EPC-MIMO雷达主瓣距离欺骗式干扰抑制方法
时间：2023-04-15 20:15:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张育豪, 朱圣棋, 曾 操, 崔 森, 石琦剑
(西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071)
随着电子信息技术的不断发展,雷达干扰方法与抗干扰算法之间的斗争日趋激烈和复杂[1]。其中,假目标产生器通过截取并转发雷达发射信号,诱导雷达系统把虚拟假目标当成真实目标处理,增加雷达系统对干扰鉴别的能力[2-3],导致其对真实目标的参数估计与跟踪性能恶化[4-6]。由于假目标信号通常由假目标产生器将截获的雷达信号存储后进行延迟转发并通过距离欺骗、多普勒调制等手段产生,即干扰脉冲至少延迟雷达发射脉冲一个周期[7]。因此,在新体制雷达下挖掘目标与干扰的脉冲信息成为抗主瓣欺骗式干扰的一种有效方法。
对于来自雷达旁瓣的转发式欺骗干扰,传统阵列雷达能够采用广义旁瓣相消器(generalized sidelobe canceller, GSC)[8]、超低旁瓣天线[9]和空时自适应处理(space-time adaptive processing, STAP)[10]来对旁瓣干扰进行有效自适应处理,然而对于假目标位于主瓣的干扰则会影响雷达的鉴别。而多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达是波形分集雷达的主要范例,通过发射波形的优化会让雷达目标估计性能和杂波/干扰抑制性能增强[11-12],因此受到越来越多的关注,并有了许多国防和民用应用[13-14]。随着硬件处理速度提高,使得MIMO雷达系统更容易实现灵活的发射波形敏捷性,从而提升复杂环境下的目标检测性能[15-16],并且保持共存性雷达和通信系统[17-18]。
一般来说MIMO有两种形式,即共置MIMO[19]和分布式MIMO[20]。在文献[21-22]中，阵元脉冲编码MIMO(element pulse coding-MIMO, EPC-MIMO)雷达的距离模糊度分辨能力得到验证,距离模糊性问题是由距离折叠信号引起的,在脉冲雷达中经常遇到,包括基于STAP的雷达和合成孔径雷达[23-26],文献[27]对基于傅里叶的编码设计进行推广,提出了一般的EPC方法,但该方法没有考虑到幅相误差的影响。在文献[28]讨论了EPC-MIMO 雷达的性能,阐述了基于传统的波束成形算法将目标从不同的距离模糊区分开的条件。在文献[29]中提出了基于 EPC-MIMO体制的稳健抗干扰方法。
基于工作在共置体制下的EPC-MIMO雷达系统,本文提出了一种抑制主瓣距离欺骗式干扰的方法。假目标产生器(false target generation, FTG)产生的假目标,是对截获的雷达脉冲信号进行距离速度调制，进而形成具有不同距离和多普勒率的假目标,而真目标是在当前脉冲下的回波,故真、假目标在脉冲序列上存在差异。在上述结论下,结合雷达硬件系统对所提方法进行验证。首先利用线性调频信号的宽频带特性对雷达系统进行发射-接收通道幅相校正,补偿由于器件造成发射-接收通道的幅度相位的误差,其次利用EPC-MIMO雷达体制对发射信号进行脉冲编码,用于在接收端对包含目标和干扰的回波数据进行匹配,获得假目标产生器产生干扰的规律,最后通过对脉冲回波数据进行筛选,得到只包含目标的回波来抑制主瓣欺骗式干扰。
1.1 真实目标分析
不失一般性考虑,雷达系统由M个发射阵元、N个接收阵元组成的共置MIMO组成,雷达相干积累时间(coberent process interval, CPI)内包括K个发射脉冲。在EPC-MIMO系统中,来自第k个脉冲的第m个发射阵元的编码组成为
(1)
(2)
式中:τ为任意时延；
()*表示共轭运算。
不同于传统的MIMO雷达系统,EPC-MIMO雷达的发射信号包含了脉冲编码调制信息,即:
(3)
式中:cm,k=exp{j2πγ(m-1)(k-1)}。
假设远场存在一个目标,其距离、角度分别为R0和θ0,则第n个阵元接收到由第m个阵元在第k个脉冲的发射信号为
xn,m,k=Aφm(t-τ0)ej2πγ(m-1)(k-1)ej2πf0(t-τn,m)ej2πfds(k-1)T
(4)
式中:A为目标复幅度;τ0=2R0/c为公共延迟;τn,m=(2R0-d(n-1)sin(θ0)-d(m-1)sin(θ0))/c;d表示为阵元间距;c为光速;fds=2vs/λ0表示真实目标的多普勒频率,其中vs和λ0分别为目标的速度和波长。
1.2 转发式假目标分析与抑制方法
首先,位于远场的FTG截获雷达的发射信号,在截获的信号基础上进行距离、速度上的调制产生假目标,最终使得雷达接收到包含假目标的回波信号。
而假目标产生器的延迟转发周期为ζ·PRF,其中ζ为正整数,脉冲重复频率PRF为发射脉冲周期,表示在第一个PRF到第(ζ-1)个PRF内截取雷达信号,在第ζ个PRF产生假目标到达雷达接收端。
图1 假目标产生Fig.1 False target generation
(5)
FTG对截获到的雷达发射信号进行时间调制和速度调制,其时间调制和速度调制分别为Δτp、vp,其中p={1,2,…,P}为假目标个数,则调制后的信号为
(6)
式中:fp=2vp/λp表示目标的多普勒频率,其中vp和λp分别为假目标的速度和波长。则在第k个PRF脉冲的雷达接收到假目标的信号为
(7)
而在第k个发射脉冲下目标的回波为
xn,m,k=Aφm(t-τ0)ej2πγ(m-1)(k-1)ej2πf0(t-τn,m)ej2πfds(k-1)T
(8)
因此,可以在接收端利用假目标与真实目标的脉冲调制编码信息不匹配来抗转发式主瓣欺骗干扰。
2.1 EPC-MIMO雷达主瓣距离欺骗式干扰抑制流程
本文所提EPC-MIMO雷达主瓣距离欺骗式干扰抑制方法主要针对转发式干扰情况,利用FTG产生的假目标脉冲调制信息与真实目标脉冲调制信息不同进行抗干扰。在考虑雷达硬件系统的通道不一致问题,算法分为硬件处理和软件处理两部分,算法的总体框架如图2所示,其中橙色虚框为硬件部分,蓝色虚框为软件部分。
在硬件部分中,首先利用线性调频信号来获得雷达各通道的幅相误差,将发射通道误差补偿到EPC-MIMO发射波形中,其次在雷达时序控制下将补偿后的发射信号存储在硬件系统中并发射,考虑到发射链路上会对幅相补偿系数有衰减,不能像理想情况下幅相误差补偿一次就满足测试要求,需要多次补偿直到满足实验测试要求,发射通道幅相误差补偿完成后在远场架设FTG并以运动的卡车为目标,最后形成有主瓣干扰的目标回波,在雷达时序控制下对回波信号进行采样即可得到回波数据。
在软件部分中,首先对雷达回波信号数据进行接收端幅相误差补偿,补偿掉雷达接收端通道幅相差异造成回波信号的相位和幅度的差异,其次通过远场架设喇叭天线测得第K个脉冲调制下的发射信号,用于构造出K个脉冲调制下的EPC-MIMO发射匹配信号,利用发射匹配信号对每一个脉冲回波进行匹配探索FTG产生假目标的规律,其次对回波脉冲进行筛选分别得到只包含目标回波信号、只包含干扰回波信号以及同时包含目标和干扰的回波信号,最后对筛选出的脉冲信号进行匹配滤波、动目标显示(moving target indicator, MTI)、动目标检测(moving target detention, MTD)、数字波束形成(digital beam forming, DBF)等处理后输出显示目标、干扰以及抗干扰结果,结合FTG设定的假目标参数,验证所提算法的有效性。
图2 流程总体框图Fig.2 Overall block diagram of the process
2.2 雷达系统发射-接收通道幅相误差校正
由于雷达硬件系统的布线分布、器件参数以及各通道的工艺不可能完全一致,导致每个发射-接收通道对于不同频点的信号有着不同的程度衰减和延迟,在测试之前先对雷达系统进行通道间的幅度相位补偿,来减少器件通道间的误差对EPC-MIMO抗干扰性能的影响。利用线性调频信号的宽频带特性使其覆盖EPC-MIMO雷达工作所需的频段进行通道间幅相误差测量与补偿,以发射通道校正为例其校正过程如图3所示。
图3 雷达发射通道校正Fig.3 Radar transmission channel correction
首先在雷达发射时序控制下,将带宽覆盖测试所需频带的线性调频信号依次通过雷达系统的所有发射通道,其次在远场假设喇叭天线用于接收各发射通道经过系统后含有幅相误差信息的发射信号,通过发射端的模数转换器对该信号进行采样后变化到频域上与第一通道进行对比即可得到通道间的误差,最后将误差系数引入发射信号后重复上述步骤,直到发射通道误差达到实验要求范围内。
不失一般性,考虑雷达发射端由M个发射阵元、1个耦合链路组成,发射脉宽为Tp,第m个阵元的线性调频信号为
Sigm(t)=Aexp(j2π(f0t+Krt2)),0≤t≤Tp
(9)
式中:Kr=B/Tp为调频斜率;B为线性调频的带宽;m为通道序号。则第m个通道的发射信号通过硬件系统后可以得到：
(10)
(11)
式中:τm, j表示通道m第j个频点相对于参考通道1频域的幅相误差;FFT_Num为FFT点数;具体表达如下所示:
(12)
将幅相误差τm,:补偿即可得到通道校正后的发射信号为
(13)
接收幅相误差获取与发射幅相误差获取方法相似,首先雷达置于接收时序控制下,其次将发射端与接收端互换,并用接收端的模数转换器对雷达的发射的线性调频信号进行采样得到包含接收通道的幅相误差信号,重复发射校正系数获取的过程,即可得到接收端的幅相误差矩阵为
(14)
最后在EPC-MIMO抗干扰实验中补偿掉回波中通道间的差异对目标探测与干扰抑制的影响。
2.3 EPC-MIMO雷达回波干扰抑制算法
由式(7)和式(8)可知,EPC-MIMO体制下的FTG产生的主瓣欺骗式干扰与真实目标回波所包含的脉冲编码调制信息cm,k不同,在接收端利用事先采集到的EPC-MIMO体制下K个发射信号作为匹配信号,逐一对回波数据进行匹配,得到在各脉冲回波中FTG产生的假目标是在第几个雷达发射脉冲基础上经过距离和速度调制后产生的;利用得到的干扰规律对雷达回波进行筛选,并构建相应脉冲的匹配信号,经过匹配滤波、MTI、MTD、DBF后可以抑制掉FTG的延迟转发周期ζ·PRF,且ζ≠1 情况下的主瓣距离欺骗式干扰,算法流程如图4所示。
图4 基于EPC-MIMO真、假目标雷达回波脉冲调制编码差异的 主瓣距离欺骗式干扰抑制流程图Fig.4 Mainlobe range deception interference suppression flow chart based on EPC-MIMO true and false target radar echo pulse modulation coding difference
本节通过对EPC-MIMO实测数据分析来验证所提EPC-MIMO雷达主瓣距离欺骗式干扰抑制方法的有效性。实验中FTG和真实目标置于雷达主瓣远场,并将雷达架高减小近物杂波与地杂波对实验的影响,通过激光测距仪记录距离信息,表1给出了实验相应的测试参数。
表1 EPC-MIMO雷达系统测试参数
EPC-MIMO的正交性图如图5所示,为发射通道1的自相关以及与其他通道发射信号的互相关。
图5 EPC-MIMO的正交性Fig.5 Orthogonality of EPC-MIMO
3.1 EPC-MIMO雷达发射通道幅相误差处理
图6给出了发射信号幅相误差校正。如图6(a)所示,硬件系统各发射通道间布线、器件以及信号路径的差异造成了发射通道有着不同程度的幅度相位差异,影响接收端信号处理。图6(b)为发射外场校正4次后的结果,此时发射信号幅度相位趋于一致。图6(c)为发射通道相位误差随着校正次数增加的变化,随着校正次数的增加,发射通道的相位误差趋于0。图6(d)为发射幅相误差校正后线性调频信号的频谱,此频带覆盖了EPC-MIMO实验的带宽,将其补偿到EPC-MIMO信号中即可减少由于硬件系统造成的误差。
图6 发射信号幅相误差校正Fig.6 Transmit signal amplitude and phase error correction
3.2 EPC-MIMO雷达回波干扰抑制算法处理
由于硬件限制,只能采集到一个脉冲下的雷达发射信号,因此需要对第K个发射脉冲下的EPC-MIMO发射信号进行脉冲调制编码信息补偿,得到K个脉冲匹配信号，对回波数据进行匹配得到FTG产生假目标的规律,并与MIMO体制在相同干扰样式下作对比,图7为EPC-MIMO与MIMO在相同主瓣距离式欺骗干扰下的处理对比。图7(a)和图7(c)分别为EPC-MIMO第16个脉冲和第3个脉冲回波匹配结果,可以看出在K=16下,第16个发射脉冲的回波中,假目标转发的是第15个脉冲的发射信号。而第3个发射脉冲的回波中,假目标转发的是第1个脉冲的发射信号。图7(b)和图7(d)分别为MIMO第16个脉冲和第3个脉冲回波匹配结果,由于MIMO体制下没有进行脉冲编码调制,因此每个脉冲匹配信号都会匹配出干扰,无法得知干扰规律。图7(e)为干扰规律查找,可以看出在ζ=2时,FTG先截获当前脉冲的发射信号,通过距离速度调制延迟转发到下一个脉冲中,即每间隔一个接收脉冲就有假目标干扰。
图7 EPC-MIMO与MIMO在相同主瓣距离式欺骗干扰下的处理对比Fig.7 Comparison of processing between EPC-MIMO and MIMO under the same mainlobe distance spoofing interference
在获得FTG产生的假目标规律后,对雷达的发射信号脉冲回波进行筛选,筛选出只包含目标的回波,包含目标和干扰的回波,分别进行匹配滤波、MTI、MTD以及DBF处理。图8为EPC-MIMO抗主瓣欺骗干扰处理。图8(a)为目标匹配,即对只有目标的脉冲回波,用目标脉冲信号匹配回波。图8(b)为假目标匹配,即对有目标和干扰的脉冲回波,用干扰脉冲信号匹配脉冲信号匹配回波。图8(c)为假目标和目标同时匹配,即对有目标和干扰的脉冲回波,用干扰脉冲信号和目标脉冲信号同时匹配回波。图8(d)为EPC-MIMO抗干扰处理结果,即对有目标和干扰的脉冲回波,用目标脉冲信号匹配回波,可以看出抗干扰处理后目标和干扰功率分别为168.9 dB和158.8 dB。图8(e)为MIMO体制在相同干扰下的匹配结果,由于MIMO没进行脉冲编码调制,在回波中利用匹配信号区分不开目标和干扰,干扰还存在,且功率分别为167.0 dB和168.1 dB。EPC-MIMO抗干扰能力相对于MIMO提高了10 dB左右。
图8 EPC-MIMO抗主瓣欺骗干扰处理Fig.8 EPC-MIMO anti-mainlobe deception jamming processing
表2为EPC-MIMO雷达系统测试结果,真、假目标的距离、速度估计与设置的参数接近。
表2 EPC-MIMO雷达系统测试结果
EPC-MIMO雷达体制下,本文基于假目标回波脉冲编码调制信息与目标回波脉冲编码信息不同的特性,提出了一种新的脉冲编码雷达主瓣距离欺骗式干扰抑制方法。考虑到雷达系统通道间存在幅相差异,并且假目标产生需要将雷达发射信号延迟一个或多个脉冲周期形成多个假目标。因此,首先对雷达系统进行幅相误差的补偿,随后利用发射脉冲信号匹配回波获得假目标产生的规律,对回波脉冲进行筛选，最后对筛选出的脉冲回波进行匹配滤波、MTI、MTD、DBF 等处理。EPC-MIMO与MIMO体制在相同干扰下,对雷达回波实测数据进行分析,验证了所提方法能够有效地抑制主瓣距离转发式欺骗干扰,抗干扰能力提高10 dB。
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