CN109283497B

CN109283497B - 双基地fda-mimo雷达距离欺骗干扰识别方法

Info

Publication number: CN109283497B
Application number: CN201811220938.9A
Authority: CN
Inventors: 朱圣棋; 王鹏; 许京伟; 廖桂生; 罗丹; 周季峰; 茆健; 崔奇
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: CN109283497A

Abstract

本发明属于雷达抗干扰技术领域，公开了双基地FDA‑MIMO雷达距离欺骗干扰识别方法，包括：利用所述频率分集阵列发射信号，得出所述频率分集阵列中每个阵元发射的信号，频率分集阵列中任意两个阵元的发射波形相互正交；得出M元等距线阵中每个阵元接收的目标的回波信号；对n阵元发m阵元收的目标回波信号进行匹配滤波，得到经匹配滤波处理后的n阵元发m阵元收的目标回波信号r_s,mn；得出目标回波信号的快拍数据矢量x_s；对该目标回波信号进行自适应波束形成，从而对假目标产生器产生的假目标回波信号进行抑制。

Description

双基地FDA-MIMO雷达距离欺骗干扰识别方法

技术领域

本发明属于雷达抗干扰技术领域，特别涉及一种双基地FDA-MIMO(FrequencyDiversity Array And Multiple Input and Multiple Output频率分集阵列结合多输入多输出的体制架构)雷达距离欺骗干扰识别方法，主要适用于实际工程应用中距离调制的主瓣干扰识别抑制。

背景技术

在电子信息飞速进步的今天，在战场环境下作战雷达需要面对的干扰日益复杂。FTG(False Target Generator假目标生成器)通过获取敌方雷达发出的波形信号，随后根据获取的信号特性产生数量巨大的虚拟的目标，破坏敌方对己方战略的探测。

现在大多数应对欺骗式干扰的方法为增加探测信号的多变性，如频率捷变雷达。尽量降低被FTG截获的可能，达到对抗干扰的目的。但是在信息技术飞速发展的今天，上述技术在更复杂的电子对抗环境中的作用微乎其微。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双基地雷达距离欺骗式干扰识别方法，在发射端采用频率分集阵列，使得阵列的发射导向矢量为传播距离和发射角度的函数，传播距离与角度具有相关性，增加了发射端的处理自由度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

本发明的技术思路：利用频率分集阵列信号距离和角度的二维耦合性，根据发射空间频率获得空间频率距离，再利用双基地MIMO雷达发射接收角度与空间距离的相关性，获得空间三角定位距离，最后利用延迟距离、空间频率距离和三角定位距离是否匹配完成距离欺骗干扰的识别。

一种双基地FDA-MIMO雷达距离欺骗干扰识别方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，构建双基地FDA-MIMO雷达包含发射阵列和接收阵列，所述发射阵列为N个阵元的均匀线阵，所述接收阵列为M个阵元的均匀线阵，且发射阵列的中心点与接收阵列的中心点距离为d；在所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标，且假目标为距离欺骗干扰；

步骤2，确定发射阵列中每个阵元的发射信号，且发射阵列中任意两个阵元的发射信号相互正交；

步骤3，获取接收阵列中每个阵元的接收信号；对所述接收阵列中每个阵元的接收信号进行匹配滤波，从而得到所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在的真假目标的延迟传播距离；

步骤4，获取真假目标相对于发射阵列法线的发射角，真假目标相对于接收阵列法线的接收角，以及发射阵列的发射导向矢量和接收阵列的接收导向矢量；

步骤5，根据所述真假目标相对于发射阵列法线的发射角以及所述真假目标相对于接收阵列法线的接收角，确定所述真假目标的三角传播距离；

步骤6，设定第一检测门限，根据所述真假目标的延迟传播距离和所述真假目标的三角传播距离，确定所述真假目标中的准真实目标和距离欺骗干扰；

步骤7，根据所述发射阵列的发射导向矢量，获得发射阵列发射信号的等效发射空间频率，以及所述准真实目标相对于发射阵列法线的发射角，根据发射空间所述等效发射空间频率确定所述准真实目标的空间传播距离；并设定第二检测门限，根据所述第二检测门限，确定所述准真实目标中的真实目标和距离欺骗干扰。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)所述发射阵列为包含N个阵元的均匀线阵，发射阵元间距d_t为半波长，且每个阵元发射信号的载频依次线性递增，则发射阵列第n个阵元的发射信号的载频f_n为：

f_n＝f₀+(n-1)Δf n＝1，2，…，N

其中，f₀为发射阵列的基准频率，Δf为固定的频率增量；

(2b)发射阵列第n个阵元的发射信号s_n(t)为：

其中，

为发射阵列中第n个阵元发射信号的复包络，E表示发射信号能量，t为时间变量，T表示脉冲重复周期。

(2)步骤3具体包括如下子步骤：

(3a)所述接收阵列为包含M个阵元的均匀线阵，接收阵元间距d_r为半波长，且接收阵列第m个阵元的接收信号r_s，m(t)表示为：

其中，m＝1，2，…，M，ξ表示接收信号的复系数，

表示发射阵列中第n个阵元发射的信号的复包络，τ_s(m，n)表示由发射阵列第n个阵元发射，接收阵列第m个阵元接收信号产生的延迟；

(3b)对接收阵列中每个阵元接收到的信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的信号，从而根据所述匹配滤波后的信号中大于设定阈值的谱峰确定真假目标的延时传播距离，其中，第i个真假目标的延时传播距离记为R_delay，i，i＝1，2，...，I，I为所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标总个数。

(3)步骤4具体包括如下子步骤：

(4a)经过匹配滤波后，接收阵列第m个阵元接收到的信号r_s，m′(t)为

其中，ξ_s表示接收信号的散射系数、天线增益和脉冲压缩增益的乘积，f_n为发射阵列第n个阵元发射信号的载频，对信号r_s，m′(t)进行分解，得到经匹配滤波后发射阵列第n个阵元发射，接收阵列第m个阵元接收的信号r_s，mn，表示为：

(4b)对匹配滤波后同一接收阵元接收到的所有信号进行波束形成，获得第i个真假目标的相对于发射阵列法线的发射角θ_t，i，i＝1，2，...，I，I为所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标总个数；

对所有接收阵元接收到的同一发射信号进行波束形成，获得第i个真假目标相对于接收阵列法线的接收角θ_r，i，i＝1，2，...，I，I为所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标总个数；

(4c)接收阵列接收信号的快拍数据矢量x_s表示为：

其中，

为kronecker积，a(θ_s，R_t，R_r)＝a_θ(θ_s)⊙a_r(R_t，R_r)为发射阵列的发射导向矢量，a_θ(θ_s)为发射角度导向矢量，a_r(R_t，R_r)为发射距离导向矢量，b(θ_s)为接收阵列的接收导向矢量。

(4)步骤5具体包括：

根据第i个真假目标相对于发射阵列法线的发射角θ_t，i以及所述第i个真假目标相对于接收阵列法线的接收角θ_r，i，确定所述第i个真假目标的三角传播距离

其中，i＝1，2，...，I，I为所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标总个数，d为发射阵列的中心点与接收阵列的中心点距离。

(5)步骤6具体包括：

确定第一检测门限D，当|R_angle，i-R_delay，i|≤D时，判定第i个真假目标为准真实目标，当|R_angle，i-R_delay，i|＞D时，判定第i个真假目标为距离欺骗干扰，i＝1，2，...，I，I为所述双基地FDA-MIMO雷达的检测范围内存在真假目标总个数。

(6)步骤7具体包括：

(7a)根据发射阵列发射信号的等效发射空间频率

计算第j个准真实目标的空间传播距离R_freq，j，j＝1，2，...，J，J为准真实目标总个数，且J≤I，θ_t，j表示第j个准真实目标相对于发射阵列法线的发射角，λ₀为发射信号波长；

(7b)确定第二检测门限D′，当|R_angle，j-R_freq，j|≤D′时，判定第j个准真实目标为真实目标，当|R_angle-R_freq|＞D′时，判定第j个准真实目标为距离欺骗干扰。

本技术与现有技术相比有如下优点：(1)本发明发射端采用频率分集阵列，使得阵列的发射导向矢量为传播距离和发射角度的函数，传播距离与角度具有相关性，增加了发射端的处理自由度；(2)本发明采用双基地FDA-MIMO体制雷达，接收端匹配滤波后可以等效发射端波束形成，提取目标的发射角度和接收角度，利用三角定位理论，得到三角传播距离R_angle和匹配滤波峰值距离R_delay(延迟传播距离)，识别出静止FTG生成的假目标；(3)本发明利用频率分集阵列可以通过发射角度信息估计出发射导向矢量中包含的真实传播距离R_freq(空间传播距离)，结合上述判别结果，可进一步完成运动FTG生成的假目标的识别。

附图说明

为了更清楚地说明本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为本发明实施例的阵列空间结构示意图；

图2为本发明实施例双基地FDA-MIMO雷达距离欺骗干扰识别方法的流程示意图；

图3为本发明实施例静止假目标生成器及其生成假目标和真实目标在发射角-接收角二维空间分布图；

图4为本发明实施例静止假目标生成器及其生成假目标和真实目标在发射角-接收角-距离三维空间与理想三角定位距离的差异分布图；

图5为本发明实施例准真实目标在发射空间频率-接收空间频率二维平面内与理想位置差异分布图；

图6为本发明实施例自适应干扰抑制权重在发射空间频率-接收空间频率二维平面内的分布图。

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。

图1所示为本发明阵列空间结构示意图，本发明中使用双基地雷达完成对目标的探测，但是雷达接收信号可能由真实目标反射得到，也有可能为假目标生成器产生的存储延时假目标信号，在图1所示的空间模型中，本发明所述的基于双基地FDA-MIMO体制雷达距离欺骗式干扰识别方法如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，构建双基地FDA-MIMO雷达阵列空间结构，所述雷达***发射阵列为N个阵元的均匀线阵，接收阵列为M个阵元的均匀线阵，发射阵列中心点与接收阵列中心点距离为d，发射阵列发射信号载频基准频率为f₀，发射阵列阵元间频率增量为Δf，具体步骤如下：

1a)发射阵列及发射信号设计

构造含有N个阵元的均匀线阵，阵元间距d_t为半个波长。雷达天线阵列每个阵元发射信号的载频依次成线性递增，第n个阵元发射信号的载频f_n表示为：

f_n＝f₀+(n-1)Δf n＝1，2，…，N

其中，f₀为雷达发射阵列的基准频率，Δf为已知的频率增量，满足f₀＞＞Δf。所以第n个阵元的发射信号可以表示为：

式中，

为发射信号复包络，E表示信号能量，t为时间变量，T表示脉冲重复周期。不同发射阵元的发射信号满足相互正交的条件：

1b)接收阵列及接收信号表示

接收阵列是含有M个阵元的均匀线阵，阵元间距为半个波长。利用所述M元等距线阵接收目标的回波信号，得出所述接收阵列第m个阵元接收的回波信号为r_s，m(t)，m＝1，2，…，M；

具体步骤如下：

对于真实目标，发射信号经过真实目标反射，被接收阵元接收。对于欺骗干扰，由假目标生成器，接收发射信号经过存储延时，数字调制产生正的和负的距离偏移。欺骗干扰和真实目标同时被接收阵列接收。第m个阵元接收到的目标(本处及下述描述中真实目标和假目标干扰统称为目标)信号可以表示为：

其中，ξ表示目标的复系数，与雷达发射功率、目标发射系数等相关。

表示发射阵列中第n个阵元发射的信号的复包络，τ_s(m，n)表示由发射阵列第n个阵元发射，经过某个目标反射，由接收阵列第m个阵元接收信号产生的延迟。

其中，R_t为发射阵列参考点到目标的距离，R_r为接收阵列参考点到目标的距离，d_t为发射阵列阵元间距，d_r为接收阵列阵元间距，θ_t为发射角，即目标与发射阵列法线的夹角，θ_r为接收角，即目标与接收阵列法线的夹角，c为光速。

1c)对接收信号进行匹配滤波

对每个接收阵元接收到信号进行匹配滤波，得到匹配滤波之后发射阵列第n个阵元发射，接收阵列第m个阵元接收的信号，即r_s，mn。根据匹配滤波谱峰延迟可以得到第i个目标的传播距离R_delay，i，其中设定判定阈值，当谱峰大于阈值判定存在目标，当谱峰小于阈值则判定为噪声。所述传播距离R_delay，i为发射阵列到目标，再由目标到接收阵列的距离。根据接收端等效发射波束形成，可以获得目标相对于发射阵列法线的角度发射角

根据接收端接收波束形成，可以获得目标相对于接收阵列法线的接收角

得到目标回波的快拍数据矢量x_s，x_s＝[r_s，11，r_s，12，…，r_s，1N，…，r_s，mn，…，r_s，MN]^T，其中上标T表示矩阵或向量的转置。

具体步骤如下：

在发射信号为窄带信号的前提下，有：

其中，

经过匹配滤波后，接收阵列第m个阵元接收到的信号r_s，m′(t)为：

其中，ξ_s表示目标散射系数，天线增益和脉冲压缩增益的乘积，f_n为发射阵列第n个阵元发射信号的载频。对r_s，m′(t)信号进行分解，可以得到经匹配滤波后第n个阵元发射接收阵第m个阵元接收的信号r_s，mn，可表示为：

r_s，mn＝ξ_sexp{-j2πf_n(R_t+R_s)/c}exp{j2πf_nd_tsinθ_t(n-1)/c}exp{j2πf_nd_rsinθ_r(m-1)/c}

由上式可知，上述目标回波的快拍数据矢量x_s可以表示为：

其中，

为kronecker积，a(θ_s，R_t，R_r)＝a_θ(θ_s)⊙a_r(R_t，R_r)为发射导向矢量，a_θ(θ_s)为发射角度导向矢量，a_r(R_t，R_r)为发射距离导向矢量，分别可表示为：

a_θ(θ_s)＝[1，exp(j2πd sinθ_t/λ₀)，…，exp(j2πd sinθ_t(N-1)/λ₀)]^T

a_r(R_t，R_r)＝[1，exp(-j2πΔf(R_t+R_r)/c)，…，exp(-j2πΔf(R_t+R_r)(N-1)/c)]^Tb(θ_s)为接收导向矢量，可表示为

b(θ_s)＝[1，exp(j2πd sinθ_s/λ₀)，…，exp(j2πd sinθ_s(N-1)/λ₀)]^T

此时，频率分集阵列发射信号的等效发射空间频率M和接收信号的等效接收空间频率

分别为：

由上述公式可知，与传统双基地MIMO雷达不同，采用频率分集阵列的双基地MIMO雷达发射导向矢量具有距离角度二维依赖性。

步骤2，距离欺骗干扰识别

欺骗式距离假目标干扰原理，假目标生成器捕获雷达发射波形，通过合适的数字调频调制时序来产生具有正的和负的距离偏移的假目标，然后把它放置在一定距离和角度的空间里。

远场静止假目标生成器干扰情况下，通过上述1c)步骤获得目标发射角度

接收角度

发射阵元和接收阵元的间距d，由三角公式可以求得理想三角距离R_angle，表示为：

确定判别阈值D，判断理想三角距离R_angle是否与1c)所述回波延迟距离R_delay一致：

对于运动的假目标生成器，由于部分运动假目标生成器生成的假目标，可能会在上一步识别中被识别为准真实目标，需要进一步判断。由于假目标生成器只是对接收信号进行存储延迟，不会改变信号的等效的发射空间频率，所以同一假目标生成器同一时段产生的假目标具有相同的发射空间频率，与延时时间无关。所以等效发射空间频率带有假目标生成器真实传播距离。等效发射空间频率是关于发射角度和信号传播距离相关，所以，通过1c)步骤获得收发角

和

和通过检测回波发射空间频率

由公式

可以得出R_freq。在上一步判定的基础上，对判别为准真实目标的样本，判断R_freq和R_angle是否一致，确定判别阈值D，

判定出真假目标后，通过自适应处理，完成假目标的抑制。

本发明的效果由以下仿真结果进一步说明。

仿真实验一对于静止假目标生成器

仿真条件

设置两个具有12个阵元的频率分集阵列，其阵元间距为半个波长，参考频率为1GHz，频率增量为15kHz，发射阵到接收阵距离为30km，设置一个真实目标，其到达角为30°，距离为15km，速度为100m/s，信噪比为5dB，设置两个假目标产生器，其到达角分别为30°、-30°，其与频率分集阵列的距离分别为30km、30km，速度均为随机，干噪比分别为25dB、25dB。

仿真内容

根据目标的接收角和发射角，计算真实目标和假目标在发射接收域的分布，如图3所示，可知静止假目标生成器生成的所有假目标，其在发射接收角度域的分布都是一致的。由目标发射角和接收角以及发射阵和接收阵的间距，可以根据三角定位理论，计算出理想的信号传播距离。对于真实目标其信号收发延迟距离和三角理想距离是一致的。对于静止假目标生成器存储延迟产生的假目标信号，改变了收发延迟距离，导致与三角理想距离不一致，从而可以完成真假目标的识别。仿真结果如图4所示，该方法能够对静止假目标生成器有良好识别效果。

仿真实验二对于运动假目标生成器

1)仿真条件

设置两个具有12个阵元的频率分集阵列，其阵元间距为半个波长，参考频率为1GHz，频率增量为15kHz，发射阵到接收阵距离为30km，设置一个真实目标，其发射角为60，其到达角为30，距离为15km，速度为100m/s，信噪比为5dB，设置两个假目标产生器，其发射角度分别为60、60，其到达角分别为-30、30，捕获发射信号时的相对于发射阵列距离分别为21km、50km，产生回波信号时与接收阵相距分别为10km、25km，与速度均为随机，干噪比分别为25dB、25dB。

仿真内容

由于同一假目标生成器，发射同一截获信号产生的假目标，在发射接收空间频率平面内分布相同，如图5所示，FTG1和FTG2产生的假目标分布和假目标生成器位置一致。频率分集阵列存在距离角度二维依赖性，发射空间频率内包含真实的传播距离。利用上一实验中的理想三角距离与真实传播距离相比较，可以实现对运动假目标生成器产生假目标实现判别，从图5所示。

如图6所示，在真实目标的位置有波束形成(对应图5中的最亮的点)，而第1个假目标产生器产生的假目标、第2个假目标产生器产生的假目标，因此，无论假目标产生器(FTG)产生多少个假目标，由同一个假目标产生器产生的假目标都会重叠在一起，这样，欺骗式干扰由于距离不匹配而被抑制掉。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。