一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法与系统

技术领域

本发明属于雷达发射波形设计技术领域，尤其涉及一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法与系统。

背景技术

电子对抗作为新质新域战斗力的重要组成部分，对于作战行动有着重要的影响。雷达对抗作为电子对抗的重要组成部分，可以有效地削弱或破坏对方雷达系统的作战效能，地位作用显著。组网雷达对抗是雷达对抗领域亟待突破的关键技术。为同时应对组网雷达系统中来自不同方向、不同体制、不同工作频段的多部雷达目标威胁，多目标干扰技术应运而生。所谓多目标干扰，是指使用一部干扰机同时干扰多部雷达。有研究表明，采用多目标干扰方法对敌方组网雷达系统的多个节点进行干扰压制，能够有效限制系统的目标探测能力，提高己方行动的成功概率。因此，多目标干扰技术是雷达对抗领域的重要发展方向。

相比于传统干扰设备，宽带数字阵列干扰机具有侦察灵敏度高、干扰功率大、能够压制多个目标和适应复杂电磁能力强等优点，是实现多目标干扰的重要技术途径。然而，从目前宽带数字阵列多目标干扰的几种典型实现方式来看，这些技术路线还存在一些短板，例如需要进行资源分配和调度，干扰节点数目有限，干扰持续时间短，天线孔径利用率低，干扰样式单一等问题。

目前国外有关多目标多样式的干扰技术暂无公开报道，目前国内专家在该领域形成的技术存在无法同时实现多目标干扰、干扰样式单一、干扰波形起伏较大等问题。文献“基于MIMO阵列的综合射频系统鲁棒波形设计算法研究[J].电子与信息学报.doi:10.11999/JEIT220969.”提出了采用交替方向乘子法(Alternating Direction Method ofMultipliers,ADMM)求解窄带远场环境下综合射频系统鲁棒性波形设计问题。但文献所提的ADMM方法需要对惩罚因子进行精确设置。

现有方法主要针对窄带多功能射频系统，主要方案如下：以Min-Max为框架，以时域上合成信号与期望信号匹配误差为目标函数，设计峰均比约束下窄带鲁棒性发射波形，在实现过程中，利用ADMM方法求解非凸优化问题。现有方法仅能应用于窄带多功能系统，所形成的波形无法覆盖大范围带宽，难以对组网雷达系统产生有效干扰。现有方法需要对惩罚因子进行精确设置，会增加波形设计的时间成本。且现有方法无法从理论上保证算法是收敛的。

发明内容

本发明提出了一种宽带多目标多样式干扰波形优化方案。该方案要解决的技术问题为：将窄带波形设计扩展到宽带波形设计，使得所设计的波形能够覆盖较大的带宽，在不同的方向能够合成不同中心频率、不同样式的干扰信号，能够对组网雷达系统进行有效压制；避免参数选择，提高系统波形设计时间，提升平台反应速度；提高现有算法性能，保证算法的收敛性。

本发明第一方面提出一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。所述方法用于确定多目标多样式干扰装置发射的经优化的干扰波形，所述多目标多样式干扰装置采用多个发射天线，所述多个发射天线均匀阵列；所述方法具体包括：

步骤S1、构建频域上的期望干扰信号，所述期望干扰信号包括宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号和欺骗干扰信号；

步骤S2、基于基带信号构建频域上的合成信号，并进一步基于离散基带信号构建频域上的离散合成信号；

步骤S3、利用所述期望干扰信号和所述频域上的离散合成信号构建优化问题，通过Lawson算法对所述优化问题进行求解，以得到所述经优化的干扰波形。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中：

所述宽带噪声干扰信号为d

所述梳状谱干扰信号为

所述欺骗干扰信号为

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中，构建所述频域上的期望干扰信号d

分别对所述宽带噪声干扰信号、所述梳状谱干扰信号、所述欺骗干扰信号进行离散化，得到经离散化处理的宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号、欺骗干扰信号：

d

其中，l表示第l次采样，l＝0,1,...,L-1，T

分别对d

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，基于所述基带信号构建所述频域上的合成信号具体包括：

所述多目标多样式干扰装置包括N

分别对x

其中，B为基带信号带宽；

进一步定义：

则y

Y

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，基于所述离散基带信号构建所述频域上的离散合成信号具体包括：

将时域基带信号x

定义

进一步对进行表征，得到

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S3中，构建所述优化问题具体包括：

在频域上Y

其中，B

其中，

对所述匹配误差最小化问题施加峰均比约束：

其中，e

其中，在θ

本发明第二方面提出一种宽带多目标多样式干扰波形优化系统。所述系统用于确定多目标多样式干扰装置发射的经优化的干扰波形，所述多目标多样式干扰装置采用多个发射天线，所述多个发射天线均匀阵列；所述系统具体包括：

第一处理单元，被配置为：构建频域上的期望干扰信号，所述期望干扰信号包括宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号和欺骗干扰信号；

第二处理单元，被配置为：基于基带信号构建频域上的合成信号，并进一步基于离散基带信号构建频域上的离散合成信号；

第三处理单元，被配置为：利用所述期望干扰信号和所述频域上的离散合成信号构建优化问题，通过Lawson算法对所述优化问题进行求解，以得到所述经优化的干扰波形。

根据本发明第二方面的系统：

所述宽带噪声干扰信号为d

所述梳状谱干扰信号为

所述欺骗干扰信号为

根据本发明第二方面的系统，所述第一处理单元具体被配置为，构建所述频域上的期望干扰信号d

分别对所述宽带噪声干扰信号、所述梳状谱干扰信号、所述欺骗干扰信号进行离散化，得到经离散化处理的宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号、欺骗干扰信号：

d

其中，l表示第l次采样，l＝0,1,...,L-1，T

分别对d

根据本发明第二方面的系统，所述第二处理单元具体被配置为，基于所述基带信号构建所述频域上的合成信号；具体包括：

所述多目标多样式干扰装置包括N

分别对x

其中，B为基带信号带宽；

进一步定义：

则y

Y

根据本发明第二方面的系统，所述第二处理单元具体被配置为，基于所述离散基带信号构建所述频域上的离散合成信号；具体包括：

将时域基带信号x

定义

进一步对进行表征，得到

根据本发明第二方面的系统，所述第三处理单元具体被配置为，构建所述优化问题；具体包括：

在频域上Y

其中，B

其中，

对所述匹配误差最小化问题施加峰均比约束：

其中，e

其中，在θ

本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面的一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面的一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。

可见，基于阵列信号基本理论，数字阵列发出的电磁波在空间某位置上的合成信号可以视为所有发射波形的线性组合，组合系数由信号的频率、天线阵列流形和干扰方位等因素决定。本发明为充分利用波形分集和空间分集能力，关注基于宽带数字阵列的多目标多样式干扰波形设计。在波形设计时，考虑工程实现时所需的角度先验信息可能存在误差，有效地降低了干扰信号的合成误差，避免了采用ADMM方法求解非凸优化问题，保证了收敛性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的多目标多样式干扰装置的示意图。

图2为根据本发明实施例的宽带多目标多样式干扰波形优化方法的流程图。

图3为根据本发明实施例的波束方向图。

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

PAPR：Peak-to-Average-Power-Ratio，峰值平均功率比，即传输信号(电压或电流)的最大值平方和信号平方的平均值之比。

LFM：Linear Frequency Modulation，线性调频，是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。

DFT：Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换，将信号由时间域转变到频率域，是信号分析的基本方法。

WLS：Weighted Least Squares，加权最小二乘，对原最小二乘问题进行加权，使之成为新的最小二乘问题。

ADMM：Alternating Direction Method of Multipliers，交替方向乘子法，是一种求解约束优化问题的方法。

本发明第一方面提出一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。所述方法用于确定多目标多样式干扰装置(如图1所示)发射的经优化的干扰波形，所述多目标多样式干扰装置采用多个发射天线，所述多个发射天线均匀阵列；所述方法具体包括(如图2所示)：

步骤S1、构建频域上的期望干扰信号，所述期望干扰信号包括宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号和欺骗干扰信号；

步骤S2、基于基带信号构建频域上的合成信号，并进一步基于离散基带信号构建频域上的离散合成信号；

步骤S3、利用所述期望干扰信号和所述频域上的离散合成信号构建优化问题，通过Lawson算法对所述优化问题进行求解，以得到所述经优化的干扰波形。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中：

所述宽带噪声干扰信号为d

所述梳状谱干扰信号为

所述欺骗干扰信号为

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中，构建所述频域上的期望干扰信号d

分别对所述宽带噪声干扰信号、所述梳状谱干扰信号、所述欺骗干扰信号进行离散化，得到经离散化处理的宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号、欺骗干扰信号：

d

其中，l表示第l次采样，l＝0,1,...,L-1，T

分别对d

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，基于所述基带信号构建所述频域上的合成信号具体包括：

所述多目标多样式干扰装置包括N

分别对x

其中，B为基带信号带宽；

进一步定义：

则y

Y

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，基于所述离散基带信号构建所述频域上的离散合成信号具体包括：

将时域基带信号x

定义

进一步对进行表征，得到

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S3中，构建所述优化问题具体包括：

在频域上Y

其中，B

其中，

对所述匹配误差最小化问题施加峰均比约束：

其中，e

其中，在θ

具体示例1

步骤一：构建频域上期望干扰信号d

具体子步骤如下：

1)确定干扰信号的类型及数量(例如，期望合成三种不同类型的干扰信号，K＝3，宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号、欺骗干扰信号)，各干扰信号的持续时间相同，记为τ。

白噪声信号：

即为均值为0方差为σ

d

其中，0

其中，B

梳状谱干扰信号：

该梳状谱干扰信号由J个单载频信号叠加而成，将第j个信号的幅度和频率分别记为a

欺骗干扰信号：

该信号可为线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM)，其中μ为调频斜率，μ＝B

2)将期望信号离散化

d

其中，l表示第l次采样(l＝0,1,···,L-1)，T

3)对期望信号进行L点离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)，第p个频率分量可以表示为

其中，

f

为傅里叶变换向量，p＝-L/2,···,0,···,L/2-1。则频域上期望干扰信号可以表示为

d

步骤二：构建频域上合成信号y

1)构建时域上合成信号y

其中，x

其中，c表示光速，d

2)对时域基带信号x

其中，B为基带信号带宽。

3)对合成信号y

令

则合成信号y

步骤三：构建频域上离散合成信号y

1)将时域基带信号离散化

x

其中，l表示第l个码元(l＝0,1,···,L-1)，T

2)离散基带信号在p个频点上表达式为

其中，x

3)构建合成信号在频域上更紧凑表达式。令

则

其中，

令

/>

则合成信号在频域上的表达式为

4)对Y

其中，

步骤四：构建优化问题。具体子步骤如下：

1)在频域上，第k个合成信号与期望信号之间的匹配误差为

其中，B

2)在某些特殊情况下，需要考虑更低的容错率，因此考虑如下的匹配误差最小化问题：

其中，

3)为使得所设计的波形更有利于工程实现，对设计波形施加峰均比(Peak-to-average-ratio,PAPR)约束，该约束的具体表达式为：

其中，e

4)构建鲁棒性波形设计问题。若先验信息θ

/>

通过求解上述最小化匹配误差问题，以优化基带信号。

步骤五：利用Lawson算法，求解最小化匹配误差问题。这是一个最小最大化问题，可以通过一系列加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)问题。具体子步骤如下：

1)初始化，令q表示迭代次数，q＝0，权重系数β

2)第q+1次迭代中，权重系数的更新表达式如下：

其中，δ为一个极小的值(例如，10

3)求解下列加权最小二乘问题，更新基带信号x

令

这是一个非凸的二次约束二次优化问题，利用上界函数最小化方法进行求解。

4)上界函数最小化方法步骤：

4-1)计算T

4-2)令p＝0，计算T

(x-x

其中，下标p表示上界函数最小化法(内层循环)的第p次迭代。

4-3)计算x

忽略常数项，则x

/>

其中，u

4-4)将前述优化问题改写为

当ρ＝L时，最优解为：

当ρ＝1时，最优解为：

其中，arg(·)表示求复信号的相位。

4-5)若达到收敛或最大迭代次数，将x

||x

其中，υ

5)若达到收敛或最大迭代次数，停止迭代，得到x

其中，υ

6)对x

具体示例2

多目标多样式干扰系统所采用的宽带数字阵列发射天线数为N

在进行基带信号设计时，合成信号与期望信号之间的最大匹配误差不断减小，并趋于收敛。所设计波形合成额波束方向图如图3所示，在角度误差范围内，非期望频谱上产生平均深度小于-35dB的凹槽，在期望频谱上的增益最高。

本发明第二方面提出一种宽带多目标多样式干扰波形优化系统。所述系统用于确定多目标多样式干扰装置发射的经优化的干扰波形，所述多目标多样式干扰装置采用多个发射天线，所述多个发射天线均匀阵列；所述系统具体包括：

第一处理单元，被配置为：构建频域上的期望干扰信号，所述期望干扰信号包括宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号和欺骗干扰信号；

第二处理单元，被配置为：基于基带信号构建频域上的合成信号，并进一步基于离散基带信号构建频域上的离散合成信号；

第三处理单元，被配置为：利用所述期望干扰信号和所述频域上的离散合成信号构建优化问题，通过Lawson算法对所述优化问题进行求解，以得到所述经优化的干扰波形。

根据本发明第二方面的系统：

所述宽带噪声干扰信号为d

所述梳状谱干扰信号为

所述欺骗干扰信号为

根据本发明第二方面的系统，所述第一处理单元具体被配置为，构建所述频域上的期望干扰信号d

分别对所述宽带噪声干扰信号、所述梳状谱干扰信号、所述欺骗干扰信号进行离散化，得到经离散化处理的宽带噪声干扰信号、梳状谱干扰信号、欺骗干扰信号：

d

其中，l表示第l次采样，l＝0,1,...,L-1，T

分别对d

根据本发明第二方面的系统，所述第二处理单元具体被配置为，基于所述基带信号构建所述频域上的合成信号；具体包括：

所述多目标多样式干扰装置包括N

分别对x

其中，B为基带信号带宽；

进一步定义：

则y

Y

根据本发明第二方面的系统，所述第二处理单元具体被配置为，基于所述离散基带信号构建所述频域上的离散合成信号；具体包括：

将时域基带信号x

定义

进一步对进行表征，得到

根据本发明第二方面的系统，所述第三处理单元具体被配置为，构建所述优化问题；具体包括：

在频域上Y

其中，B

其中，

对所述匹配误差最小化问题施加峰均比约束：

其中，e

其中，在θ

本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面的一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图，如图4所示，电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面的一种宽带多目标多样式干扰波形优化方法。

可见，基于阵列信号基本理论，数字阵列发出的电磁波在空间某位置上的合成信号可以视为所有发射波形的线性组合，组合系数由信号的频率、天线阵列流形和干扰方位等因素决定。本发明为充分利用波形分集和空间分集能力，关注基于宽带数字阵列的多目标多样式干扰波形设计。在波形设计时，考虑工程实现时所需的角度先验信息可能存在误差，有效地降低了干扰信号的合成误差，避免了采用ADMM方法求解非凸优化问题，保证了收敛性。

本发明的有益效果包括：本发明弥补了国内多目标干扰技术的不足，充分发挥宽带数字阵列的空间和波形自由度，能够对组网雷达系统实施多目标多样式干扰，可以有效限制敌探测系统性能。本发明设计的波形在角度等先验信息存在误差的情况下，合成波形与期望波形的合成误差很小，提高了系统的稳健性，增强平台在复杂环境中的适应能力，在现代化战争中有着广泛的应用前景。本发明采用Lawson方法代替ADMM方法求解Min-Max问题，有效地避免了参数选择以及收敛性问题，提升了系统的性能。本发明设计的基带波形满足峰均比约束，可以避免昂贵的线性方法器的使用，有利于工程实现。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。