脉内非均匀大频偏信号波形设计方法与装置

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，更具体地，涉及一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法与装置。


背景技术：

2.机载预警雷达具有机动性强，监测范围广，受地形遮蔽小的优点，因此广泛应用于军事和民用监管领域。空时自适应处理(space-time adaptive processing，stap)是机载雷达在复杂电磁环境中提取目标信号的主要方法。但是随着电子对抗技术的发展，机载预警雷达面临着各种有意和无意的干扰，当有意干扰来自雷达主瓣时，干扰和目标在空域和时域将无法区分，stap处理器的性能将严重下降。脉内多载频雷达在传统相控阵的基础上引入了载频维度，因此能够用于机载预警雷达抗距离模糊杂波和主瓣干扰。对于距离为的目标，多载频回波信号之间的相位差为。当多载频信号为均匀捷变时，为了使载频域频率在雷达最大探测范围内不发生周期性模糊，需要满足，此时将远小于基带信号带宽，通常将这种捷变方式称为小范围均匀捷变。在该条件下，接收信号的分离通常是利用多载频信号之间波形正交这一条件，但理想的正交波形并不存在。如果能够使载频域信号的频偏大于基带信号带宽，此时就能够利用信号频率的正交性对多载频信号进行分离。
3.当脉内均匀捷变频信号的频偏较大时，载频域方向图会出现与主波束相同高度的波瓣即为栅瓣，栅瓣的存在会造成载频域分辨模糊，进一步导致目标距离发生模糊。另外，在进行载频域波束形成处理时，栅瓣处的干扰信号也无法抑制。采用非均匀频偏的脉内多载频信号是解决上述问题的有效途径，但是如何设计有效的脉内非均匀频偏信号是机载雷达领域的难题之一。
4.因此，急需发明脉内非均匀频偏多载频信号设计方法，以解决均匀大频偏情况下发生的载频域周期性模糊问题。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，用以克服现有技术中存在的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，包括如下步骤，步骤1：机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号，并接收目标回波信号；步骤2：对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，建立回波信号的载频域导向矢量；步骤3：根据步骤2回波信号的载频域导向矢量，构造载频域静态方向图的表达式，进一步确定优化目标函数；
步骤4：根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，设计适应度函数优化模型；步骤5：利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，得到适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；其中，设定所述机载预警雷达天线为个阵元构成的均匀线阵，阵元间距为，一个cpi内包含个脉冲，每个脉冲为个不同载频信号的叠加，第个信号的载频为，且，为单个基带信号带宽，这种频偏大于带宽的信号称为大频偏信号。
7.进一步地，所述步骤1中机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号表示为(1)其中为lfm信号的基带波形，为lfm信号的脉冲宽度；对于距离为的远场点目标，雷达接收目标回波信号表示为(2)其中为目标回波的复幅度，为多载频信号的传播延时，为光速，表示虚数单位。
8.进一步地，对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，得到第个信号表示为(3)其中，为经过匹配滤波后的回波复幅度，表示虚数单位；根据式(3)建立回波信号的载频域导向矢量为(4)对匹配滤波后的接收数据进行重新排列，得到包含目标和噪声的接收信号为(5)其中为噪声信号。
9.进一步地，在所述步骤3中，载频域静态方向图的表达式为(6)其中为静态权矢量，为预设目标的距离，上标h表示共轭转置操作；
进一步确定优化目标函数，具体包括，方向图最大旁瓣电平msll的计算公式表示为(7)其中s表示方向图的旁瓣区域，当静态方向图主瓣宽度为时，则，且，为雷达最大探测距离，表示取绝对值操作，表示方向图第一零点与主瓣之间的距离差。
10.进一步地，在所述步骤4中，根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，具体包括，设脉内多载频信号的总带宽为，则(8)设计适应度函数优化模型如下(9)其中，适应度函数优化模型第一行表示目标函数，第二、三行表示约束条件；s.t.是subject to的缩写，表示约束条件。
11.进一步地，在所述步骤5中，利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，具体包含以下分步骤：5.1、设脉内第个信号的载频表示为，则得到(10)其中为脉内相邻信号最小载频差，取为单个信号带宽，即，此时表示在均匀频偏的基础上加入的频率偏移量；为满足，必须有(11)结合式(8)、式(10)和式(11)得(12)；5.2、对步骤5.1中的个体基因进行初始化并按照从小到大的顺序排序，然后根据式(10)将其变换成载频种群；
5.3、计算种群的适应度函数值，得到适应度函数值最小的个体，并将其确定为当前的最优个体；5.4、判断当前最优个体是否满足终止条件，如果满足，则输出优化结果，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；如果不满足，则对个体基因进行选择、交叉、变异的遗传操作，然后返回步骤5.2，如此循环，求出当前迭代的适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点。
12.进一步地，所述步骤1中脉内多载频信号包括:脉内同时多载频，或脉内连续多载频；所述步骤1中脉内多载频信号中的单个信号型式包括：lfm信号，非线性调频信号，或相位编码信号。
13.进一步地，所述步骤2中的优化算法包括：遗传算法，粒子群算法，或者凸优化算法。
14.进一步地，所述雷达平台包括地基、空基、天基。
15.按照本发明的另一方面，还提供了一种脉内非均匀大频偏信号波形设计装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，首先建立机载预警雷达脉内非均匀大频偏信号回波模型，确定回波信号的载频域导向矢量；然后建立载频域静态方向图，进一步确定优化目标函数；接着根据优化目标函数及其他约束条件，设计遗传算法的适应度函数；最后利用遗传算法求解适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点。
17.进一步地，本发明通过脉内非均匀频偏信号的发射方式，可实现多载频信号之间的频率正交，以及对目标信号实现载频域相参积累；进一步地，本发明通过脉内非均匀频偏信号的发射方式，可有效解决均匀大频偏情况下发生的载频域周期性模糊问题；进一步地，本发明利用遗传算法对非均匀信号频点进行设计，可有效降低载频域波束形成的栅瓣，从而在载频域相参积累时降低旁瓣干扰的影响。
附图说明
18.图1（a）为脉内多载频信号的信号形式；图1（b）为脉内多载频信号的时频谱图；图2为本发明所述一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法的流程示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
20.请参阅图1（a），本发明提供的脉内多载频信号在每个脉冲内将p个lfm信号进行叠加；本发明提供的脉内多载频信号的频谱如图1（b）所示，p个信号的频带不重叠，并且载频
非均匀捷变；本发明脉内非均匀大频偏信号波形设计方法的流程示意图如图2所示，包括如下步骤：步骤1：机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号，并接收目标回波信号；设定所述机载预警雷达天线为个阵元构成的均匀线阵，阵元间距为，一个cpi内包含个脉冲，每个脉冲为个不同载频信号的叠加，第个信号的载频为，且，为单个信号带宽，本发明将这种频偏大于带宽的信号称为大频偏信号，所述步骤1中机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号表示为(1)其中为lfm信号的基带波形，为lfm信号的脉冲宽度；对于距离为的远场点目标，雷达接收目标回波信号表示为(2)其中为目标回波的复幅度，为多载频信号的传播延时，为光速，表示虚数单位。
21.步骤2：对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，建立回波信号的载频域导向矢量；具体地，对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，得到第个信号表示为(3)其中，为经过匹配滤波后的回波复幅度，表示虚数单位；根据式(3)建立回波信号的载频域导向矢量为(4)对匹配滤波后的接收数据进行重新排列，得到包含目标和噪声的接收信号为(5)其中为噪声信号。
22.步骤3：根据步骤2回波信号的载频域导向矢量，构造载频域静态方向图的表达式，进一步确定优化目标函数；具体地，载频域静态方向图的表达式为(6)
其中为静态权矢量，为预设目标的距离，上标h表示共轭转置操作；进一步确定优化目标函数，具体包括，方向图最大旁瓣电平msll的计算公式表示为(7)其中s表示方向图的旁瓣区域，当静态方向图主瓣宽度为时，则，且，为雷达最大探测距离，表示取绝对值操作，表示方向图第一零点与主瓣之间的距离差。
23.步骤4：根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，设计适应度函数优化模型；具体地，根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，具体包括，设脉内多载频信号的总带宽为，则(8)设计适应度函数优化模型如下(9)其中，适应度函数优化模型第一行表示目标函数，第二、三行表示约束条件；s.t.是subject to的缩写，表示约束条件。
24.步骤5：利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，得到适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；具体地，利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，具体包含以下分步骤：5.1、设脉内第个信号的载频表示为，则得到(10)其中为脉内相邻信号最小载频差，取为单个信号带宽，即，此时表示在均匀频偏的基础上加入的频率偏移量；为满足，必须有
(11)结合式(8)、式(10)和式(11)得(12)；5.2、对步骤5.1中的个体基因进行初始化并按照从小到大的顺序排序，然后根据式(10)将其变换成载频种群；5.3、计算种群的适应度函数值，得到适应度函数值最小的个体，并将其确定为当前的最优个体；5.4、判断当前最优个体是否满足终止条件，如果满足，则输出优化结果，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；如果不满足，则对个体基因进行选择、交叉、变异的遗传操作，然后返回步骤5.2，如此循环，求出当前迭代的适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点。
25.进一步地，所述步骤1中脉内多载频信号包括且不限于脉内同时多载频、脉内连续多载频等形式；所述步骤1中脉内多载频信号中的单个信号型式包括且不限于lfm信号、非线性调频信号、相位编码信号等；所述步骤2中的优化算法包括且不限于遗传算法、粒子群算法、凸优化算法等；本发明所适用的雷达平台包括但不限于地基、空基、天基等平台的雷达。
26.进一步地，本发明还提供了一种脉内非均匀大频偏信号波形设计装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法。
27.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号，并接收目标回波信号；步骤2：对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，建立回波信号的载频域导向矢量；步骤3：根据步骤2回波信号的载频域导向矢量，构造载频域静态方向图的表达式，进一步确定优化目标函数；步骤4：根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，设计适应度函数优化模型；步骤5：利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，得到适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；其中，设定所述机载预警雷达天线为个阵元构成的均匀线阵，阵元间距为，一个cpi内包含个脉冲，每个脉冲为个不同载频信号的叠加，第个信号的载频为，且，为单个信号带宽，将这种频偏大于带宽的信号称为大频偏信号。2.根据权利要求1所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤1中机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号表示为(1)其中为lfm信号的基带波形，为lfm信号的脉冲宽度；对于距离为的远场点目标，雷达接收目标回波信号表示为(2)其中为目标回波的复幅度，为多载频信号的传播延时，为光速，表示虚数单位。3.根据权利要求2所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤2中对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，得到第个信号表示为(3)其中，为经过匹配滤波后的回波复幅度，表示虚数单位；根据式(3)建立回波信号的载频域导向矢量为(4)对匹配滤波后的接收数据进行重新排列，得到包含目标和噪声的接收信号为(5)其中为噪声信号。4.根据权利要求3所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤
3中，载频域静态方向图的表达式为(6)其中为静态权矢量，为预设目标的距离，上标h表示共轭转置操作；进一步确定优化目标函数，具体包括，方向图最大旁瓣电平msll的计算公式表示为(7)其中s表示方向图的旁瓣区域，当静态方向图主瓣宽度为时，则，且，为雷达最大探测距离，表示取绝对值操作，表示方向图第一零点与主瓣之间的距离差。5.根据权利要求4所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤4中，根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，具体包括，设脉内多载频信号的总带宽为，则(8)设计适应度函数优化模型如下(9)其中，适应度函数优化模型第一行表示目标函数，第二、三行表示约束条件；s.t.是subject to的缩写，表示约束条件。6.根据权利要求5所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，在所述步骤5中，利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，具体包含以下分步骤：5.1、设脉内第个信号的载频表示为，则得到(10)其中为脉内相邻信号最小载频差，取为单个信号带宽，即，此时表示在均匀频偏的基础上加入的频率偏移量；
为满足，必须有(11)结合式(8)、式(10)和式(11)得(12)；5.2、对步骤5.1中的个体基因进行初始化并按照从小到大的顺序排序，然后根据式(10)将其变换成载频种群；5.3、计算种群的适应度函数值，得到适应度函数值最小的个体，并将其确定为当前的最优个体；5.4、判断当前最优个体是否满足终止条件，如果满足，则输出优化结果，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点；如果不满足，则对个体基因进行选择、交叉、变异的遗传操作，然后返回步骤5.2，如此循环，求出当前迭代的适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点。7.根据权利要求1或2所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤1中脉内多载频信号包括:脉内同时多载频，或脉内连续多载频；所述步骤1中脉内多载频信号中的单个信号型式包括：lfm信号，非线性调频信号，或相位编码信号。8.根据权利要求1或2所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述步骤2中的优化算法包括：遗传算法，粒子群算法，或者凸优化算法。9.根据权利要求1或2所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法，其特征在于，所述雷达平台包括地基、空基、天基。10.一种脉内非均匀大频偏信号波形设计装置，其特征在于：包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-9中任一项所述的脉内非均匀大频偏信号波形设计方法。

技术总结
本发明公开了一种脉内非均匀大频偏信号波形设计方法：步骤1：机载预警雷达发射脉内非均匀大频偏信号，并接收目标回波信号；步骤2：对所述目标回波信号进行混频和匹配滤波处理，建立回波信号的载频域导向矢量；步骤3：根据步骤2回波信号的载频域导向矢量，构造载频域静态方向图的表达式，进一步确定优化目标函数；步骤4：根据步骤3的优化目标函数及其他约束条件，设计适应度函数优化模型；步骤5：利用遗传算法对步骤4的适应度函数优化模型进行求解，得到适应度函数值最小的个体，将其作为脉内非均匀大频偏信号的频点。均匀大频偏信号的频点。均匀大频偏信号的频点。


技术研发人员：陈威 谢文冲 王永良 熊元燚 柳成荫
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军预警学院
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/8/24