基于子阵方向图的栅瓣干扰抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达干扰抑制技术领域中的一种基于子阵方向图的栅瓣干扰抑制方法。本发明可用于抑制雷达子阵级自适应波束形成对抗的栅瓣干扰。

背景技术

在雷达技术应用中，当雷达处于有源强干扰环境时，由于天线方向图旁瓣覆盖的角度范围较宽，干扰信号易从天线的旁瓣进入接收机，导致期望信号湮没其中，难以进行目标检测和后续的信号处理。自适应数字波束形成技术可以使相控阵雷达根据环境信息自适应的抑制干扰信号并保留期望信号，可以大大提高雷达系统的抗干扰能力。但一般自适应阵列天线的传感器单元较多，若采用全阵元数字化接收，通道数多，自适应算法计算量大，难以产生较快的自适应响应，同时需要相等数量的A/D变换和加权处理，系统的硬件成本也大幅增加。因此，在实际的工程实现中往往采用子阵合成的方案，将若干阵列天线单元合成为一个通道以减少信号处理器的维数，最后进行子阵级的数字波束形成。最简单的子阵划分方法是均匀划分法，但该方法存在明显缺陷，就是各子阵的等效相位中心间距通常超过半波长，子阵间会产生栅瓣，当存在从栅瓣角度进入的干扰时，子阵级自适应波束形成会导致有用信号损失的问题，使系统的抗干扰性能变差。

中国电子科技集团公司第二十七研究所在其申请的专利文献“一种解决栅瓣干扰问题的数字波束形成方法”(申请号201611244720.8，申请日2016.12.29，申请公布号CN106842147 A)中公开了一种在雷达数字波束形成中解决栅瓣干扰的方法。该方法实现的步骤为：第一步，通过单元级移相器结合功分网络将信号处理成子阵级的通道信号；第二步，将子阵级的通道信号经模数转换、数字正交解调成为基带信号；第三步，利用栅瓣干扰的角度信息构造阻塞矩阵，在数字波束形成处理板上的DSP中完成对栅瓣干扰信号的阻塞处理，并利用阻塞后的信号完成权重矢量的计算；第四步，数字波束形成处理板上的FPGA进行加权处理形成最终的接收波束。该方法虽然能够在雷达数字波束形成中抑制栅瓣干扰，但是，该方法仍然存在的不足之处是，在构造阻塞矩阵时需要已知栅瓣干扰信号的角度信息，利用该阻塞矩阵只能阻塞掉已知角度的栅瓣干扰信号，不能抑制其他栅瓣角度的干扰信号。

哈尔滨工程大学在其申请的专利文献“一种稀疏阵列宽带波束形成的栅瓣抑制方法”(申请号201510616319.1，申请日2015.09.24，申请公布号CN 105334508 A)中公布了一种在稀疏阵列宽带波束形成中抑制栅瓣的方法。该方法实现的步骤为：第一步，对稀疏阵列多个阵元接收到的阵列信号做频域宽带波束形成处理；第二步，利用第一步得到的强干扰目标信号的方位θ

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于子阵方向图的栅瓣干扰抑制方法，用于解决抑制栅瓣干扰时需要已知栅瓣干扰的角度信息导致不能抑制其他栅瓣角度干扰的问题，以及雷达子阵级自适应波束形成当存在栅瓣干扰时损失有用信号导致子阵级自适应波束形成的输出信噪比降低的问题。

实现本发明目的的思路是：本发明生成了包括栅瓣角度干扰信号和噪声的平面阵列信号，利用平面阵列信号中子阵内阵元对应的子阵列信号根据最小方差无失真响应MVDR(Minimum Variance Distortionless Response)方法计算每个子阵的权值，利用该权值设计子阵方向图，使子阵方向图在子阵级方向图所对应的栅瓣角度区域产生宽零陷，从而使栅瓣角度区域内的栅瓣干扰均能得到有效抑制，由此解决了抑制栅瓣干扰时需要已知栅瓣干扰的角度信息导致不能抑制其他栅瓣角度干扰的问题。本发明设计子阵方向图后，利用在子阵方向图栅瓣角度产生了宽零陷的子阵接收来波信号，抑制了来波信号中的栅瓣干扰，提高了存在栅瓣干扰时子阵级自适应波束形成的输出信噪比，据此解决了雷达子阵级自适应波束形成当存在栅瓣干扰时损失有用信号导致子阵级自适应波束形成的输出信噪比降低的问题。

实现本发明目的的技术方案包括如下步骤：

步骤1，生成包括栅瓣角度干扰信号和噪声的平面阵列信号；

步骤2，计算平面阵列均匀划分后每个子阵的权值：

步骤2.1，计算每个子阵列信号的自相关矩阵；

步骤2.2，计算每个子阵内阵元接收的期望信号对应不同方位角和俯仰角的导向矢量；

步骤2.3，计算每个子阵的权值；

步骤3，设计每个子阵的方向图：

步骤3.1，按照下式，计算每个子阵在观测角度范围内对于每个方位角和俯仰角的响应幅值：

其中，

步骤3.2，将每个子阵对于每个方位角和俯仰角的响应幅值，在方位角和俯仰角均为[-90°,90°]的观测角度范围内依次连线得到该子阵的方向图；

步骤4，抑制栅瓣干扰：

步骤4.1，建立降维变换矩阵，该矩阵的行数等于平面阵列中阵元的个数，该矩阵的列数等于平面阵列划分的子阵个数；

步骤4.2，按照子阵合成公式，将每个子阵权值中的元素与平面阵列接收的来波信号中对应子阵内阵元接收的来波信号相乘累加得到子阵级接收信号，抑制来波信号中的栅瓣干扰。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明生成了包括栅瓣角度干扰信号和噪声的平面阵列信号，利用平面阵列信号中子阵内阵元对应的子阵列信号根据MVDR方法计算权值，利用该权值设计子阵方向图，使子阵方向图在子阵级方向图所对应的栅瓣角度区域产生宽零陷，从而使栅瓣角度区域内的栅瓣干扰均能得到有效抑制，克服了现有技术中抑制栅瓣干扰时需要已知栅瓣干扰的角度信息导致不能抑制其他栅瓣角度干扰的不足，使得本发明不仅能够在已知栅瓣干扰的角度信息时抑制栅瓣干扰，还能够在栅瓣干扰角度未知的情况下抑制栅瓣干扰，提高了本发明的应用普适性。

第二，本发明通过设计子阵方向图，使子阵方向图在子阵级方向图所对应的栅瓣角度区域产生了宽零陷，利用子阵方向图上产生了宽零陷的子阵接收来波信号，可以抑制来波信号中的栅瓣干扰，抑制栅瓣干扰后再进行子阵级自适应波束形成，克服了现有技术中雷达子阵级自适应波束形成存在栅瓣干扰条件下损失有用信号导致自适应子阵级波束形成的输出信噪比降低的缺陷，使得本发明在抑制栅瓣干扰的同时还保护了有用信号，提高了存在栅瓣干扰时子阵级自适应波束形成的输出信噪比。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明设计的阵列构型示意图和在该阵列构型下建立的三维笛卡尔坐标系示意图，其中，图2(a)是本发明设计的阵列构型示意图，图2(b)是本发明构建的三维笛卡尔坐标系示意图；

图3是本发明仿真实验中设计的子阵方向图的方向维切面图和俯仰维切面图，其中，图3(a)是本发明设计的子阵方向图的方向维切面图，图3(b)是本发明设计的子阵方向图的俯仰维切面图；

图4是本发明仿真实验中现有技术和本发明得到的的子阵级接收信号的功率谱在XOY平面的俯视图，其中，图4(a)是现有技术得到的子阵级接收信号的功率谱在XOY平面的俯视图，图4(b)是本发明得到的子阵级接收信号的功率谱在XOY平面的俯视图；

图5是本发明仿真实验中现有技术和本发明得到的子阵级接收信号进行子阵级自适应波束形成后的平均输出信噪比损失的俯仰维侧视图，其中，图5(a)是现有技术得到的子阵级接收信号进行子阵级自适应波束形成后的平均输出信噪比损失的俯仰维侧视图，图5(b)是本发明得到的子阵级接收信号进行子阵级自适应波束形成后的平均输出信噪比损失的俯仰维侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的实施步骤做进一步的详细描述。

参照图1和实施例，对本发明的具体实现步骤做进一步的描述。

步骤1，生成包括栅瓣角度干扰信号和噪声的平面阵列信号。

本发明的实施例中二维平面阵列的阵元个数为64，阵元排布形式为8×8。

参照图2，对本发明的二维平面阵列的三维笛卡尔坐标系做进一步的描述。

对平面阵列建立三维笛卡尔坐标系，以平面阵列中心作为三维笛卡尔坐标系的原点，z轴方向代表从平面阵列中心指向平面阵列第一行线型阵列的中心，x轴和y轴构成的平面垂直于z轴。x轴、y轴和z轴距离平面阵列中心的距离分别代表阵元在x轴、y轴和z轴方向的距离，平面阵列中每个阵元在三维笛卡尔坐标系中x轴、y轴和z轴上的距离表示阵元的位置信息。三维笛卡尔坐标图中的θ表示信号的方位角，定义为信号在三维笛卡尔坐标系中XOY平面的投影与该坐标系X轴的夹角。三维笛卡尔坐标图中的

本发明生成的平面阵列信号用于计算设计子阵方向图时所用的权值，本发明的实施例中生成的平面阵列信号包含了100个栅瓣干扰信号，这100个栅瓣干扰信号的角度是从子阵级方向图所对应的栅瓣角度区域内选择的。

利用栅瓣角度干扰信号和白噪声生成平面阵列信号如下：

X＝AS+N

其中，X表示平面阵列信号，A表示信号导向矩阵，该矩阵的列代表不同栅瓣角度干扰信号的导向矢量，S表示信号复包络矩阵，该矩阵的行代表不同栅瓣角度干扰信号的复包络矢量，每个矢量均为通过仿真软件MATLAB R2020b生成的标准正态分布的随机矢量，N表示白噪声信号，

步骤2，计算平面阵列均匀划分后每个子阵的权值。

将本发明实施例中的平面阵列以平面阵列中心所在的水平线和垂直线为分割线，均匀划分成四个子阵，每个子阵内的阵元个数为16个。

步骤2.1，按照下式，计算每个子阵列信号的自相关矩阵：

其中，R

步骤2.2，按照下式，得到每个子阵内阵元接收的期望信号对应不同方位角和俯仰角的导向矢量：

其中，

步骤2.3，利用MVDR方法，计算每个子阵的权值：

其中，w

步骤3，设计每个子阵的方向图：

步骤3.1，按照下式，计算每个子阵在观测角度范围内对于每个方位角和俯仰角的响应幅值：

其中，

步骤3.2，将每个子阵对于每个方位角和俯仰角的响应幅值，在方位角和俯仰角均为[-90°,90°]的观测角度范围内依次连线得到该子阵的方向图。

由于每个子阵的权值是利用MVDR方法计算得到的，该方法的原理是保证阵列接收的期望信号能够无损失的输出，同时约束阵列输出信号的总功率最小，从而达到抑制干扰的效果，利用该方法得到的权值设计阵列方向图，可以使方向图在干扰角度产生零陷。本发明实施例中生成的平面阵列信号中包含了100个栅瓣角度干扰信号，利用该平面阵列信号根据MVDR方法得到的权值设计子阵方向图，可以使子阵方向图在子阵级方向图所对应的栅瓣角度处产生宽零陷。

步骤4，抑制栅瓣干扰。

利用在子阵方向图栅瓣角度产生了宽零陷的子阵接收来波信号，抑制来波信号中的栅瓣干扰，其实现过程如下：

步骤3.1，建立降维变换矩阵如下，该矩阵的行数等于平面阵列中阵元的个数，该矩阵的列数等于平面阵列划分的子阵个数，在本发明的实施例中，平面阵列共有64个阵元，平面阵列均匀划分成4个子阵，每个子阵内有16个阵元。该矩阵第1列中前16个元素表示第1个子阵阵元对应的权系数，该矩阵第2列中第17至32的元素表示第2个子阵阵元对应的权系数，该矩阵第3列中第33至48的元素表示第3个子阵阵元对应的权系数，该矩阵第4列中第49至64的元素表示第4个子阵阵元对应的权系数.

其中，T表示降维变换矩阵，w

步骤3.2，按照下式，将每个子阵权值中的权系数与平面阵列接收的来波信号中对应子阵内阵元接收的来波信号相乘累加得到子阵级接收信号，抑制来波信号中的栅瓣干扰：

X

其中，X

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Core(TM)i7-10700 CPU，主频为2.90GHz，内存16GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2020b。

本发明的仿真实验的参数设置为：采用阵元个数为64的二维平面阵列，阵列排布形式为8×8，雷达工作波长λ＝0.015m，阵元间距d＝0.0075m，载波频率f

2.仿真内容及其结果分析：

本发明的仿真实验是采用本发明提出的方法，对平面阵列均匀划分子阵的子阵方向图进行设计，从而抑制栅瓣干扰。本发明的仿真中，将平面阵列均匀划分为4个子阵，对于来自法向的目标信号，其子阵级方向图的栅瓣出现在方位角和俯仰角分别为(30，0)(0，30)(-30，0)(0，-30)(33，33)(33，-33)(-33，33)(-33，-33)的八个角度区域，由于(33，33)(33，-33)(-33，33)(-33，-33)四个角度区域在优化前的子阵方向图上就是零陷，所以设计子阵方向图时，只需在(30，0)(0，30)(-30，0)(0，-30)四个角度区域形成宽零陷，因此生成平面阵列信号时，分别以角度(30，0)(0，30)(-30，0)(0，-30)为中心，在方位维和俯仰维分别为2°的正方形角度区域内每间隔0.5°设置一个干扰，共设置100个栅瓣角度干扰信号，干噪比均设为30dB。由于在仿真实验中生成的信号幅相误差具有随机性，导致子阵级自适应波束形成后计算输出信噪比损失也具有随机性，因此在计算信噪比损失时做100次仿真实验，取仿真结果的均值。通过仿真软件MATLAB R2020b生成步骤3设计的子阵方向图的方向维切面图和俯仰维切面图，其结果如图3所示。在方位角和俯仰角均为[-90°,90°]的观测角度范围内，每一维均匀选择721个角度，计算每一个角度子阵级接收信号的功率值，在方位角和俯仰角均为[-90°,90°]的观测角度范围内对每一个角度子阵级接收信号的功率值依次连线，得到子阵级接收信号的功率谱，通过仿真软件MATLAB R2020b生成步骤4子阵级接收信号的功率谱，其结果如图4(b)所示。利用抑制了栅瓣干扰的子阵级接收信号进行子阵级自适应波束形成，在方位角和俯仰角均为[-40°,40°]的角度范围内，每一维间隔1°选择干扰信号角度，本发明的仿真中对每一个角度的干扰信号进行了100次子阵级自适应波束形成得到了100个输出信噪比结果，取每个干扰信号角度对应的输出信噪比进行平均，得到每个干扰信号角度对应的平均输出信噪比，再减去理想的输出信干噪比，得到输出信干噪比损失值，再通过仿真软件MATLAB R2020b对这些值在方位角和俯仰角均为[-40°,40°]的角度范围内进行连接得到子阵级自适应波束形成对抗不同干扰角度的输出信噪比损失图，其结果如图5(b)所示。

下面结合图3、图4和图5对本发明的效果做进一步的描述。

图3是本发明仿真实验中得到的设计的子阵方向图，其中，图3(a)是方位维切面图，横轴是方向维角度，单位是角度°，纵轴是方向图的幅值，单位是dB。图3(b)是俯仰维切面图，横轴是俯仰维角度，单位是角度°，纵轴是方向图的幅值，单位是dB。

图4是本发明仿真实验中得到的子阵级接收信号的功率谱在XOY平面的俯视图，其中，图4(a)是现有技术得到的子阵级接收信号的功率谱，图4(b)是本发明提出的方法得到的子阵级接收信号的功率谱。图4中的横轴是俯仰维角度，单位是角度°，纵轴是方向维角度，单位是角度°。

图5是本发明仿真实验中得到的子阵级自适应波束形成对抗不同干扰角度的平均输出信噪比损失的俯仰维侧视图，其中，图5(a)是现有技术得到的子阵级自适应波束形成对抗不同干扰角度的平均输出信噪比损失曲线图，图5(b)是本发明提出的方法得到的子阵级自适应波束形成对抗不同干扰角度的平均输出信噪比损失曲线图。图5的横轴是俯仰维角度，单位是角度°，纵轴是输出信噪比损失，单位是dB。

在仿真实验中，采用的现有技术是指：

现有技术是指，中国电子科技集团公司第二十七研究所在其申请的专利文献“一种解决栅瓣干扰问题的数字波束形成方法”(申请号201611244720.8，申请日2016.12.29，申请公布号CN 106842147 A)中提出的合成子阵级接收信号的方法。

由图3的仿真结果可见，该方法在子阵方向图上(30，0)(0，30)(-30，0)(0，-30)四个栅瓣角度区域形成零陷，零陷深度可达-40dB，可以降低从栅瓣角度进入的干扰信号功率。由图4的仿真结果可见，相较于现有技术，经过本发明得到的降维变换矩阵合成子阵后，子阵级接收信号中的栅瓣干扰信号功率降低了15dB左右。由图5的仿真结果可见，相较于现有技术，本发明提出的方法抑制栅瓣干扰后，子阵级自适应波束形成对抗栅瓣角度干扰的平均输出信噪比损失减少了7dB左右，即平均输出信噪比提高了7dB。