一种基于自调节滤波的雷达信息提取方法

1.当雷达收到干扰时，会使得有用的关键信息收到影响，降低工作性能。而雷达的干扰来源是各种无线电设备，尤其是各种高频、无序的干扰成为雷达在正常工作中不可避免的因素。雷达抗干扰技术的研究对于消除或者减弱外来干扰的影响，提高雷达在复杂环境下的工作能力，具有深远而迫切的意义。


背景技术：

2.雷达是采用无线电的方法发现目标并测定他们的空间位置的电子设备。随着物理学、电子学、信息处理等相关领域学科的不断进步，雷达的探测手段已经包含了红外光、紫外光和激光等其他光学成分，在现代战争中发挥着至关重要的作用。
3.然而，伴随着雷达技术的不断发展，各种干扰手段也如雨后春笋般涌现出来，对雷达的运用产生了巨大的影响。主要包括：
4.1)电磁频谱压制干扰：步入信息社会后，为了提高性能，各种电子设备都在不断的增大带宽。电磁空间中会同时出现各种不同频段的信息，甚至出现交叠的现象。频谱的交叠就意味着压制性的干扰，雷达自然无法正常工作。
5.2)电磁欺骗干扰：当干扰设备截获到雷达信号后，进行一系列的处理并转发回去；使雷达接收到大量的无用信息和错误信息，影响其对真实目标方位的正确判断。雷达如同被蒙上了双眼，立刻失去了作战价值。
6.当前的抗干扰技术主要存在对硬件要求高，成本高，抗干扰性能差等问题，无法在实际环境中大规模运用。


技术实现要素：

7.本发明基于雷达干扰的典型形式，研究在接收端进行自调节信息提取来实现对各种频谱干扰，电磁欺骗干扰的有效滤除。
8.本发明采用如下技术方案：一种基于自调节滤波的雷达信息提取方法，通过雷达接收包含真实目标信号和干扰信号的雷达信息，对雷达信息进行处理，得到真实目标信号和干扰信号的估计值，以预测目标和干扰源的距离，包括以下步骤：
9.通过雷达接收雷达信息，并对雷达信息进行建模；
10.对建模后的雷达信息进行离散化；
11.通过最小化均方误差方法，对离散化后的真实目标信号和干扰信号进行距离估计；
12.根据距离估计通过迭代得到雷达信息中真实目标距离估计值和干扰信号的距离估计值。
13.所述对雷达信息进行建模，包括以下步骤：
14.将一个脉冲重复周期定义为tr，发射信号持续时间为t，则m个脉冲间隔周期内第m个脉冲信号表示为sm(t)(1≤m≤m,0≤t≤t)；
15.令第m(1≤m≤m)个脉冲到来时，接收信号的表达式为：s
t
(t)＝sm(t)；
16.干扰脉冲滞后于正常脉冲i(0≤i≤m)个周期，干扰脉冲的形式sj(t)为前i个周期雷达发射信号的转换，记为符号则
17.a为这段时间内真实目标的脉冲数，b为干扰脉冲的个数；
[0018][0019]
表示第q个真实目标的回波信号，其中为第q个真实目标的幅值，为第q个真实目标回波的双程时延，
[0020][0021]
表示第p次复制产生的干扰回波脉冲；其中为第p个干扰脉冲的幅值，为第p次处理产生的干扰脉冲的延时，
[0022]
雷达在某个脉冲周期内接收到的信号表示为：
[0023][0024]
其中，真实目标信号干扰信号p＝1,...,p以及噪声信号v(t)，q、p分别表示真实目标信号个数和干扰信号个数。
[0025]
所述变换为平均、加权中的一种。
[0026]
所述对建模后的雷达信息进行离散化，包括以下步骤：
[0027]
把发射信号s
t
(t)和干扰信号sj(t)进行采样，n表示采样个数，离散形式为：
[0028]st
＝[s
t
[1]s
t
[2]...s
t
[n]]
t
[0029]
sj＝[sj[1]sj[2]...sj[n]]
t
[0030]
将真实目标距离记为x
t
,干扰脉冲的距离记为xj；x
t
或xj中距离元素的总和为l，以第l个距离元素为中心，长度为(2n-1)的距离采样的连续点表示为
[0031]
x
t
[l]＝[x
t
[l-(n-1)],x
t
[l-(n-2)],...x
t
[l],...,x
t
[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)
[0032]
xj[l]＝[xj[l-(n-1)],xj[l-(n-2)],...,xj[l],...,xj[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)
[0033]
第l个距离元素的接收信号向量的n个连续采样记为
[0034]
y[l]＝[y[l],y[l 1],...,y[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)
[0035]
则接收信号的离散采样y[l]表示为真实目标距离元素和干扰脉冲距离元素的线性变换之和，即
[0036]
y[l]＝g
t
x
t
[l] gjxj[l] b[l],n≤l≤l-(n-1)
[0037][0038][0039]
二者均为n
×
(2n-1)的矩阵，分别由真实目标和干扰脉冲信号对应的发射波形进行采样构成，b[l]是高斯白噪声。
[0040]
所述通过最小化均方误差方法，对离散化后的真实目标信号和干扰信号进行距离估计，包括以下步骤：
[0041]
根据最小化均方误差方法，对真实目标的每个距离元素求滤波系数w
t
[l]，则估计结果为w
t
[l]hy[l]；右上标h表示该矩阵的转置共轭；
[0042]
其中，h[l]＝e[y[l]{y[l]h}]；h[l]表示每个采样点处的能量，e表示估计结果的总能量，s
t
表示发射信号的离散采样结果；
[0043]
第l,l＝n,...,l-(n-1)个距离元素的距离估计值为x
t
[l]＝{w
t
[l]}hy[l]；
[0044]
根据最小化均方误差方法，对干扰信号的每个距离元素求滤波系数w
t
[l]，则估计结果为w
t
[l]hy[l]；
[0045]
其中，h[l]＝e[y[l]{y[l]h}]；sj表示干扰信号的离散采样结果；
[0046]
第l,l＝n,...,l-(n-1)个距离元素的距离估计值为xj[l]＝{wj[l]}hy[l]。
[0047]
所述根据距离估计通过迭代得到雷达信息中真实目标距离估计值和干扰信号的距离估计值，包括以下步骤：
[0048]
1)对接收信号进行匹配滤波的方法进行预先估计：
[0049]
即对接收信号先用s
t
作为系数，求得初值真实目标的距离元素估计值对接收信号用sj作为系数，求得干扰脉冲的距离元素估计值
[0050]
2)对第u＝1,...,u次迭代，u表示迭代总次数：
[0051]
已知信息为第(u-1)次迭代中的距离元素估计和对第
[0052]
l(n≤l≤l-(n-1))个距离元素，由前一次的迭代构成如下矩阵：
[0053][0054][0055]
进而求得
[0056]
因此第u次迭代求得真实目标的结果为
[0057]
各个距离元素的真实目标距离估计值以估计真实目标距离；
[0058]
各个干扰脉冲的距离估计值以估计干扰目标距离。
[0059]
主要内容如下：
[0060]
1、当雷达的工作带宽中有某些频段含有强干扰或被其他电磁设备占用时，为了避免互相干扰，设计雷达的发射波形使其在这些频段的能量尽量低。即将干扰频段内设计为发射波形的阻带，而其他频段为通带。将发射波形在阻带内的加权能量作为目标函数，并求其极小值；
[0061]
2、基于真实目标和干扰回波波形不同的情况，建立接收信号与真实目标和干扰目标的线性回归方程；并对方程中的系数进行在线实时自调整，从根本上解决频谱中能量干扰、阻带宽度和场景中目标分布等因素对本算法的影响；
[0062]
3、实际情况中，由于干扰欺骗信号至少滞后真实回波信号一个脉冲间隔，这可以作为区分二者不同的另一个切入点。运用频谱匹配分离技术，基于信噪比最优原则，运用迭代手段估算真实目标位置信息，有效抑制和区分真实信号和欺骗信号；
[0063]
4、针对两种典型的电磁欺骗干扰首先分析其原理，建立存在欺骗干扰情况下的数学模型，提出基于自调节信息提取的技术手段，并分析在实际情况下适用的条件。保证在各种频谱条件和功率条件下都具有良好的工作性能；
[0064]
5、根据接收到的混频信息，运用最小均方误差准则，实时调整控制系数和变量，优化参数自由度高，约束条件少，可维护性好。此外，该发明对硬件系统性能没有特殊要求，仅在软件端做相应更改即可实现。因此非常适合在各种复杂情况下的大规模应用。
[0065]
本发明的有益效果是：
[0066]
与传统的抗干扰方式相比，本技术具有如下优点：
[0067]
1、本发明从各种干扰的机理出发，深入考虑到发射波形设计、信号功率变换等方面对本发明的影响；大幅度提高了算法的普适性和实用性。为将其从理论层面推广到应用
层面奠定了坚实的数学基础和物理基础；
[0068]
2、根据频谱信号的线性回归方程，建立了从发射信号到接收信号的严格数学传递关系；解决了之前相关领域内处理方式的不兼容性，大大减小算法的复杂性和多变性；为该领域抗干扰技术的发展提供了一个全新的视角和方向；
[0069]
3、基于控制系统参数自调整和迭代方法，无需明确频谱中干扰信号的数学模型，结合模糊理论阈值计算，即可实现对接收信号中噪声频谱的有效滤除，提高了系统的优化自由度，减少了约束条件；保证了雷达在多种复杂干扰环境下的正常工作能力；
[0070]
4、以经典阈值理论为基础，结合自调节分离算法，软件实现简单，程序结构清晰，易于后期调试和维护；同时降低了对硬件系统的要求，资源占用率小，保证了低成本的优势，对于大规模的应用和推广起到了积极的促进作用。
[0071]
5、经过理论分析和实际验证，证明了本文所述发明的可实现性。性能稳定，易于收敛，调试方便，尤其在后期系统维护和更新升级方面具有重大优势；对于雷达信号领域抗干扰技术的发展和进步有明显的推动效应，为相关学科的研究提供了一个可以参考和借鉴的优良平台。
附图说明
[0072]
图1为本发明的方法实现流程图。
具体实施方式
[0073]
下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0074]
全流程如图1所示。
[0075]
1、将一个脉冲重复周期定义为tr，发射信号持续时间为t，则m个脉冲间隔周期内第m个脉冲信号表示为sm(t)(1≤m≤m,0≤t≤t)；
[0076]
令第m(1≤m≤m)个脉冲到来时，接收信号的表达式为：s
t
(t)＝sm(t)；
[0077]
假设干扰脉冲滞后于正常脉冲i(0≤i≤m)个周期，那么干扰脉冲的形式sj(t)为前i个周期雷达发射信号的转换，记为符号则
[0078]
这里提到的是一种广义的变换手段，可能是平均，加权等。令a为这段时间内真实目标的脉冲数，b为干扰脉冲的个数；根据通信原理：
[0079][0080]
上式表示第q个真实目标的回波信号。其中为第q个真实目标的幅值，为第q个真实目标的幅值，第q个真实目标回波的双程时延。
[0081][0082]
上式表示第p次复制产生的干扰回波脉冲。其中为第p个干扰脉冲的幅值，
第p次处理产生的干扰脉冲的延时。
[0083]
2、设雷达在某个脉冲周期内接收到的信号包括三部分：真实目标信号干扰信号以及噪声信号v(t)，表示为：其中v(t)为高斯白噪声。
[0084]
3、为了便于后续信号处理，把发射信号s
t
(t)和干扰信号sj(t)进行采样，他们采样后的离散形式为：
[0085]st
＝[s
t
[1]s
t
[2]...s
t
[n]]
t
[0086]
sj＝[sj[1]sj[2]...sj[n]]
t
[0087]
将真实目标距离记为x
t
,干扰脉冲的距离记为xj。假设距离元素的总和为l，以第l个距离元素为中心，长度为(2n-1)的距离采样的连续点表示为
[0088]
x
t
[l]＝[x
t
[l-(n-1)],x
t
[l-(n-2)],...x
t
[l],...,x
t
[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)和
[0089]
xj[l]＝[xj[l-(n-1)],xj[l-(n-2)],...,xj[l],...,xj[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)
[0090]
而第l个距离元素的接收信号向量的n个连续采样记为
[0091]
y[l]＝[y[l],y[l 1],...,y[l n-1]]
t
,n≤l≤l-(n-1)
[0092]
则接收信号的离散采样y[l]可以表示为真实目标距离元素和干扰脉冲距离元素的线性变换之和，即y[l]＝g
t
x
t
[l] gjxj[l] b[l],n≤l≤l-(n-1)，其中b[l]是高斯白噪声。
[0093][0094][0095]
二者均为n
×
(2n-1)的矩阵，分别由真实目标和干扰脉冲信号对应的发射波形进行采样构成。
[0096]
4、根据最小化均方误差方法，对每个距离元素求滤波系数w
t
[l]，则估计结果为w
t
[l]hy[l]。在保证无偏估计{w
t
[l]}hs
t
＝1的条件下，使估计结果的总能量e[w
t
[l]hy[l]2]最小，即使正常信号获得最大信噪比。严格表达式为：
[0097]
利用数学分析中的拉格朗日算法：
[0098]
求∧关于各个变量
的偏导数并赋值为零得到：经过进一步的运算求得：其中h[l]＝e[y[l]{y[l]h}]；而第l,l＝n,...,l-(n-1)个距离元素的距离估计值为x
t
[l]＝{w
t
[l]}hy[l]；
[0099]
同理，求得xj[l]＝{wj[l]}hy[l]；
[0100]
5、根据上述推导出来的公式进行循环迭代。
[0101]
1)对接收信号进行匹配滤波的方法进行预先估计。即对接收信号先用s
t
作为系数，求得初值真实目标的距离元素估计值对接收信号用sj作为系数，求得干扰脉冲的距离元素估计值
[0102]
2)对第u＝1,...,u次迭代：已知信息为第(u-1)次迭代中的距离元素估计和对第l(n≤l≤l-(n-1))个距离元素，由前一次的迭代构成如下矩阵：
[0103][0104][0105]
进而求得
[0106]
因此第u次迭代求得真实目标的结果为各个距离元素的真实目标距离估计值各个干扰脉冲的距离估计值
[0107]
3)重复2)中过程，直至进行u次后，得到真实目标和干扰脉冲信号的距离元素估计值。
[0108]
将提取出的目标信号和干扰信号估计值进行分析处理，可在不改变雷达系统硬件结构的基础上，仅仅依靠软件层面的计算即可大幅度提高雷达系统的测距能力和抗干扰能力，成本低，可靠性好。此外，该算法也可用于其他领域，比如激光制导、红外及可见光图像
跟踪、目标检测识别等。