外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法與流程

2023-10-09 05:20:59 2

本發明屬於雷達技術領域，尤其涉及一種外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法。

背景技術：

外輻射源雷達探測目標屬於被動探測，依靠第三方輻射源信號進行目標探測。外輻射雷達接收站直接接收直達波信號作為參考信號，當參考信號中含有多徑幹擾成分時，直接利用含有多徑幹擾信號的參考信號做匹配濾波會導致虛假目標的出現。所以對多徑幹擾的抑制程度直接影響著外輻射雷達探測目標的性能。

外輻射源雷達系統採用雙通道信號處理結構，即參考通道與回波通道，分別接收參考信號和回波信號。外輻射源雷達參考通道利用指向照射源的參考天線接收直達波信號作為參考信號，參考信號用於後續回波通道的時域幹擾相消和匹配濾波處理，所以獲取純淨的參考信號尤為重要。

由於近地建築或山丘的折射效應，受到折射的直達波信號相對於直線傳播的直達波信號就有了時間延遲，這些延遲後的直達波信號就形成多徑幹擾信號。參考通道和回波通道都會受到多徑幹擾的影響，嚴重影響外輻射雷達系統的目標探測性能。

針對回波通道中的直達波和多徑幹擾，可採用時域幹擾相消的方法來消除回波通道中的直達波和多徑幹擾。目前國內外主要的時域幹擾相消算法主要有：smi(採樣矩陣求逆，samplematrixinversion)算法、eca-b(分段擴展相消，batchversionofextensivecancellation)算法、lms(最小均方,leastmeansquare)算法及其改進的算法等。

參考通道中的多徑幹擾是較難消除的，一般都採用空域濾波的方法，通過自適應的波束形成，在多徑幹擾來波方向形成方向圖零點。但是，當多徑信號與直達波信號來波方向比較接近時，多徑信號與直達波信號在時域、空域和頻域都是不可分的，目前還並沒有行之有效的方法來消除參考信號中的多徑幹擾信號。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法，在外輻射源雷達參考信號中含有多徑幹擾時，可以實現抑制參考信號中的多徑幹擾成分，消除多徑幹擾造成的虛假目標，得到較好的目標檢測結果。

實現本發明目的的技術思路是：來自第三方照射源的直達波信號和多徑傳播信道的都是未知的，在無法獲取訓練信號的情況下，通過傳統濾波手段無法消除多徑幹擾。針對照射源信號具有恆模的特點，利用改進的恆模算法(cma，constantmodulusalgorithm)來對含有多徑幹擾信號的參考信號進行盲均衡處理，抑制參考信號中的多徑幹擾成分，改善外輻射源雷達系統的目標探測性能。

為達到上述目的，本發明採用如下技術方案予以實現。

一種外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1，獲取外輻射源雷達接收到的信號，所述外輻射源雷達接收到的信號包含參考信號和回波信號，且所述參考信號中含有多徑幹擾信號，所述回波信號中含有直達波信號和多徑幹擾信號；分別對所述參考信號和所述回波信號依次進行放大、混頻、a/d採樣和數字下變頻處理，得到數字參考信號和數字回波信號；

步驟2，對所述數字參考信號進行盲均衡濾波，得到多徑幹擾抑制後的參考信號；

步驟3，根據所述多徑幹擾抑制後的參考信號對所述數字回波信號進行時域幹擾相消，得到時域幹擾相消後的回波信號；

步驟4，根據所述多徑幹擾抑制後的參考信號，對所述時域幹擾相消後的回波信號進行脈衝壓縮處理，從而得到目標檢測結果。

本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明將cma算法改進並應用到外輻射源雷達抑制參考信號中多徑幹擾的背景下。傳統濾波方法無法抑制參考信號中多徑幹擾，並且傳統cma算法對較小時延的多徑幹擾抑制效果較差，本發明改進盲均衡算法中的cma算法，並對(含有多徑幹擾的)參考信號進行盲均衡處理，該改進算法具有收斂速度快、穩定性強的優點，可以更好抑制參考信號中的多徑幹擾。

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為本發明實施例提供的一種外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法的流程示意圖；

圖2為本發明實施例提供的外輻射源雷達雙基地場景配置示意圖；

圖3為本發明仿真實驗中外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾信號時的距離-都卜勒示意圖

圖4為本發明仿真實驗中外輻射源雷達利用傳統cma抑制參考信號中多徑幹擾後的距離-都卜勒示意圖

圖5為本發明仿真實驗中外輻射源雷達利用改進cma抑制參考信號中多徑幹擾後的距離-都卜勒示意圖。

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。

本發明實施例提供一種外輻射源雷達參考信號含有多徑幹擾時的目標檢測方法，如圖1所示，所述方法包括如下步驟：

步驟1，獲取外輻射源雷達接收到的信號，所述外輻射源雷達接收到的信號包含參考信號和回波信號，且所述參考信號中含有多徑幹擾信號，所述回波信號中含有直達波信號和多徑幹擾信號；分別對所述參考信號和所述回波信號依次進行放大、混頻、a/d採樣和數字下變頻處理，得到數字參考信號和數字回波信號。

在步驟1之前，需要進行場景設置，具體的，如圖2所示，外輻射源雷達上設置有一副參考天線和一副回波接收天線，所述參考天線指向輻射源，所述回波接收天線指向觀測區，且所述參考天線接收的信號為參考信號，所述回波接收天線接收的信號為回波信號，同時，所述場景中還包括第三方輻射源(即有源脈衝雷達)，所述第三方輻射源設置於所述外輻射源雷達接收站的遠場作為發射站，所述第三方輻射源用於發射信號。

步驟2，對所述數字參考信號進行盲均衡濾波，得到多徑幹擾抑制後的參考信號。

基本cma算法的權值迭代公式中，fir濾波器的權值向量w(n)依賴於n，並採用下面的最小均方(lms)算法來更新：

w(n+1)＝w(n)+μx(n)e*(n)

其中，μ為迭代更新步長。誤差信號為e(n)：e(n)＝y(n)[|y(n)|2-γ2]

其中：式中，s(n)表示源信號(即不含多徑幹擾的參考信號)。

本發明實施例中，步驟2具體包括如下子步驟：

(2a)設置具有單位範數的向量為盲均衡濾波器的初始權值向量w(n)＝[w-l(n),w-l+1(n),…,wl(n)]t；並構造盲均衡濾波器的輸入信號x(n)＝sref(n)，其中，sref(n)為數字參考信號，n表示離散時間序列；

令n的初值為l+1，且l+1≤n≤n-l，其中，n為數字參考信號sref(n)的數據長度，盲均衡濾波器的階數為2l+1；且n≥2l+1

(2b)計算盲均衡濾波器的輸出信號y(n)：

其中，k表示盲均衡濾波器的抽頭序號，(·)*表示求共軛操作，(·)h表示求共軛轉置操作；

(2c)計算盲均衡濾波器的誤差信號e(n)：

e(n)＝y(n)[|y(n)|2-γ2]

其中，|·|2表示求模值平方操作，且γ2＝1；

(2d)令n的值加1，採用下式對盲均衡濾波器的權值向量進行更新：

其中，α、β為正實數；取α＝1.0，β＝2.0。

(2e)若n<n-l，則返回子步驟(2b)繼續執行；否則，將最後得到的盲均衡濾波器的輸出信號y(n)作為多徑幹擾抑制後的參考信號

需要說明的是，改進的cma算法，根據最小化幹擾原理，權值向量應該以最小的增量來更新，這可以看作是一種約束優化。權值向量的自適應增量為：

△w(n+1)＝w(n+1)-w(n)

利用拉格朗日乘子法來解這個約束優化問題，其代價函數為：

j(n)＝||△w(n+1)||2+re[λ*(d(n)-wh(n+1)x(n))]

re表示取實部運算，λ為拉格朗日乘子，d(n)為期望信號，即不含多徑幹擾的參考信號；

對代價函數求梯度得到：

當梯度等於0時，得到下列等式：

進一步得到：

從而得到改進後的cma算法的權值向量更新公式：

其中，α為正實數，來控制權值向量的增量；β為正常數，用來避免輸入信號||x(n)||2值較小。

步驟3，根據所述多徑幹擾抑制後的參考信號對所述數字回波信號進行時域幹擾相消，得到時域幹擾相消後的回波信號。

步驟3具體包括如下子步驟：

(3a)記所述多徑幹擾抑制後的參考信號和數字回波信號的信號長度為m，且m<n，將所述多徑幹擾抑制後的參考信號和所述數字回波信號ssur(n)分別分成b段，每段多徑幹擾抑制後的參考信號長度為m/b，且每段數字回波信號的長度為m/b；

令b的初值為1，且b＝1,...,b；

(3b)構造第b段多徑幹擾抑制後的參考信號及其時延張成的子空間矩陣

其中，p為數字回波信號中需要消除的多徑幹擾的時延長度，t表示轉置；

(3c)第b段數字回波信號為：

(3d)根據所述第b段多徑幹擾抑制後的參考信號及其時延張成的子空間矩陣構造第b段數字回波信號的時域相消子空間投影矩陣wb，並根據所述時域相消子空間投影矩陣wb對第b段數字回波信號進行時域幹擾相消，得到時域幹擾相消後的第b段數字回波信號

具體的，求解如下最小優化問題：

目標函數梯度為0的地方即最小值所在的位置：

整理得到第b段回波信號的時域相消子空間投影矩陣：

經過eca-b時域幹擾相消之後的第b段的回波信號為：

(3e)令b的值加1，並重複執行子步驟(3b)至(3d)，得到時域幹擾相消後的b段數字回波信號，將所述時域幹擾相消後的b段數字回波信號組合成一路信號，並作為時域幹擾相消後的回波信號即：

步驟4，根據所述多徑幹擾抑制後的參考信號，對所述時域幹擾相消後的回波信號進行脈衝壓縮處理，從而得到目標檢測結果。

步驟4具體包括如下子步驟：

(4a)分別對所述多徑幹擾抑制後的參考信號所述時域幹擾相消後的回波信號進行快速傅立葉變換，分別得到多徑幹擾抑制後的頻域參考信號和時域幹擾相消後的頻域回波信號其中，fft{·}表示快速傅立葉變換操作；

(4b)對所述多徑幹擾抑制後的頻域參考信號sref(f)和時域幹擾相消後的頻域回波信號ssur(f)進行脈衝壓縮處理，得到脈衝壓縮處理的頻域輸出s0(f)：

其中，(·)*表示取共軛操作，sd(n)表示多徑幹擾抑制後的參考信號中的時域直達波信號，n(n)表示參考通道時域噪聲，sechoj(n)表示時域幹擾相消後的回波信號中的第j個時域目標回波信號，表示回波通道時域噪聲，sd(f)表示多徑幹擾抑制後的參考信號中的頻域直達波信號，n(f)表示參考通道頻域噪聲，sechoj(f)表示時域幹擾相消後的回波信號中的第j個頻域目標回波信號，表示回波通道頻域噪聲，j＝1,2,...,m，m表示時域幹擾相消後的回波信號中包含的目標回波信號的個數，表示脈衝壓縮處理後總的頻域噪聲信號；

(4c)將所述脈衝壓縮處理的頻域輸出s0(f)變換到時域，得到時域輸出s0(t)：

其中，ifft{·}表示快速逆傅立葉變換操作，srj(n)表示脈衝壓縮處理得到的第j個時域目標回波信號，sn(n)表示脈衝壓縮處理後的時域噪聲信號平臺。

1、本發明實施例的仿真條件：

本發明實驗中信號源為lfm脈衝信號，脈衝寬度為300μs，頻率為88mhz，帶寬為2.5mhz，採樣頻率為5mhz，脈衝相干積累數64；參考信號中的直達波信噪比為35db，參考信號中多徑幹擾信號個數為3，其相對直達波時延分別為24μs，30μs和44μs，其幹噪比分別為30db、29db和28db。仿真目標1信噪比為-10db，距離為40km，都卜勒頻移50hz；仿真目標2信噪比為-8db，距離為50km，都卜勒頻移100hz。發射站高度分別為200m，初始基線距離為13km。

2、本發明實驗的仿真結果分析：

圖3為在參考信號含有多徑幹擾情況下，外輻射源雷達目標檢測的結果。圖3(a)為距離-都卜勒示意圖，圖3(b)為距離-都卜勒示意圖的時延維。從圖中明顯看出，距離位於40km,50km，都卜勒為50hz,100hz的真實目標1和2可以被檢測到，但是在真實目標所在的都卜勒單元內，出現三個虛假目標，其與真實目標在時延上相差24μs，30μs和44μs，這些虛假目標正是參考信號中多徑幹擾與目標回波脈衝壓縮處理形成的。在參考信號含有多徑幹擾的情況下，在真實目標所在的都卜勒單元出現虛假目標，這些虛假目標超過檢測門限，使系統的虛假概率升高，嚴重影響了雷達系統的探測性能。

圖4為外輻射源雷達採用傳統cma算法抑制參考信號中多徑幹擾後目標檢測結果。圖4(a)為距離-都卜勒示意圖，圖4(b)為距離-都卜勒示意圖的時延維。可以看出，真實目標1和2可以被檢測到，說明cma算法對真實目標的檢測並沒有產生影響。同時，多徑幹擾造成的虛假目標幅度降低，表明cma算法對抑制多徑幹擾起到一定效果。但是距離真實目標最近的虛假目標峰值依然較高，說明傳統cma算法對時延較小的多徑幹擾的抑制效果比較差。

圖5為外輻射源雷達採用改進cma算法抑制參考信號中多徑幹擾後目標檢測結果。圖5(a)為距離-都卜勒示意圖，圖6(b)為距離-都卜勒示意圖的時延維。可以看出，圖中只有真實目標1和2的峰值，多徑幹擾造成的虛假目標峰值淹沒在噪聲平臺之下，無法被檢測到。表明改進的cma算法對多徑幹擾具有更好的抑制作用，消除了多徑幹擾造成的虛假目標，改善了外輻射源雷達系統的探測性能。

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。