基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法与流程

本发明属于外辐射源直达波抑制技术领域，特别是针对直达波信号具有恒模特性时，提供一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法。

背景技术：

外辐射源雷达是利用非合作的辐射源作为发射信号源对目标探测、跟踪的。与传统有源目标探测技术相比，具有良好的隐蔽性和很强的生存能力、良好的抗有源干扰的能力、对抗隐形目标的能力等优势。因此，该技术引起世界各国的广泛关注，成为各国国防领域对空、对地、对岸预警的有力工具。但是在实际应用中仍然存在一些关键问题需要解决，主要可以概括为外部照射源信号的波形分析与优化选择、直达波信号的提纯、直达波和多径等杂波的抑制、目标的检测与识别和目标的定位与跟踪等，其中，直达波提纯为杂波抑制和目标检测提供参考信号，而直达波和多径等杂波的抑制是后续进行目标定位与跟踪的先决条件。

目前，用于直达波提纯的算法主要有时域的均衡技术、频域上的复倒谱和空域上的自适应波束形成。时域均衡算法虽然可以跟踪信道特性，完成对直达波信号的估计，但在保证一定误差的情况下所需阶数较高；复倒谱技术对雷达脉冲信号处理时可以达到很好的提纯效果，但对某些信号而言，在复倒谱域的分辨率较低，因此不再适用；自适应波束形成的方法能够有效的抑制杂波和干扰，但是由于信号相关性的影响使性能急剧下降。2008年f.colone等人提出了空时联合恒模算法用于移除参考通道中的多径等杂波，该算法的直达波提纯性能在大多数情况下明显优于单纯的空域恒模算法与时域恒模算法。关于直达波与多径杂波的抑制，目前主要有空域与时域的方法。其中，空域的方法主要是自适应波束形成，这类方法在直达波多径杂波处形成零陷从而达到抑制杂波的目的。但是，通常情况下它需要知道目标回波的先验信息，例如目标的来向等，并且在抑制强直达波时容易抵消弱目标回波信号。时域的方法主要有两类，一类是自适应干扰对消的方法，如blms算法、块状nlms算法、eds算法等，这类方法需要设置滤波器的阶数，因此对于时延大于滤波器阶数整数倍采样周期的杂波抑制性能急剧下降。另一类为扩展相消法(extensivecancellationalgorithm，eca)。这类算法杂波抑制性能较好，但参考信号包含多径时性能下降且算法计算量大。澳大利亚学者g.fabrizio提出一种基于自适应多普勒域波束形成方法，该方法通过相干运算提升信噪比，并选择用于计算权值的样本数据有效的实现直达波的抑制和弱目标回波信号的提取，但该方法通过常规波束形成方法提取直达波信号，会导致目标在距离维的模糊。

技术实现要素：

针对现有的直达波信号提取和抑制技术的不足，本发明提供一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法，有效实现直达波抑制和弱目标回波信号提取，提高目标检测概率。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法，包含如下步骤：

步骤1、利用直达波信号的恒模特性，通过空时恒模方法提取直达波信号，并通过相干匹配将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据；

步骤2、将二维阵列数据进行分块，并在多普勒域通过自适应对角加载波束形成方法进行波束对消，抑制直达波信号并提取目标弱回波信号。

上述的，所述的步骤1包含如下内容：

步骤11、使用l通道阵列天线并根据nyquist采样定理同步采集目标辐射的无线电信号，获取信号的阵列时域数据；

步骤12、根据信号的阵列时域数据估算出直达波的doa信息，通过基于方向约束的空时恒模算法提取直达波信号；

步骤13、将提取到的直达波信号作为参考信号，与天线阵列的每通道时域数据进行相干匹配运算，将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据。

优选的，所述的步骤11中，信号阵列模型表示为：x(t)＝as(t)+n(t)，其中，n(t)为l×1维的噪声数据矢量，

，a为l×(nm+1)维阵列流型矩阵，l为阵元个数，nm为参考通道中多径杂波干扰的总数，θ0为直达波信号的来波方向，θi为第i条多径杂波的来波方向；s(t)为(nm+1)×1维的信号矢量；sd(t)＝d(t)和分别为直达波信号和多径杂波信号，τm_i为杂波干扰的时延，fdm为多普勒偏移。

优选的，所述的步骤12包含如下内容：估算直达波的doa信息，采用恒模cma算法，通过加权矩阵及引入直达波信号方向约束，提取直达波信号。

优选的，通过加权矩阵及引入直达波信号方向约束，具体表示为：

，其中，e表示期望，y(n)为第n个时刻的输出，vec为矩阵的向量化，且有：

wij为第i个天线在第j个延迟时刻的加权系数，由其组成的加权矩阵为w＝<wi,j>l×p；x(n)为参考端第n个时刻的接收矩阵，p为延迟抽头系数的个数；假设a(θ0)＝a(θ0)·c，c＝[0,0,...,r2,0,...,0]1×p，且r2位于第(p-1)/2个元素，θ0为直达波的波达方向，vec(w)^hvec(a(θ0))＝1为对直达波的方向约束，加权向量的更新公式为：

，其中，xn＝[vec(x(1)),vec(x(2)),...,vec(x(n))]，w＝vec(w)，通过得到：

优选的，所述的步骤13中将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据，转换公式为：

，其中，f(t)是窗函数，x(t)为阵列通道输出数据，y(t)是提取到的直达波信号，m为样点数，l是距离单元，k表示多普勒单元；阵列形式表示为

，其中，c(l,k)为“距离-多普勒域”的二维阵列数据。

优选的，所述的步骤2包含内容如下：

步骤21、将每通道的二维阵列数据进行q等分，确定两个不包含多普勒为零的保护带区域，并计算二维阵列数据划分后对应区域的阵列协方差矩阵；

步骤22、基于自适应对角加载的波束形成方法，通过阵列协方差矩阵求解不同期望导向矢量对应的权值w；

步骤23、根据直达波在多普勒域对称的特点，在多普勒域进行空域对消，得到直达波抑制后的距离-多普勒谱。

优选的，所述的步骤21包含如下内容：对每个通道的距离-多普勒二维阵列数据进行如下操作：将距离单元m平均等分为nb份，每份包含q个距离单元，即nb＝m/q；在每个距离单元上，设置多普勒域的0hz保护带区域，并记为gr和gl，则正多普勒单元的取值区间为k∈g⁺≡{gr,gr+1,...,k}，负多普勒取值区间是k∈g^-≡{-gl,-gl-1,...,-k}；得到每个距离单元的正负多普勒对应的协方差矩阵为：

，其中，r+(b)、r-(b)分别是正多普勒和负多普勒对应的协方差矩阵，b∈1,2,…,nb。

上述的，所述的步骤22中求解不同期望导向矢量对应的权值w，包含如下内容：根据协方差矩阵，根据计算公式求取每个距离单元、期望方向对应的权值，计算公式为：

其中，s(θs,φs)为期望信号的导向矢量，θs,φs为期望信号的方位角和仰角。

上述的，所述的步骤23包含如下内容：根据直达波信号多普勒以0hz为中心对称特性，将步骤21中的正权值用于负多普勒对应阵列数据的波束合成、负权值用于正多普勒对应阵列数据的波束合成，实现多普勒域的直达波旁瓣对消且保留目标回波信号，具体表示如下：

本发明的有益效果：

本发明在“距离-多普勒”二维数据域进行自适应波束合成，并对距离维进行分块，且避开多普勒为零的区域，极大改善了基于常规波束合成方法进行直达波抑制时目标弱回波信号抵消且算法自由度大部分用于直达波抑制的问题，提升目标弱回波信号检测性能；此外，本发明中利用基于方向约束的空时恒模算法，在多径、干扰存在下提取直达波信号，性能稳定、可靠，且高效，具有较强的实际应用价值。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中阵列时域数据转换距离-多普勒域的二维阵列数据流程示意图；

图3为本发明中通过自适应对角加载波束形成方法进行波束对消的流程示意图；

图4为本发明的原理框图；

图5为实验原理示意图；

图6为直达波提纯结果示意图；

图7为直达波抑制对比结果示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法，包含如下步骤：

步骤1、利用直达波信号的恒模特性，通过空时恒模方法提取直达波信号，并通过相干匹配将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据；

步骤2、将二维阵列数据进行分块，并在多普勒域通过自适应对角加载波束形成方法进行波束对消，抑制直达波信号并提取目标弱回波信号。

本发明在“距离-多普勒”二维数据域进行自适应波束合成，并对距离维进行分块，且避开多普勒为零的区域，极大改善了基于常规波束合成方法进行直达波抑制时目标弱回波信号抵消且算法自由度大部分用于直达波抑制的问题，提升目标弱回波信号检测性能，可靠性高，具有较强的实际应用价值。

实施例二，参见图1～3所示，一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法，包含如下内容：

一)利用直达波信号的恒模特性，通过空时恒模方法提取直达波信号，并通过相干匹配将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据，具体内容如下：

1、使用l通道阵列天线并根据nyquist采样定理同步采集目标辐射的无线电信号，获取信号的阵列时域数据，信号阵列模型表示为：x(t)＝as(t)+n(t)，

其中，n(t)为l×1维的噪声数据矢量，

，a为l×(nm+1)维阵列流型矩阵，l为阵元个数，nm为参考通道中多径杂波干扰的总数，θ0为直达波信号的来波方向，θi为第i条多径杂波的来波方向；s(t)为(nm+1)×1维的信号矢量；sd(t)＝d(t)和分别为直达波信号和多径杂波信号，τm_i为杂波干扰的时延，fdm为多普勒偏移。

2、根据信号的阵列时域数据估算出直达波的doa信息，通过基于方向约束的空时恒模算法提取直达波信号

通过估算直达波的doa信息，采用恒模cma算法，通过加权矩阵及引入直达波信号方向约束，具体表示为：

，其中，e表示期望，y(n)为第n个时刻的输出，vec为矩阵的向量化，且有：

wij为第i个天线在第j个延迟时刻的加权系数，由其组成的加权矩阵为w＝<wi,j>l×p；x(n)为参考端第n个时刻的接收矩阵，p为延迟抽头系数的个数；假设a(θ0)＝a(θ0)·c，c＝[0,0,...,r2,0,...,0]1×p，且r2位于第(p-1)/2个元素，θ0为直达波的波达方向，vec(w)^hvec(a(θ0))＝1为对直达波的方向约束，加权向量的更新公式为：

，其中，xn＝[vec(x(1)),vec(x(2)),...,vec(x(n))]，w＝vec(w)，通过得到：

3、将提取到的直达波信号作为参考信号，与天线阵列的每通道时域数据进行相干匹配运算，将阵列时域数据转换为距离-多普勒域的二维阵列数据，转换公式为：

，其中，f(t)是窗函数，x(t)为阵列通道输出数据，y(t)是提取到的直达波信号，m为样点数，l是距离单元，k表示多普勒单元；阵列形式表示为

，其中，c(l,k)为“距离-多普勒域”的二维阵列数据。

二)将二维阵列数据进行分块，并在多普勒域通过自适应对角加载波束形成方法进行波束对消，抑制直达波信号并提取目标弱回波信号，具体内容如下：

1、将每通道的二维阵列数据进行q等分，确定两个不包含多普勒为零的保护带区域，并计算二维阵列数据划分后对应区域的阵列协方差矩阵。

对每个通道的距离-多普勒二维阵列数据进行如下操作：为防止目标回波信号的抵消，将距离单元m平均等分为nb份，每份包含q个距离单元，即nb＝m/q；为防止将过多自由度用于直达波的抑制，在每个距离单元上，设置多普勒域的0hz保护带区域，并记为gr和gl，则正多普勒单元的取值区间为k∈g⁺≡{gr,gr+1,...,k}，负多普勒取值区间是k∈g^-≡{-gl,-gl-1,...,-k}；得到每个距离单元的正负多普勒对应的协方差矩阵为：

，其中，r+(b)、r-(b)分别是正多普勒和负多普勒对应的协方差矩阵，b∈1,2,…,nb。

2、基于自适应对角加载的波束形成方法，通过阵列协方差矩阵求解不同期望导向矢量对应的权值w。

根据协方差矩阵，根据计算公式求取每个距离单元、期望方向对应的权值，计算公式为：

其中，s(θs,φs)为期望信号的导向矢量，θs,φs为期望信号的方位角和仰角。

3、根据直达波在多普勒域对称的特点，在多普勒域进行空域对消，得到直达波抑制后的距离-多普勒谱。

根据直达波信号多普勒以0hz为中心对称特性，将步骤21中的正权值用于负多普勒对应阵列数据的波束合成、负权值用于正多普勒对应阵列数据的波束合成，实现多普勒域的直达波旁瓣对消且保留目标回波信号，具体表示如下：

本发明针对外辐射源雷达技术中的直达波抑制问题，提供一种基于自适应多普勒域波束对消的直达波抑制方法，利用阵列天线的“距离-多普勒”数据实现强直达波抑制和目标弱回波信号提取。首先利用直达波信号的“恒模特性”，通过空时恒模方法提纯直达波信号，基于此通过相干匹配处理将阵列时域数据转换为“距离-多普勒”域的二维数据，然后将二维阵列数据进行分块，并在多普勒域，利用自适应对角加载波束形成方法进行波束对消，以抑制直达波信号并提取目标弱回波信号。与传统基于自适应波束形成的直达波抑制算法相比，本发明提供的方法解决了目标弱回波信号被“抵消”和波束合成算法自由度不足等问题，显著改善了直达波抑制效果。

为验证本发明的有效性，参见图5所示，为直达波抑制的实测试验，实验使用视距外的超视距雷达信号作为非合作辐射源，对视距内飞行目标进行探测与定位。实验使用直径为100米的20通道均匀圆阵作为接收阵列，并利用flightradar24软件监视接收阵列视距范围内的民航飞机作为合作目标；通过测量与分析得到非合作辐射源的方位角为225度、仰角为16度，中心频率是19.493mhz，信号调制方式为线性调频连续波(lfmcw)。接收阵列同时接收直达波和目标反射回波，基带信号的采样频率是62.5khz。下面将本发明公开的方法与基于常规波束形成算法的直达波抑制算法进行比较，直达波信号提纯采用基于空域约束的空时恒模算法，直达波抑制采用自适应多普勒域波束对消算法。图6中，图6-1给出了原始直达波示意图：图a为原始直达波信号示意图，图b为图a对应的语图；6-2给出了直达波提纯后的示意图：图a为直达波提纯后的信号时域示意图，图b为图a所对应的语图；通过图6-1及6-2所示，验证了本发明能够较好的提取直达波信号。图7中，b表示目标所在位置的多普勒谱图，a、和c分别表示通过本发明公开的方法和常规波束形成方法对应的直达波抑制结果，从对比可以明显看出本发明提出的算法有较好的直达波抑制性能.

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。