长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法

技术领域

本发明属于雷达抗干扰技术领域，具体涉及一种长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法。

背景技术

雷达干扰是指一切破坏和扰乱雷达及相关设备正常工作的策略和技术措施的统称，按照干扰信号的作用机理可分为压制干扰和欺骗干扰。压制干扰主要是通过发射大功率类噪声信号，抬高雷达接收回波中的噪声基底，本质是减小目标检测时的信噪比，降低目标检测概率，大幅降低雷达的工作性能，甚至使其无法正常工作。因此，为保证雷达在复杂电磁环境下对目标的正确检测和跟踪，提高雷达抗压制干扰能力具有重要的理论价值和实际意义。

认知雷达抗压制干扰的方法主要集中在信号处理和波形设计两方面。信号处理抗干扰主要是利用目标回波与干扰信号在不同维度上的差异性，借助自适应滤波等信号处理手段，达到抗干扰的目的。文献“杜东平,唐斌.基于频域对消的噪声调幅干扰抑制算法.电子与信息学报,2007(03)：557-559”通过对数变换估计出干扰信号的载频和初始相位，用估计的干扰载频解调回波信号，最后通过频域对消即可抑制干扰。波形设计抗干扰主要是通过设计捷变频波形，通过优化波形来提高输出信干噪比，提升雷达在干扰环境中的性能。文献“张杰,陈婉迎,吴悦.认知雷达二维自适应抗干扰捷变波形设计.雷达科学与技术,2019,17(04)：415-420+425.”针对压制性干扰环境下捷变波形设计研究了优化准则和数学模型，求解得到的波形能够有效抑制噪声调幅类的压制干扰。但是，信号处理与波形设计抗干扰方法都有弊端，基于信号处理的抗干扰方法大多需要精确已知干扰类型或干扰参数，而当干扰机能够应对捷变波形的情形时，单一的波形设计方法失去抗干扰的效果。文献“余显祥,路晴辉,杨婧,沙明辉,崔国龙,孔令讲.短基线收发分置频域协同波形设计方法.雷达学报,2022,11(02)：227-239.”考虑了从频域的角度进行了波形设计协同抗干扰的研究，但其提出的方法采用的是短基线的收发分置布站，且该文献提出的频域协同波形设计抗干扰方法只考虑了掩护的角度，当干扰能量较大时，探测信号仍会受到较大的干扰。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法。

本发明采用的技术方案为：一种长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法，具体步骤如下：

步骤S1、制定空频码域协同抗干扰策略；

步骤S2、根据空频码域协同抗干扰策略，建立各发射站点发射信号模型；

步骤S3、基于步骤S2建立的模型，建立优化问题模型；

步骤S4、利用优化算法求解问题，得到各发射站点发射信号；

步骤S5、发射站点1发射优化的窄带探测信号，发射站点2发射优化的宽带掩护信号，发射站点3发射窄带诱骗信号；

步骤S6、在接收站点处利用匹配滤波器进行雷达接收回波信号处理。

进一步地，所述步骤S1中，空频码域协同抗干扰策略具体如下：

控制三个分置的发射站点同时同方向协同发射，一个接收站点接收目标反射的回波信号，发射站点与接收站点属于长基线分置。

其中，发射节点1发射窄带探测信号，发射节点2发射宽带掩护信号，发射节点3发射窄带诱骗信号。

进一步地，所述步骤S2具体如下：

步骤S21、建立窄带探测信号模型；

设发射站点1发射的单脉冲窄带探测信号s

其中，f

其中，

步骤S22、建立宽带掩护信号模型；

设发射站点2发射的单脉冲宽带掩护信号s

其中，f

其中，θ

步骤S23、建立窄带诱骗信号模型；

设发射站点3发射的单脉冲窄带诱骗信号s

其中，f

其中，窄带诱骗信号带宽选取与窄带探测信号带宽、脉宽一致，其码片个数与码片宽度均一致，ψ

进一步地，所述步骤S3具体如下：

步骤S31、建立窄带探测信号优化模型；

窄带探测相位编码基带信号x(t)离散表示为：

x＝[x

其中，

其中，·表示取模操作，max(·)表示取最大值操作，min(·)表示取最小值操作，Ω

其中，x

根据峰值幅度变换原理，优化问题的目标函数表示l

其中，q≥2表示l

步骤S32、建立宽带掩护信号优化模型；

宽带掩护相位编码基带信号r(t)离散表示为：

r＝[r

其中，

其中，

考虑恒模约束，宽带掩护信号优化问题模型表示为：

其中，Ω

进一步地，所述步骤S4具体如下：

步骤S41、利用基于优化最小化的近端乘子算法求解窄带探测信号优化问题；

利用基于优化最小化的近端乘子算法将式(11)分解为易于求解的子优化问题，进行并行迭代计算。利用优化最小化近似原理，将范数问题转化为二次函数优化问题进行求解。

自相关函数用快速傅里叶变换和逆快速傅里叶变换表示为：

其中，c＝[c

其中，近端增广拉格朗日函数表示为：

其中，Lag(·)表示近端增广拉格朗日函数，γ

引入辅助变量，基于优化最小化的近端乘子算法求解流程具体如下：

步骤S411、令i＝1，并初始化x

其中，x

步骤S412、令i＝i+1；

步骤S413、固定c

其中，arg表示满足Lag(x,c

步骤S414、固定x

将

其中，

步骤S415、固定x

关于y的子优化问题化简为：

其中，

其中，

步骤S416、固定x

步骤S417、判断是否停止结算；

停止条件为：

其中，

其中，·

若当前计算值满足条件，则停止计算得到窄带探测信号x，否则返回步骤S412。

步骤S42、利用频谱赋形算法求解宽带掩护信号优化问题；

式(14)为恒模约束下的频谱赋形算法问题模型，只优化脉内频谱形状的情况下，采用频谱赋形算法即可求解。引入以下最小化问题：

其中，α表示标量因子解释序列r与频谱之间任何可能的能量不匹配和/或相位恒定偏移。o＝[o

引入辅助变量，频谱赋形算法求解流程具体如下：

步骤S421、令ii＝1，初始化α

其中，α

步骤S422、令ii＝ii+1；

步骤S423、固定α

令k＝1,2,…,K，视作一次循环：

若μ

步骤S424、固定r

步骤S425、固定σ

令k＝1,2,…,K，视作一次循环：

引入υ＝α

步骤S426、更新μ＝F

步骤S427、判断是否停止计算；

停止条件为：

d

其中，ii

本发明的有益效果：本发明的方法首先根据干扰机对截获信号的识别机制以及干扰生成机理，研究空频码域协同抗干扰策略，根据抗干扰策略，建立窄带探测信号模型、宽带掩护信号模型以及优化问题模型，通过求解优化问题得到优化信号，各站点发射优化设计的信号，最后接受站点利用匹配滤波器进行雷达接收回波信号处理。本发明的方法考虑了掩护与诱骗的双重功能，即便干扰能量较大，通过诱骗信号的欺骗作用，使得干扰机产生参数错误的干扰信号，大幅降低探测信号受到的干扰能量，且信号形式更加复杂，对对抗方干扰机的信号识别造成了更大的困难，提升雷达系统的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明的一种长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法的流程图。

图2为本发明实施例中的空频码域协同抗干扰系统模型图。

图3为本发明实施例中基于优化最小化的近端乘子算法求解流程图。

图4为本发明实施例中频谱赋形算法求解流程图。

图5为本发明实施例中信号发射方式图。

图6为本发明实施例中雷达回波信号处理过程图。

图7为本发明实施例中探测信号自相关函数图和协同信号的频谱图。

图8为本发明实施例中仿真单发单收模式和MIMO模式受压制干扰下的R-D结果图。

图9为本发明实施例中仿真协同模式受压制干扰下的R-D结果和检测结果图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种长基线收发分置多雷达信号空频码协同抗压制干扰方法流程图，具体步骤如下：

步骤S1、制定空频码域协同抗干扰策略；

步骤S2、根据空频码域协同抗干扰策略，建立各发射站点发射信号模型；

步骤S3、基于步骤S2建立的模型，建立优化问题模型；

步骤S4、利用优化算法求解问题，得到各发射站点发射信号；

步骤S5、发射站点1发射优化的窄带探测信号，发射站点2发射优化的宽带掩护信号，发射站点3发射窄带诱骗信号；

步骤S6、在接收站点处利用匹配滤波器进行雷达接收回波信号处理。

如图2所示，空频码域协同抗干扰系统模型，在本实施例中，所述步骤S1中，利用分布式雷达各个分站点的发射信号的频域进行主动协同形成协同发射信号，误导对抗方的干扰引导，使其不能快速识别真实威胁信号，并难以进行有效干扰，从而保护我方雷达系统正常运作，达到主动抗干扰的干扰抑制效果，空频码域协同抗干扰策略具体如下：

控制三个分置的发射站点同时同方向协同发射，一个接收站点接收目标反射的回波信号，发射站点与接收站点属于长基线分置。

其中，发射节点1发射窄带探测信号，发射节点2发射宽带掩护信号，发射节点3发射窄带诱骗信号。宽带掩护信号频谱通过设计给窄带探测信号频谱预留一个契合的凹槽，使得协同发射时，宽带掩护信号能将窄带探测信号掩护在其频谱中。对于窄带诱骗信号的频谱，其能在宽带掩护信号的某个特定频段区域与宽带信号叠加形成幅度较高的窄带诱骗频段，作为欺骗信息来干扰对抗方干扰机的判断。在信道化接收机的判决过程中，窄带探测信号从频域上被宽带掩护信号掩护，结合窄带诱骗信号与宽带掩护信号在频谱上叠加形成凸出的窄带频谱的欺骗效果，信道化接收机的分析出现错误，将发射瞄准频率错误的干扰信号。凭借欺骗与掩护的双重作用，最终实现雷达系统抗干扰性能的提升。

在本实施例中，所述步骤2具体如下：

步骤S21、建立窄带探测信号模型；

设发射站点1发射的单脉冲窄带探测信号s

其中，f

其中，

步骤S22、建立宽带掩护信号模型；

设发射站点2发射的单脉冲宽带掩护信号s

其中，f

其中，θ

步骤S23、建立窄带诱骗信号模型；

设发射站点3发射的单脉冲窄带诱骗信号s

/>

其中，f

其中，窄带诱骗信号带宽选取与窄带探测信号带宽、脉宽一致，其码片个数与码片宽度均一致，ψ

在本实施例中，所述步骤S3具体如下：

步骤S31、建立窄带探测信号优化模型；

考虑窄带探测信号满足良好的自相关特性，窄带探测相位编码基带信号x(t)离散表示为：

x＝[x

其中，

其中，·表示取模操作，max(·)表示取最大值操作，min(·)表示取最小值操作，Ω

其中，x

根据峰值幅度变换原理，优化问题的目标函数表示l

其中，q≥2表示l

步骤S32、建立宽带掩护信号优化模型；

宽带掩护信号需要设计其频谱模板，根据设定的模板进行求解得到宽带掩护信号。宽带掩护相位编码基带信号r(t)离散表示为：

r＝[r

其中，

其中，

考虑恒模约束，宽带掩护信号优化问题模型表示为：

其中，Ω

在本实施例中，所述步骤S4具体如下：

步骤S41、利用基于优化最小化的近端乘子算法求解窄带探测信号优化问题；

利用基于优化最小化的近端乘子算法将式(11)分解为易于求解的子优化问题，进行并行迭代计算。利用优化最小化近似原理，将范数问题转化为二次函数优化问题进行求解。

自相关函数用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)和逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)表示为：

其中，c＝[c

其中，近端增广拉格朗日函数表示为：

其中，Lag(·)表示近端增广拉格朗日函数，γ

如图3所示，引入辅助变量，基于优化最小化的近端乘子算法求解流程具体如下：

步骤S411、令i＝1，并初始化x

其中，x

步骤S412、令i＝i+1；

步骤S413、固定c

其中，arg表示满足Lag(x,c

令

其中，

其中，

因为：

得到：

其中，

其中，

第一个加项与第二个加项的和为：

其中，

令

加入常数，不影响优化结果，得到：

将式(19)改写为：

上式等价为：

其中，

又因为FF

得到x

步骤S414、固定x

此时，拉格朗日函数为：

结合优化最小化原理，将

其中，

其中，

其中，

得到c

步骤S415、固定x

关于y的子优化问题可以化简为：

其中，

得到y

步骤S416、固定x

/>

步骤S417、判断是否停止结算；

停止条件为：

其中，

其中，·

若当前计算值满足条件，则停止计算得到窄带探测信号x，否则返回步骤S412。

步骤S42、利用频谱赋形算法求解宽带掩护信号优化问题；

式(14)为恒模约束下的频谱赋形算法问题模型，只优化脉内频谱形状的情况下，采用频谱赋形算法即可求解。引入以下最小化问题：

其中，α表示标量因子解释序列r与频谱之间任何可能的能量不匹配和/或相位恒定偏移。o＝[o

如图4所示，引入辅助变量，频谱赋形算法求解流程具体如下：

步骤S421、令ii＝1，初始化α

其中，α

步骤S422、令ii＝ii+1；

步骤S423、固定α

令k＝1,2,…,K，视作一次循环：

若μ

步骤S424、固定r

/>

步骤S425、固定σ

令k＝1,2,…,K，视作一次循环：

引入υ＝α

步骤S426、更新μ＝F

步骤S427、判断是否停止计算；

停止条件为：

d

其中，ii

在本实施例中，所述步骤S5中，已知一个相参处理间隔(Coherent ProcessingInterval，CPI)内的脉冲个数为M

在本实施例中，所述步骤S6中，接受站点将接收到的回波信号通过窄带探测信号的匹配滤波器进行滤波处理，然后进行相参积累，输出结果，具体处理流程如图6所示。

本发明还提供了另一实施例，对本发明的方法进行仿真验证及分析：

将常规的单发单收模式和MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)模式与本发明的协同模式在压制干扰下的探测性能进行对比。

设计码片个数为N＝B

三个发射站点的坐标为(0,0,0)km、(2,0,0)km、(4,0,0)km，接收站点坐标为(235,0,0)km，环境中的目标坐标为(177,0,100)km，目标的水平速度为-600m/s，接收端窄带探测信号的信噪比SNR＝-20dB，干扰为随机调制的噪声调频干扰，干噪比JNR＝10dB。

如图7所示，本实施例探测信号自相关函数图和协同信号的频谱图，从图7(a)窄带探测信号的自相关函数结果可以看出，优化的窄带探测信号自相关旁瓣区域归一化电平很低，具有良好的目标检测性能；而从图7(b)协同发射信号的频谱结果可以看出，窄带探测信号的频谱掩护在宽带信号频谱的凹槽内，协同信号在频谱范围B∈[30,100]MHz内相对平坦，具有低截获特性，起到了掩护效果，而左侧的窄带诱骗频谱幅度高于平坦宽带频谱，引起对抗方干扰机的重视，起到欺骗作用，实现了发射节点的宽带掩护信号有效掩护窄带探测信号和欺骗对抗方干扰机的功能。

如图8所示，本实施例仿真单发单收模式和MIMO模式受压制干扰下的R-D结果图，从图8(a)单发单收模式受压制干扰的R-D(Range-Doppler)结果和图8(b)MIMO模式的R-D结果可以看出，当受到压制干扰时，常规的单发单收模式和MIMO模式，雷达无法检测出目标信息，受到严重的干扰；如图9所示，本实施例仿真协同模式受压制干扰下的R-D结果和检测结果图，图9(a)协同模式受压制干扰的R-D结果和图9(b)协同模式的检测结果表明干扰机对协同信号特征的分析受到我方的主动干扰，无法识别处窄带探测信号的频率与带宽，并且被虚假的窄带频谱所欺骗，将产生错误的干扰，这种情况下，回波经信号处理后仍能检测出目标的状态信息，且目标信息经合成：

与仿真结果基本一致，验证了空频码域信号协同抗压制干扰的有效性。

综上，本发明的方法考虑的是长基线的收发分置布站，在长基线的布站情况下，对抗方干扰机瞄准发射波束发射干扰信号，接收站点接收的干扰信号能量是干扰波束的副瓣能量，可以对干扰能量进行第一次削弱。本发明的方法通过研究空频码域协同抗干扰策略，建立优化问题模型，利用发射优化的信号在频域上的协同掩护和诱骗效果来影响干扰机生成干扰的形式降低真实探测信号受到的干扰能量起到抗压制干扰作用，且加入有利于硬件兼容性的恒模约束，研究基于优化最小化的近端乘子算法和频谱赋形算法，解决优化问题，得到各站点发射信号，通过控制各站点发射信号以及分置的接收站点接收信号实现对压制干扰的抑制。