一种雷达多域捷变波形设计方法及其稀疏恢复处理方法

1.本发明涉及雷达捷变波领域，具体涉及一种雷达多域捷变波形设计方法及其稀疏恢复处理方法。


背景技术：

2.捷变波形是改善雷达抗干扰、提升雷达探测能力的一种有效途径，相比传统雷达固定参数波形，捷变波形通过在工作载频、信号编码、极化方式等维度对波形参数进行非线性调制，可以降低有效雷达信号被截获概率，改善雷达抗干扰能力；同时，由于波形参数捷变后提供的更多观测自由度，也给雷达的高分辨探测奠定了基础。然而，目前围绕雷达捷变波形的研究大多停留在单一域捷变，导致波形自由度低，抗干扰能力和探测性能还有待提高。
3.针对捷变波形的相参处理，传统匹配滤波方法计算复杂度低，计算结果稳定，但由于多域捷变导致回波信号在各维度存在数据随机缺失，匹配滤波方法会产生欠定估计问题，出现旁瓣较高的现象，即估计谱中出现类似噪声的旁瓣随机起伏(伪峰)，当伪峰幅度较大时可能被当成小目标造成虚警、也可能掩盖其它弱小目标。


技术实现要素：

4.针对上述当前捷变联合波形的自由度低，抗干扰能力和探测性能问题，提供改善目标检测性能及抑制旁瓣的一种雷达多域捷变波形设计方法及其稀疏恢复处理方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种雷达多域捷变波形设计方法，构建脉间重频编码、工作载频编码及发射天线顺序编码的多域捷变波形编码模式，根据目标场景探测需求设计所需的波形参数，通过多域捷变波形编码模式得到回波信号。
6.进一步的，其中构建脉间重频编码根据目标场景所需测速范围设计重频抖动参数包括：在经典脉冲雷达波形基础上，使每个脉冲的起始时刻在固定脉冲重复间隔前后随机抖动，设置脉间重频后两个相邻脉冲间的间隔为t
l
，，定义欠采样因子为时域欠采样点数为n＝lγ，重频抖动后波形的最大不模糊速度为最大不模糊速度由ξ决定；要求相邻两脉冲时间上不重合，依据以上准则设计及ξ；
7.其中，t为固定脉冲重复间隔；为第l个脉冲的时间控制码字，且在取值范围内服从独立同一分布；ξ为最小时间抖动间隔；l为脉冲个数；λ为波长；t
l
为两个相邻脉冲间的间隔。
8.进一步的，其中构建脉工作载频编码根据目标场景所需的距离分辨率设计载频捷变参数包括：设置第l个脉冲的工作载频为f
l
，，的最大取值为m，精细距离像分辨率为要求脉冲带宽大于最小调频间隔，依据以上标准来设计与δf；
9.其中，f0为初始载频；为第l个脉冲的频率控制码字，在取值范围内服从独立同一分布；δf是最小跳频间隔；m为载频捷变点数，m由决定；c为光速。
10.进一步的，其中构建发射天线顺序编码根据目标场景的侧角精度设计空域捷变参数包括：基于时分复用mimo等间隔线阵体制，发射天线依照序号发射，两个相邻脉冲之间因发射天线产生的波程差为d
l
，角度分辨率为角度分辨率由h决定；依据以上标准来发射天线及接收天线的数量；
11.其中d
t
为相邻发射天线间距；为空间控制码字，在取值范围内服从独立同一分布；θ为方位角；h为定义虚拟通道的数量，即发射天线及接收天线的数量乘积；其中dr表示相邻接收天线的间距。
12.进一步的，多域捷变波形编码模式联合实现，根据设计的编码模式，设有i个接收阵元，在下混频并忽略高次相位项后，点目标在多域捷变波形编码模式下的第l个脉冲，得到的第i个接收阵元的回波信号可以表示为：
[0013][0014]
其中，α(t)表示基带信号；t表示快时间；r0、v和θ分别表示目标的距离、速度和方位角度；t
l
表示第l个脉冲的起始时间；c为光速；f
l
为第l个脉冲的工作载频；d
l
为两个相邻脉冲间因发射天线产生的波程差；dr为表示相邻接收天线间距。
[0015]
基于一种雷达多域捷变波形设计方法的一种雷达多域捷变波形稀疏恢复处理方法，包括以下步骤：
[0016]
s1、根据所述多域捷变波形编码模式设计选择矩阵，将选择矩阵和傅里叶基矩阵作积得到观测矩阵；
[0017]
s2、根据目标场景的目标数量，选取相应的稀疏度，将所述回波信号及所述观测矩阵输入到子空间追踪算法中进行稀疏恢复，得到目标的距离、速度、角度信息。
[0018]
进一步的，所述步骤s1，采用稀疏恢复的处理方法，利用待观测场景中目标的稀疏先验信息完成对目标参数的准确重构，其抽象公式为
[0019]
y＝bx
[0020]
其中，y为回波信号；x为待估计谱，是一个的列向量；b为观测矩阵；
[0021]
所述观测矩阵b＝φψ，其中，φ为选择矩阵，选择矩阵中的元素从0或1中取值；ψ为傅里叶基矩阵；
[0022]
所述傅里叶基矩阵为：
[0023][0024]
其中，e＝e-j2π/nmh
，多域捷变波形编码的三个维度的傅里叶基矩阵作克罗内克积形成ψ，多域捷变波形编码傅里叶基矩阵的行列数分别为n、m、h；
[0025]
将b＝φψ带入，得到回波信号和待估计谱的关系：
[0026]
y＝φψx＝bx
[0027]
进一步的，所述步骤s3，采用子空间追踪算法进行稀疏恢复处理，步骤为
[0028]
s201、输入k、b、y，其中k为目标稀疏度，即最大值索引数；
[0029]
s202、求γ
(0)
＝{在bhy中绝对值最大的k个元素的索引}；
[0030]
s203、令bt0＝{γ
(0)
所对应的b的k列}；
[0031]
s204、令残差r
(0)
＝y-bt0x0；
[0032]
其中，x0为最小二乘法求解：
[0033]
s205、设置初始值q＝0；
[0034]
s206、开始循环，q＝q 1；
[0035]
s207、γ
(q)
＝{在bhr
(q-1)
中绝对值最大的k个元素的索引}；
[0036]
s208、btq＝{γ
(q)
所对应的b的k列}；
[0037]
s209、用最小二乘法求解：
[0038]
s210、残差r
(q)
＝y-btqxq；
[0039]
s211、当‖r
(q)
‖2》‖r
(q-1)
‖2，结束循环；
[0040]
s212、输出xq，所述xq为所求待估计向量，xq展开为三个二维矩阵，分别是速度-高分辨距离维、速度-角度维、角度-高分辨距离维，即可通过峰值确定目标的距离、速度、角度。
[0041]
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：
[0042]
(1)本发明设计了一种多域捷变波形编码模式，进一步提高了波形的随机性，降低了雷达信号被截获概率，进而改善雷达抗干扰能力、并能提升雷达电磁兼容潜能；同时，通过随机捷变解耦的脉间重频编码-发射天线顺序编码、脉间重频编码-工作载频编码的自由度，还可以有效提升波形的距离分辨、速度分辨、角度分辨及速度解模糊性能。
[0043]
(2)本发明基于脉间重频编码-工作载频编码-发射天线顺序编码的多域参数联合捷变波形高分辨后目标空间分布呈现稀疏特性，利用子空间追踪算法恢复脉间重频编码-工作载频编码-发射天线顺序编码不完备的数据集，解决因捷变波形欠采样而带来的欠定估计问题，避免传统匹配处理方法产生的高旁瓣现象；并能实现对目标参数的高精度估计。
附图说明
[0044]
图1为本发明的总流程示意图；
[0045]
图2为经典脉冲雷达波形示意图；
[0046]
图3为本发明的多域捷变波形的联合编码图；
[0047]
图4为本发明的选择矩阵示意图；
[0048]
图5为传统的速度-高分辨距离维匹配滤波结果示意图；
[0049]
图6为本发明的速度-高分辨距离维稀疏恢复结果示意图；
[0050]
图7为传统的速度-角度维匹配滤波结果示意图；
[0051]
图8为本发明的速度-角度维稀疏恢复结果示意图；
[0052]
图9为传统的角度-高分辨距离维匹配滤波结果示意图；
[0053]
图10为本发明的角度-高分辨距离维稀疏恢复结果示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
本发明设计一种基于mimo雷达的脉间重频编码、工作载频编码、发射天线顺序编码三维联合的随机捷变模式，以提高波形自由度，改善抗干扰能力和探测性能；并基于稀疏恢复思想，采用子空间追踪算法，恢复缺失采样信息，解决传统处理中的欠定估计问题。
[0056]
发明的技术思路是：首先构建多域捷变编码发射模式，并根据目标场景来设计波形参数，以此建立信号模型；基于稀疏恢复的处理思想，构建与回波信号对应的观测矩阵；利用待观测场景中目标的稀疏先验信息，采用子空间追踪算法完成对目标参数的准确重构，达到抑制旁瓣、改善目标检测性能和规避干扰的目的。
[0057]
本发明提供一种雷达多域捷变波形设计方法，构建脉间重频编码、工作载频编码及发射天线顺序编码的多域捷变波形编码模式，根据目标场景探测需求设计所需的波形参数，通过多域捷变波形编码模式得到回波信号。
[0058]
具体的，其中构建脉间重频编码根据目标场景所需测速范围设计重频抖动参数包括：在经典脉冲雷达波形基础上，使每个脉冲的起始时刻在固定脉冲重复间隔前后随机抖动，设置脉间重频后两个相邻脉冲间的间隔为t
l
，定义欠采样因子为时域欠采样点数为n＝lγ，重频抖动后波形的最大不模糊速度为最大不模糊速度由ξ决定；要求相邻两脉冲时间上不重合，依据以上准则设计及ξ；
[0059]
其中，t为固定脉冲重复间隔；为第l个脉冲的时间控制码字，且在取值范围内服从独立同一分布；ξ为最小时间抖动间隔；l为脉冲个数；λ为波长；t
l
为两个相邻脉冲间的间隔。
[0060]
具体的，其中构建脉工作载频编码根据目标场景所需的距离分辨率设计载频捷变参数包括：设置第l个脉冲的工作载频为f
l
，，的最大取值为m，精细距离像分辨率为要求脉冲带宽大于最小调频间隔，依据以上标准来设计与δf；
[0061]
其中，f0为初始载频；为第l个脉冲的频率控制码字，在取值范围内服从独立同一分布；δf是最小跳频间隔；m为载频捷变点数，m由决定；c为光速。
[0062]
具体的，其中构建发射天线顺序编码根据目标场景的侧角精度设计空域捷变参数包括：基于时分复用mimo等间隔线阵体制，发射天线依照序号发射，两个相邻脉冲之间因发射天线产生的波程差为d
l
，角度分辨率为角度分辨率由h决定；依据以上标准来发射天线及接收天线的数量；
[0063]
其中d
t
为相邻发射天线间距；为空间控制码字，在取值范围内服从独立同一分布；θ为方位角；h为定义虚拟通道的数量，即发射天线及接收天线的数量乘积；其中dr表示相邻接收天线的间距。
[0064]
具体的，多域捷变波形编码模式联合实现，根据设计的编码模式，设有i个接收阵元，在下混频并忽略高次相位项后，点目标在多域捷变波形编码模式下的第l个脉冲，得到的第i个接收阵元的回波信号可以表示为：
[0065][0066]
其中，α(t)表示基带信号；t表示快时间；r0、v和θ分别表示目标的距离、速度和方位角度；t
l
表示第l个脉冲的起始时间；c为光速；f
l
为第l个脉冲的工作载频；d
l
为两个相邻脉冲间因发射天线产生的波程差；dr为表示相邻接收天线间距。
[0067]
基于一种雷达多域捷变波形设计方法的一种雷达多域捷变波形稀疏恢复处理方法，包括以下步骤：
[0068]
s1、根据多域捷变波形编码模式设计选择矩阵，将选择矩阵和傅里叶基矩阵作积得到观测矩阵；
[0069]
s2、根据目标场景的目标数量，选取相应的稀疏度，将回波信号及观测矩阵输入到子空间追踪算法中进行稀疏恢复，得到目标的距离、速度、角度信息。
[0070]
具体的，步骤s1，采用稀疏恢复的处理方法，利用待观测场景中目标的稀疏先验信息完成对目标参数的准确重构，其抽象公式为
[0071]
y＝bx
[0072]
其中，y为回波信号；x为待估计谱，是一个的列向量；b为观测矩阵；
[0073]
观测矩阵b＝φψ，其中，φ为选择矩阵，选择矩阵中的元素从0或1中取值；ψ为傅里叶基矩阵；
[0074]
傅里叶基矩阵为：
[0075][0076]
其中，e＝e-j2π/nmh
，多域捷变波形编码的三个维度的傅里叶基矩阵作克罗内克积形成ψ，多域捷变波形编码傅里叶基矩阵的行列数分别为n、m、h；
[0077]
将b＝φψ带入，得到回波信号和待估计谱的关系：
[0078]
y＝φψx＝bx
[0079]
具体的，步骤s3，采用子空间追踪算法进行稀疏恢复处理，步骤为
[0080]
s201、输入k、b、y，其中k为目标稀疏度，即最大值索引数；
[0081]
s202、求γ
(0)
＝{在bhy中绝对值最大的k个元素的索引}；
[0082]
s203、令bt0＝{γ
(0)
所对应的b的k列}；
[0083]
s204、令残差r
(0)
＝y-bt0x0；
[0084]
其中，x0为最小二乘法求解：
[0085]
s205、设置初始值q＝0；
[0086]
s206、开始循环，q＝q 1；
[0087]
s207、γ
(q)
＝{在bhr
(q-1)
中绝对值最大的k个元素的索引}；
[0088]
s208、btq＝{γ
(q)
所对应的b的k列}；
[0089]
s209、用最小二乘法求解：
[0090]
s210、残差r
(q)
＝y-btqxq；
[0091]
s211、当‖r
(q)
‖2》‖r
(q-1)
‖2，结束循环；
[0092]
s212、输出xq，xq为所求待估计向量，xq展开为三个二维矩阵，分别是速度-高分辨距离维、速度-角度维、角度-高分辨距离维，即可通过峰值确定目标的距离、速度、角度。
[0093]
实施例：
[0094]
本实例中采用的雷达回波中包含1个目标，设置该目标速度v＝20m/s、距离r0＝35.27m、角度θ＝10
°
；根据目标参数与上文步骤s1中的设计准则配置波形参数如下(其中每个脉冲时间控制码字、频率控制码字、空间控制码字的选取服从均匀分布)。
[0095]
参数选取：
[0096]
·
脉冲个数l＝64
[0097]
·
载频捷变点数m＝9
[0098]
·
时域欠采样点数n＝3
[0099]
·
载频f0＝10ghz
[0100]
·
带宽b＝150mhz
[0101]
·
固定脉冲重复间隔prt＝240us
[0102]
·
采样率fs＝800khz
[0103]
·
发射阵元数目nt＝3
[0104]
·
接收阵元数目i＝4
[0105]
·
接收天线间距
[0106]
·
相邻发射天线间距d
t
＝4
×dr
＝0.0076m
[0107]
·
最小跳频间隔δf＝150mhz
[0108]
·
最小时间抖动间隔ξ＝80us
[0109]
·
稀疏度k＝1
[0110]
依照一种雷达多域捷变波形的稀疏恢复处理方法中s1-s2步骤进行处理。
[0111]
实验结果：
[0112]
如图5-10所示，分别展示了传统的多域捷并波形滤波结果和本发明的多域捷并波形稀疏恢复结果。通过对比结果可以看出，波形的距离分辨率与测速范围有明显提升，所以本发明设计的多域捷变波形相比传统波形具有更好的探测性能；且采用子空间追踪算法可以解决该波形带来的欠定估计问题，抑制旁瓣，实现对目标参数的多维高精度估计。
[0113]
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。