專利名稱：相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域中的一種相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，適用于相控陣 雷達(dá)的信號處理系統(tǒng)，如天波超視距雷達(dá)信號處理系統(tǒng)、大型相控陣?yán)走_(dá)信號處理系統(tǒng)、機 載相控陣預(yù)警雷達(dá)信號處理系統(tǒng)和機載戰(zhàn)場偵察雷達(dá)信號處理系統(tǒng)等。
背景技術(shù)：
相控陣?yán)走_(dá)為了搜索空間目標(biāo)，需要全方位進行掃描，目前在雷達(dá)的對抗過程中，面臨 最多的是壓制性干擾，通常采用的干擾形式是窄帶噪聲干擾。對于多通道的相控陣體制雷達(dá), 這種干擾是比較容易抑制的，通?？梢圆捎贸Ｒ?guī)的自適應(yīng)方法來進行抑制。
但常規(guī)的自適應(yīng)方法存在如下三個缺點 一是只能對付壓制性的噪聲干擾，無法抑制復(fù) 雜干擾，如密集性的欺騙干擾、運動干擾、快變換的間隙式干擾或復(fù)合干擾，原因在于常規(guī) 的自適應(yīng)處理方法不可能完全學(xué)習(xí)到這些復(fù)雜干擾，從而導(dǎo)致常規(guī)的自適應(yīng)算法性能嚴(yán)重惡 化甚至失效；二是自適應(yīng)干擾相消需要學(xué)習(xí)干擾數(shù)據(jù)，通常采用的方法是在雷達(dá)休止期進行 學(xué)習(xí)，但對于PD體制的雷達(dá)而言，它不存在休止期，所以此時學(xué)習(xí)就很容易學(xué)習(xí)到目標(biāo)，從 而導(dǎo)致目標(biāo)的相消；三是自適應(yīng)相消需要消耗空間自由度，即對消一個窄帶干擾需要一個空 間陣元，如果存在寬帶干擾或者是密集干擾時，當(dāng)空間自由度小于干擾自由度時，自適應(yīng)算 法會失效。
采用超低副瓣天線來降低雷達(dá)對位于天線主瓣以外信號的敏感性是一條最有效的抗強 孤立雜波或欺騙性干擾的方法，但是必須認(rèn)識到天線副瓣的降低是以制造成本的提高，主瓣 的展寬為代價的。在當(dāng)前技術(shù)和工藝水平下，對天線提出過髙的副瓣要求是不切實際的，特 別是大型相控陣天線，目甜還無法做到超低副瓣。在許多情況下，采用代價較低的信號處理 方式是--種比較可行的方法，所以用自適應(yīng)抑制技術(shù)對付這種密集性的欺騙干擾、運動干擾、 快變換的間隙式干擾或復(fù)合干擾等復(fù)雜干擾是值得重視的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對上述背景技術(shù)中的不足之處提出的。本發(fā)明通過空間譜估計技術(shù) 來實現(xiàn)干擾參數(shù)的估計，從而得到干擾的相關(guān)參數(shù)信息。然后利用模擬信號構(gòu)造干擾的數(shù)據(jù) 協(xié)方差矩陣，再通過自適應(yīng)方法計算得到自適應(yīng)的權(quán)矢量，從而形成自適應(yīng)方向圖。方向圖 主瓣為信號方向，零點中心方向為空間譜估計技術(shù)得到的干擾方向，注意構(gòu)造的零點為一個 寬零點。寬零點的深度和方向可以根據(jù)估計的信息自適應(yīng)變化，這樣它就可以適應(yīng)抑制密集 性的欺騙干擾、運動干擾、快變換的間隙式干擾或復(fù)合干擾等復(fù)雜干擾。另外，由于數(shù)據(jù)協(xié) 方差矩陣是自己構(gòu)造的，所以可以直接將其逆矩陣存入信號處理機，權(quán)值計算時只需要將其 取出和根據(jù)信息構(gòu)造的導(dǎo)向矢量相乘即可，從而實現(xiàn)對雷達(dá)副瓣復(fù)雜干擾的抑制。本發(fā)明的
4優(yōu)點在于可用于相控陣?yán)走_(dá)，且具有運算量小，便于實現(xiàn)和推廣等特點。
為了實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，包 括如下技術(shù)步驟
(1) 利用相控陣?yán)走_(dá)固有的數(shù)字接收機將所有陣元數(shù)據(jù)進行接收，并將其送入信號處理
系統(tǒng)；
(2) 取出各個陣元通道的對應(yīng)數(shù)據(jù)形成相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計算公式如下
p — a一j
其中，X,為相控陣各陣元接收到的數(shù)據(jù)矩陣，其維數(shù)為MxZ,, M為陣元數(shù)，A為快拍 數(shù)，得到的協(xié)方差矩陣《的維數(shù)為A/xM;
(3) 利用波達(dá)方向估計方法實現(xiàn)對干擾源角度的估計，首先對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行特征
分解
及,=
其中力=^堪[;1|,^2廣'，義;1/]為特征值組成的對角方陣，〃 = [e,，e2，…，gw〗為由特征向量組 成的特征矩陣，這里的特征值從大到小排列，即^〉;i2》.);iw〉;i^〉…〉;^，釆用aic
或MDL方法利用特征值判斷出大特征值數(shù)，假設(shè)干擾源數(shù)為W，則特征值滿足
4 > a >…> AM
判斷出干擾源數(shù)之后，則將特征矩陣分成兩部分，即由大特征值對應(yīng)的特征矢量組成的
信號子空間^-[e,，e2,…, ]和由小特征值對就的特征矢量組成的噪聲子空間 Ew二[ +,， +2,…，ew]。利用MUSIC方法實現(xiàn)對干擾源的角度估計，估計公式如下
^-■^-——
利用上式中尸(0)可以實現(xiàn)干枕角度的估計 ，p-l,2,…,W,角度估計的方法采用搜索 法或多項式求根。
(4) 根據(jù)估計參數(shù)重構(gòu)擴張矩陣r(^，c^)，構(gòu)造公式如下
h^，a"L,; =exp{-*^^-/>rCOS /180]2}
矩陣r的作用是擴張干擾入射方向的作用，即擴大自適應(yīng)方向圖在零點方向的零陷寬度，
零陷的寬度由C7p決定，通常可以選零陷寬度為半功率點波束寬度。
(5) 根據(jù)估計參數(shù)和重構(gòu)的擴張矩陣重構(gòu)干擾數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，重構(gòu)的公式如下
其中，符號。表示Hadamard積，r。為第p個干擾的功率，<72為噪聲功率，/表示單位矩陣，間距半波長的均勻線陣導(dǎo)向矢量a( )-[l,e"'—,…，e—A(W_')si""'''。噪聲功率通常選為 1，干擾功率通常選大于30dB。
(6)利用重構(gòu)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣互，求自適應(yīng)權(quán)，公式如下
其中，AT為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，r為自適應(yīng)陣列的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時的輸出數(shù) 據(jù)'1'已經(jīng)抑制了空間的復(fù)雜干擾。
其中，歩驟(3)屮的波達(dá)方向估計還可能采用最小模算法(MNM)、最小方差法(MVM)、 最小熵算法(MEM)、最大似然(ML)、加權(quán)子空間擬合(WSF)、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT) 等，實施例中應(yīng)用MUSIC方法對角度進行估計。步驟(4)中重構(gòu)擴張矩陣，可以采用固定 零陷的方法進行重構(gòu)，此時可取
式中ff纟w為t^的一個上限，用F代替r,此時矩陣f并不隨干擾參數(shù)發(fā)生變化。如采用上
式的重構(gòu)擴張矩陣，則歩驟(5)的重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以簡化為
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1) 由于自適應(yīng)所需的協(xié)方差矩陣是根據(jù)先驗信號構(gòu)造的，所以其零點深度和寬度可以 預(yù)先設(shè)定，從而使得自適應(yīng)算法可以抑制復(fù)雜干擾，如密集性的欺騙干擾、運動干擾、快變 換的間隙式干擾或復(fù)合干擾等，而且構(gòu)造的干擾協(xié)方差矩陣避免了學(xué)習(xí)過程中陣列誤差的影 響，所以算法的魯棒性和復(fù)雜干擾的抑制能力更強。
(2) 本發(fā)明采用先估計干擾參數(shù)再進行自適應(yīng)的方法，這樣就可以充分利用干擾的參數(shù) 信息來重構(gòu)干擾的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，這樣就可以解決自適應(yīng)陣列中的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)問題，可以避 免出現(xiàn)信號相消的現(xiàn)象，所以算法的性能更加穩(wěn)定。
(3) 對于一部確定的雷達(dá)而言，構(gòu)造的協(xié)方差矩陣和接收數(shù)據(jù)無關(guān)，這樣就可以事先計 算好整個空域不同來向時的自適應(yīng)權(quán)，當(dāng)釆用波達(dá)方向估計算法得到信號的來向時，就直接 從存貯器中調(diào)出相關(guān)權(quán)矢量，無需再進行計算，所以此時計算自適應(yīng)權(quán)值的運算量很低，便 于工程實現(xiàn)。
(4) 本發(fā)明方法可用于改造現(xiàn)有的大型相控陣?yán)走_(dá)的信號處理系統(tǒng)，小需要額外增加處 理通道和設(shè)備，只需將原來的波束形成處理單元更換成波達(dá)方向估計單元即可。所以，不需 要改變雷達(dá)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有推廣應(yīng)用價值。
『-及 [化)*，)〗
其中，主瓣指向的導(dǎo)向矢量a(《卜[l,e—>sinflV，e_''"(W—')'^'r。
(7)對所有的陣列接收數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)加權(quán)處理，處理公式如下
7 = ^


圖1是本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)方框圖。
參照圖l，本發(fā)明的實施例由陣列數(shù)字接收機l,數(shù)據(jù)抽取2，波達(dá)方向估計3，重構(gòu)擴 張矩陣4、重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣5，自適應(yīng)權(quán)值計算6和自適應(yīng)波束形成7組成。其中實施例 中陣列數(shù)字接收機將空間接收到的信號、干擾及噪聲等信息接收并存貯到信號處理系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)抽取2則從存貯器中抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)送入波達(dá)方向估計單元3，'波達(dá)方向估計單元采用 MUSIC算法進行干擾源的方向估計和干擾源數(shù)估計,并將估計參數(shù)送到重構(gòu)擴張矩陣單元4, 單元4根據(jù)方向參數(shù)及零點寬度兩個參數(shù)構(gòu)造擴張矩陣，并將之送入到重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣 單元5，再結(jié)合干擾源的方向估計信息形成干擾的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，將之送入自適應(yīng)權(quán)值計 算單元6，就可以計算得到滿足零陷深度和零陷寬度的自適應(yīng)權(quán)，自適應(yīng)波束形成單元7利 用單元6送來的自適應(yīng)權(quán)和原始陣列存貯數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)波束形成就可以抑制復(fù)雜干擾，最 后就可以輸出干擾抑制的結(jié)果。
具體實施例方式
頭'施本發(fā)明的原理如下首先利用陣列接收數(shù)據(jù)進行干擾源的數(shù)目及參數(shù)估計，然后利 用這些信息形成擴張矩陣和干擾數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，最后形成有一定零陷深度和零陷寬度的自 適應(yīng)權(quán)，最后利用這個自適應(yīng)權(quán)對陣列接收數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)波束形成，從而實現(xiàn)對復(fù)雜干擾 的抑制。
假設(shè)相控陣?yán)走_(dá)有M個陣元，W個干擾，實施例中為Af-64， iV-2個，干擾的角度分別 為A,，《u。下面結(jié)合附圖和實施例說明一下整個發(fā)明的詳細(xì)步驟-
(1) 由陣列數(shù)字接收機單元1將接收到的M個陣元通道的數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)中，這一部分 對存儲器的大小、采樣精度要求與原系統(tǒng)相同。
(2) 由數(shù)據(jù)抽取單元2從系統(tǒng)的存儲器中將需要的數(shù)據(jù)進行抽取，抽取的數(shù)據(jù)為X,, 其維數(shù)為Mxl,, A/為陣元數(shù)，A為快拍數(shù)， 一般情況下需要滿足丄,>2M，從而得到抽取 數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣及，
'丄，
(3 )波達(dá)方向估計單元3對數(shù)據(jù)抽取單元2送來的Mx M維協(xié)方差矩陣及,進行特征分解
及,=K4KH
其中力-必flg[^，;i2，…,&為特征值組成的對角方陣，U-[e，，e2，…， ]為由特征向量組成的 特征矩陣，這里的特征值從大到小排列，即&>^》->4>4+1采用AIC或 MDL方法利用特征值判斷出大特征值數(shù)，假設(shè)干擾源數(shù)為^=2，則特征值滿足
判斷出干擾源數(shù)之后，則將特征矩陣分成兩部分，即由大特征值對應(yīng)的特征矢量組成的信號子空間^; =[6,^2]和由小特征值對就的特征矢量組成的噪聲子空間^ =|>3^4，一，~]。
利用MUSIC方法實現(xiàn)對干擾源的角度估計，估計公式如下
利用上式中P(?？梢詫崿F(xiàn)干擾角度的估計，角度估計的方法采用搜索法或多項式求根， 實施例中為2個干擾，假設(shè)估計出來的角度為^,和^2,則需要將這兩個角度送入重構(gòu)擴張 矩陣單元4。
(4) 根據(jù)波達(dá)方向估計單元3送來的干擾源數(shù)iV及角度信息，重構(gòu)擴張矩陣單元4重構(gòu) W個擴張矩陣，假設(shè)需要形成干擾的零寬分別為CT,，^,…，ov，則重構(gòu)擴張矩陣的公式如下2}
實施例中有2個干擾源，則重構(gòu)的兩個擴張矩陣為2}w =exp{-|o"22[Ofe-/>rcos02 /180]2}
然后重構(gòu)的擴張矩陣送到重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣單元5中。
(5) 重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣單元5根據(jù)估計的角度信息和單元4送來的擴張矩陣進行重構(gòu)， 公式如下
及=i>P )]° K+a2/
其中符號。表示Hada:nard積，^為第; 個干擾的功率，<72為噪聲功率，/表示單位矩陣，間 距半波長的均勻線陣導(dǎo)向矢量fl(&)-[l，f叫，…，e—w"—一"'。噪聲功率通常選為1,干 擾功率通常選大于30dB。 實施例中重構(gòu)的矩陣為
^:i^[a09》a"09p)〗。7;(^，《)+ t72/
重構(gòu)完成之后單元5將數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣送到單元6進行自適應(yīng)權(quán)值運算。
(6) 自適應(yīng)權(quán)值計算單元6利用單元5送來的干擾數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，求自適應(yīng)權(quán)，公式
如下
其中，主瓣指向的導(dǎo)向矢量"(《)=[1^——e'，…,^傘-""r。實施例中計算得到的權(quán)矢量
為64xl維矢量。計算完權(quán)值之后，單元6將權(quán)矢量送入單元7。
(7) 自適應(yīng)波束形成單元7從系統(tǒng)存儲器中提取陣元的所有數(shù)據(jù)X,然后將數(shù)據(jù)和單元6送來的權(quán)矢量進行加權(quán)處理，公式如下
其中，x為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，y為自適應(yīng)陣列的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時的輸出數(shù)據(jù)中
已經(jīng)抑制了空間的復(fù)雜干擾。實施例中X為64x丄維矩陣，y為lx丄維矢量，丄為雷達(dá)接收
到的距離門數(shù)。
另外，步驟(3)中的波達(dá)方向估計也可以采用最小模算法(MNM)、最小方差法(MVM)、 最小熵算法(MEM)、最大似然(ML)、加權(quán)子空間擬合(WSF)、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT) 等，實施例中應(yīng)用MUSIC方法對角度進行估計。
步驟(4)中重構(gòu)擴張矩陣，可以采用固定零陷的方法進行重構(gòu)，此時可取式中t^M為c^ 的一個上限，實施例中CT二，-ma4^，o"",則重構(gòu)的矩陣只有l(wèi)個
<formula>formula see original document page 9</formula>
注意利用上式構(gòu)造的擴張矩陣和角度無關(guān)，只和零陷寬度有關(guān)。 則歩驟(5)的重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以簡化為
<formula>formula see original document page 9</formula>
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求 的范圍內(nèi)作出各種變形或修改。
實施例中重構(gòu)的矩陣為
權(quán)利要求
1. 一種相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，包括如下技術(shù)步驟(1)利用相控陣?yán)走_(dá)固有的數(shù)字接收機將所有陣元數(shù)據(jù)進行接收，并將其送入信號處理系統(tǒng)；(2)取出各個陣元通道的對應(yīng)數(shù)據(jù)形成相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計算公式如下其中，X1為相控陣各陣元接收到的數(shù)據(jù)矩陣，其維數(shù)為M×L1，M為陣元數(shù)，L1為快拍數(shù)，得到的協(xié)方差矩陣R1的維數(shù)為M×M；(3)利用波達(dá)方向估計方法實現(xiàn)對干擾源角度的估計，首先對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行特征分解R1＝UΛH其中Λ＝diag[λ1，λ2，…，λM]為特征值組成的對角方陣，U＝[e1，e2，…，eM]為由特征向量組成的特征矩陣，這里的特征值從大到小排列，即λ1>λ2>…>λN>λN+1>…>λM，采用AIC或MDL方法利用特征值判斷出大特征值數(shù)，假設(shè)干擾源數(shù)為N，則特征值滿足λ1>λ2>…>λN>>λN+1>…>λM判斷出干擾源數(shù)之后，則將特征矩陣分成兩部分，即由大特征值對應(yīng)的特征矢量組成的信號子空間Es＝[e1，e2，…，eN]和由小特征值對就的特征矢量組成的噪聲子空間EN＝[eN+1，eN+2，…，eM]。利用MUSIC方法實現(xiàn)對干擾源的角度估計，估計公式如下利用上式中P(θ)可以實現(xiàn)干擾角度的估計θp，p＝1，2，…，N，角度估計的方法采用搜索法或多項式求根。(4)根據(jù)估計參數(shù)重構(gòu)擴張矩陣構(gòu)造公式如下矩陣T的作用是擴張干擾入射方向的作用，即擴大自適應(yīng)方向圖在零點方向的零陷寬度，零陷的寬度由σp決定，通?？梢赃x零陷寬度為半功率點波束寬度。(5)根據(jù)估計參數(shù)和重構(gòu)的擴張矩陣重構(gòu)干擾數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，重構(gòu)的公式如下其中，符號。表示Hadamard積，rp為第p個干擾的功率，σ2為噪聲功率，I表示單位矩陣，間距半波長的均勻線陣導(dǎo)向矢量噪聲功率通常選為1，干擾功率通常選大于30dB。(6)利用重構(gòu)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣<overscore>R</overscore>，求自適應(yīng)權(quán)，公式如下W＝<overscore>R</overscore>-1a(θq)/[aH(θq)<overscore>R</overscore>-1a(θq)]其中，主瓣指向的導(dǎo)向矢量(7)對所有的陣列接收數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)加權(quán)處理，處理公式如下Y＝WHX其中，X為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，Y為自適應(yīng)陣列的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時的輸出數(shù)據(jù)中已經(jīng)抑制了空間的復(fù)雜干擾。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，其特征在于，歩驟(3) 中波達(dá)方向估計還可能采用最小模算法(MNM)、最小方差法(MVM)、最小熵算法(MEM)、 最大似然(ML)、加權(quán)子空間擬合(WSF)、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，其特征在于，歩驟(4) 屮重構(gòu)擴張矩陣重構(gòu)，可以采用固定零陷的方法進行重構(gòu)，此時可取式中4ax為^的一個上限，用f代替T，此時矩陣f并不隨干擾參數(shù)發(fā)生變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)，其特征在于，步驟(5) 中重構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，此時可取及=。f=及。尹
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針對相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制特殊干擾技術(shù)。常規(guī)的相控陣?yán)走_(dá)通過自適應(yīng)來抑制噪聲壓制干擾，先通過學(xué)習(xí)雷達(dá)接收機接收到的干擾數(shù)據(jù)，然后在干擾方向形成零點。這種常規(guī)的處理方法產(chǎn)生的零點深度和寬度均會受到陣列誤差的影響，且不適應(yīng)特殊干擾，如密集性的欺騙干擾、運動干擾、快變換的間隙式干擾或復(fù)合干擾等復(fù)雜干擾形式。采用超低副瓣天線是一條最有效的抗干擾的方法，但在當(dāng)前技術(shù)和工藝水平下，對相控陣天線提出過高的副瓣要求是不切實際的。本發(fā)明首先通過空間譜估計技術(shù)來實現(xiàn)干擾源數(shù)和方位的估計，然后利用模擬信號構(gòu)造干擾的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，再通過自適應(yīng)方法計算得到自適應(yīng)的旁瓣相消權(quán)矢量，從而形成寬零點和深零陷的自適應(yīng)方向圖，實現(xiàn)對復(fù)雜干擾的抑制。本發(fā)明技術(shù)可用于相控陣?yán)走_(dá)的信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)簡單，具有廣闊的實際應(yīng)用前景。
文檔編號G01S7/36GK101482610SQ20081023749
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者吳志文, 王永良, 謝文沖, 輝 陳, 陳風(fēng)波 申請人:中國人民解放軍空軍雷達(dá)學(xué)院