一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法

1.本发明涉及短波超视距雷达信号处理领域，可直接用于收发分置体制下、利用线性调频连续波(linearfrequencymodulatedcontinuouswave，lfm)进行目标探测的雷达的直达波抑制。对使用其他信号类型进行探测的短波超视距雷达的直达波抑制具有参考意义。


背景技术：

2.短波超视距雷达利用电离层对高频段电磁波的反射机理实现对目标的超视距探测，其工作在短波波段(hf，3-30mhz)，波长为10-100m，具有观测范围大、探测距离远、抗干扰能力强、反隐身性强、低成本等优点，在世界各国的军事领域具有重要的应用价值。短波超视距雷达中，雷达发射站与雷达接收站分置是一种常见的系统结构。例如，为了提升天波雷达定位精度和模式辨识而提出的接收机前置(fbrs)技术中，前置接收机与发射机通常相隔上百公里的距离。又如在天地波混合模式的探测中，发射机在内陆通过天波路径将电磁波照射到指定观测海域，而接收机则在建立在海岸上通过接收目标沿海表面传播的地波路径回波实现对目标的超视距探测。同样，利用第三方发射的电磁信号进行目标探测的短波外辐射源雷达也属于收发分置的系统结构。在收发分置的结构中，发射机所发射的信号会通过天波路径传播到接收机，构成直达波干扰，造成接收机端动态范围降低，距离多普勒谱中旁瓣升高，对目标检测造成困难。
3.在这类系统中，直达波抑制是雷达信号处理的关键技术之一。对此，有学者提出了时域直达波抑制方法，使用自适应滤波器来进行直达波抑制。widrow和hoff在维纳滤波的基础上提出了最小均方算法(leastmeansquare，lms)，这是实际中使用最为广泛的自适应滤波算法，该算法在平稳环境中具有很好的收敛性。最小均方算法的广泛应用可归结于它对信号统计属性的简单性和稳定性，但由于最小均方算法受到固定步长因子的限制，它的收敛速度和滤波性能互相矛盾。后人在此基础上还提出了归一化最小均方算法(normalizedleastmeansquare，nlms)进行直达波抑制。nlms算法主要是采用一个自适应滤波器，其原理是输入的参考信号通过一个滤波结构，自适应地估算回波信号中与参考信号相关的信号，从回波信号中去掉这部分信号，得到输出信号，并由该输出信号不断迭代更改自适应算法的权系数，得到最优解。有许多学者将自适应滤波器应用于直达波抑制处理，张超刚.外辐射源雷达中直达波和干扰信号的抑制[d].硕士学位论文，2010：19-27.使用了nlms滤波器对外辐射源雷达进行了直达波抑制。马力洪.外辐射源雷达直达波和多径干扰抑制算法研究[d].硕士学位论文，2016：49：52.使用了递归最小二乘(recursive least squares，rls)滤波器进行了直达波抑制。
[0004]
自适应滤波器用于对消的参考信号一般可以由两种方式得到，一种可以对直达波进行重构，然而对于短波回波信号经过电离层，直达波信号有较大幅度和相位畸变，重构的直达波并不具有正确的幅度和相位信息，因此直接使用重构后的信号进行直达波抑制，直达波抑制度较低。另一种方式是通过数字波束形成(digitalbeamforming，dbf)方法对直达
波信号进行增强，将波束指向直达波方向来得到直达波信号；这种方法所得到的参考信号中既包含直达波信号，也存在目标信号，直达波对消有可能导致目标回波削弱；同时，这种方法得到的直达波信号存在较大的幅度噪声和相位噪声，直达波对消过程中会抬高探测平面的噪底，带来信噪比损失。本发明针对上述不足，提出了基于改进的时域自适应滤波方法，利用时频分析技术对dbf所得到的直达波进行滤波，在参考信号中既保留了电离层的畸变信息，又尽可能的剔除了大气噪声和目标回波信息，大幅度提高了直达波抑制效果。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是为了解决现有方法对直达波抑制效果差的问题，而提出一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法。
[0006]
一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法具体过程为：
[0007]
步骤一：雷达发射信号，信号经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波信号；
[0008]
步骤二：重构理想参考信号；
[0009]
步骤三：利用dbf从多通道回波信号中提取直达波；
[0010]
步骤四：对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号，记为s
ref
(n)；
[0011]
步骤五：将步骤四得到的时域参考信号s
ref
(n)作为自适应滤波器的参考信号，对回波信号进行直达波抑制，得到直达波抑制后的回波信号。
[0012]
本发明的有益效果为：
[0013]
本发明的目的是通过对直达波信号的准确重构，提升短波收发分置雷达系统直达波的抑制效果。
[0014]
本发明所述的改进的时域自适应滤波器对收发分置的短波超视距雷达直达波抑制提供了一种更为有效的抑制方法。在原有的自适应滤波器基础上，通过运用短时傅里叶变换技术，得到了一种更为准确的自适应滤波器的参考信号。该参考信号既保留了直达波的幅度信息，又避免了较大幅度噪声和相位噪声的存在，更好地还原了直达波信息，改进了传统方法中直达波抑制效果。
附图说明
[0015]
图1是发明的总体流程图；
[0016]
图2是时域自适应滤波器示意图；
[0017]
图3a是重构的直达波信号s
lfm
(n)图；
[0018]
图3b是仿真目标信号s
tar
(n)图；
[0019]
图3c是加了仿真目标信号后回波的rd谱图；
[0020]
图4是直达波信号s
dir
(n)图；
[0021]
图5a是重构直达波信号s
lfm
(n)的短时傅里叶变换图；
[0022]
图5b是滤波模板图；
[0023]
图5c是直达波信号s
dir
(n)的短时傅里叶变换图；
[0024]
图5d是滤波结果图；
[0025]
图5e是滤波结果的短时傅里叶反变换s
ref
(n)图；
[0026]
图6a是s
lfm
(n)作为参考信号直达波抑制后rd谱图；
[0027]
图6b是s
ref
(n)作为参考信号直达波抑制后rd谱图；
[0028]
图6c是直达波抑制前后距离维剖面图谱；
[0029]
图6d是直达波抑制前后直达波处多普勒维剖面图谱。
具体实施方式
[0030]
具体实施方式一：本实施方式一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法具体过程为：
[0031]
步骤一：雷达发射信号，信号经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波信号；
[0032]
步骤二：重构理想参考信号；
[0033]
步骤三：利用dbf从多通道回波信号中提取直达波；
[0034]
步骤四：对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换(short-time fourier transform,stft)，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号，记为s
ref
(n)；
[0035]
步骤五：将步骤四得到的时域参考信号s
ref
(n)作为自适应滤波器的参考信号，对回波信号进行直达波抑制，得到直达波抑制后的回波信号。
[0036]
自适应滤波器可采用多种方法，例如lms类或rls类滤波器。当使用nlms算法时，具体方法如下：令e(n)表示经过直达波抑制处理后输出的监测信号，可表示为
[0037]
e(n)＝s
surv
(n)-whs
ref
(n)
[0038]
式中，s
ref
(n)＝[s
ref
(n),s
ref
(n-1),
…
,s
ref
(n-m-1)]
t
为参考信号集，s
surv
(n)为监测信号集，权系数为w＝[w0,w1,
…
,w
m-1
]
t
。nlms基于归一化最小均方误差，迭代求解得到权系数：
[0039][0040]
式中，为第n时刻的迭代步长。
[0041]
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤二中重构理想参考信号；具体过程为：
[0042]
步骤二一：根据信号参数生成理想的lfm信号；
[0043]
步骤二二：将理想的lfm信号与回波信号中直达波分量进行距离对齐，对得到的距离对齐后结果进行多普勒对齐，得到重构的理想参考信号，记为s
lfm
(n)。
[0044]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0045]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二一中
根据信号参数生成理想的lfm信号；具体过程为：
[0046]
理想的lfm信号一个周期内的复数表达式：
[0047]
s(t)＝aexp[j(2πft+πkt2)],-t/2≤t≤t/2
[0048]
式中，a代表信号幅度；f为信号中心频率；k为信号调频斜率；t为脉冲重复周期；j为虚数单位，j2＝-1。
[0049]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0050]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中利用dbf从多通道回波信号中提取直达波；具体过程为：
[0051]
对多通道的回波进行波束形成，波束指向直达波方向得到直达波信号，记为s
dir
(n)。
[0052]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0053]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤四中对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换stft，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号，记为s
ref
(n)；具体过程为：
[0054]
步骤四一：对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换stft，生成滤波模板；具体过程为：
[0055]
使用窗函数截断s
lfm
(n)，对截下来的局部信号进行傅里叶变换，移动窗函数使得每段局部信号有一半的重叠，即可得到不同时刻的傅里叶变换，这些不同时刻的傅里叶变换的集合即为s
lfm
(n)的短时傅里叶变换，设置门限，将s
lfm
(n)的短时傅里叶变换中大于门限置1，其余置0；生成滤波模板；
[0056]
步骤四二：对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换stft，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果；
[0057]
步骤四三：将步骤四二得到的滤波结果进行短时傅里叶反变换，得到更为准确的时域参考信号s
ref
(n)。
[0058]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0059]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四二中对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换stft，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果；具体过程为：
[0060]
使用窗函数去截断s
dir
(n)，对截下来的局部信号进行傅里叶变换，移动窗函数使得每段局部信号有一半的重叠，即可得到不同时刻的傅里叶变换，这些傅里叶变换的集合即为s
dir
(n)的短时傅里叶变换；
[0061]
将s
dir
(n)的短时傅里叶变换与步骤四一生成的滤波模板按位置相乘得到滤波结果。
[0062]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0063]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤四三中将步骤四二得到的滤波结果进行短时傅里叶反变换，得到更为准确的时域参考信号s
ref
(n)；具体过程为：
[0064]
步骤四三一：将步骤四二得到的滤波结果的矩阵每一个局部(每一列)信号进行傅里叶反变换；
[0065]
步骤四三二：对傅里叶反变换的结果去掉窗函数；
[0066]
所述窗函数为步骤四一进行stft时所加的窗函数；
[0067]
步骤四三三：将去掉窗函数后的傅里叶反变换的结果中处于相重叠部分的点取平均后重新排列，即可得到数据长度与直达波信号s
dir
(n)相同的时域参考信号s
ref
(n)。
[0068]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0069]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0070]
实施例一：
[0071]
结合图1说明本实施例，一种改进的收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法的具体按照以下步骤实施，时域自适应滤波器见图2。
[0072]
本实施例一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法具体是按照以下步骤实施的：
[0073]
在实测数据中加入仿真目标，实测数据的主要系统参数如表1所示，仿真目标的主要参数如表2所示：
[0074]
表1短波超视距雷达系统参数
[0075][0076]
表2仿真目标参数设置
[0077][0078]
步骤一：根据系统发射信号参数仿真出理想的线性调频信号，再将线性调频信号与回波信号做相关进行距离对齐；再绘制回波信号的rd谱，得到直达波信号的多普勒频率，利用该多普勒信息将线性调频信号与回波信号进行多普勒对齐，得到重构的直达波信号s
lfm
(n)，如图3a为s
lfm
(n)的一个调频周期，再利用s
lfm
(n)得到仿真目标s
tar
(n)，如图3b为s
tar
(n)的一个调频周期，图3c为加了仿真目标信号后回波的rd谱；
[0079]
步骤二：从回波信号中提取直达波；对探测通道的回波进行波束形成，波束指向直达波方向得到直达波信号，记为s
dir
(n)如图4所示。
[0080]
步骤三：通过短时傅里叶变换得到更准确的参考信号；基于步骤一中得到的重构理想信号s
lfm
(n)，对步骤一中得到的重构理想信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换，如图5a所示，设置门限，将该结果超出门限置1，其余置0生成滤波模板如图5b所示，再对步骤二中得到的直达波信号s
dir
(n)进行stft如图5c所示，该结果与滤波模板按位置相乘得到滤波结果如图5d所示，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域信号，记为s
ref
(n)如图5e。
[0081]
步骤四：将步骤一中的重构直达波信号s
lfm
(n)作为自适应滤波器的参考信号进行
直达波抑制处理，绘制rd谱如图6a所示；将步骤三得到的时域信号s
ref
(n)作为自适应滤波器的参考信号，进行直达波抑制处理绘制rd谱如图6b所示；比较二者的抑制效果如图6c，6d。
[0082]
表3直达波抑制结果
[0083][0084]
表4目标信噪比改善
[0085][0086]
仿真结果证明：
[0087]
观察图5e可知，经过短时傅里叶变换进行滤波后，自适应滤波器的参考信号既保留了直达波的幅度信息，同时又避免了较大幅度噪声和相位噪声，更好地还原了直达波信息，为后续直达波抑制得到更好的效果奠定基础。
[0088]
对比图3c、6a、6b可知，在第1000距离单元，281多普勒单元处，直达波抑制前图3c并不能看到目标，传统直达波抑制后图6a也不能看到目标，而本发明所提的改进后的抑制结果图6b可以看到目标明显显露出来。
[0089]
观察图6c、6d，经计算，两种方法的直达波抑制结果如表3所示，目标信噪比改善如表4所示。传统直达波抑制算法抑制度为32.8975db，而经过短时傅里叶变换改进后的直达波抑制度达到53.3576db，比传统直达波算法多抑制20.4601db。根据图6c可知，在0-150距离单元内，本发明所用方法对直达波有更好的抑制效果，大幅度改善了直达波信噪比，同时在600-1100所感兴趣的距离单元区域内，仿真目标明显显露出来，可以证明本方法的有效性。
[0090]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一：雷达发射信号，信号经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波信号；步骤二：重构理想参考信号；步骤三：利用dbf从多通道回波信号中提取直达波；步骤四：对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号，记为s
ref
(n)；步骤五：将步骤四得到的时域参考信号s
ref
(n)作为自适应滤波器的参考信号，对回波信号进行直达波抑制，得到直达波抑制后的回波信号。2.根据权利要求1所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤二中重构理想参考信号；具体过程为：步骤二一：根据信号参数生成理想的lfm信号；步骤二二：将理想的lfm信号与回波信号中直达波分量进行距离对齐，对得到的距离对齐后结果进行多普勒对齐，得到重构的理想参考信号，记为s
lfm
(n)。3.根据权利要求2所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤二一中根据信号参数生成理想的lfm信号；具体过程为：理想的lfm信号一个周期内的复数表达式：s(t)＝aexp[j(2πft+πkt2)],-t/2≤t≤t/2式中，a代表信号幅度；f为信号中心频率；k为信号调频斜率；t为脉冲重复周期；j为虚数单位，j2＝-1。4.根据权利要求3所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤三中利用dbf从多通道回波信号中提取直达波；具体过程为：对多通道的回波进行波束形成，波束指向直达波方向得到直达波信号，记为s
dir
(n)。5.根据权利要求4所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤四中对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号，记为s
ref
(n)；具体过程为：步骤四一：对步骤二中得到的重构理想参考信号s
lfm
(n)进行短时傅里叶变换，生成滤波模板；具体过程为：使用窗函数截断s
lfm
(n)，对截下来的局部信号进行傅里叶变换，移动窗函数使得每段局部信号有一半的重叠，即可得到不同时刻的傅里叶变换，这些不同时刻的傅里叶变换的集合即为s
lfm
(n)的短时傅里叶变换，设置门限，将s
lfm
(n)的短时傅里叶变换中大于门限置1，其余置0；生成滤波模板；步骤四二：对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果；步骤四三：将步骤四二得到的滤波结果进行短时傅里叶反变换，得到时域参考信号s
ref
(n)。
6.根据权利要求5所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤四二中对步骤三中得到的直达波信号s
dir
(n)进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果；具体过程为：使用窗函数去截断s
dir
(n)，对截下来的局部信号进行傅里叶变换，移动窗函数使得每段局部信号有一半的重叠，即可得到不同时刻的傅里叶变换，这些傅里叶变换的集合即为s
dir
(n)的短时傅里叶变换；将s
dir
(n)的短时傅里叶变换与步骤四一生成的滤波模板按位置相乘得到滤波结果。7.根据权利要求6所述一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，其特征在于：所述步骤四三中将步骤四二得到的滤波结果进行短时傅里叶反变换，得到时域参考信号s
ref
(n)；具体过程为：步骤四三一：将步骤四二得到的滤波结果的矩阵每一个局部信号进行傅里叶反变换；步骤四三二：对傅里叶反变换的结果去掉窗函数；所述窗函数为步骤四一进行stft时所加的窗函数；步骤四三三：将去掉窗函数后的傅里叶反变换的结果中处于相重叠部分的点取平均后重新排列，即可得到数据长度与直达波信号s
dir
(n)相同的时域参考信号s
ref
(n)。

技术总结
一种收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法，本发明涉及收发分置短波超视距雷达时域直达波抑制方法。本发明的目的是为了解决现有方法对直达波抑制效果差的问题。过程为：一：得到回波信号；二：重构理想参考信号；三：利用DBF从多通道回波信号中提取直达波；四：对重构理想参考信号进行短时傅里叶变换形成滤波模板，再对直达波信号进行短时傅里叶变换，采用滤波模板进行滤波，得到滤波结果，对滤波结果进行短时傅里叶反变换重构得到时域参考信号；五：将得到的时域参考信号作为自适应滤波器的参考信号，对回波信号进行直达波抑制，得到直达波抑制后的回波信号。本发明用于短波超视距雷达信号处理领域。视距雷达信号处理领域。视距雷达信号处理领域。


技术研发人员：耿钧 郭依佳 李浩然
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8