一种新型多通道合成孔径雷达空时干扰抑制方法

本发明属于sar干扰抑制，尤其涉及一种基于多通道的sar空时干扰抑制方法。

背景技术：

1、雷达，作为一种重要的军事监测、民用探测设备，随着电子技术的不断发展与普及，雷达从最早的军事专用到气象检测、地形测绘再到如今的车载雷达、智能家居，雷达对人类生产生活的重要性日渐增长。合成孔径雷达（sar）作为一种全天候、全天时、高分辨率的对地观测手段已经取得了飞跃式的进展，在灾害监测、环境监测、海洋观测、资源勘察、灾害预警、农作物估产、森林调查、地形测绘和战场侦察等领域的应用上具有独特的优势，可发挥可见光、红外等其他对地观测手段难以发挥的作用，越来越受到世界各国的重视。

2、合成孔径雷达以设计好的脉冲重复频率发射、接收电磁波，借助平台的运动对一段时间内在不同位置接收的回波数据作成像处理。该技术借助运动平台将一系列天线孔径合成，形成极大的天线孔径，本质上是利用时间资源、空间资源换取高分辨率。阵列信号处理技术的发展，为高分宽幅sar成像系统的实现带来了可能，通过多通道技术能够实现更高的扫描幅宽和更优秀的分辨率。

3、然而当前的sar系统面对的一大挑战是越来越不可忽视的射频干扰，无论是民用设备的无意干扰还是军事设备的有意干扰，都对sar系统产生了影响，因此干扰抑制技术受到了越来越多的关注。传统的sar干扰抑制技术主要可以分为非参数化方法、参数化方法以及半参数化方法，非参数化方法较容易实现且计算复杂度相对较低，但是由于忽略了部分有用信息，因此不能取得最佳性能；参数化方法同时考虑信号的幅度信息和相位信息，计算复杂度较高，性能较优，但是在处理时仍会损失一定的性能；半参数化方法将干扰抑制问题转化为凸优化问题，在抑制干扰的同时保护真实回波，尽管计算复杂度非常高，但是能取得非常好的性能。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对当前高分宽幅sar成像系统容易受到强射频干扰的影响的问题，利用本发明提出的方法解决多通道sar系统的干扰抑制问题。本发明能够自适应地处理sar系统的原始数据，有效地抑制干扰信号。

2、为解决上述问题，本发明的具体技术方案如下：一种新型多通道合成孔径雷达空时干扰抑制方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1：输入带干扰的多通道sar回波信号：

4、步骤2：构造空时干扰抑制凸优化问题模型；

5、步骤3：利用admm框架轮流优化各变量；

6、步骤4：判断是否满足收敛条件或到达最大迭代次数，如果是，进行步骤5，如果否，重复步骤3；

7、步骤5：得到抑制干扰后的sar回波信号用于后续成像。

8、该方法能够自适应地从原始sar信号中抑制干扰信号，从而恢复出真实的sar成像结果，其具体实施步骤如下：

9、步骤1、读取具有俯仰维多通道波束形成能力的sar系统对地面进行扫描成像的回波信号，其中发射信号为线性调频连续波，回波信号中存在强射频干扰。

10、步骤2、根据实际环境与sar系统参数，将二维低秩恢复方法与空域自适应波束形成方法结合，同时引入辅助变量，将干扰抑制问题构造为统一的优化问题，其形式如下所示

11、，

12、其中：表示输入的原始回波信号矩阵，表示没有干扰的真实回波信号矩阵，表示干扰信号矩阵，为引入的辅助变量矩阵，表示一种将向量堆叠为矩阵的操作，为阵列加权矢量，表示波束指向角度的阵列导向矢量，为约束项的权值，、、分别表示计算核范数、范数以及范数的操作，为一任意小的正实数，公式中的上标表示共轭转置操作。该优化问题的优化目标为使正则化后的干扰信号功率最低，使回波信号的误差最小，同时使阵列波束形成的结果方差最低。在满足目标的同时，还需要约束干扰信号分量与回波信号分量之和与原始接收信号的误差尽可能小，并且保证在期望信号方向的波束形成增益为恒定值的情况下使整体方差尽可能小。其中，优化各分量的误差时，分别对每个通道单独进行处理，而优化波束形成问题时，需要通过一定操作，将所有通道的数据堆叠转化为二维阵列信号的矩阵形式，进行处理。相比于现有方法，通过结合空域波束形成约束条件提高了抗干扰性能，构建了一个更有效、更准确的优化问题模型，同时使用矩阵形式的数据有利于高效计算与求解。

13、步骤3具体如下：为了解决步骤2中的优化问题，利用交替方向乘子法（admm）框架轮流更新优化问题中的每一个变量，先将原始问题分解为低秩恢复问题和自适应波束形成问题，再将低秩恢复问题转化为增广拉格朗日函数形式。

14、步骤3、将步骤2中的优化问题分为时域rpca干扰抑制优化问题和空域自适应波束形成两个子问题，并构建出增广拉格朗日函数，引入拉格朗日乘子和惩罚超参数。步骤3中的增广拉格朗日方程为，其中, 为拉格朗日乘子，为设定的惩罚超参数。

15、步骤4、利用admm框架对步骤3中的增广拉格朗日函数进行优化，先利用奇异值阈值方法优化干扰信号矩阵，随后通过拉格朗日乘子法优化引入的辅助变量矩阵，之后利用软阈值方法优化真实回波信号矩阵。在此之后，利用线性约束最小方差（lcmv）方法优化阵列天线的权值矢量，最后优化剩下的拉格朗日乘子项和惩罚参数。重复循环上述变量优化过程直到满足收敛条件或达到最大迭代次数。

16、步骤5、利用步骤4得到的抑制干扰并经过自适应波束形成后的真实回波信号进行sar成像，得到最终的输出结果，其成像过程类似于常规sar系统进行的相参积累聚焦过程。

17、进一步的，步骤4中变量的优化问题求解顺序为，先优化干扰矩阵，再优化辅助变量矩阵，之后优化信号矩阵和阵列通道加权矢量，最后优化增广拉格朗日方程中引入的拉格朗日乘子和惩罚超参数。通过admm框架，每次计算完成一个迭代的解后，将本次迭代的结果代入下一次迭代的计算公式，用于更新变量。其中，奇异值阈值方法通过将非凸优化问题松弛为凸优化问题，可以通过核范数与f范数进行近似，从而使得问题可以求得闭式解。软阈值方法则通过构造这一种单调函数，使多变量的优化问题可微分，便于求解。lcmv方法为传统阵列信号自适应滤波算法，通过将期望方向增益限制为常数的同时降低整体功率抗干扰。

18、进一步的，步骤4中求解变量的优化问题的迭代闭式解为：

19、，使用了奇异值阈值函数辅助求解，其中表示下一次迭代的干扰信号矩阵估计结果，表示当前迭代计算的损失函数，所有参数的上标表示迭代轮次，和为对的svd即奇异值分解分解矩阵，svt表示奇异值阈值函数，其中表示输入变量，表示奇异值阈值函数使用的阈值，公式中的上标表示共轭转置操作。

20、进一步的，步骤4中求解变量的优化问题的迭代闭式解为，使用了软阈值函数辅助求解，其中表示下一次迭代的真实信号矩阵估计结果，表示当前迭代计算的损失函数，所有参数的上标表示迭代轮次，st表示软阈值函数，其中表示输入矩阵，表示软阈值函数使用的阈值。

21、本发明的一种新型多通道合成孔径雷达空时干扰抑制方法，具有以下优点：

22、1、本发明结合了低秩恢复方法与自适应波束形成方法；

23、2、本发明构造了新的空时结合的干扰抑制优化问题模型；

24、3、本发明利用了admm框架对多变量优化问题进行了逐步求解；

25、4、本发明可以自适应地处理输入的sar原始信号，输出抑制干扰后的信号，有效实现了对窄带、宽带射频干扰的抑制；

26、5、本发明在求解优化问题时使用了奇异值阈值函数和软阈值函数辅助，提高了估计的准确性和抗干扰能力，降低了抑制干扰后的均方根误差，提高了抑制干扰后结构相似性；

27、6、本发明相比于目前抗干扰能力较好的方法提高性能的同时，一定程度上降低了计算复杂度，减少了计算时间。