CN114966571A - 一种基于频率分集mimo雷达的噪声卷积干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，包括：发射阵元发射高重频脉冲信号；对所述接收阵元接收到的信号做正交匹配滤波和MTD处理，得到MTD处理后的信号；提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本，并根据所述纯净的干扰样本得到干扰加噪声协方差矩阵；发射重频脉冲信号，基于所述干扰加噪声协方差矩阵对所述重频脉冲信号对应的第二总信号进行距离和角度二维匹配滤波，实现噪声卷积干扰抑制，其中，所述高重频脉冲信号的重复频率大于所述重频脉冲信号的重复频率。本发明利用获得的干扰加噪声协方差矩阵，对回波信号进行距离‑角度两维匹配滤波，实现噪声卷积干扰的抑制。

Description

一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法。

背景技术

现代电子战技术和装备的快速发展，特别是数字射频存储器(DRFM)技术的广泛应用，使得干扰机能够将截获的雷达发射信号通过DRFM进行高速采样、存储、复制、调制转发，进而在敌方雷达接收端产生兼具欺骗效果和压制效果的灵巧干扰。这种干扰在距离和多普勒频率维具有离散性和随机性等特征，干扰样式变得越来越复杂，使得传统雷达***的训练样本不再满足独立同分布条件，造成信号环境非均匀的后果，从而导致通过传统就近邻方法无法估计得到准确的干扰协方差矩阵，进而影响了现代雷达***的抗干扰性能，减弱其目标检测的能力。

频率分集阵列是近年来雷达领域的一种新体制阵列雷达。频率分集阵列是在雷达的发射阵元间引入一个较小的频偏来获取具有距离依赖性的波束。由于其波束方向图是与时间、角度、距离和频偏相关的，成为诸多研究者关注的重点。而将频率分集雷达与MIMO雷达的结合，即频率分集MIMO(FDA-MIMO)雷达，利用MIMO雷达的波形正交性以及频率分集技术的距离维波束，是雷达信号处理领域的一项重大突破。FDA-MIMO雷达无模糊参数估计、距离模糊杂波抑制等方面展示出显著的优势。同样的，利用FDA-MIMO雷达的距离维导向矢量，对主瓣距离维干扰的抑制也是当下的研究热点。

但是如何实现噪声卷积干扰的抑制，成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，所述噪声卷积干扰抑制方法包括：

步骤1、发射阵元发射高重频脉冲信号，所述高重频脉冲信号为使多普勒不模糊的信号，其中，频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，所述发射阵元和所述接收阵元均采用一维等距均匀线阵结构；

步骤2、对所述接收阵元接收到的信号做正交匹配滤波和MTD处理，得到MTD处理后的信号；

步骤3、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本，并根据所述纯净的干扰样本得到干扰加噪声协方差矩阵；

步骤4、发射重频脉冲信号，基于所述干扰加噪声协方差矩阵对所述重频脉冲信号对应的第二总信号进行距离和角度二维匹配滤波，实现噪声卷积干扰抑制，其中，所述高重频脉冲信号的重复频率大于所述重频脉冲信号的重复频率。

在本发明的一个实施例中，所述高重频脉冲信号为：

f_m＝f₀+mΔf,m＝0,1,…,M-1

其中，s_m(t)为高重频脉冲信号，E为M个发射阵元的发射信号的总功率，x_m(t)为第m个正交信号的复包络，t为一个脉冲内的快时间，T_p为脉宽，f₀为参考频率，Δf为阵元间的频移量。

在本发明的一个实施例中，各个所述发射阵元的正交信号之间满足：

其中，τ为任意时延，()^*为共轭操作。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

步骤2.1、第n个所述接收阵元接收第m个所述发射阵元发射的信号；

步骤2.2、第n个所述接收阵元对接收的第m个所述发射阵元发射的信号进行正交匹配滤波，以得到第n个接收阵元输出的总信号；

步骤2.3、基于所述第n个接收阵元输出的总信号得到N个所述接收阵元输出的第一总信号；

步骤2.4、对N个所述接收阵元输出的第一总信号进行MTD，得到MTD处理后的信号。

在本发明的一个实施例中，第n个所述接收阵元接收第m个所述发射阵元发射的信号为：

其中，β₀为点目标的复散射系数，τ_m-n为由第m个发射阵元发射并由第n个接收阵元接收的信号的传播时延。

在本发明的一个实施例中，第n个所述接收阵元对接收的第m个所述发射阵元发射的信号进行滤波后的信号为：

其中，d为阵元间距，_c为光速，θ₀为点目标的方位角，R₀＝r₀+(p-1)R_u，r₀为经过脉冲压缩后的主值距离，p为点目标的距离模糊数，R_u为最大无模糊距离；

第n个接收阵元输出的总信号为：

其中，y_n为第n个接收阵元输出的总信号。

在本发明的一个实施例中，N个所述接收阵元输出的第一总信号为：

其中，

为等效散射系数，

为克罗内克积，a(R,θ)为距离和角度两维发射导向矢量，b(θ₀)角度维接收导向矢量，⊙为哈达玛积，(·)^T为转置操作。

在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：

步骤3.1、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本；

步骤3.2、将所述纯净的干扰样本和所述纯净的干扰样本的共轭转置相乘得到所述干扰加噪声协方差矩阵。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：

步骤4.1、发射重频脉冲信号，经正交匹配滤波后得到N个接收阵元输出的第二总信号；

步骤4.2、根据所述干扰加噪声协方差矩阵和目标的导向矢量得到权值；

步骤4.3、利用所述权值对所述第二总信号进行加权处理，实现噪声卷积干扰抑制。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，能够在发射两种不同重频信号的情况下，精准的得到干扰加噪声协方差矩阵，从而实现噪声卷积式干扰的抑制。通过发射一段高重频脉冲信号，对回波数据进行正交匹配滤波和MTD，可得到仅含干扰加噪声的样本数据。然后发射常规重频的脉冲信号，利用获得的干扰加噪声协方差矩阵，对回波信号进行距离-角度两维匹配滤波，实现噪声卷积干扰的抑制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高重频脉冲串的MTD结果图；

图3是本发明实施例提供的一种干扰抑制前的脉压结果图；

图4是本发明实施例提供的一种发射-接收空间频率域方向图；

图5是本发明实施例提供的一种干扰抑制后的距离维示意图；

图6是本发明实施例提供的一种干扰抑制后的距离-速度示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法的流程示意图。本发明实施例提供一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，该噪声卷积干扰抑制方法包括：

步骤1、发射阵元发射高重频脉冲信号，高重频脉冲信号为使多普勒不模糊的信号，其中，频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，发射阵元和接收阵元均采用一维等距均匀线阵结构。

本发明实施例中，考虑频率分集MIMO雷达的单基地信号模型，其发射端和接收端分别采用M和N个阵元，均采用一维等距均匀线阵结构，阵元间距为d。令发射端的第一个发射阵元为参考阵元，其参考频率为f₀。则频率分集MIMO雷达第m个发射阵元的载频可以表示为：

f_m＝f₀+mΔf,m＝0,1,…,M-1

其中，f₀为参考阵元上的频率，Δf为阵元间的频移量，这里假设各个阵元之间的频移量是相等的。则第m个发射阵元上发射的信号可表示为

其中，E为频率分集MIMO雷达的M个发射阵元的发射信号的总功率，x_m(t)为第m个正交波形的复包络，并且各个发射阵元的基带信号之间满足：

其中，τ为任意时延，(·)^*表示共轭操作。

优选地，高重频脉冲信号的重复频率为50000HZ。

步骤2、对接收阵元接收到的信号做正交匹配滤波和MTD(Moving TargetDetection，运动目标检测)处理，得到MTD处理后的信号。

具体地，发射一串高重频的脉冲信号，在保证目标的多普勒不产生模糊的前提下，对接收端得到的信号做正交匹配滤波和MTD处理。

步骤2.1、第n个接收阵元接收第m个发射阵元发射的信号。

具体地，接收端采用由N个接收阵元组成的一维等距线阵，在考虑远场存在一点目标的情况下，接收端第n个接收阵元接收到的信号可写为：

其中，β₀表示点目标的复散射系数，τ_m-n为由第m个发射阵元发射并由第n个接收阵元接收的信号的传播时延。在窄带假设条件下，满足：

x_m(t-τ_m-n)≈x_m(t-τ₀)

其中，

R₀为点目标的距离，在存在距离模糊的条件下，目标距离可写为：

R₀＝r₀+(p-1)R_u

其中，r₀为经过脉冲压缩后的主值距离，

为雷达***的最大无模糊距离，PRF为脉冲重复频率，p为目标的距离模糊数。

步骤2.2、第n个接收阵元对接收的第m个发射阵元发射的信号进行正交匹配滤波，以得到第n个接收阵元输出的总信号。

具体地，频率分集MIMO雷达的第n个接收阵元对第m个发射阵元的发射信号滤波后的信号可近似表示为：

其中，d为阵元间距，_c为光速，θ₀为点目标的方位角。

上式中采用了以下近似：

这是因为频率增量Δf远小于载频f₀。

步骤2.3、基于第n个接收阵元输出的总信号得到N个接收阵元输出的第一总信号。正交匹配滤波后接收端第n个接收阵元输出的第一总信号可表示为：

其中，y_n为第n个接收阵元输出的总信号。

接收端N个接收阵元输出的第一总信号为：

其中，

为等效散射系数，

为克罗内克积，a(R,θ)为距离和角度两维发射导向矢量，b(θ₀)角度维接收导向矢量，⊙为哈达玛积，(·)^T为转置操作。

可以看出频率分集MIMO雷达的发射导向矢量是距离-角度两维相关的，包含了目标的距离信息，这也是其抑制主瓣干扰的关键所在。

步骤2.4、对N个接收阵元输出的第一总信号进行MTD，得到MTD处理后的信号。

步骤3、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本，并根据纯净的干扰样本得到干扰加噪声协方差矩阵，干扰加噪声协方差矩阵记为R_j+n，

步骤3.1、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本。

优选地，预设范围为正负500Hz。

步骤3.2、将纯净的干扰样本和纯净的干扰样本的共轭转置相乘得到干扰加噪声协方差矩阵。

噪声卷积干扰的原理为干扰机将接收到的雷达信号与高斯噪声进行卷积，其具有以下表达式：

J(t)＝n(t)*s(t)

其中，s(t)为雷达的发射信号，*表示卷积操作，n(t)表示高斯白噪声。由于信号参与卷积过程，因此，接收端的干扰信号同时包含雷达发射信号和噪声信号的特性，具体表现为，在距离维，经过脉压后的数据仅在几个或一段距离门处存在信号，在多普勒维，干扰信号分布于整个多普勒频带内，具有噪声特性。

发射高重频脉冲串，是为了在保证目标的多普勒不产生模糊，即重频PRF₁需满足：

其中，f_d＝2v/λ表示目标的多普勒频率，v为目标速度，λ为信号波长，PRF₁为高重频脉冲信号的脉冲重复频率。由于目标的速度是未知的，因此PRF₁应尽可能足够大，使得多普勒不产生模糊。

在对高重频回波信号进行MTD之后，由于目标存在多普勒且不发生多普勒模糊，目标仅存在于一定的多普勒频段上，而噪声卷积干扰信号由于包含噪声特性，其信号分布于整个多普勒频段内，因此，取多普勒零频附近的信号，即可作为纯净的干扰信号样本。

步骤4、发射重频脉冲信号，基于干扰加噪声协方差矩阵对重频脉冲信号对应的第二总信号进行距离和角度二维匹配滤波，实现噪声卷积干扰抑制。

步骤4.1、发射重频脉冲信号，经正交匹配滤波后得到N个接收阵元输出的第二总信号。

需要说明的是，第二总信号的获取方式与第一总信号相同，在此不再赘述。

步骤4.2、根据干扰加噪声协方差矩阵和目标的导向矢量得到权值。权值表示为：

其中，w为权值，

为目标的导向矢量，

为发射空间频率，

为接收空间频率。

步骤4.3、利用权值对第二总信号进行加权处理，实现噪声卷积干扰抑制。

具体地，发射常规重频脉冲串信号，其脉冲重复频率为PRF₂，对回波信号首先进行正交匹配滤波。由于前后两次使用不同的脉冲重复频率，最大无模糊距离不同，则脉压得到的主值距离也是不同的。但距离维发射导向矢量中的距离不受影响，仍为信号的真实距离，使用得到的干扰加噪声协方差矩阵R_j+n，生成距离角度两维权矢量，对回波信号进行距离角度二维匹配滤波，可实现噪声卷积干扰抑制。

优选地，重频脉冲信号的重复频率为5000HZ。

本发明提供的一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，能够在发射两种不同重频信号的情况下，精准的得到干扰加噪声协方差矩阵，从而实现噪声卷积式干扰的抑制。通过发射一段高重频脉冲信号，对回波数据进行正交匹配滤波和MTD，可得到仅含干扰加噪声的样本数据。然后发射常规重频的脉冲信号，利用获得的干扰加噪声协方差矩阵，对回波信号进行距离-角度两维匹配滤波，实现噪声卷积干扰的抑制。

本发明提出了一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，能够用于在雷达平台与目标存在相对运动的过程中对噪声卷积干扰进行抑制。本发明充分利用FDA-MIMO雷达的距离维导向矢量，在对回波数据MTD后挑选仅包含干扰和噪声的信号作为干扰样本，准确得到干扰加噪声协协方差矩阵，在使用常规重频的脉冲信号抑制干扰时，体现出了良好的性能。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。

为了评估本方法的性能，考虑单基地等距线阵频率分集MIMO雷达***，其***仿真参数如表1所示

表1频率分集MIMO雷达***仿真参数

此外，为了凸显本发明的估计性能优势，在仿真中发射高重频脉冲串64个来挑选干扰样本，发射常规重频脉冲串200个。

图2为采用高重频脉冲串信号的回波数据MTD结果示意图，可以看出，噪声卷积式干扰在多普勒维上的分布特性类似于噪声，分布于整个多普勒频带，因此，在保证多普勒不产生模糊的前提下，可选择多普勒零频附近的信号作为纯净的干扰样本。在图3的干扰抑制前的脉压结果图中，可以看出，干扰信号在距离维呈现压制性的特性，无法准确的观测到目标。观察图4可知，由于干扰信号滞后于目标信号一个距离模糊区间，因此在发射-接收空间频率域是可分的，并且在使用挑选出的干扰样本得到的发射-接收空间频率域方向图中，在保证信号所在位置增益不变的情况下在干扰所在位置处形成了零陷。

图5和图6分别为采用本发明抑制干扰后的快时间维和距离-多普勒维示意图，由图5可以看出，在快时间维，干扰信号被抑制了30dB，能够清晰的观测到目标信号。从图6可以看出，在距离-多普勒维，同样能够清晰的观测到目标，其中目标位于多普勒零频附近，这是由于目标的速度为200m/s，而采用常规重频发射信号时，其最大无模糊速度为v_u＝λ/(4PRF₂)＝25m/s，因此目标由于多普勒模糊位于多普勒零频。因此可以看出，本发明中的方法对于噪声卷积干扰的抑制具有优良的性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，所述噪声卷积干扰抑制方法包括：

步骤1、发射阵元发射高重频脉冲信号，所述高重频脉冲信号为使多普勒不模糊的信号，其中，频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，所述发射阵元和所述接收阵元均采用一维等距均匀线阵结构；

步骤2、对所述接收阵元接收到的信号做正交匹配滤波和MTD处理，得到MTD处理后的信号；

步骤3、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本，并根据所述纯净的干扰样本得到干扰加噪声协方差矩阵；

步骤4、发射重频脉冲信号，基于所述干扰加噪声协方差矩阵对所述重频脉冲信号对应的第二总信号进行距离和角度二维匹配滤波，实现噪声卷积干扰抑制，其中，所述高重频脉冲信号的重复频率大于所述重频脉冲信号的重复频率。

2.根据权利要求1所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，所述高重频脉冲信号为：

f_m＝f₀+mΔf,m＝0,1,…,M-1

其中，s_m(t)为高重频脉冲信号，E为M个发射阵元的发射信号的总功率，x_m(t)为第m个正交信号的复包络，t为一个脉冲内的快时间，T_p为脉冲宽度，f₀为参考频率，Δf为阵元间的频移量。

3.根据权利要求2所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，各个所述发射阵元的正交信号之间满足：

其中，τ为任意时延，()^*为共轭操作。

4.根据权利要求2所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1、第n个所述接收阵元接收第m个所述发射阵元发射的信号；

步骤2.2、第n个所述接收阵元对接收的第m个所述发射阵元发射的信号进行正交匹配滤波，以得到第n个接收阵元输出的总信号；

步骤2.3、基于所述第n个接收阵元输出的总信号得到N个所述接收阵元输出的第一总信号；

步骤2.4、对N个所述接收阵元输出的第一总信号进行MTD，得到MTD处理后的信号。

5.根据权利要求4所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，第n个所述接收阵元接收第m个所述发射阵元发射的信号为：

其中，β₀为点目标的复散射系数，τ_m-n为由第m个发射阵元发射并由第n个接收阵元接收的信号的传播时延。

6.根据权利要求5所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，第n个所述接收阵元对接收的第m个所述发射阵元发射的信号进行滤波后的信号为：

其中，d为阵元间距，c为光速，θ₀为点目标的方位角，R₀＝r₀+(p-1)R_u，r₀为经过脉冲压缩后的主值距离，p为点目标的距离模糊数，R_u为最大无模糊距离；

第n个接收阵元输出的总信号为：

其中，y_n为第n个接收阵元输出的总信号。

7.根据权利要求6所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，N个所述接收阵元输出的第一总信号为：

其中，

为等效散射系数，

为克罗内克积，a(R,θ)为距离和角度两维发射导向矢量，b(θ₀)角度维接收导向矢量，⊙为哈达玛积，(·)^T为转置操作。

8.根据权利要求6所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1、提取MTD处理后的信号中处于多普勒零频的预设范围的信号作为纯净的干扰样本；

步骤3.2、将所述纯净的干扰样本和所述纯净的干扰样本的共轭转置相乘得到所述干扰加噪声协方差矩阵。

9.根据权利要求1所述的基于频率分集MIMO雷达的噪声卷积干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1、发射重频脉冲信号，经正交匹配滤波后得到N个接收阵元输出的第二总信号；

步骤4.2、根据所述干扰加噪声协方差矩阵和目标的导向矢量得到权值；

步骤4.3、利用所述权值对所述第二总信号进行加权处理，实现噪声卷积干扰抑制。

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