基于多波形自适应处理的频率分集雷达及方法与流程

本发明属于雷达系统技术领域，涉及一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达及方法。

背景技术：

在现代高科技战争中，雷达是战场上至关重要的信息系统装备，主要用于发现与跟踪各类战场目标，如飞机提供高科技战场装备态势信息，指挥系统对战场对方的装备实施打击等。在战场上，雷达能否正常工作并及时提供有效信息往往关系到战斗的胜败。因此，雷达成为高科技战场上主要的被攻击和干扰对象。对雷达实时干扰的主要方式包括噪声压制干扰、假目标欺骗干扰和多假目标压制干扰等。干扰机在雷达实施干扰前，需要侦察分析雷达信号，为干扰提供先验信息。因此，传统采用单一工作模式的雷达非常容易受到干扰。

为了提升雷达的抗干扰能力，特别是抗假目标干扰能力，目前雷达常用的抗干扰方法包括：采用频率分集体制、使用射频掩护脉冲等。

频率分集技术本质上是一个以不同载频并行工作的系统，它通过在一个重复周期内以不同载频“同时”或“分时”发射若干子脉冲，其信号频率与时间的关系如图1所示；在接收时，再把多个频率的回波经不同的接收通道在信号处理器中进行对齐相加处理。

传统的频率分集雷达其工作参数较为固定，各个频率点的信号处理没有干扰判定和干扰剔除功能，并且各个频率点信号的最终处理结果需要汇总在一起，其中一个频率受到干扰，整个系统就会受到干扰，只是干扰的程度相对于单频点雷达要弱一些，但是还是无法最大程度上的消除干扰。

具有射频掩护功能的雷达，通常在工作信号之前，发射一个其他频率的射频掩护信号用于欺骗干扰机。如果干扰机在接收到射频掩护信号时，认为其是雷达工作信号，就会对射频掩护信号进行干扰；而雷达在信号处理的时候，不处理射频掩护信号，而只处理工作信号，因此具有迷惑干扰机、消除干扰的作用。具有射频掩护功能的雷达信号示意图如图2所示。

传统具有射频掩护功能的雷达，工作模式固定，例如：前面的脉冲为射频掩护信号，后面的脉冲为雷达工作信号，f1-f2为固定的δf，其工作模式较容易被干扰机识别，从而被干扰；同时射频掩护信号不参与目标探测，也存在信号能量的损失。

技术实现要素：

为了提高雷达的抗干扰能力，本发明结合频率分集和射频掩护的优势，提出了一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达。该雷达工作时，在同一重频周期内，发射多个工作在不同频率上的雷达工作脉冲；在信号接收与处理中，首先分离出不同频率的回波信号，然后引入干扰信号检测功能，对不同频率上的回波信号进行干扰判定，自适应剔除受到干扰的频率的回波信号；同时根据检测到的受干扰情况，自适应调整雷达信号处理与其他参数，提升雷达的自适应抗干扰能力。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达，包括：天线系统、发射系统、接收系统、控制与显示系统、能产生多个信号的波形产生系统、干扰信号检测系统、雷达信号处理系统、雷达数据处理系统，所述天线系统分别通过收发开关、频率源与本振系统与发射系统、接收系统相连，接收系统通过干扰信号检测系统分别与控制与显示系统、雷达信号处理系统相连，控制与显示系统通过能产生多个信号的波形产生系统与发射系统相连；其中控制与显示系统反馈端与频率源与本振系统相连；雷达信号处理系统通过干扰信号检测系统与雷达数据处理系统相连。

一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达的工作方法，其步骤如下：

1)、雷达系统采用较大的工作带宽

基于多波形自适应处理的频率分集雷达，在工作带宽内需要包含多个工作在不同频率信号，因此其的工作带宽要远大于普通目标探测雷达，雷达具体的工作带宽b与每个信号带宽、各个信号之间的频率间隔有关，通常有以下公式计算：

式中：bi表示第i个信号的带宽，δfj表示第j+1个信号与第j个信号之间的频率差，n表示在同一个重频周期中发射信号的个数；

为了实现基于多波形自适应处理的频率分集雷达功能，发射系统和接收系统需要采用具有公式(1)所描述的工作带宽的系统；

2)、采用能产生多个信号的波形产生系统

在每个重频周期中，在波形产生系统内，需要产生多个在时域上分开的多个不同频率上的雷达中频信号，送到发射系统进行上变频、功率放大和发射。在波形产生系统内产生的雷达中频信号用下式表示：

式中：s(t)表示波形产生系统产生的雷达中频信号，si(t)表示第i个信号的复包络波形，各个信号在时域上是分开的，其带宽为bi，fi表示第i个信号的中频载波，n表示工作信号个数；

3)、进行干扰信号检测

在雷达系统中，在接收系统和雷达信号处理系统之间增加干扰信号检测1，在雷达信号处理系统和数据处理系统之间增加干扰信号检测2，用于发现剔除干扰信号，提高雷达抗干扰能力；

在干扰信号检测1中，根据系统所产生的工作信号个数n，设计n个带通滤波器，每个滤波器的带通范围刚好对于各个信号的频率范围，将接收系统输出的回波信号进行滤波处理，通过滤波处理从频率上分离出每个工作信号对于的回波信号sr1(t),sr2(t),…srn(t)，然后对每路分离出的信号进行干扰分析，计算各路信号的平均幅度值和幅度中值等参数，将其与未受到干扰状态下的各参数进行对比，各个参数明显大于未受到干扰时，即可判断本路回波信号受到了干扰，在信号处理中剔除。当各路回波都受到干扰时，各路回波信号都参加后续的信号处理；

在干扰信号检测2中，在雷达信号处理完成目标检测后，再进行一次干扰信号检测；计算雷达的检测门限和检测目标数量，将其与未受到干扰状态下的各参数进行对比，各个参数明显大于未受到干扰时，即可判断雷达受到了干扰，通知控制与显示系统进行相关工作参数修改；

其中雷达工作时序

当雷达工作在自适应频率分集模式下时，雷达需要发射工作在不同频率的多个信号，因此信号发射的持续时间较长，会出现较大的近区盲区；为了保证雷达对远区和近区空域的覆盖，在雷达工作中，设计两种工作周期：正常探测周期和近区探测周期；在正常探测周期中，发射的信号持续时间长，用于提高探测距离；在近区探测周期中，发射的信号持续时间短，用于降低近区盲区；

在信号处理过程中，可以根据正常探测周期的发射信号长度，设定探测距离d0，在距离d0内只使用近区探测周期信号，在距离d0外只使用正常探测周期信号。两种周期出现的方式有两种：工作周期交替出现和工作周期分簇出现，在工作周期分簇的工作方式中，每一簇的周期个数n可以是8、16等，具体数值由雷达信号处理要求确定；

在近区探测周期中，只发射一个持续时间很短的近区补盲脉冲，用于对近区目标的探测，

在正常探测周期中，采用自适应频率分集技术，发射工作于多个频率的雷达信号用于对于中远距离的探测；为了防止多个信号在功率放大时产生交调互调，各个信号在时域上分开，信号分开的时间长度由系统设定；

其中雷达信号接收

雷达接收系统通过天线接收到雷达回波信号后，通过放大、滤波、下变频等处理，将回波信号转换到中频信号；接收系统通过信号采集处理卡对中频信号进行采样，然后通过数字信号处理将采样信号转换成基带数字iq信号，信号带宽为系统的工作带宽，提供给后面的干扰信号检测系统1和雷达信号处理系统等进行后续处理；

其中干扰信号检测1

干扰信号检测1获取接收系统输出的基带数字iq信号，通过滤波处理，提取出每个工作频率的回波信号，每个工作频率的信号视为1路信号，并对此回波信号进行干扰信号检测；

根据系统所产生的工作信号个数n，设计n个带通滤波器，用于干扰信号检测1的滤波处理，抽取出各路回波信号；设雷达的第i个信号的带宽为bi，在接收系统输出信号中的中心频率为foi，则其对于的理想滤波器为：

滤波器在实现过程中，根据信号处理的要求进行近似处理；

干扰信号检测1中的干扰检测具体方法如下：

在未受到干扰时，在雷达正常工作状态中，计算各路回波信号的平均幅度值和幅度中值参数，并在系统数据库中记录保存，并实时更新；

设由于外部高强度信号使接收机工作在饱和状态时，接收机输出的信号幅度为as，则设定阈值为式中k1、k2为阈值系数，0＜k1,k2＜1，根据探测情况设置；

在雷达工作时，计算接收的各路信号的平均幅度值和幅度中值参数，将其分别与阈值比较，当或时，即可判断本路回波信号受到了干扰；

当受到干扰的回波信号路数小于总回波信号路数时，丢弃受到干扰的回波信号，将未受干扰的信号进行后续的信号处理；当每一路回波信号都受到干扰时，将所有各路回波信号都参加后续的信号处理；

其中雷达信号处理

在雷达信号处理中，将经过干扰信号检测后输出的各路回波信号单独进行信号处理，然后再综合各路信号，进行目标检测；处理方法如下：

各路回波信号进行匹配滤波处理，然后进动目标检测处理；在进行动目标检测处理后，根据信号的接收处理时间、时序关系等，将各路信号在时间上对齐；然后进行非相参积累，将多路信号合成1路；将积累后的信号送入检测器进行目标检测；

其中干扰信号检测2

干扰信号检测2在雷达信号处理完成目标检测后，再进行一次干扰检测，用途提升系统的抗干扰能力，具体方法如下：

在未受到干扰时，在雷达正常工作状态中，计算雷达的检测门限和检测目标数量等参数，并在系统数据库中记录保存，并实时更新；

设定阈值为式中k3、k4为阈值系数，k3,k4＞1，根据探测情况设置；

在雷达工作时，计算雷达的检测门限tw和检测目标数量nw，将其分别与阈值比较；

当且时，即可判定雷达未受到严重干扰或没有受到干扰，正常工作；当或时，即可判断雷达整体收到严重干扰；

在检测到雷达受到严重干扰后，即可通知控制与显示系统更改雷达的工作频率、工作时序等相关工作参数，以躲避干扰信号的干扰。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达及方法，主要是增大雷达的工作带宽，产生和发射多个在不同频率上的雷达工作脉冲，并设计了适用的包括正常探测周期和近区探测周期的雷达工作时序，并在整个雷达处理过程中加入了2个干扰信号检测，用于判断雷达是否受到干扰和剔除干扰信号。雷达接收到回波信号后，进行第一次干扰信号检测，首先进行滤波处理，提取出不同频率的各路雷达回波信号，然后对各路回波信号进行干扰分析；在发现部分频率受到干扰时，丢弃受到干扰的信号；在发现全部频率都受到干扰时，融合所有频率进行信号处理。在目标检测后，进行第二次干扰信号检测，通过目标检测门限和检测目标数量判断雷达是否受到干扰；如果发现雷达仍然受到严重干扰，通知控制与显示系统更改雷达的工作频率、工作时序等相关工作参数，以躲避干扰信号的干扰。本发明能够有效的克服传统频率分集雷达、射频掩护雷达工作频点相对固定、工作模式单一、抗干扰能力有限的缺点，能够进一步提升雷达的抗干扰能力。

本发明系统结构的本振系统、收发开关与天线系统等功能和实现方法与传统雷达相同；不同之处在于：(1)增大雷达工作带宽，发射系统和接收系统能够发射和接收大瞬时带宽的工作信号；(2)采用能产生多个信号的波形产生系统，能够灵活产生多个工作在不同频率点的雷达信号；(3)具有干扰信号检测系统，检测雷达受到干扰情况，用于进行干扰判决，剔除受干扰信号，并通过控制系统控制雷达信号处理系统进行自适应的信号处理。

附图说明

图1为信号频率与时间的关系图；

图2为射频掩护雷达信号示意图；

图3为基于多波形自适应处理的频率分集雷达功能结构示意图；

图4为基于多波形自适应处理的频率分集雷达工作时序示意图；

图5为近区探测周期工作时序示意图；

图6为正常探测周期工作时序示意图；

图7为干扰信号检测1工作示意图；

图8为信号处理工作示意图。

具体实施方式

为了提升雷达的抗干扰能力，提出了基于多波形自适应处理的频率分集雷达，其主要功能系统结构如图3所示，包括控制与显示系统、能产生多个信号的波形产生系统、发射系统、接收系统、干扰信号检测系统、雷达信号处理系统、雷达数据处理系统、频率源与本振系统、收发开关与天线系统等。

在图3所示的基于多波形自适应处理的频率分集雷达中，雷达数据处理系统、频率源与本振系统、收发开关与天线系统等功能和实现方法与传统雷达相同；不同之处在于：(1)增大雷达工作带宽，发射系统和接收系统能够发射和接收大瞬时带宽的工作信号；(2)采用能产生多个信号的波形产生系统，能够灵活产生多个工作在不同频率点的雷达信号；(3)具有干扰信号检测系统，检测雷达受到干扰情况，用于进行干扰判决，剔除受干扰信号，并通过控制系统控制雷达信号处理系统进行自适应的信号处理。

一种基于多波形自适应处理的频率分集雷达的工作方法，其步骤如下：

1、雷达系统采用较大的工作带宽

基于多波形自适应处理的频率分集雷达，在工作带宽内需要包含多个工作在不同频率信号，因此其的工作带宽要远大于普通目标探测雷达，雷达具体的工作带宽b与每个信号带宽、各个信号之间的频率间隔有关，通常可以有以下公式计算：

式中：bi表示第i个信号的带宽，δfj表示第j+1个信号与第j个信号之间的频率差，n表示在同一个重频周期中发射信号的个数。

为了实现基于多波形自适应处理的频率分集雷达功能，发射系统和接收系统需要采用具有公式(1)所描述的工作带宽的系统。

2、采用能产生多个信号的波形产生系统

在每个重频周期中，在波形产生系统内，需要产生多个在时域上分开的多个不同频率上的雷达中频信号，送到发射系统进行上变频、功率放大和发射。在波形产生系统内产生的雷达中频信号可以用下式表示：

式中：s(t)表示波形产生系统产生的雷达中频信号，si(t)表示第i个信号的复包络波形，各个信号在时域上是分开的，其带宽为bi，fi表示第i个信号的中频载波，n表示工作信号个数。

3、进行干扰信号检测

在雷达系统中，在接收系统和雷达信号处理系统之间增加干扰信号检测1，在雷达信号处理系统和数据处理系统之间增加干扰信号检测2，用于发现剔除干扰信号，提高雷达抗干扰能力。

在干扰信号检测1中，根据系统所产生的工作信号个数n，设计n个带通滤波器，每个滤波器的带通范围刚好对于各个信号的频率范围，将接收系统输出的回波信号进行滤波处理，通过滤波处理从频率上分离出每个工作信号对于的回波信号sr1(t),sr2(t),…srn(t)，然后对每路分离出的信号进行干扰分析，计算各路信号的平均幅度值和幅度中值等参数，将其与未受到干扰状态下的各参数进行对比，各个参数明显大于未受到干扰时，即可判断本路回波信号受到了干扰，在信号处理中剔除。当各路回波都受到干扰时，各路回波信号都参加后续的信号处理。

在干扰信号检测2中，在雷达信号处理完成目标检测后，再进行一次干扰信号检测。计算雷达的检测门限和检测目标数量，将其与未受到干扰状态下的各参数进行对比，各个参数明显大于未受到干扰时，即可判断雷达受到了干扰，通知控制与显示系统进行相关工作参数修改。

其中雷达工作时序

当雷达工作在自适应频率分集模式下时，雷达需要发射工作在不同频率的多个信号，因此信号发射的持续时间较长，会出现较大的近区盲区。为了保证雷达对远区和近区空域的覆盖，在雷达工作中，设计两种工作周期：正常探测周期和近区探测周期。在正常探测周期中，发射的信号持续时间长，用于提高探测距离；在近区探测周期中，发射的信号持续时间短，用于降低近区盲区。在信号处理过程中，可以根据正常探测周期的发射信号长度，设定探测距离d0，在距离d0内只使用近区探测周期信号，在距离d0外只使用正常探测周期信号。两种周期出现的方式有两种：工作周期交替出现和工作周期分簇出现，如图4所示。在工作周期分簇的工作方式中，每一簇的周期个数n可以是8、16等，具体数值由雷达信号处理要求确定。

在近区探测周期中，只发射一个持续时间很短的近区补盲脉冲，用于对近区目标的探测，如图5所示。

在正常探测周期中，采用自适应频率分集技术，发射工作于多个频率的雷达信号，主要用于对于中远距离的探测。为了防止多个信号在功率放大时产生交调互调，各个信号在时域上分开，信号分开的时间长度由系统设定。正常探测周期时序示意图如图6所示。

其中雷达信号接收

雷达接收系统通过天线接收到雷达回波信号后，通过放大、滤波、下变频等处理，将回波信号转换到中频信号。接收系统通过信号采集处理卡对中频信号进行采样，然后通过数字信号处理将采样信号转换成基带数字iq信号，信号带宽为系统的工作带宽，提供给后面的干扰信号检测系统1和雷达信号处理系统等进行后续处理。

其中干扰信号检测1

干扰信号检测1获取接收系统输出的基带数字iq信号，通过滤波处理，提取出每个工作频率的回波信号，每个工作频率的信号视为1路信号，并对此回波信号进行干扰信号检测，整个过程如图7所示。

根据系统所产生的工作信号个数n，设计n个带通滤波器，用于干扰信号检测1的滤波处理，抽取出各路回波信号。设雷达的第i个信号的带宽为bi，在接收系统输出信号中的中心频率为foi，则其对于的理想滤波器为：

滤波器在实现过程中，可以根据信号处理的要求进行近似处理。

干扰信号检测1中的干扰检测具体方法如下：

(1)在未受到干扰时，在雷达正常工作状态中，计算各路回波信号的平均幅度值和幅度中值等参数，并在系统数据库中记录保存，并实时更新。

(2)设由于外部高强度信号使接收机工作在饱和状态时，接收机输出的信号幅度为as，则设定阈值为式中k1、k2为阈值系数，0＜k1,k2＜1，根据探测情况设置。

(3)在雷达工作时，计算接收的各路信号的平均幅度值和幅度中值等参数，将其分别与阈值比较，当或时，即可判断本路回波信号受到了干扰。

(4)当受到干扰的回波信号路数小于总回波信号路数时，丢弃受到干扰的回波信号，将未受干扰的信号进行后续的信号处理；当每一路回波信号都受到干扰时，将所有各路回波信号都参加后续的信号处理。

其中雷达信号处理

在雷达信号处理中，将经过干扰信号检测后输出的各路回波信号单独进行信号处理，然后再综合各路信号，进行目标检测，整个过程如图8所示。

处理方法如下：

(1)各路回波信号进行匹配滤波处理，然后进动目标检测处理。

(2)在进行动目标检测处理后，根据信号的接收处理时间、时序关系等，将各路信号在时间上对齐；然后进行非相参积累，将多路信号合成1路。

(3)将积累后的信号送入检测器进行目标检测。

其中干扰信号检测2

干扰信号检测2在雷达信号处理完成目标检测后，再进行一次干扰检测，用途提升系统的抗干扰能力。具体方法如下：

(1)在未受到干扰时，在雷达正常工作状态中，计算雷达的检测门限和检测目标数量等参数，并在系统数据库中记录保存，并实时更新。

(2)设定阈值为式中k3、k4为阈值系数，k3,k4＞1，根据探测情况设置。

(3)在雷达工作时，计算雷达的检测门限tw和检测目标数量nw，将其分别与阈值比较。当且时，即可判定雷达未受到严重干扰或没有受到干扰，可以正常工作；当或时，即可判断雷达整体收到严重干扰。

在检测到雷达受到严重干扰后，即可通知控制与显示系统更改雷达的工作频率、工作时序等相关工作参数，以躲避干扰信号的干扰。