專利名稱：空時(shí)二維阻塞窄帶干擾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域中的一種相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)抑制窄帶干擾方法，適用于相控陣?yán)走_(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)，如基于外輻射源的無源陣列雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)、天波超視距雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)和機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)等。

背景技術(shù)：
目前，在與敵方雷達(dá)對抗過程中面臨最多的是壓制性干擾，干擾形式通常是窄帶噪聲干擾。但一些工作在低頻段的雷達(dá)，如基于外輻射源的無源陣列雷達(dá)、天波超視距雷達(dá)等，在平時(shí)的雷達(dá)工作和訓(xùn)練過程中面臨最多的是廣播電臺(tái)、通信電臺(tái)等友鄰單位施放的窄帶干擾。這種干擾是比較容易抑制的，通常采用常規(guī)的跳頻或者自適應(yīng)處理方法進(jìn)行抑制。
當(dāng)在工作頻段附近存在沒有干擾的工作頻點(diǎn)時(shí)，就可以采用跳頻的方法進(jìn)行抗干擾，但對于天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)，幾乎不存在這種情況。所以，此時(shí)只能跳頻到干擾相對較小的工作頻點(diǎn)，再采用常規(guī)的自適應(yīng)處理方法進(jìn)行窄帶干擾的抑制。
但常規(guī)的自適應(yīng)處理方法對付窄帶干擾時(shí)存在如下三個(gè)缺點(diǎn)一是只能對付旁瓣干擾，當(dāng)此時(shí)有干擾從主瓣進(jìn)來時(shí)，此時(shí)采用自適應(yīng)抗干擾就會(huì)導(dǎo)致主瓣方向形成零點(diǎn)，從而造成信號(hào)相消現(xiàn)象；二是當(dāng)窄帶干擾源快速運(yùn)動(dòng)或者間隙變化時(shí)，由于此時(shí)自適應(yīng)算法學(xué)習(xí)不到真實(shí)的干擾，所以會(huì)導(dǎo)致算法抗干擾性能嚴(yán)重惡化；三是自適應(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(jìn)行學(xué)習(xí)，但有些大型相控陣?yán)走_(dá)不存在休止期，所以此時(shí)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。
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(hào)的敏感性是一條最有效的抗窄帶干擾的方法，但是必須認(rèn)識(shí)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(jià)的。在當(dāng)前技術(shù)和工藝水平下，對天線提出過高的副瓣要求是不切實(shí)際的，特別是大型相控陣天線，目前還無法做到超低副瓣。在許多情況下，采用代價(jià)較低的信號(hào)處理方式是一種比較可行的方法，所以用自適應(yīng)抑制技術(shù)對付這種廣播電臺(tái)、通信電臺(tái)等的干擾是值得重視的。


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(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)干擾參數(shù)的估計(jì)，從而得到干擾的方位和頻率參數(shù)，然后利用相關(guān)的參數(shù)信息來構(gòu)造空時(shí)二維阻塞矩陣，再通過空時(shí)二維阻塞矩陣和接收數(shù)據(jù)相乘，從而阻塞特定方位和特定頻率的窄帶干擾，實(shí)現(xiàn)空時(shí)二維抗窄帶干擾。由于阻塞矩陣的形成只和方位和頻率參數(shù)相關(guān)，所以形成阻塞的零點(diǎn)和實(shí)際的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)無關(guān)，這樣就可以避免信號(hào)相消的情況，而且可以適應(yīng)干擾的快速運(yùn)動(dòng)和間隙變化。另外，由于阻塞矩陣只需要兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算方便、快捷，對消過程只需將阻塞矩陣和陣列接收數(shù)據(jù)相乘即可，從而實(shí)現(xiàn)對廣播電臺(tái)或通信電臺(tái)的干擾抑制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可用于相控陣?yán)走_(dá)，且具有運(yùn)算量小，便于實(shí)現(xiàn)和推廣等特點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種相控陣?yán)走_(dá)空時(shí)二維阻塞窄帶干擾方法，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(jī)將所有陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將其送入信號(hào)處理系統(tǒng)； (2)對陣列的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)均衡處理，均衡后數(shù)據(jù)X的維數(shù)為MK×L，M為陣元數(shù)，K為脈沖數(shù)，L為每個(gè)脈沖的距離門數(shù)； (3)抽取各個(gè)陣元通道均衡后的數(shù)據(jù)形成相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計(jì)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MK×L1，L1為用于計(jì)算的快拍數(shù)，得到的協(xié)方差矩陣R1的維數(shù)為MK×MK； (4)利用波達(dá)方向估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對干擾源角度和頻率的估計(jì)，首先對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解 R1＝UΛUH 其中Λ＝diag[λ1，λ2，…，λMK]為特征值組成的對角方陣，U＝[e1，e2，…，eMK]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>…>λMK，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>…>λMK 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)的特征矢量組成的干擾子空間ES＝[e1，e2，…，eN]和由小特征矢量組成的噪聲子空間EN＝[eN+1，eN+2，…，eMK]。利用MUSIC方法實(shí)現(xiàn)對干擾源的參數(shù)估計(jì)，估計(jì)公式如下 其中a(θ，f)為空時(shí)二維的導(dǎo)向矢量 時(shí)域?qū)蚴噶繛? al(f)＝[1，e-j2πfτ，…，e-j(K-1)2πfτ]T 空域?qū)蚴噶繛? 上式中f0為載頻，λ0為發(fā)射波波長，τ為時(shí)延間隔。
利用P(θ，f)就可以實(shí)現(xiàn)干擾角度的估計(jì)θp和頻率參數(shù)估計(jì)fp，p＝1，2，…，N，角度和頻率估計(jì)的方法采用搜索法或多項(xiàng)式求根。
(5)利用角度估計(jì)參數(shù)θp和頻率參數(shù)估計(jì)fp，p＝1，2，…，N，來構(gòu)造如下的阻塞矩陣 上式中
其中bp＝exp{j2πfp(τ+d sinθp/f0λ0)}，fp，θp為第p信號(hào)源的頻率和方位，N為干擾源數(shù)，I1為單位矩陣，I2為次對角線單位矩陣

注意，阻塞矩陣Tp的維數(shù)為(K-p)(M-p)×(K-p+1)(M-p+1)，其中K為脈沖數(shù)，M為陣元數(shù)。
(6)利用信號(hào)相消的原理對陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾抑制，干擾抑制公式如下 Y(t)＝TX(t) 其中，X為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，Y為阻塞干擾之后的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時(shí)的輸出數(shù)據(jù)中已經(jīng)抑制了空間的窄帶干擾。
其中，步驟(4)中的波達(dá)方向估計(jì)還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)算法、加權(quán)子空間擬合(WSF)算法、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)算法等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)本發(fā)明相比常規(guī)無源陣列干擾抑制方法，不增加天線接收設(shè)備(這一設(shè)備在雷達(dá)系統(tǒng)中是最昂貴的)，只是對系統(tǒng)中信號(hào)處理部分進(jìn)行相關(guān)改造，所以設(shè)備簡單，系統(tǒng)升級方便，成本低廉。
(2)本發(fā)明采用先估計(jì)干擾參數(shù)再進(jìn)行阻塞干擾的方法，這樣就可以充分利用干擾的參數(shù)信息來重構(gòu)阻塞矩陣，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(hào)相消的現(xiàn)象，所以算法的性能更加穩(wěn)定。
(3)由于阻塞矩陣是根據(jù)估計(jì)參數(shù)重構(gòu)的，所以可以適應(yīng)干擾的運(yùn)動(dòng)或者間隙式變化，所以算法的魯棒性更強(qiáng)。
(4)由于阻塞矩陣采用的是空時(shí)二維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一個(gè)空時(shí)二維零點(diǎn)，所以這種空時(shí)二維的阻塞不僅可以抑制旁瓣干擾，也可以抑制主瓣內(nèi)的窄帶干擾，因此，方法的干擾抑制能力更強(qiáng)。



圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)方框圖。
參照圖1，本發(fā)明的實(shí)施例由陣列數(shù)字接收機(jī)1，自適應(yīng)均衡2，數(shù)據(jù)抽取3，波達(dá)方向估計(jì)4，重構(gòu)阻塞矩陣5和干擾對消6組成。其中實(shí)施例中陣列數(shù)字接收機(jī)將空間接收到的信號(hào)、干擾及噪聲等信息接收并存貯到信號(hào)處理系統(tǒng)中，自適應(yīng)均衡2實(shí)現(xiàn)陣列數(shù)字通道的均衡，數(shù)據(jù)抽取3則從均衡后的數(shù)據(jù)中抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，并送入波達(dá)方向估計(jì)4，波達(dá)方向估計(jì)4采用MUSIC算法進(jìn)行干擾源的方向、頻率和干擾源數(shù)估計(jì)，并將估計(jì)參數(shù)送到重構(gòu)阻塞矩陣5，重構(gòu)阻塞矩陣5根據(jù)方向參數(shù)、頻率參數(shù)及干擾源數(shù)來重構(gòu)阻塞矩陣，并將之送入到干擾對消6，在干擾對消6中阻塞矩陣結(jié)合均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾對消，這樣就可以實(shí)現(xiàn)窄帶干擾的抑制，對消后的結(jié)果就可以送出。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施本發(fā)明的原理如下首先利用陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾源的數(shù)目及參數(shù)估計(jì)，然后利用這些信息形成阻塞矩陣，最后通過阻塞矩陣實(shí)現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)的窄帶干擾的對消。
假設(shè)相控陣?yán)走_(dá)有M個(gè)陣元，N個(gè)干擾，實(shí)施例中為M＝16，K＝16，N＝2個(gè)，干擾的角度分別為θJ1，θJ2。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例說明該發(fā)明的詳細(xì)步驟 (1)由陣列數(shù)字接收機(jī)1將接收到的M個(gè)陣元通道的K個(gè)脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，這一部分對存儲(chǔ)器的大小、采樣精度要求與原系統(tǒng)相同。
(2)由自適應(yīng)均衡2對陣列接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)均衡，均衡后數(shù)據(jù)為X，其維數(shù)為MK×L，M為陣元數(shù)，K為脈沖數(shù)，L為每個(gè)脈沖的距離門數(shù)，通過自適應(yīng)均衡后，就可以實(shí)現(xiàn)陣列的通道不一致校正，這里采用的是常規(guī)自適應(yīng)均衡技術(shù)——即32級的FIR濾波器。
(3)由數(shù)據(jù)抽取單元3從均衡后的數(shù)據(jù)X中將需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，并形成相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計(jì)算公式如下 其中，X1為相控陣各陣元接收到數(shù)據(jù)矩陣，其維數(shù)為MK×L1，L1為用于計(jì)算的快拍數(shù)，得到的協(xié)方差矩陣R1的維數(shù)為MK×MK，實(shí)施例中是256維； (4)波達(dá)方向估計(jì)4利用數(shù)據(jù)抽取3送來的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解 R1＝UAUH 其中Λ＝diag[λ1，λ2，…，λMK]為特征值組成的對角方陣，U＝[e1，e2，…，eMK]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>…>λMK，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>…>λMK 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)的特征矢量組成的干擾子空間ES＝[e1，e2，…，eN]和由小特征矢量組成的噪聲子空間EN＝[eN+1，eN+2，…，eMK]。利用MUSIC方法實(shí)現(xiàn)對干擾源的參數(shù)估計(jì)，估計(jì)公式如下 其中a(θ，f)為空時(shí)二維的導(dǎo)向矢量 時(shí)域?qū)蚴噶繛? at(f)＝[1，e-j2πfτ，…，e-j(K-1)2πfτ]T 空域?qū)蚴噶繛? 上式中f0為載頻，λ0為發(fā)射波波長，τ為時(shí)延間隔。
利用P(θ，f)就可以實(shí)現(xiàn)干擾角度的估計(jì)θp和頻率參數(shù)估計(jì)fp，p＝1，2，…，N，角度和頻率估計(jì)的方法采用搜索法或多項(xiàng)式求根。實(shí)施例中為2個(gè)干擾，假設(shè)估計(jì)出來的角度為θJ1和θJ2，頻率分別為f1和f2，則需要將這些參數(shù)送入重構(gòu)阻塞矩陣5。
(5)重構(gòu)阻塞矩陣5利用波達(dá)方向估計(jì)4送來的角度、頻率及干擾源數(shù)信息重構(gòu)阻塞矩陣，重構(gòu)的公式如下 上式中
其中bp＝exp{j2πfp(τ+d sinθp/f0λ0)}，fp，θp為第p信號(hào)源的頻率和方位，N為干擾源數(shù)，I1為單位矩陣，I2為次對角線單位矩陣

注意，阻塞矩陣Tp的維數(shù)為(K-p)(M-p)×(K-p+1)(M-p+1)，其中K為脈沖數(shù)，M為陣元數(shù)。
實(shí)施例中T1和T2分別為(K-1)(M-1)×MK維矩陣和(K-2)(M-2)×(M-1)(K-1)維矩陣，它們具體公式如下

式中b1＝exp{j2πf1(τ+d sinθ1/f0λ0)}，b2＝exp{j2πf2(τ+d sinθ2/f0λ0)}。則實(shí)施例中最后得到的阻塞矩陣為 T＝T2T1 (6)利用重構(gòu)阻塞矩陣5送來的阻塞矩陣對自適應(yīng)均衡2送來的存貯數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾對消6，干擾抑制公式如下 Y(t)＝TX(t) 其中，X為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，Y為阻塞干擾之后的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時(shí)的輸出數(shù)據(jù)中已經(jīng)抑制了空間的窄帶干擾。
波達(dá)方向估計(jì)還可采用最小模算法(MNM)、最小方差法(MVM)、最小熵算法(MEM)、最大似然(ML)算法、加權(quán)子空間擬合(WSF)算法、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)算法等。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)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。
權(quán)利要求
1.一種空時(shí)二維阻塞窄帶干擾方法，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(jī)將所有陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將其送入信號(hào)處理系統(tǒng)；
(2)對陣列的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)均衡處理，均衡后數(shù)據(jù)X的維數(shù)為MK×L，M為陣元數(shù)，K為脈沖數(shù)，L為每個(gè)脈沖的距離門數(shù)；
(3)抽取各個(gè)陣元通道均衡后的數(shù)據(jù)形成相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，計(jì)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MK×L1，L1為用于計(jì)算的快拍數(shù)，得到的協(xié)方差矩陣R1的維數(shù)為MK×MK；
(4)利用波達(dá)方向估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對干擾源角度和頻率的估計(jì)，首先對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解
R1＝UΛUH
其中Λ＝diag[λ1，λ2，…，λMK]為特征值組成的對角方陣，U＝[e1，e2，…，eMK]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>…>λMK，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>…>λMK
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)的特征矢量組成的干擾子空間ES＝[e1，e2，…，eN]和由小特征矢量組成的噪聲子空間EN＝[eN+1，eN+2，…，eMK]。利用MUSIC方法實(shí)現(xiàn)對干擾源的參數(shù)估計(jì)，估計(jì)公式如下
其中a(θ，f)為空時(shí)二維的導(dǎo)向矢量
時(shí)域?qū)蚴噶繛?br> at(f)＝[1，e-j2πfτ，…，e-j(K-1)2πfτ]T
空域?qū)蚴噶繛?br> 上式中f0為載頻，λ0為發(fā)射波波長，τ為時(shí)延間隔。
利用P(θ，f)就可以實(shí)現(xiàn)干擾角度的估計(jì)θp和頻率參數(shù)估計(jì)fp，p＝1，2，…，N，角度和頻率估計(jì)的方法采用搜索法或多項(xiàng)式求根。
(5)利用角度估計(jì)參數(shù)θp和頻率參數(shù)估計(jì)fp，p＝1，2，…，N，來構(gòu)造如下的阻塞矩陣
上式中
其中bp＝exp{j2πfp(τ+d sin θp/f0λ0)}，fp，θp為第p信號(hào)源的頻率和方位，N為干擾源數(shù)，I1為單位矩陣，I2為次對角線單位矩陣
注意，阻塞矩陣Tp的維數(shù)為(K-p)(M-p)×(K-p+1)(M-p+1)，其中K為脈沖數(shù)，M為陣元數(shù)。
(6)利用信號(hào)相消的原理對陣列接收數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾抑制，干擾抑制公式如下
Y(t)＝TX(t)
其中，X為陣列的所有陣元接收數(shù)據(jù)，Y為阻塞干擾之后的輸出數(shù)據(jù)矢量，此時(shí)的輸出數(shù)據(jù)中已經(jīng)抑制了空間的窄帶干擾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)二維阻塞窄帶干擾方法，其特征在于，波達(dá)方向估計(jì)還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)算法、加權(quán)子空間擬合(WSF)算法、旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針對相控陣?yán)走_(dá)的空時(shí)二維阻塞窄帶干擾方法。常規(guī)的相控陣?yán)走_(dá)通過自適應(yīng)來抑制窄帶干擾，先通過學(xué)習(xí)雷達(dá)接收機(jī)收到的干擾數(shù)據(jù)，然后在干擾方向形成零點(diǎn)。這種常規(guī)的自適應(yīng)處理方法很容易產(chǎn)生信號(hào)相消、零點(diǎn)深度和寬度受陣列誤差影響很嚴(yán)重，且不適應(yīng)運(yùn)動(dòng)干擾或快變的間隙式干擾。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(shí)際的。本發(fā)明首先通過空間譜估計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)干擾參數(shù)的估計(jì)，從而得到干擾的方位和頻率參數(shù)，然后利用相關(guān)的參數(shù)信息來構(gòu)造空時(shí)二維阻塞矩陣，再通過空時(shí)二維阻塞矩陣和接收數(shù)據(jù)相乘，從而阻塞特定方位和特定頻率的窄帶干擾，實(shí)現(xiàn)空時(shí)二維抗窄帶干擾。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可用于相控陣?yán)走_(dá)抗特定的旁瓣干擾和主瓣干擾，且具有運(yùn)算量小，便于實(shí)現(xiàn)和推廣等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/36GK101533091SQ20091006046
公開日2009年9月16日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者輝 陳, 陳建文, 讜 謝, 吳志文 申請人:中國人民解放軍空軍雷達(dá)學(xué)院