CN104199001A - 一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，属于雷达抗干扰技术领域，特别涉及雷达抗干扰波形设计技术。该方法利用认知雷达获取的先验信息，从中提取目标和干扰的相关参数，根据真实目标的多普勒估计值在每个真实目标多普勒附近设置一个阻带，并在事先构造的恒模编码序列的相同位置设置一个阻带，根据阻带内编码信号频谱能量最小准则，设计最优的脉间相位编码发射波形，从而具有在多目标多干扰场景中有效抑制速度欺骗干扰，提高每个真实目标处的信干比，实现多个真实目标的正确检测的效果。

Description

一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法

技术领域

本发明属于雷达抗干扰技术领域，特别涉及雷达抗干扰波形设计技术。

背景技术

随着基于数字射频存储器(DRFM)的现代欺骗式干扰技术的出现，雷达干扰技术步入相干干扰时代。干扰机在截获雷达信号后对其进行复制并调制信号的多普勒参数，然后将干扰信号转发回雷达接收机形成速度欺骗干扰。这类干扰会影响雷达对真实目标多普勒的检测，使雷达速度波门失锁，干扰雷达对目标的正常检测，同时也极大地消耗了雷达资源。因此，为保证雷达在干扰坏境下对目标的正确检测和跟踪，提高雷达抗速度欺骗干扰的能力具有重要的理论价值和实际意义。

波形设计是对抗雷达速度欺骗干扰的一个有效措施。张劲东提出了一种抗速度欺骗干扰波形设计方法，其利用多通道处理估计干扰信息，并自适应地设计基于初始相位的编码波形来抑制速度欺骗干扰，见[Jindong Zhang,Daiyin Zhu,Gong Zhang,New Antivelocity DeceptionJamming Technique using Pulses with Adaptive Initial Phases.IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,49(2):1290-1300,2013]。该方法在单个真实目标场景中能有效抑制强干扰，但对于多目标多干扰场景，该方法的抗干扰性能严重下降，某些真实目标可能不能被雷达正确检测出来。从目前公开发表的文献来看，针对多目标场景的抗速度欺骗干扰波形设计还未有研究。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，设计一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，该方法利用认知雷达获取的先验信息，从中提取目标和干扰的相关参数，根据阻带内编码信号频谱能量最小准则，设计最优的脉间相位编码发射波形，从而达到在多目标多干扰场景中有效抑制速度欺骗干扰，提高每个真实目标处的信干比，实现多个真实目标的正确检测的目的。

本发明提供了一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，它包括以下步骤：

步骤1：认知雷达不断向外发射脉冲串信号，同时接收目标回波信号，对回波信号进行初步分析，如果认知雷达未检测到有速度欺骗干扰，则在下一个相干处理间隔内发射一组初始相位为0简单脉冲串；如果认知雷达识别出有速度欺骗干扰，则转到步骤2；

步骤2：认知雷达对回波信号进行实时分析，并不断更新目标和干扰信息，同时通过参数估计算法估计目标和干扰的相关参数：真实目标的多普勒估计值、干扰滞后雷达的脉冲重复周期个数i、假目标干扰的个数P、每个假目标干扰的幅度和多普勒；

步骤3：采用步骤2估计出的目标和干扰的相关参数作为先验信息，构造出抗干扰编码波形的代价函数J(x,α)＝||x-Bα||²，

其中，||i||表示矩阵2范数，α为辅助变量，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

步骤4、循环迭代法求使代价函数最小的最优编码序列：

步骤4.1：首次迭代时，随机初始化恒模序列x，x为需要设计的编码序列；

步骤4.2：增加迭代次数，对于代价函数首先固定恒模序列x，对其求导并令导数等于0，计算出令代价函数最小的辅助变量α＝B^Hx；再固定辅助变量α，计算出使代价函数最小的恒模序列 $\tilde{x}=e^{j\arg \left(\mathrm{B\α}\right)};$

其中e⁽ⁱ⁾表示指数函数，j表示虚数单位，arg(i)表示求相角函数，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

步骤4.3：计算相邻两次迭代得到的恒模序列差的2范数，对是否停止迭代进行判定：如果其值小于设定的收敛值，则停止迭代，最后一次迭代得到的恒模序列即最优编码序列；如果其值大于设定的收敛值，则令重复步骤4.2-4.3，直到满足条件为止；

步骤5：根据步骤4中求得的最优编码序列，依次计算下一个相干处理间隔内所有发射脉冲的初始相位：

其中，N为一个相干处理间隔内的总脉冲数，φ_n为下一个相干处理间隔内第n个发射脉冲的编码相位，φ_1-i,φ_2-i,…,φ₀为前i个脉冲的初始相位，为步骤4中求得的最优编码序列中第n个元素的相位，为a(n)的相角，为第n个脉冲重复周期内与干扰有关的分量，P为干扰个数，和分别为第p个干扰的幅度和多普勒频率，Tr为雷达脉冲重复周期，e⁽ⁱ⁾表示指数函数，Σ为求和符号。

所述步骤3的具体步骤为:

步骤3.1：构造恒模编码序列x；

步骤3.2：根据真实目标的多普勒估计值在每个真实目标多普勒附近设置一个阻带，阻带宽度根据真实目标估计值的精度范围来确定，多个阻带的并集构成一个阻带集；

步骤3.3：对步骤3.1构造的恒模编码序列x上设置阻带，设置阻带的位置与步骤3.2中对真实目标的多普勒估计值设置阻带的位置一一对应，从而构成恒模编码序列x的阻带集；

步骤3.4：对设置有阻带的恒模编码序列x作离散时间傅里叶变换，计算每个阻带内的频谱能量，对每个阻带内的频谱能量作加权处理，计算阻带集内的总频谱能量；

步骤3.5：根据计算得到的总频谱能量构造关于编码序列的代价函数：J(x,α)＝||x-Bα||²，为使编码序列在阻带集内的频谱能量最小，需要最小化代价函数。

本发明的创新点：提供了一种抗速度欺骗干扰波形设计方法，可在多目标多干扰的场景中实现多个真实目标的正确检测。

本发明提出了一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，该方法充分利用了认知雷达的先验知识，采用阻带内编码信号频谱能量最小准则来进行波形设计，调节各个阻带的权重，从而具有在多目标多干扰场景中可有效抑制干扰，提高每个真实目标处的信干比，实现多个真实目标的正确检测的效果。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为i＝2时，发射脉冲与干扰在一个CPI内的示意图；

图3为循环迭代法求解代价函数最优解流程图；

图4为采用固定发射脉冲和采用本方法设计的发射脉冲，雷达回波多普勒频谱的仿真结果对比图；

图4中图4-1采用固定发射脉冲时雷达回波的多普勒频谱；图4-2采用本方法设计的发射脉冲时雷达回波的多普勒频谱。

具体实施方式

本发明的具体实施步骤如下：

步骤1：认知雷达不断向外发射脉冲串信号，同时接收目标回波信号，对回波信号进行初步分析，如果认知雷达未检测到有速度欺骗干扰，则在下一个相干处理间隔内发射一组初始相位为0简单脉冲串；如果认知雷达识别出有速度欺骗干扰，则转到步骤2；

步骤2：认知雷达对回波信号进行实时分析，并不断更新目标和干扰信息，同时通过参数估计算法估计目标和干扰的相关参数：真实目标的多普勒估计值、干扰滞后雷达的脉冲重复周期个数i、假目标干扰的个数P、每个假目标干扰的幅度和多普勒；

步骤3：采用步骤2估计出的目标和干扰的相关参数作为先验信息，构造出抗干扰编码波形的代价函数J(x,α)＝||x-Bα||²，

其中，||i||表示矩阵2范数，α为辅助变量，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

步骤3.1：构造恒模编码序列其中x是需要设计的编码序列，[i]^T表示矩阵的转置，e⁽ⁱ⁾表示指数函数，θ_n(n＝1,2,…,N)为编码序列中第n个元素的相位，N为一个相干处理间隔内的总脉冲数；

步骤3.2：根据真实目标的多普勒估计值在每个真实目标多普勒附近设置一个阻带，阻带宽度根据真实目标估计值的精度范围来确定，多个阻带的并集构成一个阻带集

其中N_s为阻带个数，f_k1、f_k2分别为第k个阻带的上下限，符号∪表示多个集合的并集；

步骤3.3：对步骤3.1构造的恒模编码序列x上设置阻带，设置阻带的位置与步骤3.2中对真实目标的多普勒估计值设置阻带的位置一一对应，从而构成恒模编码序列x的阻带集；

步骤3.4：对设置有阻带的恒模编码序列x作离散时间傅里叶变换，计算每个阻带内的频谱能量，对每个阻带内的频谱能量作加权处理，计算阻带集内的总频谱能量J＝x^HRx；

其中，x是需要设计的序列，R为一个表征阻带集频谱能量的矩阵，其第m行n列上的元素为

$R_{\mathrm{mn}}=\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_k\left\{\begin{array}{cc}\frac{e^{j2\mathrm{\π}{f}_{k2}{T}_r(m-n)}-e^{j2\mathrm{\π}{f}_{k1}{T}_r(m-n)}}{j2\mathrm{\π}(m-n)},& m\≠n\\ (f_{k2}-f_{k1})T_r,& m=n\end{array}\right.;$

其中，j表示虚数单位，e⁽ⁱ⁾表示指数函数，N_s为设置的阻带个数，ω_k(ω_k≥0)为第k个阻带的权值，f_k1、f_k2分别为第k个阻带的下限和上限，T_r为雷达发射脉冲重复间隔。

步骤3.5：根据计算得到的总频谱能量构造关于编码序列的代价函数：J(x,α)＝||x-Bα||²，

其中，B为R矩阵0特征值对应的特征向量矩阵；为使编码序列在阻带集内的频谱能量最小，需要最小化代价函数；

步骤4、循环迭代法求使代价函数最小的最优编码序列：

4.1：首次迭代时，随机初始化恒模序列x，x为需要设计的编码序列；

4.2：增加迭代次数，对于代价函数首先固定恒模序列x，对其求导并令导数等于0，计算出令代价函数最小的辅助变量α＝B^Hx；再固定辅助变量α，计算出使代价函数最小的恒模序列 $\tilde{x}=e^{j\arg \left(\mathrm{B\α}\right)};$

其中e⁽ⁱ⁾表示指数函数，j表示虚数单位，arg(i)表示求相角函数，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

4.3：计算相邻两次迭代得到的恒模序列差的矩阵2范数，对是否停止迭代进行判定：如果(ε为设定的收敛值)，则停止迭代，最后一次迭代得到的恒模序列即最优编码序列；如果则令重复步骤4.2-4.3，直到满足条件为止；

步骤5：根据步骤4中求得的最优编码序列，依次计算下一个相干处理间隔内所有发射脉冲的初始相位：

其中，N为一个相干处理间隔内的总脉冲数，φ_n为下一个相干处理间隔内第n个发射脉冲的编码相位，φ_1-i,φ_2-i,…,φ₀为前i个脉冲的初始相位，为步骤4中求得的最优编码序列中第n个元素的相位，为a(n)的相角，为第n个脉冲重复周期内与干扰有关的分量，P为干扰个数，分别为第p个干扰的幅度和多普勒频率，T_r为雷达脉冲重复周期，e⁽ⁱ⁾表示指数函数，Σ为求和符号。

本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：

仿真场景：雷达主瓣内有2个真实目标，每个真实目标均携带一个欺骗式干扰机，干扰机对雷达实施速度欺骗干扰，且干扰信号与真实目标回波信号在同一距离单元。每个真实目标回波信号幅度均为1，其多普勒估计值分别为5kHz和15kHz；干扰滞后雷达1个脉冲重复周期；干扰机同时施放4个假目标干扰信号，干扰幅度分别为1.5、3.2、2.5和1.7，干扰机产生的干扰信号的多普勒分别为4.5kHz、5.4kHz、14.8kHz和15.6kHz；一个相干处理间隔(CPI)内的脉冲数为512；发射脉冲的脉冲重复周期为25μs；第0时刻的发射脉冲初始相位为φ₀＝0。

在上述仿真中，采用固定发射脉冲和采用本方法设计的发射脉冲，经蒙特卡洛仿真100次，雷达回波多普勒频谱的仿真结果如图4所示。由图4-1可知，采用固定发射脉冲时，雷达回波的多普勒谱上出现多个假目标，由于假目标能量高于真实目标，干扰会影响真实目标的检测。由图4-2可以看出，采用本方法设计发射脉冲，雷达回波的多普勒谱的真实目标附近形成两个阻带，干扰被抑制，真实目标多普勒处的信干比可达22dB，雷达可正确检测目标。

通过本发明的具体实施可以看出，在多目标多干扰场景中，通过本发明提供的波形设计方法，可极大的抑制速度欺骗干扰，提高真实目标附近的信干比，实现雷达对多个真实目标的正确检测。

Claims (2)

1.一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，该方法包括：

步骤1：认知雷达不断向外发射脉冲串信号，同时接收目标回波信号，对回波信号进行初步分析，如果认知雷达未检测到有速度欺骗干扰，则在下一个相干处理间隔内发射一组初始相位为0简单脉冲串；如果认知雷达识别出有速度欺骗干扰，则转到步骤2；

步骤2：认知雷达对回波信号进行实时分析，并不断更新目标和干扰信息，同时通过参数估计算法估计目标和干扰的相关参数：真实目标的多普勒估计值、干扰滞后雷达的脉冲重复周期个数i、假目标干扰的个数P、每个假目标干扰的幅度和多普勒；

步骤3：采用步骤2估计出的目标和干扰的相关参数作为先验信息，构造出抗干扰编码波形的代价函数J(x,α)＝||x-Bα||²，

其中，||i||表示矩阵2范数，α为辅助变量，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

步骤4、循环迭代法求使代价函数最小的最优编码序列：

步骤4.1：首次迭代时，随机初始化恒模序列x，x为需要设计的编码序列；

步骤4.2：增加迭代次数，对于代价函数首先固定恒模序列x，对其求导并令导数等于0，计算出令代价函数最小的辅助变量α＝B^Hx；再固定辅助变量α，计算出使代价函数最小的恒模序列 $\tilde{x}=e^{j\arg \left(\mathrm{B\α}\right)};$

其中e⁽ⁱ⁾表示指数函数，j表示虚数单位，arg(i)表示求相角函数，B为一个表征阻带集频谱能量的矩阵；

步骤4.3：计算相邻两次迭代得到的恒模序列差的2范数，对是否停止迭代进行判定：如果其值小于设定的收敛值，则停止迭代，最后一次迭代得到的恒模序列即最优编码序列；如果其值大于设定的收敛值，则令重复步骤4.2-4.3，直到满足条件为止；

步骤5：根据步骤4中求得的最优编码序列，依次计算下一个相干处理间隔内所有发射脉冲的初始相位：

其中，N为一个相干处理间隔内的总脉冲数，φ_n为下一个相干处理间隔内第n个发射脉冲的编码相位，φ_1-i,φ_2-i,…,φ₀为前i个脉冲的初始相位，为步骤4中求得的最优编码序列中第n个元素的相位，的相角，为第n个脉冲重复周期内与干扰有关的分量，P为干扰个数，和分别为第p个干扰的幅度和多普勒频率，T_r为雷达脉冲重复周期，e⁽ⁱ⁾表示指数函数，Σ为求和符号。

2.如权利要求1所述的一种认知雷达抗速度欺骗干扰的相位编码方法，其特征摘要步骤3的具体步骤为:

步骤3.1：构造恒模编码序列x；

步骤3.2：根据真实目标的多普勒估计值在每个真实目标多普勒附近设置一个阻带，阻带宽度根据真实目标估计值的精度范围来确定，多个阻带的并集构成一个阻带集；

步骤3.3：对步骤3.1构造的恒模编码序列x上设置阻带，设置阻带的位置与步骤3.2中对真实目标的多普勒估计值设置阻带的位置一一对应，从而构成恒模编码序列x的阻带集；

步骤3.4：对设置有阻带的恒模编码序列x作离散时间傅里叶变换，计算每个阻带内的频谱能量，对每个阻带内的频谱能量作加权处理，计算阻带集内的总频谱能量；

步骤3.5：根据计算得到的总频谱能量构造关于编码序列的代价函数：J(x,α)＝||x-Bα||²，为使编码序列在阻带集内的频谱能量最小，需要最小化代价函数。