一种基于JADE算法的FD...雷达智能抗主瓣转发干扰方法_杨朝鹏.pdf
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1、书书书雷达智能信号处理专题DOI:1016592/jcnki10047859202212006一种基于 JADE 算法的 FDA-MIMO 雷达智能抗主瓣转发干扰方法杨朝鹏*,王峰(河海大学 计算机与信息学院,南京 211100)摘要:针对传统的相控阵雷达及多输入多输出(MIMO)雷达在面对与目标角度相同、距离不同的主瓣转发式干扰时无法有效地区分目标与假目标的问题,以及多类型主瓣干扰同时存在的抗干扰难题,基于频率分集阵列(FDA)-MIMO 雷达,提出了一种基于矩阵联合近似对角化(JADE)盲源分离算法的智能抗干扰方法。首先对接收信号进行波束形成处理,然后将波束输出信号进行匹配滤波处理。根据频
2、率分集子频率受干扰的情况,自适应地选择干扰较弱的子频率,采用 JADE 算法将干扰与目标分离开来,实现智能抗干扰。为了加强对主瓣瞄频及切片等转发干扰的对抗效果,针对每个频率分集子频率,采用低通窄带滤波,滤除干扰。仿真实验表明:将基于智能子频选取策略的接收波束域 JADE 算法应用到 FDA-MIMO雷达可以实现良好的抗主瓣干扰效果。关键词:主瓣转发干扰;频率分集阵列雷达;盲源分离;矩阵联合近似对角化中图分类号:TN974文献标志码:A文章编号:10047859(2022)12004206引用格式:杨朝鹏,王峰 一种基于 JADE 算法的 FDA-MIMO 雷达智能抗主瓣转发干扰方法J 现代雷达
3、,2022,44(12):4247YANG Zhaopeng,WANG Feng An intelligent anti-main lobe repeat back jamming method for FDA-MIMO radar basedon JADE algorithm J Modern adar,2022,44(12):4247An Intelligent Anti-main Lobe epeat Back Jamming Method forFDA-MIMO adar Based on JADE AlgorithmYANG Zhaopeng*,WANG Feng(College o
4、f Computer and Information,Hohai University,Nanjing 211100,China)Abstract:In view of the problem that the conventional phased array radar and multiple-input multiple-output(MIMO)radar cannoteffectively distinguish between target and false target when facing the same angle and different distance from
5、 the main lobe distanceforwarding jamming,an intelligent anti-jamming method based on matrix joint approximate diagonalization of eigenmatrixe(JADE)blind source separation algorithm is proposed based on frequency diversity array(FDA)-MIMO radar This method is also effective formulti mainlobe jamming
6、 scenarios The received signal is first beamformed,and then the beam output signal is matched filtered Ac-cording to the interference of the frequency diversity sub-frequency,the undisturbed sub-frequency is adaptively selected,and theJADE algorithm is used to separate the interference from the targ
7、et,so as to realize intelligent anti-interference In order to strengthenthe countermeasure effect against false target forwarding interference,low-pass narrowband filtering is used for each frequency diversi-ty sub-frequency to filter out-of-band interference Simulation results show that the receivi
8、ng beam domain JADE algorithm based onintelligent frequency selection strategy is applied to FDA-MIMO radar to achieve good mainlobe anti-jamming effectKey words:main lobe distance spoofing interference;frequency diversity array radar;blind source separation;joint approximatediagomalization of eigen
9、matrixe(JADE)收稿日期:2022-08-16修订日期:2022-10-150引言随着科学技术的不断发展,雷达抗干扰技术不断取得进步。目前,面对各种复杂的干扰,尤其对副瓣干扰而言,已经有了较为成熟的技术手段,比如自适应旁瓣对消技术、干扰零陷技术和频率捷变技术等。但是当干扰从天线主瓣进入雷达时,抑制旁瓣干扰的手段大多都失去了效果。主瓣干扰包括噪声调频压制、瞄频噪声、切片转发以及密集假目标转发等多种干扰形式。转发式干扰指的是通过数字射频存储器(DFM)对真实目标进行截获、采样、储存、调制并转发与目标回波类似的信号1,使雷达误把假目标当成真目标,进而影响其对真实目标的参数估计与跟踪。干扰机
10、截获雷达发射信号再转发的过程有一定的时间间隔,为此可以结合波形分集技术23,利用目标与干扰波形参数之间的差异来区分。但是,由于方向矢量只和角度有关,不包含距离分量,传统相控阵雷达以及MIMO24第 44 卷第 12 期2022 年 12 月现 代 雷 达Modern adarVol44No12Dec 2022雷达在对抗主瓣距离欺骗式干扰时有一定的难度。近年来,频率分集阵列(FDA)雷达作为一种新兴的雷达体制,受到了学者的广泛重视和深度研究。FDA和相控阵区别在于 FDA 在阵元间引入一个远小于载频的频偏,从而形成与距离相关的波束4。然而,FDA 的距离角度依赖性体现在发射端,必须结合 MIMO
11、 技术分离发射端信号,从而获得发射自由度56。鉴于 FDA-MIMO 在发射端包含距离维信息,因此可以通过目标与主瓣欺骗式干扰之间的距离差异来进行区分。文献 7研究了一个 FDA-MIMO 雷达抗主瓣干扰的模型,但该模型并没有提到在干扰机中的转发延时时间。文献 8总结分析了欺骗式干扰的一系列特点,提出了对抗主瓣欺骗式干扰的前提条件。文献 9 提出了一种基于数据域的稳健 FDA-MIMO 雷达自适应距离角度二维波束形成算法,对抑制欺骗式干扰有明显效果。文献 10 假设在知道目标位置信息的情况下,在联合发射接收二维频率域上对目标、干扰进行区分,并设计了距离角度二维自适应匹配滤波器,成功抑制了所有距
12、离维失配的干扰。但是以上方法均认为目标的距离角度先验信息已知,并不能适用距离角度未知的情况。在现代雷达信号处理范畴中,盲源分离是一种重要的技术,能够将观测信号中的每一个源信号分离出来1213。主瓣干扰的强度远高于目标回波的强度,对雷达的目标检测性能有着很大的影响14。盲源分离在缺少先验信息的情况下,也可将各统计独立的信号分离开,致力于用最少的信息得到最为理想的结果,在雷达抗干扰领域得到广泛的运用。文献 15针对主瓣距离密集假目标干扰,提出利用多个脉冲重复间隔的采样来构造虚拟通道的方法。仿真结果表明,该方法在满足一定信噪比的情况下可以成功将干扰与目标信号分离,实现干扰抑制的目的。文献 16 分析
13、了盲源分析的两种算法 JADE 算法和 CMA 算法对主瓣压制式干扰的抑制性能。文献 17将一种基于最大信噪比(MSN)的盲源分离算法应用到 FDA-MIMO雷达中,该算法将干扰和目标分离开,抑制了雷达主瓣欺骗式干扰。雷达波束主瓣多种干扰存在时将使雷达抗干扰更为困难。结合智能抗干扰技术可以较好地实现多主瓣干扰的对抗。文献 18提出了雷达智能化的反干扰系统体系,总结了系统要素,分析了雷达认知智能抗干扰的优势。本文结合 FDA-MIMO 雷达,给出了一种智能选频策略的波束域 JADE 算法,可以有效对抗主瓣距离转发式干扰及多种主瓣干扰。1FDA-MIMO 主瓣转发干扰模型等距线阵由 M 个发射阵元
14、、N 个接收阵元组成,其发射频率以fm递增。在FDA-MIMO系统中,第m 个阵元发射频率为fm=f0+fm=f0+f(m 1),m=1,2,M(1)式中:fm为参考阵元频率;fm为阵元间频偏。第 m个阵元原始发射信号为sm0(t)=exp j(2fmt+t2,0 t Tp(2)式中:Tp为脉冲时宽;Bp为脉冲带宽;满足 Bp/Tp。对目标信号采用 MIMO 形式接收,第 n 个阵元接收的来自该目标的反射信号可以表示为xn(t)=Mm=1exp j2fm(t m,n)+(t m,n)2)(3)式中:为点目标复散射系数。双程时延为m,n=20 d(n 1)sin0 d(m 1)sin0c(4)式
15、中:0为目标距离;0为目标角度;d 为阵元间距。敌方干扰机截获雷达发射信号进行延迟并转发形成假目标,干扰影响我方接收机的正常工作。对干扰信号采用常规形式接收,假设干扰机位于(j,j)处,则第 n 个阵元接收到的被干扰机转发的信号可以表达为Jn(t)=j(t)Ll=1Mm=1exp j2fm(t j,m,nl)+(t j,m,nl)2(5)式中:L 为干扰机产生的假目标数;j为点干扰反射系数;l为第 l 个假目标的调制时间。j,m,n=2j d(n 1)sinj d(m 1)sinjc(6)为第 n 个接收阵元与干扰机的双程时延。(t)可以是与发射信号相同的转发干扰,或者是部分发射信号的切片干扰
16、,或者是快速反应的瞄频干扰。则接收端信号为S=Nn=1xn(t)+Nn=1Jn(t)+n(7)式中:n 为噪声。对接收端信号进行接收波束形成,可得X=As*S+N=As*Nn=1xn(t)+As*Nn=1Jn(t)+As*n(8)式中:接收波束形成权矢量 As 为34雷达智能信号处理专题杨朝鹏,等:一种基于 JADE 算法的 FDA-MIMO 雷达智能抗主瓣转发干扰方法2022,44(12)As=1,expj2d0sin0,expj2d0(N 1)sin0 T(9)式中:波长 0=cf0。将接收波束形成分别与每个发射原始信号 sm0进行匹配滤波后输出为XTm=expj2fm20c()expj2
17、fmd(m 1)sin0c+jexpj2fm2jc+l()expj2fmd(m 1)sinjcSexpj4fc(m 1)0expj2d0(m 1)sin0+Jexpj2f(m 1)2jc+l()expj2d0(m 1)sinj(10)式中:S=expj400;J=jexpj4j0。将匹配滤波后的输出排列开来,以便后续进行盲源分离处理,得到多通道信号为X=XT1,XT2,XTM(11)2波束域 JADE 算法智能抗干扰图 1 为基于智能选频策略的接收波束域 JADE 算法的 FDA-MIMO 雷达抗转发干扰原理图。先对雷达阵列接收通道数据进行数字波束形成处理,得到和波束信号,针对分集子频率分别进
18、行下变频、低通有限冲激响应(FI)窄带滤波以及脉冲压缩。采用短时傅里叶变换实现子频干扰检测并优选干扰较弱的分集子频,最后通过 JADE 算法将 M-k 个匹配滤波结果分离成目标通道和干扰通道,k 为去除的阵列子频点。图 1基于智能选频策略的接收波束域 JADE 算法的 FDA-MIMO 雷达抗转发干扰原理图针对接收波束处理后的数据进行盲源分离较通道级盲源分离可有效降低处理维度。采用的低通有限冲激响应滤波,可以实现针对每个子频点的滤波,即可有效抑制该子频点的带外干扰,从而提升雷达系统对转发式干扰的抑制能力。针对每个子频点,在脉冲压缩之后进行该频点的干扰检测。如果该子频点受干扰严重,则在后续的频点
19、选择中抛弃对应的子频点,可以降低盲源分离抗干扰的压力。该种智能分集子频点选择策略适用于多种主瓣干扰存在的情况。对于主瓣存在瞄频干扰、切片干扰等情况,子频选择可以实现较好的对抗。转发式干扰在转发雷达信号时,存在不同的转发情况,一种是转发频率分集阵列的某些子频点,另一种情况为转发频率分集阵列的所有子频点。对于前一种情况,子频选择策略较为有效。对于后一种情况,与目标相似的转发干扰,无法通过子频点检测滤除,则通过盲源分离实现目标与干扰的分离。在采用 JADE 算法前要进行预处理,预处理有两个流程:(1)去均值预处理;(2)白化预处理。去均值预处理是为了消除相关性较高的直流分量,只需要将接收信号减去其数
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