专利名称：一种非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置及其抑制方法
技术领域：
本发明属于电子信息技术领域，涉及一种高频雷达旁瓣抑制方法，具体地 说，涉及一种基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置及其抑 制方法。
背景技术：
高频雷达工作在3 30MHz的短波波段。在该频段内，外部干扰严重，各 种干扰进入雷达接收机后会严重影响雷达的探测性能。为了保证高频雷达在频 谱拥挤的电磁环境下可靠地工作，目前在时域、频域、空域或极化域中采用了 多种的抗干扰技术对干扰进行抑制。相比其他抗干扰方式，基于实时选频的频 域抗干扰是一种比较有效的抗干扰方式，其原理是利用频谱监测设备对外界电 磁环境进行实时监测，选出一个连续的能够满足系统带宽的寂静工作频段供雷 达使用。在白天，这种连续的寂静带宽相对比较容易找到，但到晚上就非常困 难，这时如果能够突破连续带宽的限制，使用多个不连续的寂静带宽来综合系 统所需的有效带宽，那么高频雷达的抗干扰能力将会极大地提高。这就是基于 非连续谱的频域抗干扰思想。
采用非连续谱体制的高频雷达能够在频域上避开外界干扰，因此具有很好 的抗干扰性能，但非连续频雷达信号经过匹配滤波后会产生很高的距离旁瓣， 从而对目标的分辨造成干扰。而传统的FFT技术及加窗旁瓣抑制方法不再适用， 必须考虑新的旁瓣抑制技术。
发明内容
本发明的目的是针对非连续谱体制高频雷达的高距离旁瓣(不同距离单元 具有不同的旁瓣结构)和现在大多数高频雷达收发共站对匹配滤波的影响的问 题，而提供的一种基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置及其抑制方法。
为实现上述目的，本发明基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣 抑制装置，其特点是，包括发射天线、接收天线、天线开关、匹配滤波器、 距离旁瓣抑制系统、频率合成系统、频谱监测系统；
所述的频谱监测系统，对外部电磁环境进行实时监测，通过优化法选择最 佳的满足系统带宽的寂静频段的频率值送入频率合成系统；
所述的频率合成系统，根据频率监测系统输出的频率值产生非连续谱发射 信号，该信号分成两路， 一路信号经功率放大后由发射天线向空中发射；另一 路信号送入匹配滤波器；
所述的天线开关用于防止发射天线所发射的直达波进入接收机而堵塞接 收机；目标回波进入接收天线后，经过天线开关输出到匹配滤波器
所述的匹配滤波器，用于对频率合成系统产生的发射信号和接收的回波信 号进行匹配滤波处理，然后输出到距离旁瓣抑制系统；
所述的距离旁瓣抑制系统用于将匹配滤波输出表示为不同距离单元的发 射机和接收机交叉响应的线性组合，并采用正则化方法得到各个距离单元交叉 响应的值，消除了相邻距离单元信号的相互干扰，即实现了距离旁瓣的抑制。
上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其中，所 述的距离旁瓣抑制系统包括
距离元划分器，用于将探测距离划分成一个个距离单元，该距离单元对应 着一个时延；
交叉响应构造器，根据每个距离元对应的时延，构造每个距离单元的发射 机和接收机的交叉响应，且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接 收机交叉响应的线性组合；
正则化函数构造器，根据目标模型构造相应的正则化函数；
距离旁瓣抑制器，采用迭代方法得到各个距离单元交叉响应的值，消除了 相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑制。
上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其中，在 发射机工作时，所述的天线开关处于断开状态；而接收机工作时，所述的天线 开关处于闭合状态。上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其中，所 述的发射信号具有非连续频谱；所述的匹配滤波器输出的信号呈不规则形状的 距离旁瓣波形。
上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其中，所 述的正则化方法为贝叶斯正则化方法；其求得的各个距离单元交叉响应的值为 各距离单元的幅度。
基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其特点是，采 用匹配处理，针对实际的目标距离谱类型采用相应的正则化函数，通过迭代处 理得到稳定的正则化解；包括以下步骤
步骤1)、对外界电磁环境进行实时频谱监测，并从所述频谱中选出最适 合发射的若干频点；
步骤2)、根据频谱监测系统选出的非连续的频率值进行频率合成、并通 过发射天线发射的步骤；
步骤3)、接收天线接收该发射信号的反射回波后，对所述发射信号和接 收信号进行匹配处理；将探测距离划分成多个距离单元，每个距离单元对应着 一个时延；
步骤4)、根据每个距离元对应的时延，构造每个距离单元的发射机和接 收机的交叉响应，且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接收机交 叉响应的线性组合；
步骤5)、根据目标谱模型构造正则化函数，采用迭代法得到各个距离单 元交叉响应的值，以消除相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑 制。
上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其中，步 骤1)中所述的频谱监测是指频谱监测系统全天候地对外界电磁环境进行实 时监测，定时地为高频雷达选出干净的寂静频率，然后通过优化方法选出最适 合发射的若干频点。
上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其中，步 骤2)所述的频率合成是指将频谱监测系统选出的非连续的频率值送入数字频
率合成器，由数字频率合成器产生发射信号的过程。上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其中，步 骤4)所述的构造各距离单元发射机的接收机的交叉响应还包括以下步骤 步骤4) 一l、将探测距离分成多个距离单元； 步骤4) 一2、各个距离单元对应一个时延；
步骤4) 一3、利用上述时延，计算发射机和接收机的交叉响应。 上述基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其中，步 骤5)所述的正则化参数为观测噪声方差和信号幅度谱方差之比；其中对于 噪声方差，通过对观测数据的协方差矩阵进行奇异值分解的办法求得；对于信 号幅度谱方差采用利用前一次估计的幅度谱方差代替的迭代方法得到。
本发明由于采用了以上的技术方案，采用频谱监测选出寂静的若干非连续 频段，通过优化选择最终的几个频段，形成发射信号；采用先匹配后失配的处 理方式；将高频雷达探测距离分成若干小的距离单元，针对每个距离单元确定 其接收机和发射机的交叉相应；将雷达回波信号直接与发射信号进行相关处 理，输出表示成不同距离的目标交叉模糊函数的线性组合；采用迭代方法，将 旁瓣水平抑制到期望水平。该发明对非连续谱高频雷达的距离旁瓣抑制效果优 良，对多普勒不敏感，对噪声抑制效果好，且能实现雷达的距离超分辨，从而 提高了雷达的目标探测性能。
本发明的具体特征、性能由以下的实施例及其附图进一步描述。 图l是本发明的电方框图。
图2是本发明中距离旁瓣抑制系统的电方框图。
图3是本发明的距离旁瓣抑制方法的步骤流程图。
图4是本发明的为匹配滤波输出的结果波形仿真示意图。
图5是本发明的是经过正则化方法得到的结果波形仿真示意图。
图中主要标号如下
l一接收天线； 2—是发射天线；
3—天线开关，在雷达发射机与接收机共站时，防止发射信号直接进入接 收机；
84—匹配滤波器；
51—距离元划分器；
53 —正则化函数构造器;
5—距离旁瓣抑制系统； 52 —交叉响应构造器； 54 —距离旁瓣抑制器;
6— 频率合成系统，用于产生非连续谱发射信号；
7— 频谱监测系统，选出最优的非连续的寂静频段；
具体实施例方式
请参阅图1 。本发明基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制 装置包括发射天线l、接收天线2、天线开关3、匹配滤波器4、距离旁瓣抑 制系统5、频率合成系统6、频谱监测系统7;
所述的频谱监测系统7用于对外部电磁环境进行实时监测，通过优化法选
择最佳的满足系统带宽的寂静频段的频率值送入频率合成系统6;
所述的频率合成系统6采用直接频率合成(DDS)技术，根据频率监测系 统输出的频率值产生非连续谱发射信号，该信号分成两路， 一路信号经功率放 大后由发射天线1向空中发射，所述的发射信号具有非连续频谱；另一路信号 送入匹配滤波器4;
所述的天线开关3用于防止发射天线所发射的直达波进入接收机而堵塞接 收机；目标回波进入接收天线后，经过天线开关3输出到匹配滤波器4。在发 射机工作时，所述的天线开关处于断开状态；而接收机工作时，所述的天线开 关处于闭合状态。
所述的匹配滤波器4用于对频率合成系统产生的发射信号和接收的回波信 号进行相关处理。由于发射信号具有非连续频谱，匹配滤波输出具有很高的距 离旁瓣，且呈不规则形状。而由于天线开关的作用，对于不同的距离单元，其 接收时间利用率不一样，因此匹配滤波输出的结果也不一样。所述匹配滤波输 出到距离旁瓣抑制系统5。
所述的距离旁瓣抑制系统5用于将匹配滤波输出表示为不同距离单元的发 射机和接收机交叉响应的线性组合，并采用正则化方法得到各个距离单元交叉 响应的值，消除了相邻距离单元信号的相互干扰，即实现了距离旁瓣的抑制。 所述的正则化方法为贝叶斯正则化方法；其求得的各个距离单元交叉响应的值
9为各距离单元的幅度。所谓贝叶斯正则化是一种建立在概率统计基础上的一种解决不适定问题的方法。贝叶斯正则化方法包括三个步骤1)指定一个关于观测数据的概率分布，即测量噪声的信息；2)指定一个关于解的先验概率分布，即解的先验信息；3)根据贝叶斯定理，得到解的后验概率分布，然后根据最大后验概率准则，求出真实解。
匹配滤波输出的信号可表示为不同距离单元的发射机和接收机交叉响应的线性组合，因此距离旁瓣抑制可转化为求解各个距离单元交叉响应的值。而该问题是个不适定问题，即外界噪声会造成解的不稳定。为了得到稳定解，就必须施加合理约束条件，即正则化方法。本发明采用贝叶斯正则化，对于"线谱"的硬目标，假设距离谱服从Cauchy分布，而"平滑谱"的分布式海面目标的距离谱服从Markov分布，噪声为Gaussian分布。通过构造正则化代价函数并使之最小化，得到正则化解。该正则化解为各距离单元的幅度，消除了相邻距离单元信号的相互干扰，即实现了距离旁瓣的抑制。
请参阅图2 。本发明基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其中，所述的距离旁瓣抑制系统5包括距离元划分器51，用于将探测距离划分成一个个距离单元，该距离单元对应着一个时延；交叉响应构造器52，根据每个距离元对应的时延，用于构造每个距离单元的发射机和接收机的交叉响应；且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接收机交叉响应的线性组合；正则化函数构造器53，根据目标模型构造相应的正则化函数；距离旁瓣抑制器54，采用迭代方法得到各个距离单元交叉响应的值，消除了相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑制。
请配合参见图3 。本发明基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，采用匹配处理，针对实际的目标距离谱类型利用相应的正则化函数，通过迭代处理得到稳定的正则化解。包括以下步骤
步骤l) 100、对外界电磁环境进行实时频谱监测，并从所述频谱中选出最适合发射的若干频点；
频谱监测系统全天候地对外界电磁环境进行实时监测，定时地为高频雷达选出干净的寂静频率，然后通过优化算法(遗传算法)选出用于发射的若干频点/。,/2, /,。步骤2) 200、将频谱监测系统选出的非连续的频率值进行频率合成、并通过发射天线发射；
将频谱监测系统选出的非连续的频率值送入DDS (数字频率合成器)，DDS产生发射信号w(O。非连续谱信号可以采用跳频或调频方式。
步骤3) 300、接收天线接收该发射信号的反射回波后，对所述发射信号和接收信号进行匹配滤波处理；
发射信号"W经过反射后得到接收信号KO，发射信号和接收信号进行相关处理。
步骤4)400、将探测距离划分成多个距离单元，每个距离单元对应着一个时延；根据每个距离元对应的时延，构造每个距离单元的发射机和接收机的交叉响应，且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接收机交叉响应的线性组合。
将探测距离分成一个个距离单元，A,^,…T^，距离分辨率Ai :C/2B， C为光速，5为系统带宽。各个距离单元对应的时延为、人,…^v。天线开关的门控脉冲为g(/)，发射机和接收机的交叉响应为
'"=匸g WW + - g(麵)"* (" ， ( 1 )
接收信号和发射信号相关，输出结果为不同距离单元交叉响应的叠加，艮P:
洲令K) (2)
x^为第"个距离单元的幅度，A^[、，;c2，…Xw:r，用J^b,，A，…^]表示;Kr)，
" = [" ,"(.." ^表示;^力，如果再加上观测噪声，写成矩阵形式
j = j;c + e (3)
j = [fl，，fl2,…，flw] (4)
这里x表示距离谱，e为观测噪声。
步骤5)、根据目标谱模型构造正则化函数500,采用迭代法得到各个距离单元交叉响应的值600，以消除相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑制。
设^服从柯西(Cauchy)分布，e服从高斯(Gaussian)分布，则柯西-高斯模型贝叶斯正则化的代价函数为
11 7CG(JC) = f ln(l + ^f) + ^(j; -^卢(j; - A) ( 5 )
这里//表示共轭转置，ln表示以e为底的对数函数，《表示观测噪声方差，^表示信号幅度谱方差。极小化代价函数，得到正则化解
jc = ("2_1 + ^"J)—1 J ，a = a (6)2为一个WxJV的对角矩阵，矩阵元素&" =1 + 、《/(2 2)， "-l,2，…iV。这里《 = ^2/^2称之为正则化参数。
公式(6)是个非线性方程，要通过迭代方法得到，迭代步骤如下初始化，Ar。)为匹配滤波器输出结果，2m=l + ^X/(2 2) (7)f 'U叶、 (8)
x("-g("U，') (9)/M表示MxM的对角矩阵，A表示迭代次数，当满足以下准则时，迭代过程结束，s是设定的允许误差。
^CG "CG
rl /(叫+ l/(""h/2
Ll"ccl卞l"cc |」,丄 (10)
在所述的正则化中，正则化参数"= ，/^2，它是观测噪声方差和信号幅度谱方差之比。对于噪声方差，通过对观测数据的协方差矩阵进行奇异值分解的
办法求得；对于信号幅度谱方差^2，由于先验知识是未知的，因此在本发明中，利用前一次运算得到的^的方差来代替^2，在迭代过程中，JC的方差将逼近真实的W。第一次迭代的信号幅度谱为匹配滤波器输出。
下面结合一个仿真实例来说明该本发明方法的有效性；雷达体制为中断随机调频非连续谱，周期为0.7s，共分为IO个不连续频段，频率分别为7MHz， 7. 006MHz， 7. OlOMHz， 7. 016MHz， 7. 025MHz， 7. 040MHz，7. 050MHz， 7. 062MHz， 7. 07MHz， 7. 09MHz，整个占有频率30kHz，采样率100kHz;在构造j时，距离分辨率1.5km，共250个距离单元，采样数据点数为175; 10个目标分别在15km， 30kra， 75km， 90km， 93km， 97. 5km， 120kra， 150km， 165km，180km，幅度分别为5， 4， 3， 6， 15， 7， 3， 10， 9， 1;其中90km、 97. 5km和180km处的目标速度为4m/s、 10m/s和-8m/s，白噪声方差为100，仿真结果如图4，图5。
图4为匹配滤波输出的结果，可以看到目标的距离旁瓣非常高，且呈不规则态。弱目标完全淹没在强目标的旁瓣中，造成目标不能分辨。图5是经过正
则化方法得到的结果，只经过2次迭代，其旁瓣水平就下降到40dB左右，10
个目标都清晰可见。而且目标的速度并不影响该方法的有效性，可见该方法对多普勒是不敏感的。
本发明具有以下优点
1 、直接采用相关处理，不需要混频滤波等一些模拟器件，结构简单；
2 、对多普勒不敏感；
3 、收敛速度快；
4、 如果将距离单元分成更小的单元，可实现雷达的距离超分辨；
5、 旁瓣抑制效果优良，对随机噪声也有抑制作用。
1权利要求
1、基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置，其特征在于，包括发射天线、接收天线、天线开关、匹配滤波器、距离旁瓣抑制系统、频率合成系统、频谱监测系统；所述的频谱监测系统，对外部电磁环境进行实时监测，通过优化法选择最佳的满足系统带宽的寂静频段的频率值送入频率合成系统；所述的频率合成系统，根据频率监测系统输出的频率值产生非连续谱发射信号，该信号分成两路，一路信号经功率放大后由发射天线向空中发射；另一路信号送入匹配滤波器；所述的天线开关用于防止发射天线所发射的直达波进入接收机而堵塞接收机；目标回波进入接收天线后，经过天线开关输出到匹配滤波器；所述的匹配滤波器，用于对频率合成系统产生的发射信号和接收的回波信号进行匹配滤波处理，然后输出到距离旁瓣抑制系统；所述的距离旁瓣抑制系统用于将匹配滤波输出表示为不同距离单元的发射机和接收机交叉响应的线性组合，并采用正则化方法得到各个距离单元交叉响应的值，消除了相邻距离单元信号的相互干扰，即实现了距离旁瓣的抑制。
2 、根据权利要求1所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制装置，其特征在于，所述的距离旁瓣抑制系统包括距离元划分器，用于将探测距离划分成一个个距离单元，该距离单元对应 着一个时延；交叉响应构造器，根据每个距离元对应的时延，构造每个距离单元的发射 机和接收机的交叉响应，且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接 收机交叉响应的线性组合；正则化函数构造器，根据目标模型构造相应的正则化函数； 距离旁瓣抑制器，采用迭代方法得到各个距离单元交叉响应的值，消除了 相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑制。
3 、根据权利要求1所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制装置，其特征在于，在发射机工作时，所述的天线开关处于断开状态；而接收机工作时，所述的天线开关处于闭合状态。
4 、根据权利要求1所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制装置，其特征在于，所述的发射信号具有非连续频谱；所述的匹配滤波 器输出的信号呈不规则形状的距离旁瓣波形。
5 、根据权利要求1所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制装置，其特征在于，所述的正则化方法为贝叶斯正则化方法；其求得的 各个距离单元交叉响应的值为各距离单元的幅度。
6、基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制方法，其特征在 于，采用匹配处理，针对实际的目标距离谱类型采用相应的正则化函数，通过 迭代处理得到稳定的正则化解；包括以下步骤步骤1)、对外界电磁环境进行实时频谱监测，并从所述频谱中选出最适 合发射的若干频点；步骤2)、根据频谱监测系统选出的非连续的频率值进行频率合成、并通 过发射天线发射的步骤；步骤3)、接收天线接收该发射信号的反射回波后，对所述发射信号和接 收信号进行匹配处理；将探测距离划分成多个距离单元，每个距离单元对应着 一个时延；步骤4)、根据每个距离元对应的时延，构造每个距离单元的发射 机和接收机的交叉响应，且匹配滤波输出可表示为不同距离单元的发射机和接 收机交叉响应的线性组合；步骤5)、根据目标谱模型构造正则化函数，采用迭代法得到各个距离单 元交叉响应的值，以消除相邻距离单元信号的相互干扰，实现了距离旁瓣的抑 制。
7 、根据权利要求6所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制方法，其特征在于，步骤1)中所述的频谱监测是指频谱监测系统全 天候地对外界电磁环境进行实时监测，定时地为高频雷达选出干净的寂静频 率，然后通过优化方法选出最适合发射的若干频点。
8 、根据权利要求6所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制方法，其特征在于，步骤2 )所述的频率合成是指将频谱监测系统选出 的非连续的频率值送入数字频率合成器，由数字频率合成器产生发射信号的过程。
9 、根据权利要求6所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁 瓣抑制方法，其特征在于，步骤4 )所述的构造各距离单元发射机的接收机的 交叉响应还包括以下步骤步骤4 ) 一 1 、将探测距离分成多个距离单元；步骤4) 一2、各个距离单元对应一个时延；步骤4) 一3、利用上述时延，计算发射机和接收机的交叉响应。
10、根据权利要求6所述的基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离 旁瓣抑制方法，其特征在于，步骤5 )所述的正则化参数为观测噪声方差和信 号幅度谱方差之比；其中对于噪声方差，通过对观测数据的协方差矩阵进行 奇异值分解的办法求得；对于信号幅度谱方差采用利用前一次估计的幅度谱方 差代替的迭代方法得到。
全文摘要
本发明公开了一种基于贝叶斯正则化的非连续谱高频雷达距离旁瓣抑制装置及其抑制方法，其特点是，包括发射天线、接收天线、天线开关、匹配滤波器、距离旁瓣抑制系统、频率合成系统、频谱监测系统；包括对外界电磁环境进行实时频谱监测，并从频谱中选出发射的若干频点的步骤；将频谱监测系统选出的非连续的频率值进行频率合成并发射的步骤；接收该发射信号的反射回波后，对发射信号和接收信号进行匹配处理的步骤；构造各距离单元的发射机和接收机的交叉响应的步骤；根据目标谱模型构造正则化函数，采用迭代法得到距离旁瓣抑制的步骤。本发明对非连续谱高频雷达的距离旁瓣抑制效果优良，对多普勒不敏感，对噪声抑制效果好，提高了雷达的目标探测性能。
文档编号G01S7/36GK101464513SQ20071017278
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者熊俊志 申请人:中国电子科技集团公司第五十研究所