一种基于认知雷达抗多跳杂波干扰波形设计方法与流程

本发明涉及抗多跳杂波干扰波形设计方法。

背景技术：

多普勒处理是高频天波超视距雷达实现目标检测的关键步骤。然而，由于天波雷达传输过程中存在距离多跳现象，雷达威力覆盖范围以外的多跳杂波通过电离层与地球表面的多次反射进入到接收机中形成多普勒扩展杂波。通常目标信号回波能量远小于多跳杂波能量，因此，当目标多普勒频率与多跳杂波所处的多普勒频率相邻近时，强多跳杂波会在多普勒谱上淹没目标信号。因此，为保证天波雷达在多跳杂波干扰下对目标正常检测与跟踪，解决多跳杂波影响具有重要的理论价值和实际意义。

波形设计是对抗多跳杂波干扰的一个有效措施。20世纪末，johnt.clancy提出了一种抗折叠多跳杂波的波形设计方法，其设计了一种脉内线性调频脉间相位编码信号，可以使不同折叠次数回波的多普勒频率在信号处理之后产生不同的频移，通过参数设计使多普勒多跳杂波搬移到无目标的多普勒区间，从而实现其余区间对目标的正常检测。见[mitigationofrangefoldedclutterbyanonrecurrentwaveform.clancyjt,bascomhf,hartnettmp.proc1999ieeeradarconference.1999]。该方法实现了多跳杂波与一定范围内目标的分离，但同时牺牲了部分多普勒检测区间，区间大小取决于多跳杂波扩展宽度，这将影响目标的正常检测。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有方法实现了多跳杂波与一定范围内目标分离的同时牺牲了部分多普勒检测区间，由于区间大小取决于多跳杂波扩展宽度，从而影响目标的正常检测的缺点，而提出一种基于认知雷达抗多跳杂波干扰波形设计方法。

一种基于认知雷达抗多跳杂波干扰波形设计方法具体过程为：

步骤一：雷达向外发射线性调频连续波信号，接收机接收到回波信号，雷达对回波信号进行距离多普勒二维处理，得到回波信号中多跳杂波在多普勒谱上的宽度l以及多跳杂波在多普勒谱上所处位置floction；

步骤二：在步骤一的线性调频连续波基础上进行相位调制，得到脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)；根据步骤一中得到的多跳杂波的宽度求得三次相位编码系数，实现多跳杂波的压缩；

步骤三：对步骤二得到的脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)进行二次相位编码，使多跳杂波在多普勒谱上具有可控的搬移。

本发明的有益效果为：

本发明设计一种脉内调频脉间调相信号对多跳杂波在多普勒谱进行压缩。该方法首先通过认知雷达获取多跳杂波相关参数的先验知识。根据得到的参数设计脉间调相因子，将多跳杂波在多普勒谱上进行压缩，从而使多普勒谱上受多跳杂波污染区域大大减小。与此同时，本发明还保留了背景技术中对多跳杂波进行搬移的功能，因此可以控制多跳杂波在多普勒谱所处区域，极大提高了雷达对目标的检测性能。通过本发明的波形设计方法，可以同时满足多跳杂波压缩和在多普勒谱上进行可控搬移，实现雷达对目标的正确检测。解决现有方法实现了多跳杂波与一定范围内目标分离的同时牺牲了部分多普勒检测区间，由于区间大小取决于多跳杂波扩展宽度，从而影响目标的正常检测的缺点。

根据图3b可得出在175hz到339hz之间都不能检测出目标，多跳杂波将目标覆盖，采用本发明的图3a将多跳杂波移走并压缩到-390hz到-406hz，污染区域减小了，实现雷达对目标的正确检测。

根据图4b可得出将多跳杂波移走，但频率宽度在-423hz到-259hz之间都不能检测出目标，污染区域大，采用本发明的图4a将多跳杂波多跳杂波移走的同时多跳杂波宽度压缩到-390hz到-406hz，污染区域减小了，实现雷达对目标的正确检测。

附图说明

图1为本发明所设计信号示意图，ψ1为三次相位编码系数c1在第一个调频周期t类内赋予的初相，ψ2为三次相位编码系数c1在第二个调频周期t类内赋予的初相，ψn为三次相位编码系数c1在第n个调频周期t类内赋予的初相，ψn+1为三次相位编码系数c1在第n+1个调频周期t类内赋予的初相，φ1为二次相位编码系数c2在第一个调频周期t类内赋予的初相，φ2为二次相位编码系数c2在第二个调频周期t类内赋予的初相，φn为二次相位编码系数c2在第n个调频周期t类内赋予的初相，φn+1为二次相位编码系数c2在第n+1个调频周期t类内赋予的初相，f为频率；

图2为本发明所设计信号发射波与回波示意图，ψn+m-1为三次相位编码系数c1在第n+m-1个调频周期t类内赋予的初相，φn+m-1为二次相位编码系数c2在第n+m-1个调频周期t类内赋予的初相，ψn+m为三次相位编码系数c1在第n+m个调频周期t类内赋予的初相，φn+m为二次相位编码系数c2在第n+m个调频周期t类内赋予的初相，ψn+m+1为三次相位编码系数c1在第n+m+1个调频周期t类内赋予的初相，φn+m+1为二次相位编码系数c2在第n+m+1个调频周期t类内赋予的初相，ψn-1为三次相位编码系数c1在第n-1个调频周期t类内赋予的初相，φn-1为二次相位编码系数c2在第n-1个调频周期t类内赋予的初相；n、m取值为正整数；

图3a为本发明所设计信号回波多普勒频谱仿真图，frequency为频率，amplitude为幅度；

图3b为线性调频连续波回波多普勒频谱仿真图；

图4a为本发明所设计信号回波多普勒频谱仿真图；

图4b为脉内线性调频脉间二次相位编码信号回波多普勒频谱仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的一种基于认知雷达抗多跳杂波干扰波形设计方法具体过程为：

步骤一：雷达向外发射线性调频连续波信号，接收机接收到回波信号，雷达对回波信号进行距离多普勒二维处理，得到回波信号中多跳杂波在多普勒谱上的宽度l以及多跳杂波在多普勒谱上所处位置floction；

步骤二：在步骤一的线性调频连续波基础上进行相位调制，得到脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)；根据步骤一中得到的多跳杂波的宽度求得三次相位编码系数，实现多跳杂波的压缩；

步骤三：对步骤二得到的脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)进行二次相位编码，使多跳杂波在多普勒谱上具有可控的搬移。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中雷达向外发射线性调频连续波信号，接收机接收到回波信号，雷达对回波信号进行距离多普勒二维处理，得到回波信号中多跳杂波的宽度l以及多跳杂波所处位置floction；具体过程为：

雷达向外发射线性调频连续波信号，接收机对回波进行距离多普勒二维处理，获得目标距离速度信息；多跳杂波通过电离层多次反射进入接收机，由于多跳杂波在脉间是非线性变化，所以进行脉间多普勒处理时多跳杂波在多普勒谱上会产生搬移与展宽。

记电离层慢相径相位调制函数为m(t)，电离层慢相径相位调制函数采用正弦模型，即对其进行泰勒展开得到无限项幂级数的和，其中常数项对结果无影响，一次项会导致多跳杂波在多普勒谱上搬移，二次项及高次项会导致多跳杂波扩展，但扩展程度主要由二次项决定，所以三次项及更高次项可忽略，不进行考虑。

雷达向外发射线性调频连续波信号，信号波形为：

式中：ut(t)为线性调频连续波信号波形，n为ut(t)相干积累周期内调频脉冲序号，1≤n≤n；n为ut(t)相干积累周期数，取值为正整数；k为ut(t)调频斜率；t为ut(t)调频周期；f0为ut(t)载频；t为时间，e^jπ取值为-1；

设ur(t)为接收机收到的雷达向外发射线性调频连续波信号照射到目标后的回波信号，则

式中：τ为回波延时，m(t)为电离层慢相径相位调制函数，m(t)为周期的慢变化调制，m(t)采用正弦模型，表示为其中α为m(t)的频率系数，β为m(t)的幅度系数，为m(t)的初相，m(t)经过泰勒展开得：

di为第i次项的系数，i取值为正整数，第i次项为(2παnτ)ⁱ；

由于2παντ＜1，三次项及三次项以上相对较小，此处不加考虑。因此主要考虑i取值范围为0～2的情况，i＝0时2παnτ为常数项，不考虑；

i＝1时(2παnτ)¹为一次项，导致多跳杂波在多普勒谱上搬移，即fshift1为一次项产生的搬移量；α为m(t)的频率系数；d1为第1次项的系数；

i＝2时(2παnτ)²为二次项，导致多跳杂波展宽；得出多跳杂波展宽宽度由电离层慢相径相位调制函数m(t)的二次项决定，即多跳杂波展宽宽度l＝d24πα²nt，多跳杂波展宽宽度l由雷达发射的线性调频连续波信号ut(t)及其回波ur(t)测得，多跳杂波展宽宽度测出后得到系数d2为第2次项的系数；

多跳杂波所处位置floction由雷达发射的线性调频连续波信号ut(t)及其回波ur(t)测得。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中在步骤一的线性调频连续波基础上进行相位调制，得到脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)；根据步骤一中得到的多跳杂波的宽度求得三次相位编码系数，实现多跳杂波的压缩；具体过程为：

已经知道多跳杂波展宽主要是由电离层慢相径相位调制函数泰勒展开后的二次项产生；为了将二次项补偿掉，在原有的线性调频连续波基础上进行脉间三次相位编码，经脉压处理后，脉间会产生线性变化量和二次非线性变化量，线性项会导致多跳杂波在多普勒谱上进行搬移，此处暂时不考虑其影响，二次项则可对电离层慢相径相位调制函数泰勒展开后的二次项进行补偿；则通过步骤一中测得的多跳杂波宽度可得到三次相位编码系数，从而使设计的波形实现多跳杂波压缩的功能；

将二次项(2παnτ)²补偿掉：

在原有的线性调频连续波ut(t)基础上进行相位调制，其波形如下所示：

式中，ut(t)为脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形；c1为三次相位编码系数；

设已知回波距离折叠次数为m，经过距离处理后，由三次相位编码系数c1产生的相位偏差如下式所示：

式中，ψn+m为三次相位编码系数c1在第n+m个调频周期t类内赋予的初相，ψn为三次相位编码系数c1在第n个调频周期t类内赋予的初相；

当m为已知常数时，式(5)第三项c1m³为常数项，对距离多普勒处理结果无影响；第二项3c1m²n为一次项，三次相位编码系数产生的搬移，搬移量为fshift2＝3c1m²/2t；

第一项3c1mn²为二次项，为了用它来补偿慢相径相位调制函数泰勒展开后的二次项，根据步骤一中得到的系数d2，求得c1＝lt/3mn，则雷达发射脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)实现多跳杂波的压缩。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中对步骤二得到的脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)进行二次相位编码，使多跳杂波在多普勒谱上具有可控的搬移；具体过程为：

由于电离层慢相径相位调制函数泰勒展开后产生的一次项导致多跳杂波在多普勒谱上有一个搬移量fshift1，同时，在步骤2中,为了补偿慢相径相位调制函数泰勒展开后的二次项，脉间进行三次相位编码，经处理后，在多普勒谱上会产生一个搬移量fshift2。为了能够控制多跳杂波在多普勒谱上所处位置，在脉间三次相位编码基础上，在脉间再进行二次相位编码，处理后可使多跳杂波在多普勒谱上具有一个可控的搬移。这样则可同时实现多跳杂波的压缩与可控搬移。

步骤二中c1值已确定，当m为已知常数时，则步骤二得到三次相位编码系数产生的搬移量fshift2＝3c1m²/2t也为常数；m为回波距离折叠次数；

根据步骤一得到多跳杂波在多普勒谱上的位置floction和步骤二得到三次相位编码系数产生的搬移量fshift2＝3c1m²/2t，多跳杂波在多普勒谱上最终位置表示为floction′＝lm/2n+floction；为了能够控制多跳杂波在多普勒谱上所处位置，对步骤二得到的脉间三次相位调制后的线性调频连续波信号波形ut(t)进行二次相位编码，其波形如下所示：

式中，ut(t)′为对步骤二得到的三次相位编码后的信号ut(t)脉间进行二次相位编码后的波形；c2为二次相位编码系数；

设已知回波距离折叠次数m，经过距离处理后，由二次相位编码系数c2产生的相位偏差如下式所示：

式中，φn+m为二次相位编码系数c2在第n+m个调频周期t类内赋予的初相，φn为二次相位编码系数c2在第n个调频周期t类内赋予的初相；

当m为已知常数时，式(7)第二项c2m²为常数项，对距离多普勒处理结果无影响；第一项2c2mn为一次项，在多普勒谱上产生搬移量fshift-change＝c2m/t，搬移量fshift-change的大小通过二次相位编码系数c2进行调整，最终使多跳杂波在多普勒谱上搬移到无目标位置fend；

fend＝flocation′+fshift-change(8)

根据式(8)求出fshift-change，进而求得c2，使多跳杂波在多普勒谱上具有可控的搬移。

通过本发明的具体实施可以看出，在多跳杂波干扰场景中，通过本发明的波形设计方法，可以同时满足多跳杂波压缩与在多普勒谱上进行可控搬移，实现雷达对目标的正确检测。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种基于认知雷达抗多跳杂波干扰波形设计方法具体是按照以下步骤制备的：

通过设置合适的波形参数及电离层慢相径相位调制函数m(t)，在仿真工具matlab上进行仿真验证。

波形参数设计：

如图3a、3b所示，线性调频连续波回波在多普勒频谱上多跳杂波淹没目标信号，造成目标不能被有效检测到，本发明所设计信号在多普勒频谱上多跳杂波被压缩且被搬移到不关心的多普勒区间。

如图4a、4b所示，脉内线性调频脉间二次相位编码信号在多普勒频谱上多跳杂波被搬移开，低速目标能被有效检测到，但高速目标检测受到影响，本发明所设计信号在多普勒频谱上多跳杂波被压缩且被搬移开，利于雷达对目标的检测。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。