基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法与流程

发明涉及雷达技术领域，尤其涉及基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法。

背景技术：

外辐射源雷达自身不向外辐射电磁信号，而是利用空间中已经存在的辐射源信号作为照射源，对空中的目标进行探测、定位和跟踪，其凭借被动探测的特点、简单的结构、低廉的成本以及反隐身等特点受到了广泛的关注。

在雷达信号的处理过程中，外辐射源雷达的参考通道接收的直达波信号的作用十分重要，其不仅被用于杂波抑制过程中的直达波延时矩阵的构造，还被用作距离-多普勒处理过程中的基准信号。然而，在实际应用中，由于目标所处环境较为复杂，且空间中可能存在辐射源信号的同频信号，因此参考通道所接收的直达波信号并不是纯净的信号，可能会包含较强的多径信号及同频信号等干扰信号。一方面，这些干扰信号的存在会使直达波延时矩阵的构造出现偏差，导致杂波抑制不彻底，引起杂波剩余。另一方面，干扰信号还会引起距离-多普勒处理过程中积累增益的损失。而杂波剩余和积累增益的损失均会使目标参数估计出现偏差，进而导致外辐射源雷达检测不到目标或检测到虚假目标。

综上所述，直达波信号对雷达信号的处理意义重大，因此有必要对直达波信号进行提纯。

技术实现要素：

本发明的实施例提供基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法，能够对直达波信号进行提纯，避免由于直达波信号不纯净而引起目标参数估计出现偏差，消除虚假目标，实现对目标的有效检测。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

提供一种外辐射源雷达的直达波信号提纯方法，其中，源雷达的天线阵列包括m个阵元间距为半波长的阵元，m为≥2的整数，且m个阵元形成第一波束指向和第二波束指向，第一波束指向用于指向外辐射源雷达的辐射源，第二波束指向用于指向外辐射源雷达的观测区，方法包括以下步骤：

S1：获取天线阵列通过第一波束指向接收的回波信号，回波信号包含直达波信号以及干扰信号；

S2：对回波信号进行虚拟空间平滑获得n个子阵信号；计算n个子阵信号中每个子阵信号的协方差矩阵以及回波信号的协方差矩阵，得到n+1个协方差矩阵；对n+1个协方差矩阵求平均得到平均协方差矩阵，并将平均协方差矩阵与其共轭转置矩阵相乘得到第一协方差矩阵，其中，n为≥1的整数；

S3：对第一协方差矩阵进行特征分解，得到k个特征值以及每个特征值对应的特征向量，并对特征向量进行正交化；从k个特征值中选取较小的k-1个特征值，利用k-1个特征值对应的正交化后的特征向量构成干扰子空间；其中，k为≥2的整数；

S4：将回波信号投影在干扰子空间的正交子空间中，得到投影信号；在第一波束指向上对投影信号进行空间匹配滤波，得到纯净的直达波信号。

基于上述方案，通过使天线阵列形成第一波束指向和第二波束指向，并使第一波束指向指向辐射源，第二波束指向指向观测区，获取天线阵列通过第一波束指向接收的回波信号，进而对回波信号进行虚拟空间平滑获得n个子阵信号，并基于子阵信号以及回波信号，利用特征分解和正交投影的思想构造干扰子空间对回波信号进行滤波，获得纯净的直达波信号。本发明实施例的方案中，利用特征分解和正交投影的思想所构造的干扰子空间能够解决回波信号中直达波信号与干扰信号间的强相干性，从而有效滤除其中的干扰信号，实现对直达波信号的提纯，进而避免由于直达波信号不纯净而引起目标参数估计出现偏差，能够消除虚假目标，实现对目标的有效检测。

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为外辐射源雷达的应用场景示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中仿真实验第①部分仿真内容的检测结果图；其中，图3(a)为多普勒维的检测结果图，图中横坐标为多普勒频移(单位：Hz)，纵坐标为幅度(单位：dB)；图3(b)为距离维的检测结果图，图中横坐标为距离(单位：m)，纵坐标为幅度(单位：dB)；

图4为本发明实施例中仿真实验第②部分仿真内容的检测结果图；其中，图4(a)为多普勒维的检测结果图，图中横坐标为多普勒频移(单位：Hz)，纵坐标为幅度(单位：dB)；图4(b)为距离维的检测结果图，图中横坐标为距离(单位：m)，纵坐标为幅度(单位：dB)；

图5为本发明实施例中仿真实验第③部分仿真内容的检测结果图；其中，图5(a)为多普勒维的检测结果图，图中横坐标为多普勒频移(单位：Hz)，纵坐标为幅度(单位：dB)；图5(b)为距离维的检测结果图，图中横坐标为距离(单位：m)，纵坐标为幅度(单位：dB)。

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。

另外，为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”、等字样并不对数量和执行次序进行限定。

为便于理解，以下将结合图1所示的外辐射源雷达的应用场景，对外辐射源雷达的应用场景进行介绍如下：

参见图1，第三方辐射源设置于外辐射源雷达接收站的远场作为发射站发射电磁波信号，电磁波信号照射在观测区中的目标上形成反射波(通常称为目标回波信号)，同时，辐射源发射的部分电磁波信号会直接照射在外辐射源雷达上形成直达波信号(也称参考信号)。外辐射源雷达通过天线阵列的接收通道接收目标反射的电磁波信号(即目标回波信号)，通过天线阵列的参考通道接收直达波信号，使用雷达信号处理算法对目标回波信号和直达波信号进行处理，从而得到目标的速度、距离、方位等信息。如图1所示，除待检测目标之外，观测区中往往还存在许多障碍物，当辐射源的发射的电磁波信号照射在这些障碍物上后，即会产生多径信号，多径信号会随目标回波信号及直达波信号一同被天线阵列接收。另外，空间中可能存在辐射源的同频源，同频源发射的电磁波信号会产生同频信号，同频信号也会随目标回波信号及直达波信号一同被天线阵列接收。因此，外辐射源雷达天线阵列的参考通道所接收的直达波信号并不是纯净的信号，可能会包含较强的多径信号及同频信号等干扰信号。而一方面，这些干扰信号的存在会使直达波延时矩阵的构造出现偏差，导致杂波抑制不彻底，引起杂波剩余。另一方面，这些干扰信号还会引起距离-多普勒处理过程中积累增益的损失。而杂波剩余和积累增益的损失均会使外辐射源雷达对目标参数的估计出现误差，导致外辐射源雷达检测不到目标。

基于此，本发明实施例提供了一种基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法，应用于外辐射源雷达，以实现直达波信号的提纯。其中，所述外辐射源雷达的天线阵列包括m个阵元间距为半波长的阵元，m为≥2的整数，且m个阵元形成第一波束指向和第二波束指向。其中，第一波束指向用于指向所述外辐射源雷达的辐射源，第二波束指向用于指向所述外辐射源雷达的观测区。

如图2所示，本发明实施例提供的基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法包括以下步骤：

S1：获取天线阵列通过第一波束指向接收的回波信号。

其中，回波信号包含直达波信号以及干扰信号。所述的干扰信号指除所述直达波信号之外的所有其他信号，主要包括多径干扰信号以及同频干扰信号，还可能包括部分目标回波信号。

S2：对回波信号进行虚拟空间平滑获得n个子阵信号；计算n个子阵信号中每个子阵信号的协方差矩阵以及回波信号的协方差矩阵，得到n+1个协方差矩阵；对n+1个协方差矩阵求平均得到平均协方差矩阵，并将平均协方差矩阵与其共轭转置矩阵相乘得到第一协方差矩阵。

其中，n为≥1的整数。优选的，选取包括8个阵元间距为半波长的阵元的天线阵列作为所述外辐射源雷达的天线阵列，并对所接收的回波信号进行7次虚拟平滑以获得7个子阵信号，即在本发明实施例中，m取8，n取7。

本发明实施例提供的一种可选的实现方式中，具体可通过以下步骤获得n个子阵信号：利用预设的第一计算式，对回波信号进行n次虚拟空间平滑获得n个子阵信号。

其中，预设的第一计算式为：

sig_i＝sig·e^-jπsin(iθ)，

式中，θ表示第一波束指向，sig表示回波信号，sig_i表示对回波信号进行第i次虚拟空间平滑得到的子阵信号，i依次取1，2，…，n。

另外，需要说明的是，所述的对n+1个协方差矩阵求平均得到平均协方差矩阵的具体过程为：将n+1个协方差矩阵中所有相同位置的元素加和后取平均得到对应的平均值，将该平均值作为平均协方差矩阵相同位置处的元素。

进一步的，在获得平均协方差矩阵后，即可根据平均协方差矩阵进一步获取第一协方差矩阵。具体的，假设得到的平均协方差为则第一协方差矩阵具体可以表示为：式中，R_new表示第一协方差矩阵，表示平均协方差矩阵的共轭转置矩阵。

S3：对第一协方差矩阵进行特征分解，得到k个特征值以及每个特征值对应的特征向量，并对特征向量进行正交化；从k个特征值中选取较小的k-1个特征值，利用k-1个特征值对应的正交化后的特征向量构成干扰子空间。

其中，k为≥2的整数。容易理解，k个特征值中较小的k-1个特征值指的是k个特征值中除最大的特征值之外的k-1个特征值。

S4：将回波信号投影在干扰子空间的正交子空间中，得到投影信号；在第一波束指向上对投影信号进行空间匹配滤波，得到纯净的直达波信号。

具体来说，步骤S4中，在第一波束指向上对投影信号进行空间匹配滤波，得到纯净的直达波信号，具体可以包括：

根据第一波束指向以及预设的第二计算式，确定直达波信号相对于天线阵列的导向矢量；

将空间滤波器的权值设置为直达波信号相对于所述天线阵列的导向矢量，进而对所述投影信号进行空间匹配滤波，得到纯净的直达波信号。

其中，所述预设的第二计算式为：

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

式中，θ表示第一波束指向，a(θ)表示直达波信号相对于天线阵列的导向矢量。

基于本发明实施例提供的基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法，通过使天线阵列形成第一波束指向和第二波束指向，并使第一波束指向指向辐射源，第二波束指向指向观测区，获取天线阵列通过第一波束指向接收的回波信号，进而对回波信号进行虚拟空间平滑获得n个子阵信号，并基于子阵信号以及回波信号，利用特征分解和正交投影的思想构造干扰子空间对回波信号进行滤波，获得纯净的直达波信号。本发明实施例的方案中，利用特征分解和正交投影的思想所构造的干扰子空间能够解决回波信号中直达波信号与干扰信号间的强相干性，从而有效滤除其中的干扰信号，实现对直达波信号的提纯，进而避免由于直达波信号不纯净而引起目标参数估计出现偏差，能够消除虚假目标，实现对目标的有效检测。

以下，通过仿真实验进一步说明本发明的上述效果：

1)仿真实验场景

具体实验场景可参考图1，其中，以仿真生成的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信号作为辐射源信号，并设置直达波信号的能量高于目标回波的能量87dB。此外，还需仿真生成4个多径干扰信号以及1个同频干扰信号，作为干扰信号。同时，设置1个待检测目标，并将待检测目标与外辐射源雷达接收机的距离设置为21.6km，对应的多普勒频移设置为-5Hz，信噪比设置为-31.5dB。

2)仿真内容

仿真内容可分为以下三个部分：

①利用无干扰信号的理想直达波信号检测目标，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。

②利用混合有干扰信号的直达波信号检测目标，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。

③使用本发明实施例提供基于外辐射源雷达的直达波信号提纯方法进行提纯，利用提纯得到的直达波信号检测目标，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。

3)仿真结果分析：

图3所示为仿真实验第①部分仿真内容的检测结果。其中，图3(a)为多普勒维的检测结果图，图3(b)为距离维的检测结果图。观察图3(a)和图3(b)，可以看出，图中存在一个明显的尖峰，坐标为(2.16×10⁴m，-5.086Hz，1dB)，对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现该坐标对应的参数与待检测目标的设置参数一致，同时，图中除了该明显尖峰之外没有副峰。可以得出，利用无干扰信号的理想直达波信号能够有效检测出目标，且不存在虚假目标。

图4所示为仿真实验第②部分仿真内容的检测结果。其中，图4(a)为多普勒维的检测结果图，图4(b)为距离维的检测结果图。观察图4(a)和图4(b)，可以看出，图中存在一个明显的尖峰以及一个明显副峰，其中明显尖峰对应的坐标为(1.56×10⁴m，-5.086Hz，1dB)，对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现其中的距离参数与待检测目标的距离参数偏差较大，同时，相比于图3所示的检测结果，图4中的噪声平台相对较高。因此，可以得出，利用混合有干扰信号的直达波信号虽然能够检测出目标，但所得到的距离参数与真实距离参数之间相差较大，检测信噪比较小，同时会出现虚假目标。

图5所示为仿真实验第③部分仿真内容的检测结果。其中，图5(a)为多普勒维的检测结果图，图5(b)为距离维的检测结果图。观察图5(a)和图5(b)，可以看出，图中存在一个明显的尖峰，坐标为(2.16×10⁴m，-5.086Hz，1dB)，对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现该坐标对应的参数与待检测目标的设置参数一致，并且，相比于图4所示的检测结果，图5中的噪声平台相对较低。同时，图中除了该明显尖峰之外没有副峰。因此，可以得出，基于本发明实施例提供的直达波信号提纯方法对直达波信号提纯后，检测信噪比较高，能够有效检测出目标，消除虚假目标。

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一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。