稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法

专利名称：稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210471755.4

专利申请（专利权）人：西安电子科技大学
权利人地址：陕西省西安市太白南路2号

专利发明（设计）人：李亚超,张盼,王宇,王家东,张鹏,左磊,高永蝉

专利摘要：本发明公开了一种稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法，主要解决捷变频信号由于其相位非线性变化而无法使用传统相干积累方法进行积累的问题。其实现方案为：雷达发射多组稀疏频率编码信号，获取基带回波信号；按照载频大小对基带回波信号进行脉冲压缩并分类；对分类后的每组信号分别进行同频相干积累；对同频相干积累后的每组信号分别进行速度补偿；按照载频大小对速度补偿后的每组信号进行重排；根据重排后的信号构建距离参数优化的目标函数，求解该目标函数得到最优距离参数；利用最优距离参数对重排后的信号进行距离补偿，再进行IFFT，得到异频相干积累结果。本发明提升了捷变频雷达的抗干扰性能，可用于实现捷变频雷达的目标检测。

主权利要求：
1.一种稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法，其特征在于，包括：
(1)雷达发射多组稀疏频率编码信号，获取该发射信号的基带回波信号s；
(2)按照载频大小对基带回波信号s进行脉冲压缩并分类，得到Q组分类后的信号{S1,S2,…,Sq,…,SQ}，其中q＝0,1,...,Q‑1为组号；
(3)对Q组分类后的信号{S1,S2,…,Sq,…,SQ}分别进行同频相干积累，得到Q组同频相干积累后的信号{Y1,Y2,…,Yq,…,YQ}；
(4)对Q组同频相干积累后的信号{Y1,Y2,…,Yq,…,YQ}分别进行速度补偿，得到Q组速度补偿后信号{Z1,Z2,…,Zq,…,ZQ}；
(5)将Q组速度补偿后信号{Z1,Z2,…,Zq,…,ZQ}中的能量峰值所在列向量取出，按照载频大小对其进行排列组合，得到频率重排后的频率‑速度二维信号Z'；
(6)将频率补偿为均匀频率间隔，利用参数优化方法得到最优距离参数Rest：(6a)设r为需要优化的距离参数，利用该距离参数构建距离补偿函数：
其中，c为光速，f为稀疏频率编码集合，F为f按照由大到小顺序排
列后的频率集合；
(6b)利用距离补偿函数Hr对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿并作IFFT变换，得到距离补偿后的待优化信号x；
(6c)根据距离补偿后的待优化信号x构建目标函数：
其中，i＝0,1,...,N‑1为重排后的频率序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数，xi为距离补偿后的待优化信号x中的第i个值， 为距离补偿后的待优化信号x中N个值的绝对值平方的总和，||·||为范数运算；
(6d)利用基于BFGS的梯度下降方法对(6c)中的目标函数进行优化求解，解得距离参数r，该距离参数r即为最优距离参数Rest；
(7)将最优距离参数Rest代入距离补偿函数Hr中，对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿，再进行IFFT变换，得到异频相干积累结果SS。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(1)中的基带回波信号s，表示如下：其中，smn(t,tm)为第m个脉组内的第n个脉冲的基带回波信号，m＝0,1,...,M‑1为脉组序号，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，M为脉组总数，N为一个脉组中包含的脉冲总数，t为快时间，tm为慢时间，rect(·)为窗函数，Tp为脉宽，γ为调频率，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率， 为第m个脉组内的第n个脉冲的信号回波延时，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，c为光速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(2)中得到分类后的每组信号表示如下：其中，Sq(t,m)为第q组分类后的信号，q＝0,1,...,Q‑1为组号，Q为分组总数，t为快时间，m＝0,1,...,M‑1为脉组序号，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，M为脉组总数，N为一个脉组中包含的脉冲总数，B为带宽，Tp为脉宽，sinc(·)为辛格函数，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，c为光速，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，Tr为脉冲重复时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(3)中的同频相干积累后的每组信号表示如下：其中，Yq(t,k)为第q组同频相干积累后的信号，q＝0,1,...,Q‑1为组号，Q为分组总数，t为快时间，k＝0,1,...,Mq‑1为速度单元序号， 为第q组CZT变换的点数，M0为CZT变换的基准点数，sinc(·)为辛格函数，B为带宽，c为光速，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数，Tr为脉冲重复时间，f0为中心频率，M为脉组总数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(4)中所得速度补偿后的每组信号表示如下：其中，Zq(k)为第q组速度补偿后信号，q＝0,1,...,Q‑1为组号，Q为分组总数，k＝0,
1,...,Mq‑1为速度单元序号， 为第q组CZT变换的点数，M0为CZT变换的基准点数，f0为中心频率，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数， 为第q组速度补偿后信号Zq(k)在第k个速度单元上的信号幅值，B为带宽，c为光速，sinc(·)为辛格函数，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，Tr为脉冲重复时间，M为脉组个数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(5)中的频率‑速度二维信号Z'，表示如下：其中，Z'(k,q)为第k个速度单元、第q个频率对应的频率‑速度二维信号，q＝0,1,...,Q‑1为组号，Q为分组总数，k＝0,1,...,Mq‑1为速度单元序号， 为第q组CZT变换的点数，M0为CZT变换的基准点数，f0为中心频率，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，n＝0,
1,...,N‑1为脉冲序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数，
为第q组速度补偿后信号在第k
个速度单元上的信号幅值，B为带宽，c为光速，sinc(·)为辛格函数，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，Tr为脉冲重复时间，M为脉组个数，Fn为fn由小到大重排后的第n个频点的频率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(6b)中的待优化信号x，表示如下：其中，xi为待优化信号x中的第i个值，i＝0,1,...,N‑1为重排后的频率序号，n＝0,
1,...,N‑1为脉冲序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数，R为目标与雷达的径向距离，r为需要优化的距离参数，c为光速，Fn为fn由小到大重排后的第n个频点的频率，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(7)中的异频相干积累结果SS，表示如下：其中，SS(kpeak,η)为异频相干积累结果在第kpeak行、第η个高分辨距离单元的值，η为高分辨单元序号，kpeak为频率‑速度平面内能量峰值所在的行数，c为光速，R为目标与雷达的径向距离，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，N为每个脉组包含的脉冲个数，k＝0,1,...,Mn‑1为第k个速度单元，Mn为第n组CZT变换的点数， 为距离补偿后得到的均匀频点的跳频间隔，f＝{fn|fn＝f0+CnΔf,n＝0,1,...,N‑1}为发射脉冲的频率集合，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，f0为中心频率，Cn∈{0,1,2,...,2N‑1}为一个脉组内第n个脉冲的频率捷变编码。 说明书 : 稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法技术领域[0001] 本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种抗干扰波形信号相干积累方法，可用于对捷变频抗干扰信号的目标检测。背景技术[0002] 脉间频率捷变技术是指雷达发射信号的各脉冲载频按照随机或伪随机编码快速变化，使用该技术的雷达称为捷变频体制雷达。捷变频体制雷达在实际应用中具有一系列优势，如：降低被截获概率、提高抗干扰性能、增大探测距离等。因此，在日益复杂的电磁环境中，捷变频体制雷达具有十分广阔的应用前景。[0003] 但也正是由于其发射信号的脉冲载频随机捷变，使得回波信号的相位变化为非线性，与传统基于快速傅立叶变换FFT实现信号相干积累的算法不兼容，所以无法通过传统相干积累方法实现目标检测。[0004] 为了对捷变频信号进行相干积累，一些公开发表的文献中对其进行了分析与研究。西安电子科技大学在申请号为201811125895.6的专利文献中提出一种基于二维重构算法的目标检测方法，该方法采用载频随机捷变的脉冲信号，通过搜索目标场景的稀疏性，构建与回波信号对应的二维联合字典矩阵，采用二维重构的方法对捷变频信号进行相干积累，得到目标的速度与距离信息。该方法的不足之处在于，构建二维联合字典矩阵时需要对距离‑速度区域人为划分网格，容易出现网格失配的问题，导致真实目标参数与网格格点之间产生较大误差。[0005] 田瑞琦在其发表的博士毕业论文“泛探雷达微弱目标检测关键技术研究”(长沙：国防科技大学，2018)中提出一种基于同频相参与频率重排的捷变频信号目标积累方法，该方法采用多个脉组进行积累，利用同频及异频两次相干积累最终实现捷变频信号的相干积累。该方法的不足之处在于，一个脉组内的各脉冲载频必须采用随机步进频的捷变方式，波形设计自由度低，在实际应用中的抗干扰性能较差。发明内容[0006] 本发明的目的在于针对上述技术中存在的不足，提出一种稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法，以通过设计发射波形频率编码方式，提高捷变频体制雷达的抗干扰性能，通过对捷变频信号在异频相干积累时的参数优化，避免因人为划分网格而出现的网格误差问题，提升捷变频体制雷达的目标检测性能。[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：[0008] (1)雷达发射多组稀疏频率编码信号，获取该发射信号的基带回波信号s；[0009] (2)按照载频大小对基带回波信号s进行脉冲压缩并分类，得到Q组分类后的信号{S1,S2,…,Sq,…,SQ}，其中q＝0,1,...,Q‑1为组号；[0010] (3)对Q组分类后的信号{S1,S2,…,Sq,…,SQ}分别进行同频相干积累，得到Q组同频相干积累后的信号{Y1,Y2,…,Yq,…,YQ}；[0011] (4)对Q组同频相干积累后的信号{Y1,Y2,…,Yq,…,YQ}分别进行速度补偿，得到Q组速度补偿后信号{Z1,Z2,…,Zq,…,ZQ}；[0012] (5)将Q组速度补偿后信号{Z1,Z2,…,Zq,…,ZQ}中的能量峰值所在列向量取出，按照载频大小对其进行排列组合，得到频率重排后的频率‑速度二维信号Z'；[0013] (6)将频率补偿为均匀频率间隔，利用参数优化方法得到最优距离参数Rest：[0014] (6a)设r为需要优化的距离参数，利用该距离参数构建距离补偿函数：其中，c为光速，F为f按照由大到小顺序排列后的频率集合；[0015] (6b)利用距离补偿函数Hr对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿并作IFFT变换，得到距离补偿后的待优化信号x；[0016] (6c)根据距离补偿后的待优化信号x构建目标函数：[0017][0018] 其中，i＝0,1,...,N‑1为重排后的频率序号，N为一个脉组中包含的脉冲总数，xi为距离补偿后的待优化信号x中的第i个值， 为距离补偿后的待优化信号x中N个值的绝对值平方的总和，||·||为范数运算；[0019] (6d)利用基于BFGS的梯度下降方法对(6c)中的目标函数进行优化求解，解得距离参数r，该距离参数r即为最优距离参数Rest；[0020] (7)将最优距离参数Rest代入距离补偿函数Hr中，对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿，再进行IFFT变换，得到异频相干积累结果SS。[0021] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：[0022] 1.本发明由于在对发射波形捷变模式的设计中，对每个脉组中各脉冲的载频采用稀疏频率编码的方式，相对于部分已有波形的捷变自由度较高，降低了被干扰机截获的概率，提高了抗干扰性能，使得本发明的适用范围更广。[0023] 2.本发明通过对捷变频回波信号进行分类处理，在异频相干积累时通过参数优化方法优化距离参数，无需先验信息划分网格，避免了因人为划分网格而出现的网格误差问题；同时利用距离参数构建距离补偿函数，得到均匀频率间隔的信号，解决了现有技术中捷变频信号在异频相干积累时因非均匀频率间隔引起的距离项相位非相干的问题，提升了捷变频体制雷达的目标检测性能。附图说明[0024] 图1为本发明的实现流程图；[0025] 图2为采用现有基于同频相参与频率重排的捷变频信号目标积累方法进行稀疏频率编码信号相干积累的结果图；[0026] 图3为采用现有压缩感知方法对稀疏频率编码信号进行稀疏重构的结果图；[0027] 图4为采用本发明方法对距离参数进行优化的距离参数优化曲线图；[0028] 图5为采用本发明方法进行稀疏频率编码信号相干积累的结果图。具体实施方式[0029] 下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。[0030] 参照图1，本发明稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法，包括如下步骤：[0031] 步骤1，雷达发射多组稀疏频率编码信号，获取该发射信号的基带回波信号。[0032] 假设一个相干处理间隔内雷达发射M组脉冲，每组内均包含N个脉冲，同一个脉组内所有脉冲的脉宽、带宽、重频固定，频率在一定的范围内随机跳变，f＝{fn|fn＝f0+CnΔf,n＝0,1,...,N‑1}为脉冲的频率集合，fn为一个脉组内第n个脉冲的频率，f0为中心频率，Cn∈{0,1,2,...,2N‑1}为一个脉组内第n个脉冲的跳频序列，Δf为最小跳频间隔，每个脉组中脉冲的频率变化规律相同；[0033] 雷达发射上述多组稀疏频率编码信号，获取该发射信号的基带回波信号：[0034][0035] 其中，smn(t,tm)为第m个脉组内的第n个脉冲的基带回波信号，t为快时间，tm为慢时间，Amn为第m组内第n个脉冲的幅度，m＝0,1,...,M‑1为脉组序号，n＝0,1,...,N‑1为脉冲序号，M为脉组个数，N为每个脉组包含的脉冲个数，rect(·)为窗函数，Tp为脉宽，γ为调频率， 为第m个脉组内的第n个脉冲的信号回波延时，R为目标与雷达的径向距离，v为目标相对于雷达的径向速度，c为光速。[0036] 步骤2，按照载频大小对基带回波信号进行脉冲压缩处理并分类，得到Q组分类后的信号{S1,S2,…,Sq,…,SQ}。[0037] 2.1)对基带回波信号进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的信号：[0038][0039] 其中，S'mn(t,tm)为第m个脉组内第n个脉冲经过脉冲压缩处理后的信号，B为带宽，Tr为脉冲重复时间，sinc(·)为辛格函数；[0040] 2.2)按照载频大小对脉冲压缩后的信号进行分类，每一类中仅保留频率相同的脉压结果，得到Q组分类后的信号，其中第q组分类后的信号为：[0041][0042] 其中，q＝0,1,...,Q‑1为组号，Q为分组总数；[0043] 由于对脉冲压缩后的信号进行分类时是按照载频大小进行分类的，由此可知在分类后得到的分组总数与一个脉组内的脉冲个数是相同的，即Q＝N，并且组号q与脉冲序号n也是一一对应的。[0044] 步骤3，对Q组分类后的信号分别进行同频相干积累，得到Q组同频相干积累后的信号。[0045] 以载频f0对应的信号S0(t,m)在慢时间域做M0＝MN点的傅里叶变化所得到的速度分辨单元 为基准，对于任意载频fn，为了使得其速度分辨单元保证在 下不变，理论上需要对其慢时间做 点的傅里叶变换；[0046] 利用线性调频Z变换CZT在实现速度域尺度归一化的同时实现同频相干累积，得到Q组同频相干积累后的信号，其中第q组同频相干积累后的信号为：[0047][0048] 其中，k＝0,1,...,Mn‑1为速度单元序号，M0为CZT的基准点数，Mq为第q组CZT的点数。[0049] 步骤4，对Q组同频相干积累后的信号分别进行速度补偿，得到Q组速度补偿后的信号。[0050] 4.1)在经过CZT之后，目标的能量被积累于一点，该目标点的横坐标为 纵坐标为 可以看出该目标点的坐标与载频无关，即在不同载频下，目标能量被积累于相应的距离‑速度平面内的相同位置，因此可得中心载频f0对应的速度为vest：[0051][0052] 4.2)根据中心载频f0对应的速度vest构建Q个速度补偿函数，其中载频为fn对应的第q组的速度补偿函数Hvq表示为：[0053][0054] 4.3)利用速度补偿函数对Hvq对Q组同频相干积累后的信号分别进行速度补偿，忽略速度补偿误差，得到Q组速度补偿后的信号，其中第q组速度补偿后的信号为：[0055][0056] 其中， 为第q组速度补偿后信号Zq(k)在第k个速度单元上的信号幅值。[0057] 步骤5，获得频率‑速度二维信号Z'。[0058] 将Q组速度补偿后的信号中的能量峰值所在列向量取出，按照载频大小对其进行排列组合，得到频率重排后的频率‑速度二维信号Z'：[0059][0060] 其中，Fn为fn由小到大重排后的第n个频点的频率。[0061] 步骤6，将频率补偿为均匀频率间隔，利用参数优化方法得到最优距离参数Rest。[0062] 由步骤5中得到的频率‑速度二维信号Z'可知，在频率‑速度平面内，能量峰值在第kpeak行，而第kpeak行内的 因此Z'(n,k)平面内只剩相位项 随载频变化，当Z'(n,k)在频率域直接进行IDFT时，第kpeak行无法保证固定相位差，将会导致主瓣展宽、旁瓣严重抬高，因此需要将频率补偿为均匀频率间隔，但由于距离信息未知，因此在构建距离补偿函数时要对未知的距离参数利用参数优化方法进行优化搜索，得到最优距离参数，具体实现如下：[0063] 6.1)利用距离参数构建距离补偿函数： 其中r为需要优化的距离参数，F为f按照由大到小顺序排列后的频率集合；[0064] 6.2)利用距离补偿函数Hr对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿并作IFFT变换，得到距离补偿后的待优化信号x：[0065][0066] 其中，xi为待优化信号x中的第i个值，i＝0,1,...,N‑1为重排后的频率序号；[0067] 6.3)以最小波形熵作为最优判断准则，根据距离补偿后的待优化信号x构建目标函数：[0068][0069] 其中， 为N个IFFT变换后信号的绝对值平方的总和，||·||为范数运算；[0070] 6.4)利用基于BFGS的梯度下降方法对(6.3)中的目标函数进行优化求解，解得距离参数r，该距离参数r即为最优距离参数Rest。[0071] 步骤7，将最优距离参数Rest代入距离补偿函数Hr中，对频率重排后的频率‑速度二维信号Z'进行距离补偿，再进行IFFT变换，得到异频相干积累结果SS：[0072][0073] 其中，η为高分辨单元序号， 为距离补偿后得到的均匀频点的跳频间隔，f＝{fn|fn＝f0+CnΔf,n＝0,1,...,N‑1}为发射脉冲的频率集合。[0074] 以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：[0075] 一、仿真参数[0076] 假设一个相干处理间隔内雷达发射M＝16组脉冲，每个脉组内均包含N＝16个脉冲，每个脉冲均为线性调频信号，中心频率f0＝10GHz，最小跳频间隔Δf＝15MHz，脉冲的频率集合f＝{fn|fn＝f0+CnΔf,n＝0,1,...,N‑1}，Cn∈{0,1,2,...,2N‑1}为一个脉组内第n个脉冲的跳频序列，目标与雷达间的径向距离为211m，目标相对于雷达的径向速度为5m/s。[0077] 二、仿真内容[0078] 仿真1，在上述仿真实验的条件下，采用现有基于同频相参与频率重排的捷变频信号目标积累算法对稀疏频率编码信号进行相干积累，其相干积累结果图如图2所示。[0079] 仿真2，在上述仿真实验的条件下，采用现有压缩感知方法对稀疏频率编码信号进行稀疏重构，其结果图如图3所示。[0080] 仿真3，在上述仿真实验的条件下，采用本发明方法对稀疏频率编码信号进行相干积累，得到的距离参数优化曲线如图4所示，相干积累结果图如图5所示。[0081] 三、仿真结果分析[0082] 从图2可见，采用现有基于同频相参与频率重排的捷变频信号目标积累算法得到的相干积累结果，在距离向产生了高的旁瓣和栅瓣，因此无法得到目标真实的距离和速度信息。[0083] 从图3可见，采用现有压缩感知方法对稀疏频率编码信号进行稀疏重构得到的结果，由于网格失配问题，目标的真实参数与预先设置的距离‑速度网格并不匹配，导致无法准确重构出真实目标。[0084] 从图4可见，本发明方法对目标距离参数进行参数优化，其距离参数优化曲线表现出良好的收敛性，且搜索迭代次数较少，运算量较小。[0085] 从图5可见，采用本发明方法得到的相干积累结果能够有效实现捷变频信号的相干积累，并且得到的距离和速度信息符合仿真条件下的分辨率要求，可以实现捷变频信号的目标检测。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-04-29

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114839606B