基于空时联合调制的STAP雷达干扰信号产生方法与流程

基于空时联合调制的stap雷达干扰信号产生方法
技术领域
1.本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达干扰技术领域中的一种基于空时联合调制的对空时自适应处理stap(space
‑
time adaptive processing)的干扰信号产生方法。本发明可用于干扰机对接收机载预警雷达信号进行调制转发，产生干扰机载预警雷达信号。


背景技术：

2.机载预警雷达可以克服地球曲率与地物遮挡的影响，具有“站得高、看得远”的优势，其低空下视抑制地海面杂波实现运动目标检测的核心技术是stap技术。因为stap技术采用的接收数据是来自时域的多个脉冲重复周期和空域的多个阵列天线单元的回波信号，由此来实现时域和空域的二维联合自适应处理，大大提高了机载预警雷达对传统干扰信号的抑制能力，极大提升机载预警雷达工作能力，而传统干扰信号只从时域或空域进行干扰，无法有效干扰stap。全维stap雷达系统自由度等于脉冲数和阵元数的乘积，需要大量的训练样本，而且运算量巨大，且独立同分布训练样本条件难以保障，因此降维空时自适应处理是现在主要研究方向。
3.薛冰心,张友益等人在其发表的论文“基于频移假目标对机载预警雷达stap技术干扰效果的研究”(舰船电子对抗，2012年，35卷第1期)中提出一种空时自适应处理stap的干扰信号产生方法。该方法的实现步骤为，雷达干扰机截获雷达发射信号，再将信号整个脉宽平均分成n段，在每一段内进行附加移频调制产生干扰信号，使得信号环境变得非均匀，从而影响stap技术的处理性能。虽然此方法能形成非均匀环境，使stap系统性能下降，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于该方法只能是对每一个信号进行干扰调制，由此形成的干扰假目标数量较少，且生成的干扰信号呈现一定的规律性，容易被人截获破解。
4.唐孝国、张剑云等人在其发表的论文“对机载相控阵雷达stap技术的旁瓣干扰”(火力与指挥控制，2014年，39卷第2期)中提出了一种基于灵巧噪声的旁瓣的干扰产生方法。该方法的实现步骤为，干扰机截获雷达信号，对信号的时域和频域先后进行调制产生干扰信号，利用所产生的干扰信号经雷达mtd处理后在距离
‑
多普勒域都展宽的特性形成大量假动目标。当假动目标的距离
‑
多普勒信息与待检测通道吻合时将产生响应输出形成欺骗干扰，以扰乱目标的正常检测。该方法存在的不足之处是，需要对信号既要进行时域调制，也要进行频域调制，生成干扰信号的过程比较复杂。
5.李骥阳、毛睿达等人在其发表的论文“对空时自适应技术的卷积调制干扰研究”(雷达科学与技术，2018，第5期)中提出了一种基于收发分时体制卷积调制的stap雷达干扰产生方法。该方法首先对截获到的雷达信号进行间歇采样并进行存储，然后将采样得到的信号与存储的噪声进行卷积调制，最后将得到的干扰信号延时叠加转发。该干扰方法能产生幅度随机起伏且间隔随机分布的假目标群，破坏了训练样本独立同分布的条件，造成stap系统性能下降。但是，该方法仍然存在的不足之处是，要对雷达信号依次进行间歇采样、卷积调制和延时叠加，对产生干扰的硬件系统需求较高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于空时联合调制的对空时自适应处理stap的干扰信号产生方法，用于解决现有技术干扰假目标较少且呈现一定规律性，易被人截获破解；干扰调制过程较为复杂，对产生干扰的硬件系统需求较高的问题。
7.实现本发明目的的思路是，本发明在stap的相干处理脉冲间隔内设计随机的干扰发射时序，再联合干扰机在雷达来波平面空间位置随机布站，干扰发射方向对准雷达方向，按所生成时序转发干扰。这样脉冲间发射时序与干扰来波方向的随机性使干扰的性质和来源具有不确定性，且每次干扰的发射时的时序与布站位置都可能改变，没有规律可言。因此，本发明所生成的干扰调制规律很难被人发现，使干扰被破解的风险大大降低。本发明干扰生成的过程中只需要对接收来的雷达信号进行简单的幅度相位调制后直接进行转发，最少只需要两个乘法器就可实现调制，不需要进行复杂的信号功率计算重新生成干扰与复杂的干扰调制，干扰产生较为简单，对硬件资源占有率较低，对硬件的需求也较低，在实际项目中已验证本方案的可行性。空时联合的调制破坏样本数据独立同分布条件，使之缺乏足够自由度，并破坏了杂波环境的均匀和平稳性，可以有效干扰stap雷达。
8.为达到上述目的，本发明的实现方案包括如下：
9.步骤1，生成时域干扰发射时序：
10.在stap算法的每个相干处理脉冲间隔内，随机生成时域干扰发射时序；
11.步骤2，布置干扰机空间位置：
12.在雷达来波平面空间内，在步骤1生成的随机发射时序基础上，再联合干扰机随机位置布站，干扰的发射方向对准雷达来波方向；
13.步骤3，对干扰机截获的每个雷达信号进行幅度相位调制；
14.步骤4，发送幅度相位调制后的信号：
15.每台干扰机对准雷达方向，按照步骤1中所生成的随机干扰发射时序发射已调制完成的雷达干扰信号。
16.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
17.第一，由于本发明在stap的相干处理脉冲间隔内设计随机的干扰发射时序，再联合干扰机在雷达来波平面空间位置随机布站，克服了现有技术生成的对stap雷达的干扰信号规律性单一易被人截获破解的问题。使得本发明生成的stap雷达干扰信号个数较多，干扰的性质和来源具有不确定性，因此干扰规律很难被人发现，使干扰被破解的风险大大降低。
18.第二，由于本发明的干扰生成过程只需要对接收来的雷达信号进行简单的幅度相位调制，最少只需要两个乘法器就可实现调制，克服了现有技术生成对stap雷达的干扰信号时进行复杂的干扰功率计算并采用复杂的干扰调制技术，占用大量硬件资源，硬件需求较高的问题。使得本发明生成stap雷达的干扰信号较为简单，对硬件的需求也较低，且能对stap雷达进行有效干扰，输出信干噪比降低10db以下，且虚警率也有较大提高。
附图说明
19.图1为本发明实现流程图；
20.图2为本发明正常时序(时序1)与所生成随机时序(时序2)对比图；
21.图3为本发明实测数据通过所生成时序产生的干扰空时自适应处理后结果图。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。
23.步骤1，生成时域干扰发射时序。
24.在stap算法的每个相干处理脉冲间隔内，随机生成时域干扰发射时序；所述的随机生成时域干扰发射时序指的是：发射时序是在干扰机接收复制雷达信号并调制后的发射时延，以τ
k,m
表示，其中0＜k＜k，0＜m＜m
k
，k表示相干处理间隔内的脉冲数，m
k
表示第k个脉冲所转发的干扰数量，随机生成的发射时序需保证每个脉冲间的干扰发射数量与脉冲内的干扰发射时延都随机。正常时序与所生成的随机时序对比图如图2所示，其中x轴表示干扰转发的时延，y轴表示脉冲序号，矩形表示接收到的雷达脉冲信号，三角形表示转发的干扰信号。
25.步骤2，布置干扰机空间位置。
26.在雷达来波平面空间内，在步骤1生成的随机发射时序基础上，再联合干扰机随机位置布站，干扰的发射方向对准雷达来波方向。
27.步骤3，按照下式对干扰机截获的每个雷达信号进行幅度相位调制：
28.j
k
(t)＝js(t
‑
τ0)exp(j2πf
dm
t)
29.其中，j
k
(t)表示干扰机对截获的t时间的第k个雷达脉冲信号进行幅度相位调制后的干扰信号，0<t<t，t表示雷达脉冲信号持续时间，j表示按照接收雷达脉冲信号幅度所确定的幅度调制系数，s(t
‑
τ0)表示t时间的雷达发射的脉冲信号，τ0表示雷达脉冲信号传播到干扰机的延时，exp(
·
)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示复数的虚部单位符号，π表示圆周率，f
dm
表示对干扰脉冲相位调制的假多普勒频率。
30.步骤4，发送幅度相位调制后的信号。
31.每台干扰机对准雷达方向，按照步骤1中所生成的随机干扰发射时序发射已调制完成的雷达干扰信号。
32.发射的信号如下：
33.j
k,m
(t)＝js(t
‑
τ0‑
τ
k,m
)exp(j2πf
dm
t)
34.其中，j
k,m
(t)表示干扰机对截获的第k个雷达脉冲所转发的第m个t时间的干扰信号，τ
k,m
表示步骤1中所生成的转发延时。
35.下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
36.1.仿真实验条件
37.本发明仿真实验的硬件平台为：处理器为intel i7 9700 cpu，主频为3ghz，内存16gb。
38.本发明仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和matlab2019b。
39.本发明仿真实验的数据是根据实测的三台干扰机接收雷达发射的线性调频信号，对所得信号进行幅度相位调制并按照所生成随机时序(时序2)同时转发得到。
40.仿真实验参数如表1所示，仿真中，雷达发射线性调频信号，干扰机捕获后进行调制，并按照所生成时序进行转发，雷达接收信号后对其做下变频处理到基带信号再进行后续处理。
41.表1实验仿真参数
42.参数参数值参数参数值中心频率9.5ghz阵元数8阵元间距0.015m脉冲数32带宽50mhz距离单元800采样频率200mhz干噪比20db脉冲重复频率5khz
ꢀꢀ
43.2.仿真内容及其结果分析：
44.本发明共进行了三个仿真实验：
45.实验1，在上述实验参数下，仿真将不同数量的干扰站分别设置在雷达法线不同角度，干扰站数量与设置角度如表2所示，按照正常时序(时序1)对干扰转发，进行100组重复实验。对雷达接收到的回波信号进行空时自适应处理，计算所得信干噪比、平均检测目标次数以及平均虚警次数，实验仿真数据绘制成表2。
46.实验2，在上述实验参数下，仿真将不同数量的干扰站分别设置在雷达法线不同角度，干扰站数量与设置角度如表3所示，按照所生成随机时序(时序2)对干扰转发，进行100组重复实验。对雷达接收到的回波信号进行空时自适应处理，计算所得信干噪比、平均检测目标次数以及平均虚警次数，实验仿真数据绘制成表3。
47.实验3，为通过实测数据验证。分别在雷达法线角度15
°
、23
°
、
‑
15
°
方向布置三台干扰机，接收雷达发射的线性调频信号后对所得信号进行幅度相位调制，并以所生成随机时序(时序2)同时转发干扰信号，雷达接收信号进行经过空时自适应处理，并进行cfar检测。
48.为了验证本发明在实验1与实验2中，雷达分别对接收到的由正常时序(时序1)和随机时序(时序2)产生的干扰进行空时自适应处理的干扰性能，计算每次接收到干扰后空时自适应处理的输出信干噪比、平均检测目标次数以及平均虚警次数。
49.分别计算输出信干噪比、平均检测目标次数以及平均虚警次数来体现干扰性能，计算公式如下所示，计算结果汇总成表格。
50.输出信干噪比
51.平均检测目标次数
52.平均虚警次数
53.其中，w为每次接收干扰后空时自适应处理后所得权矢量，h为矩阵转置，r
tar
为真实目标协方差矩阵，r
j
为每次接收到干扰的协方差矩阵，r
n
为噪声协方差矩阵，n
dp
表示每次实验检测到真实目标的次数，p为实验次数，n
fap
为每次实验的虚警次数。
54.下面结合表格数据与图3对本发明的效果做进一步的描述：
55.表2全脉冲密集转发干扰(时序1)输出结果表
[0056][0057]
在上述实验参数下，无干扰时，空时自适应处理后系统输出信干噪比为25.9db。由表2可知，以正常时序(时序1)转发全脉冲密集转发干扰，干扰数量以及角度分布对输出信干噪比没有较为明显的影响，平均检测目标次数为1，每次都能检测到目标信号，且平均虚警次数较小，因此无法有效干扰雷达空时自适应处理技术。
[0058]
由表3可知经过空时自适应处理后，干扰使得系统输出信干噪比明显降低，虚警次数增加。当4个干扰站分别在15
°
、20
°
、25
°
、
‑
15
°
和15
°
、
‑
15
°
、25
°
、
‑
25
°
以及15
°
、15.5
°
、25
°
、
‑
25
°
时，系统输出信干噪比分别为1.7db、3.8db和7.8db，相比于无干扰时都能降低15db以上，虚警次数都显著提升，检测性能大大降低。由此说明除了干扰时序对干扰效果有较大影响，而且布站数目、角度和都会影响旁瓣空时联合干扰的干扰效果。
[0059]
表3全脉冲密集转发干扰(时序2)输出结果表
[0060][0061]
实验3的仿真结果如图3所示，其中：图3(a)为本发明空时自适应处理后距离
‑
多普勒图；图3(b)为在(a)图的基础上进行cfar检测的后距离
‑
多普勒图。
[0062]
图3中的x轴表示距离单元，代表目标离雷达距离；y轴表示多普勒频移，代表目标速度；z轴表示幅度。
[0063]
由图3(a)可以看出，通过所生成随机时序调制而成的干扰信号，经过空时自适应处理后，可使处理出的目标功率大大降低，可以证明该干扰调制方法有效，输出信干噪比降低，stap算法得到有效抑制；
[0064]
由图3(b)可以看出，经过cfar检测处理后，除目标信号外还有三个高峰，三个所生成的干扰并没有得到抑制，出现了三次虚警，目标检测性能下降，可见，该干扰调制方法可以有效降低stap算法处理效果。
[0065]
上述实验结果表明，空时联合干扰调制方法可对stap算法性能进行有效抑制。同
时该方法干扰效果较为出色，在选取合适的干扰时序及布站个数与角度时，输出信干噪比能降低到10db以下，虚警率也有所提高，且干扰样式较多，且没有规律性。干扰的生成没有进过复杂的时域频域调制，生成干扰较为简单，对硬件的需求也较低。实测数据的实验结果证明了本发明的正确性和有效性。
[0066]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。