样转发式干扰被很好地抑制时，期望得到的失配滤波输出是一个δ函数，表示仅存在真实目标，在其它时延处均为零。本发明的抑制间歇采样转发式干扰的最优失配滤波器，其输出最接近理想输出，本发明采用最小均方算法来优化滤波器系数，通过最小化理想输出和实际输出之间的均方误差设计失配滤波器以实现干扰的抑制。将该抑制干扰的最优失配滤波器系数记为h

步骤S4，得到干扰抑制的脉压结果。

将雷达回波信号与步骤S3中最优失配滤波器h

所述步骤S1包括如下步骤：

步骤S11，将间歇采样脉冲序列记为p[n]，其表达式为

其中u(n)为单位阶跃信号，τ

步骤S12，干扰机采样信号为雷达发射信号与间歇采样脉冲的乘积，记为s

步骤S13，间歇采样转发式干扰信号为采样信号的延时，记为j[n]，即

j[n]＝s

其中τ

由傅里叶变换的性质可知，时域的延时可以等效于频域乘以延时转发因子，由此可以得到间歇采样转发式干扰信号的另一种表达式，为

j[n]＝AF

其中A为干扰机发射干扰信号的幅度，T

步骤S14，雷达回波是雷达发射信号和干扰信号的叠加，可以由下式表示。

y[n]＝s[n]+j[n]  (5)

将回波信号构造信号矩阵Y，其表达式为

所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S21，对失配滤波器系数进行初始化，得到h[n]。

步骤S22，将脉冲压缩体制雷达的输出记为r[k]，矢量形式为r，其是雷达回波信号和失配滤波器的卷积，可以表示为

将雷达脉压输出写成矩阵形式，即

r＝Y

将该结果作为当前信号失配滤波的输出。

所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S31，构造理想的干扰抑制输出，该输出中只包含真实目标，其它时延均为零，理想输出可以由下式表示，写成矢量形式可以表示为d。

步骤S32，求实际输出与理想输出的差值，得到误差向量e，可以用下式计算

e＝d-r＝d-Y

步骤S33，定义代价函数为均方误差，即

f(h)＝E[e[k]

其中Y

由此得到抗间歇采样转发式干扰的失配滤波优化问题为

min f(h)  (12)

步骤S34，将优化问题中的目标函数对失配滤波器系数求偏导，得到下式

为了使代价函数逐渐减小，失配滤波系数更新时应按向梯度下降的方向进行更行。即

其中μ为步长因子。

步骤S35，将式(13)代入式(14)后，得到最终的失配滤波器系数更新公式为

h

步骤S36，重复步骤S32到步骤S35，直到算法趋于收敛或满足设定的最大迭代次数，将最后一次迭代的失配滤波器系数作为优化后的干扰抑制滤波器系数，记作h

所述步骤S4包括如下步骤：

雷达回波信号经过最优干扰抑制失配滤波器后的输出r

r

此时峰值即为真实目标信号，可以据此对目标展开识别或跟踪等下一步操作。

有益效果：

(1)本发明针对间歇采样转发式干扰，从信号处理层面展开对抗，通过设计失配滤波器进行干扰抑制，与空域、频域等干扰抑制方法相比，不需要更高的硬件成本。

(2)本发明基于最小均方算法对失配滤波器系数更新迭代，在实际应用中仅需要雷达回波信号和理想输出信号已知，该方法的计算复杂度低，且收敛速度快。

(3)本发明能够高效地抑制间歇采样转发式干扰，仿真实验结果表明本发明所述方法可以将假目标幅度降低30～40dB，具有很好的干扰抑制效果。

附图说明

图1为基于最小均方算法的干扰抑制滤波器设计方法流程图；

图2为间歇采样转发式干扰示意图；

图3为雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号时域波形图；(a)为发射信号时域波形图，(b)为干扰信号时域波形图；

图4为初始时匹配滤波脉压输出结果图；

图5为均方误差随迭代次数的变化曲线图；

图6为失配滤波脉压输出结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将给出一个应用本发明的仿真实例，并结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

考虑仿真场景如下：雷达发射任意随机相位编码信号，信源波形参数和间歇采样转发式干扰机的工作参数如下表所示。

一种基于最小均方算法的干扰抑制失配滤波器设计方法具体步骤如下，如图1所示：

步骤S1，构造雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号。

该仿真参数下，间歇采样转发式干扰的示意图如图2所示。

步骤S11，由间歇采样转发式干扰参数根据式(1)得到间歇采样脉冲序列p[n]为

其中L为每个间歇采样脉冲宽度内的采样点数。

步骤S12，假设雷达发射信号为随机相位编码信号，s[n]的表达式为

s[n]＝exp(jφ

其中φ

步骤S13，根据式(3)或式(4)得到间歇采样转发式干扰信号j[n]，式中的干扰机发射干扰信号的幅度A可以由干信比计算得到，干扰信号延时转发因子τ

步骤S14，雷达回波y[n]是雷达发射信号和干扰信号二者之和，可以由式(5)计算得到。为后续表示和计算方便，利用回波信号y[n]构造信号矩阵Y。

雷达发射信号和间歇采样转发式干扰信号的时域波形如图3的(a)和(b)所示。

步骤S2，计算当前信号失配滤波输出。

步骤S21，首先对失配滤波器的系数h[n]进行初始化，这里采用匹配滤波器的系数作为初始值，即利用下式进行初始化。

h[n]＝s

步骤S22，利用式(8)计算脉冲压缩体制雷达当前信号失配滤波的输出。

初始时匹配滤波脉压输出结果如图4所示，图中以真实目标匹配滤波输出的幅度进行归一化处理。由图4可知，此时脉压结果中出现两个幅值较高的干扰假目标，真实目标被完全遮蔽，干扰严重影响了雷达的探测性能。

步骤S3，基于最小均方算法优化失配滤波器。

步骤S31，由式(9)构造理想的干扰抑制输出；

步骤S32，将式(8)中的实际失配滤波输出与步骤S31中的理想输出作差，得到误差向量e。

步骤S33，利用式(11)和式(12)得到抗间歇采样转发式干扰的失配滤波优化问题。

步骤S34，利用式(13)和式(14)对上述优化问题进行求解。

步骤S35，利用式(15)对失配滤波器系数进行更新。

步骤S36，重复步骤S32和步骤S35，直到算法达到最大迭代次数，该仿真实验中最大迭代次数设置为3000。迭代过程中，均方误差随迭代次数的变化曲线如图5所示。将最后一次迭代的失配滤波器系数作为优化后的干扰抑制滤波器系数，即h

步骤S4，得到干扰抑制的脉压结果。

利用式(16)将雷达回波信号与干扰抑制的失配滤波器进行卷积，得到失配滤波的脉压结果r

统计真实目标和假目标匹配滤波和失配滤波的幅度，并计算真实目标幅度损失和假目标干扰抑制效果，结果如下表所示(单位/dB)。

由图6和上表统计结果可知，本发明方法能够将假目标幅度降低约30～40dB，很好的抑制间歇采样转发式干扰，保证雷达在干扰环境下的工作效能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。