基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法與流程

2023-05-22 10:45:51 1

發明涉及雷達技術領域，尤其涉及基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法。

背景技術：

外輻射源雷達自身不向外輻射電磁信號，而是利用空間中已經存在的輻射源信號作為照射源，對空中的目標進行探測、定位和跟蹤，其憑藉被動探測的特點、簡單的結構、低廉的成本以及反隱身等特點受到了廣泛的關注。

在雷達信號的處理過程中，外輻射源雷達的參考通道接收的直達波信號的作用十分重要，其不僅被用於雜波抑制過程中的直達波延時矩陣的構造，還被用作距離-都卜勒處理過程中的基準信號。然而，在實際應用中，由於目標所處環境較為複雜，且空間中可能存在輻射源信號的同頻信號，因此參考通道所接收的直達波信號並不是純淨的信號，可能會包含較強的多徑信號及同頻信號等幹擾信號。一方面，這些幹擾信號的存在會使直達波延時矩陣的構造出現偏差，導致雜波抑制不徹底，引起雜波剩餘。另一方面，幹擾信號還會引起距離-都卜勒處理過程中積累增益的損失。而雜波剩餘和積累增益的損失均會使目標參數估計出現偏差，進而導致外輻射源雷達檢測不到目標或檢測到虛假目標。

綜上所述，直達波信號對雷達信號的處理意義重大，因此有必要對直達波信號進行提純。

技術實現要素：

本發明的實施例提供基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法，能夠對直達波信號進行提純，避免由於直達波信號不純淨而引起目標參數估計出現偏差，消除虛假目標，實現對目標的有效檢測。

為達到上述目的，本發明的實施例採用如下技術方案：

提供一種外輻射源雷達的直達波信號提純方法，其中，源雷達的天線陣列包括m個陣元間距為半波長的陣元，m為≥2的整數，且m個陣元形成第一波束指向和第二波束指向，第一波束指向用於指向外輻射源雷達的輻射源，第二波束指向用於指向外輻射源雷達的觀測區，方法包括以下步驟：

S1：獲取天線陣列通過第一波束指向接收的回波信號，回波信號包含直達波信號以及幹擾信號；

S2：對回波信號進行虛擬空間平滑獲得n個子陣信號；計算n個子陣信號中每個子陣信號的協方差矩陣以及回波信號的協方差矩陣，得到n+1個協方差矩陣；對n+1個協方差矩陣求平均得到平均協方差矩陣，並將平均協方差矩陣與其共軛轉置矩陣相乘得到第一協方差矩陣，其中，n為≥1的整數；

S3：對第一協方差矩陣進行特徵分解，得到k個特徵值以及每個特徵值對應的特徵向量，並對特徵向量進行正交化；從k個特徵值中選取較小的k-1個特徵值，利用k-1個特徵值對應的正交化後的特徵向量構成幹擾子空間；其中，k為≥2的整數；

S4：將回波信號投影在幹擾子空間的正交子空間中，得到投影信號；在第一波束指向上對投影信號進行空間匹配濾波，得到純淨的直達波信號。

基於上述方案，通過使天線陣列形成第一波束指向和第二波束指向，並使第一波束指向指向輻射源，第二波束指向指向觀測區，獲取天線陣列通過第一波束指向接收的回波信號，進而對回波信號進行虛擬空間平滑獲得n個子陣信號，並基於子陣信號以及回波信號，利用特徵分解和正交投影的思想構造幹擾子空間對回波信號進行濾波，獲得純淨的直達波信號。本發明實施例的方案中，利用特徵分解和正交投影的思想所構造的幹擾子空間能夠解決回波信號中直達波信號與幹擾信號間的強相干性，從而有效濾除其中的幹擾信號，實現對直達波信號的提純，進而避免由於直達波信號不純淨而引起目標參數估計出現偏差，能夠消除虛假目標，實現對目標的有效檢測。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為外輻射源雷達的應用場景示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法的流程示意圖；

圖3為本發明實施例中仿真實驗第①部分仿真內容的檢測結果圖；其中，圖3(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖中橫坐標為都卜勒頻移(單位：Hz)，縱坐標為幅度(單位：dB)；圖3(b)為距離維的檢測結果圖，圖中橫坐標為距離(單位：m)，縱坐標為幅度(單位：dB)；

圖4為本發明實施例中仿真實驗第②部分仿真內容的檢測結果圖；其中，圖4(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖中橫坐標為都卜勒頻移(單位：Hz)，縱坐標為幅度(單位：dB)；圖4(b)為距離維的檢測結果圖，圖中橫坐標為距離(單位：m)，縱坐標為幅度(單位：dB)；

圖5為本發明實施例中仿真實驗第③部分仿真內容的檢測結果圖；其中，圖5(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖中橫坐標為都卜勒頻移(單位：Hz)，縱坐標為幅度(單位：dB)；圖5(b)為距離維的檢測結果圖，圖中橫坐標為距離(單位：m)，縱坐標為幅度(單位：dB)。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

另外，為了便於清楚描述本發明實施例的技術方案，在本發明的實施例中，採用了「第一」、「第二」等字樣對功能和作用基本相同的相同項或相似項進行區分，本領域技術人員可以理解「第一」、「第二」、等字樣並不對數量和執行次序進行限定。

為便於理解，以下將結合圖1所示的外輻射源雷達的應用場景，對外輻射源雷達的應用場景進行介紹如下：

參見圖1，第三方輻射源設置於外輻射源雷達接收站的遠場作為發射站發射電磁波信號，電磁波信號照射在觀測區中的目標上形成反射波(通常稱為目標回波信號)，同時，輻射源發射的部分電磁波信號會直接照射在外輻射源雷達上形成直達波信號(也稱參考信號)。外輻射源雷達通過天線陣列的接收通道接收目標反射的電磁波信號(即目標回波信號)，通過天線陣列的參考通道接收直達波信號，使用雷達信號處理算法對目標回波信號和直達波信號進行處理，從而得到目標的速度、距離、方位等信息。如圖1所示，除待檢測目標之外，觀測區中往往還存在許多障礙物，當輻射源的發射的電磁波信號照射在這些障礙物上後，即會產生多徑信號，多徑信號會隨目標回波信號及直達波信號一同被天線陣列接收。另外，空間中可能存在輻射源的同頻源，同頻源發射的電磁波信號會產生同頻信號，同頻信號也會隨目標回波信號及直達波信號一同被天線陣列接收。因此，外輻射源雷達天線陣列的參考通道所接收的直達波信號並不是純淨的信號，可能會包含較強的多徑信號及同頻信號等幹擾信號。而一方面，這些幹擾信號的存在會使直達波延時矩陣的構造出現偏差，導致雜波抑制不徹底，引起雜波剩餘。另一方面，這些幹擾信號還會引起距離-都卜勒處理過程中積累增益的損失。而雜波剩餘和積累增益的損失均會使外輻射源雷達對目標參數的估計出現誤差，導致外輻射源雷達檢測不到目標。

基於此，本發明實施例提供了一種基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法，應用於外輻射源雷達，以實現直達波信號的提純。其中，所述外輻射源雷達的天線陣列包括m個陣元間距為半波長的陣元，m為≥2的整數，且m個陣元形成第一波束指向和第二波束指向。其中，第一波束指向用於指向所述外輻射源雷達的輻射源，第二波束指向用於指向所述外輻射源雷達的觀測區。

如圖2所示，本發明實施例提供的基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法包括以下步驟：

S1：獲取天線陣列通過第一波束指向接收的回波信號。

其中，回波信號包含直達波信號以及幹擾信號。所述的幹擾信號指除所述直達波信號之外的所有其他信號，主要包括多徑幹擾信號以及同頻幹擾信號，還可能包括部分目標回波信號。

S2：對回波信號進行虛擬空間平滑獲得n個子陣信號；計算n個子陣信號中每個子陣信號的協方差矩陣以及回波信號的協方差矩陣，得到n+1個協方差矩陣；對n+1個協方差矩陣求平均得到平均協方差矩陣，並將平均協方差矩陣與其共軛轉置矩陣相乘得到第一協方差矩陣。

其中，n為≥1的整數。優選的，選取包括8個陣元間距為半波長的陣元的天線陣列作為所述外輻射源雷達的天線陣列，並對所接收的回波信號進行7次虛擬平滑以獲得7個子陣信號，即在本發明實施例中，m取8，n取7。

本發明實施例提供的一種可選的實現方式中，具體可通過以下步驟獲得n個子陣信號：利用預設的第一計算式，對回波信號進行n次虛擬空間平滑獲得n個子陣信號。

其中，預設的第一計算式為：

sig_i＝sig·e-jπsin(iθ)，

式中，θ表示第一波束指向，sig表示回波信號，sig_i表示對回波信號進行第i次虛擬空間平滑得到的子陣信號，i依次取1，2，…，n。

另外，需要說明的是，所述的對n+1個協方差矩陣求平均得到平均協方差矩陣的具體過程為：將n+1個協方差矩陣中所有相同位置的元素加和後取平均得到對應的平均值，將該平均值作為平均協方差矩陣相同位置處的元素。

進一步的，在獲得平均協方差矩陣後，即可根據平均協方差矩陣進一步獲取第一協方差矩陣。具體的，假設得到的平均協方差為則第一協方差矩陣具體可以表示為：式中，Rnew表示第一協方差矩陣，表示平均協方差矩陣的共軛轉置矩陣。

S3：對第一協方差矩陣進行特徵分解，得到k個特徵值以及每個特徵值對應的特徵向量，並對特徵向量進行正交化；從k個特徵值中選取較小的k-1個特徵值，利用k-1個特徵值對應的正交化後的特徵向量構成幹擾子空間。

其中，k為≥2的整數。容易理解，k個特徵值中較小的k-1個特徵值指的是k個特徵值中除最大的特徵值之外的k-1個特徵值。

S4：將回波信號投影在幹擾子空間的正交子空間中，得到投影信號；在第一波束指向上對投影信號進行空間匹配濾波，得到純淨的直達波信號。

具體來說，步驟S4中，在第一波束指向上對投影信號進行空間匹配濾波，得到純淨的直達波信號，具體可以包括：

根據第一波束指向以及預設的第二計算式，確定直達波信號相對於天線陣列的導向矢量；

將空間濾波器的權值設置為直達波信號相對於所述天線陣列的導向矢量，進而對所述投影信號進行空間匹配濾波，得到純淨的直達波信號。

其中，所述預設的第二計算式為：

a(θ)＝[1，e-jπsinθ，e-j2πsinθ，…，e-j7πsinθ]，

式中，θ表示第一波束指向，a(θ)表示直達波信號相對於天線陣列的導向矢量。

基於本發明實施例提供的基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法，通過使天線陣列形成第一波束指向和第二波束指向，並使第一波束指向指向輻射源，第二波束指向指向觀測區，獲取天線陣列通過第一波束指向接收的回波信號，進而對回波信號進行虛擬空間平滑獲得n個子陣信號，並基於子陣信號以及回波信號，利用特徵分解和正交投影的思想構造幹擾子空間對回波信號進行濾波，獲得純淨的直達波信號。本發明實施例的方案中，利用特徵分解和正交投影的思想所構造的幹擾子空間能夠解決回波信號中直達波信號與幹擾信號間的強相干性，從而有效濾除其中的幹擾信號，實現對直達波信號的提純，進而避免由於直達波信號不純淨而引起目標參數估計出現偏差，能夠消除虛假目標，實現對目標的有效檢測。

以下，通過仿真實驗進一步說明本發明的上述效果：

1)仿真實驗場景

具體實驗場景可參考圖1，其中，以仿真生成的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信號作為輻射源信號，並設置直達波信號的能量高於目標回波的能量87dB。此外，還需仿真生成4個多徑幹擾信號以及1個同頻幹擾信號，作為幹擾信號。同時，設置1個待檢測目標，並將待檢測目標與外輻射源雷達接收機的距離設置為21.6km，對應的都卜勒頻移設置為-5Hz，信噪比設置為-31.5dB。

2)仿真內容

仿真內容可分為以下三個部分：

①利用無幹擾信號的理想直達波信號檢測目標，確定待檢測目標的距離、都卜勒頻移以及幅度，並將檢測結果繪製於距離(X軸)-都卜勒頻移(Y軸)-幅度(Z軸)構成的三維坐標系中，同時標定出其中較明顯的尖峰(也即檢測得到的目標的信息)。

②利用混合有幹擾信號的直達波信號檢測目標，確定待檢測目標的距離、都卜勒頻移以及幅度，並將檢測結果繪製於距離(X軸)-都卜勒頻移(Y軸)-幅度(Z軸)構成的三維坐標系中，同時標定出其中較明顯的尖峰(也即檢測得到的目標的信息)。

③使用本發明實施例提供基於外輻射源雷達的直達波信號提純方法進行提純，利用提純得到的直達波信號檢測目標，確定待檢測目標的距離、都卜勒頻移以及幅度，並將檢測結果繪製於距離(X軸)-都卜勒頻移(Y軸)-幅度(Z軸)構成的三維坐標系中，同時標定出其中較明顯的尖峰(也即檢測得到的目標的信息)。

3)仿真結果分析：

圖3所示為仿真實驗第①部分仿真內容的檢測結果。其中，圖3(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖3(b)為距離維的檢測結果圖。觀察圖3(a)和圖3(b)，可以看出，圖中存在一個明顯的尖峰，坐標為(2.16×104m，-5.086Hz，1dB)，對比前述場景設置中待檢測目標的參數，發現該坐標對應的參數與待檢測目標的設置參數一致，同時，圖中除了該明顯尖峰之外沒有副峰。可以得出，利用無幹擾信號的理想直達波信號能夠有效檢測出目標，且不存在虛假目標。

圖4所示為仿真實驗第②部分仿真內容的檢測結果。其中，圖4(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖4(b)為距離維的檢測結果圖。觀察圖4(a)和圖4(b)，可以看出，圖中存在一個明顯的尖峰以及一個明顯副峰，其中明顯尖峰對應的坐標為(1.56×104m，-5.086Hz，1dB)，對比前述場景設置中待檢測目標的參數，發現其中的距離參數與待檢測目標的距離參數偏差較大，同時，相比於圖3所示的檢測結果，圖4中的噪聲平臺相對較高。因此，可以得出，利用混合有幹擾信號的直達波信號雖然能夠檢測出目標，但所得到的距離參數與真實距離參數之間相差較大，檢測信噪比較小，同時會出現虛假目標。

圖5所示為仿真實驗第③部分仿真內容的檢測結果。其中，圖5(a)為都卜勒維的檢測結果圖，圖5(b)為距離維的檢測結果圖。觀察圖5(a)和圖5(b)，可以看出，圖中存在一個明顯的尖峰，坐標為(2.16×104m，-5.086Hz，1dB)，對比前述場景設置中待檢測目標的參數，發現該坐標對應的參數與待檢測目標的設置參數一致，並且，相比於圖4所示的檢測結果，圖5中的噪聲平臺相對較低。同時，圖中除了該明顯尖峰之外沒有副峰。因此，可以得出，基於本發明實施例提供的直達波信號提純方法對直達波信號提純後，檢測信噪比較高，能夠有效檢測出目標，消除虛假目標。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成，前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。