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CN111007475B - 一种lte外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法 - Google Patents

一种lte外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法 Download PDF

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CN111007475B CN201911267625.3A CN201911267625A CN111007475B CN 111007475 B CN111007475 B CN 111007475B CN 201911267625 A CN201911267625 A CN 201911267625A CN 111007475 B CN111007475 B CN 111007475B
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Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，获取回波信号和参考信号；利用参考信号通过扩展相消算法对回波信号进行抑制得到目标反射回波信号；对参考信号进行解调操作得到标准参考信号；根据参考信号和标准参考信号得到正则化最小二乘模型，并对正则化最小二乘模型进行求解得到参考信号的模糊修正因子；根据模糊修正因子对原始参考信号进行修正得到修正后参考信号；对修正后参考信号与目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果。具有提高雷达性能、模糊副峰抑制性好以及较强的自适应性和鲁棒性的有益效果。

Description

一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法。
背景技术
外辐射源雷达是一种自身不主动发射电磁波信号，主要依靠目标反射环境中已有的第三方非合作照射源信号对感兴趣目标进行探测、定位及跟踪的雷达系统。相比较于传统雷达，具有抗敌方干扰，反隐身，体积小、成本低及辐射源信号种类丰富、分布广泛的优点。目前，能用于充当照射源的信号包括调频广播信号、模拟/数字电视信号、卫星信号、Long-term evolution(LTE，长期演进)信号。其中，LTE信号因其覆盖区域广和分辨精度高受到了广泛关注。
LTE信号是一种在全球范围内广泛分布的无线数据通信信号，具有灵活的带宽配置和很高发射频率，其最大频谱为20M，作为外辐射源信号不仅会提高雷达的距离分辨率，同时覆盖范围也会得到增强。此外，LTE采用了正交频分复用技术(orthogonal frequencydivision multiplexing，OFDM)，能够有效抑制和消除频率的选择性衰落，提高信号的频谱利用率。LTE信号协议依据3GPP国际通信标准制定，有着特定的帧结构、详细的物理下行控制信道信息和物理信号信息。一个LTE物理层信号帧长度为10ms，每个信号帧包含10个子帧，每个子帧又由两个时隙组成，每个时隙又可分为6/7个OFDM符号，分别对应扩展循环前缀和正常循环前缀模式，本发明讨论的是正常循环前缀的信号帧，即每个时隙包含7个OFDM符号。LTE信号每个子帧都由时-频资源网格描述。一个网格由用户数据、物理控制信道和物理信号三部分组成。用户信息承载用户通信的内容；控制信道携带接收端解析信号的信息，其中物理下行控制信道(physical downlink control channels，PDCCH)用来传输下行控制信息，承载移动台和基站之间的调度命令，位于每个子帧的第一个OFDM符号，即间隔1ms周期性出现一次；物理信号包括同步信号和特定小区参考信号(cell-specificreference，CSR)，同步信号用来实现不同帧之间的同步，间隔5ms周期出现，CSR信号用来实现接收端的信道估计，间隔0.5ms周期出现。LTE信号的特定帧结构信息，主要是PDCCH和CSR信号的周期性，会在其模糊函数的频域位置引起一系列模糊副峰，使得模糊函数形状不是图钉状。
外辐射源雷达通过对参考天线接收的直达波和阵列天线接收的目标回波信号进行距离-多普勒二维相参积累来检测目标的距离和多普勒信息，LTE信号模糊函数的频域副峰将产生虚警和或导致漏警，影响探测性能。由于模糊副峰是LTE信号在发射前的固有特性，并不受外辐射源雷达设计者控制，因此只能在接收端对LTE信号进行预处理，抑制副峰对目标检测的影响。目前，LTE频域模糊副峰的抑制方法主要有两种，其一，归一化CSR和PDCCH；通过对LTE信号中PDCCH和CSR信号能量进行归一化，从而抑制副峰的产生。该方法性能较差，仅能消除模糊副峰的小部分能量。其二，重构物理信号CSR和物理信道信息PDCCH，首先利用原始LTE信号的模糊函数特性，计算失配因子；然后将失配因子补偿到原始LTE信号，修正CSR和PDCCH信息；最后利用修正后的信号与回波信号进行相参积累，该方法需要进行一次自模糊函数的计算，运算量大，不利于实现。
综上所述，上述现有方法不能有效抑制LTE信号作为外辐射源雷达照射源所产生的频域模糊副峰，减小目标检测的虚警和漏警概率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种+主题名称。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，包括：
获取回波信号和参考信号；
利用所述参考信号通过扩展相消算法对回波信号进行抑制得到目标反射回波信号；
对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号；
根据所述参考信号和所述标准参考信号得到正则化最小二乘模型，并对所述正则化最小二乘模型进行求解得到参考信号的模糊修正因子；
根据所述模糊修正因子对所述原始参考信号进行修正得到修正后参考信号；
对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果。
在本发明的一个实施例中，利用所述参考信号通过扩展相消算法对回波信号进行抑制得到目标反射回波信号，包括：
根据所述参考信号得到若干参考信号的不同时延信号；
根据所述参考信号和所述若干参考信号的不同时延信号构建杂波正交子空间；
将所述回波信号投影到所述杂波正交子空间中并求解得到投影系数；
根据所述回波信号、所述杂波正交子空间和所述投影系数得到目标反射回波信号。
在本发明的一个实施例中，所述杂波正交子空间表达式为：
Figure BDA0002313307800000041
其中，N为直达波信号的数据长度，D为杂波对消阶数，矩阵的第一列表示直达波信号，第二列表示时延单元为一的多径信号，第D列表示时延单元为D的多径信号。
在本发明的一个实施例中，所述投影系数为：
W＝(VH*V)-1VHSe
其中，VH为矩阵V的共轭转置，(VH*V)-1为对矩阵乘积结果求逆。
在本发明的一个实施例中，对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号，包括：
根据LTE信号的无线通信标准协议对所述参考信号进行解调得到PDCCH信号信息RPDCCH和CSR信号信息RCSR；
将所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述实时CSR信号信息RCSR的能量增益设为1并消除所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述实时CSR信号信息RCSR对模糊副峰能量积累的贡献；
将所述能量增益设为1的PDCCH信号信息RPDCCH和所述CSR信号信息RCSR加入参考信号得到新参考信号，并按照标准协议进行复调制，得到不存在模糊的标准参考信号。
在本发明的一个实施例中，根据所述参考信号和所述标准参考信号得到正则化最小二乘模型，并对所述正则化最小二乘模型进行求解得到参考信号的模糊修正因子，包括：
根据所述参考信号和所述标准参考信号得到最小二乘模型；
在所述最小二乘模型中加入正则项得到正则化最小二乘模型；
对所述正则化最小二乘模型进行求解得到模糊修正因子。
在本发明的一个实施例中，对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果，包括：
将所述目标反射回波信号与修正后参考信号的共轭进行点乘得到距离维相关处理后的复矢量信号；
对所述复矢量信号进行多普勒维相关积累得到目标检测结果。
本发明的有益效果：
1.本发明通过对原始参考信号进行预处理，能够抑制LTE模糊函数的频域模糊副峰对目标检测过程中产生虚警和漏警的影响，在将模糊副峰抑制到噪底以下的同时，目标的能量损失也很小，在1.7dB以内，很好的提高了雷达的探测性能；
2.本发明利用正则化最小二乘法来求解原始参考信号的模糊修正因子，通过加入正则项来约束修正因子的规模，防止出现修正因子过大引起过抑制的问题，使得最小二乘解达到最优，即更好的抑制模糊副峰；
3.本发明中原始参考信号是通过参考天线从外界环境中实时获取，预处理后作为模型的输入参数求解模糊修正因子，因此修正因子的值是实时变化的，可以抑制不同程度的模糊副峰，具有较强的自适应性和鲁棒性。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中LTE外辐射源雷达双基地配置示意图；
图3是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中利用传统方法进行相参积累的参考信号Ro的模糊函数示意图；
图4是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中利用传统方法的检测结果；
图5是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的修正后参考信号的模糊函数示意图；
图6是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的检测结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的流程示意图，包括：
获取回波信号和参考信号；
利用所述参考信号通过扩展相消算法对回波信号进行抑制得到目标反射回波信号；
对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号；
根据所述参考信号和所述标准参考信号得到正则化最小二乘模型，并对所述正则化最小二乘模型进行求解得到参考信号的模糊修正因子；
根据所述模糊修正因子对所述原始参考信号进行修正得到修正后参考信号；
对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果。
具体的，LTE外辐射雷达接收到的信号包括阵列天线接收来自观测空域的回波信号Se和参考天线接收来自辐射源方向的参考信号Ro。阵列天线由M个阵元间距为半波长的均匀线阵组成，接收M路回波信号Se，其中每路回波信号Se包含来自发射台方向的强直达波、经多路径反射的多径干扰信号及噪声信号；参考天线由一根单独指向LTE基站发射台方向的窄波束天线构成，接收来自辐射源方向的参考信号Ro。
1.本发明通过对原始参考信号进行预处理，能够抑制LTE模糊函数的频域模糊副峰对目标检测过程中产生虚警和漏警的影响，在将模糊副峰抑制到噪底以下的同时，目标的能量损失也很小，在1.7dB以内，很好的提高了雷达的探测性能；
2.本发明利用正则化最小二乘法来求解原始参考信号的模糊修正因子，通过加入正则项来约束修正因子的规模，防止出现修正因子过大引起过抑制的问题，使得最小二乘解达到最优，即更好的抑制模糊副峰；
3.本发明中原始参考信号是通过参考天线从外界环境中实时获取，预处理后作为模型的输入参数求解模糊修正因子，因此修正因子的值是实时变化的，可以抑制不同程度的模糊副峰，具有较强的自适应性和鲁棒性。
在本发明的一个实施例中，利用所述参考信号通过扩展相消算法对回波信号进行抑制得到目标反射回波信号，包括：
根据所述参考信号得到若干参考信号的不同时延信号；
根据所述参考信号和所述若干参考信号的不同时延信号构建杂波正交子空间；
将所述回波信号投影到所述杂波正交子空间中并求解得到投影系数；
根据所述回波信号、所述杂波正交子空间和所述投影系数得到目标反射回波信号。
具体的，由于外辐射源雷达阵列天线除接收目标回波信号外，还会不可避免的接收到来自发射站方向的强直达波信号和经过不同障碍物反射的多路径干扰信号，通常情况下目标回波信号能量远低于直达波和多径干扰信号，因此必须对阵列天线接收的直达波和多路径干扰信号进行消除。通过将回波信号Se投影到由直达波信号Ro及其时延构成的正交子空间V中，回波信号Se中包含的杂波信号在该正交子空间V会存在一组不全为零的投影系数，它代表了不同时延杂波信号的权重，求解这组不全为零的投影系数就可以将回波信号中存在的杂波对消掉，得到感兴趣目标反射的回波信号St。
还需要说明的是目标反射回波信号St表达式为：
St＝Se-V*W。
在本发明的一个实施例中，所述杂波正交子空间表达式为：
Figure BDA0002313307800000081
其中，N为直达波信号的数据长度，D为杂波对消阶数，矩阵的第一列表示直达波信号，第二列表示时延单元为一的多径信号，第D列表示时延单元为D的多径信号。
在本发明的一个实施例中，所述投影系数为：
W＝(VH*V)-1VHSe
其中，VH为矩阵V的共轭转置，(VH*V)-1为对矩阵乘积结果求逆。
在本发明的一个实施例中，对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号，包括：
根据LTE信号的无线通信标准协议对所述参考信号进行解调得到PDCCH信号信息RPDCCH和CSR信号信息RCSR；
具体的，依据LTE信号的无线通信标准协议对参考信号Ro进行解调，根据在无线帧中各信号分量存放的位置分别获得PDCCH和CSR信号信息RPDCCH、RCSR。
将所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述实时CSR信号信息RCSR的能量增益设为1并消除所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述实时CSR信号信息RCSR对模糊副峰能量积累的贡献；
具体的，能量设置为1具体为：
E[|RPDCCH|2]＝1,E[|RCSR|2]＝1。
将所述能量增益设为1的PDCCH信号信息RPDCCH和所述CSR信号信息RCSR加入参考信号得到新参考信号，并按照标准协议进行复调制，得到不存在模糊的标准参考信号。
具体的，标准参考信号的PDCCH和CSR信号能量增益为1，其自模糊函数不存在模糊副峰
具体的，由于LTE信号包含的PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)信号和CSR(clutter-to-signal ratios，信号比率)信号分量的特定帧结构信息，具体包括(1)位置信息，分别间隔一个子帧周期和间隔一个时隙周期出现；(2)能量信息，能量增益均不为1，E[|RPDCCH|2]≠1,E[|RCSR|2]≠1，参考信号Ro的模糊函数在频域会出现一系列模糊副峰，通过对PDCCH和CSR信号信息进行修改，消除模糊副峰的影响。
在本发明的一个实施例中，根据所述参考信号和所述标准参考信号得到正则化最小二乘模型，并对所述正则化最小二乘模型进行求解得到参考信号的模糊修正因子，包括：
根据所述参考信号和所述标准参考信号得到最小二乘模型；
具体的，令Ru和Ro之间的差异最小，u为Ro的模糊修正因子，即PDCCH和CSR信号在Ro中引起模糊副峰所占的权重：
Figure BDA0002313307800000101
在所述最小二乘模型中加入正则项得到正则化最小二乘模型；
具体的，加入模糊修正因子后的正则化最小二乘模型为：
Figure BDA0002313307800000102
其中，λ是一个常数，用来约束修正因子的规模。
对所述正则化最小二乘模型进行求解得到模糊修正因子。
具体的，将正则化最小二乘模型当做一个Tikhonov(吉洪诺夫)正则化问题求解得到一个二次优化问题：
Figure BDA0002313307800000103
求解上式即可得到模糊修正因子u：
u＝(Ru TRu+λI)-1Ru TRo。
具体的，标准参考信号Ru不存在模糊特性，其模糊函数是一个较理想的类图钉形状，因此可将Ru作为一个模板对原始参考信号Ro的模糊特性进行估计，得到PDCCH和CSR信号在Ro中引起模糊副峰所占的权重。
具体的，得到模糊修正因子后，按照PDCCH和CSR信号在原始参考信号Ro中的特定位置将其幅度分别设置原来的1/u2，消除其对模糊副峰产生的能量贡献，得到修正后参考信号Rc：
Rc＝RPDCCH,CSR/u2。
在本发明的一个实施例中，对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果，包括：
将所述目标反射回波信号与修正后参考信号的共轭进行点乘得到距离维相关处理后的复矢量信号；
具体的，修正后参考信号的共轭为Rc *[n-τ]，复矢量信号为
Figure BDA0002313307800000111
其中，τ为运动目标的距离，N为目标反射回波信号的长度
对所述复矢量信号进行多普勒维相关积累得到目标检测结果。
具体的，真实目标的检测结果表达式为：
Figure BDA0002313307800000112
n＝1,2,…,N，其中，fd为运动目标的多普勒频移。
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：
1.本发明实验的条件：
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中LTE外辐射源雷达双基地配置示意图，本发明试验中LTE基站的发射频率为2.5GHz，带宽20MHz，采样率为27MHz，积累时间为0.1s，目标回波的仿真参数如目标回波的仿真参数表所示，以下分别采用传统相参积累方法和本发明的方法对目标的检测性能进行评估。
目标回波的仿真参数表
Figure BDA0002313307800000121
2.本发明实验的结果分析
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中利用传统方法进行相参积累的参考信号Ro的模糊函数示意图，从图中可以看出，在主峰附近出现由PDCCH和CSR信号引起的周期性模糊副峰，间隔为1kHz，其中最小峰值为-22dB，最大达到17dB，这必将目标检测的虚警和漏警概率，影响目标的检测性能。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法仿真实验中利用传统方法的检测结果，从图中可以看出目标1和目标2的周围出现一系列的模糊副峰，在目标检测过程中会被当做真实目标处理，从而引起虚警；同时，目标2的能量较小，其主峰淹没在目标1的副峰当中，不能被有效检测，从而导致漏警。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的修正后参考信号的模糊函数示意图，从图中可以看出由PDCCH和CSR信号引起的不同幅度的模糊副峰均被抑制到-40dB以下，这意味着真实目标的副峰不会产生虚警以及弱小目标的主瓣也不会被强目标的副峰淹没。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法的检测结果示意图，从图中可以看出，由模糊副峰引起的虚假目标已被移除，同时弱目标的主峰也可以有效检测，这表明本发明方法可以有效抑制的LTE信号的模糊副峰，提高目标的检测性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，其特征在于，包括：
获取回波信号和参考信号；
根据所述参考信号得到若干参考信号的不同时延信号；
根据所述参考信号和所述若干参考信号的不同时延信号构建杂波正交子空间；
将所述回波信号投影到所述杂波正交子空间中并求解得到投影系数；
根据所述回波信号、所述杂波正交子空间和所述投影系数得到目标反射回波信号；
对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号；
根据所述参考信号和所述标准参考信号得到最小二乘模型；
在所述最小二乘模型中加入正则项得到正则化最小二乘模型；
对所述正则化最小二乘模型进行求解得到模糊修正因子；
根据所述模糊修正因子对所述参考信号进行修正得到修正后参考信号；
对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果。
2.根据权利要求1所述的LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，其特征在于，所述杂波正交子空间表达式为：
Figure FDA0004048843530000011
其中，N为直达波信号的数据长度，D为杂波对消阶数，矩阵的第一列表示直达波信号，第二列表示时延单元为一的多径信号，第D列表示时延单元为D的多径信号。
3.根据权利要求2所述的LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，其特征在于，所述投影系数为：
W＝(VH*V)-1VHSe
其中，VH为矩阵V的共轭转置，(VH*V)-1为对矩阵乘积结果求逆。
4.根据权利要求1所述的LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，其特征在于，对所述参考信号进行解调操作得到标准参考信号，包括：
根据LTE信号的无线通信标准协议对所述参考信号进行解调得到PDCCH信号信息RPDCCH和CSR信号信息RCSR；
将所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述CSR信号信息RCSR的能量增益设为1并消除所述PDCCH信号信息RPDCCH和所述CSR信号信息RCSR对模糊副峰能量积累的贡献；
将所述能量增益设为1的PDCCH信号信息RPDCCH和所述CSR信号信息RCSR加入参考信号得到新参考信号，并按照标准协议进行复调制，得到不存在模糊的标准参考信号。
5.根据权利要求1所述的LTE外辐射源雷达频域模糊副峰抑制方法，其特征在于，对所述修正后参考信号与所述目标反射回波信号进行相参处理，得到不存在虚假峰的目标检测结果，包括：
将所述目标反射回波信号与修正后参考信号的共轭进行点乘得到距离维相关处理后的复矢量信号；
对所述复矢量信号进行多普勒维相关积累得到目标检测结果。
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