一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，将原始的监测信号进行sinc函数内插得到由有限个整数延迟的参考信号线性组合的监测信号；内插后的监测信号和参考信号分别进行分段；将分段后的监测信号、参考信号和滤波器权系数进行快速傅里叶变换，从而使信号从时域变换到频域；在频域根据最小均方算法进行杂波抑制，并进行自适应的变步长权值更新；最后，将每段的输出结果组合。与现有技术相比，本发明专利技术不用准确的估计出分数延迟时间，对内插后的监测信号以及参考信号进行批处理最小均方自适应的滤波，当估计值接近于真实值时，其输出结果就是所需要的目标回波信号，提升了监测通道杂波抑制性能，有利于雷达系统的目标探测。

A time domain clutter suppression method for LTE external emitter radar

【技术实现步骤摘要】
一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法
本专利技术属于无源雷达
和通信
，尤其是涉及到LTE外辐射源雷达接收信号中存在直达波和分数倍延迟的多径杂波时，提出了基于分数倍内插的监测信号处理和变步长自适应最小均方杂波抑制方法，可以提高杂波抑制性能和抑制速度，并减少了系统硬件资源的消耗，有利于实时化处理。
技术介绍
所谓外辐射源雷达也称为被动雷达、机会雷达等，相比于传统体制的主动雷达系统，外辐射源雷达的接收系统是完全被动的，不辐射任何电磁波，而是通过接收和处理目标反射的非合作照射源在空间中传播的无线电波来提取目标的时延信息、多普勒频率和来波方向等参数，从而实现对目标的检测、定位以及跟踪。其所用的第三方照射源信号属于非合作信号，可利用辐射源种类繁多，如移动通信信号、广播信号、数字音频信号、GPS信号等等。因此，外辐射源雷达系统拥有良好的隐蔽性、低廉的成本、较少的频谱资源浪费、广阔的信号空域覆盖。基于此，研究外辐射源雷达具有较高的应用价值和意义。近年来，4G通信信号即LTE信号的广泛应用引起了雷达界学者的强烈兴趣。它属于无线通信信号的一种，支持1.4～20MHz的大带宽，与GSM和其他信号相比，具有更高的距离分辨率；800-3500MHz的大频段范围以及支持两种双工模式(FDD和TDD)，这些特点使的LTE外辐射源雷达发展应用成为可能。此外，LTE使用正交频分多址(OFDMA)来保证模糊函数的低旁瓣，正因其独特的优势，越来越多的国内外雷达研究者开始关注基于LTE信号的外辐射源雷达系统。外辐射源雷达系统中，有一个不容忽视的信号处理步骤，即抑制杂波。对于移动通信系统，基站发射功率远小于有源雷达本身发射功率，一般只有20～40w。经目标反射回来的回波信号通常包含大量多径杂波和直达波干扰，并且目标回波功率一般比直达波干扰功率低40dB左右，有时还会低100dB以上，如果不采取合适的措施抑制这些杂波，仅通过天线波束主瓣指向目标以及延长相干积累时间获得的目标增益远不能达到检测目标的指标要求，那么从接收到的信号中就很难提取出所需的目标回波信号，就会影响下一步与提纯后参考信号的匹配滤波，进而无法得到探测目标准确的位置信息。因此，监测通道杂波抑制是LTE外辐射源雷达系统中信号处理的关键步骤，为雷达后续信号处理提供可靠的支撑。针对LTE外辐射源雷达系统，实现目标跟踪监测的必要手段是对参考信号和监测信号进行相干处理。时域杂波对消的成功与否取决于参考通道和监测通道之间的相关性，相位误差会导致系统对监测通道中杂波的抑制能力变弱。而监测通道中的杂波与参考通道中的直达波信号之间时延上存在微小差别。延迟信号一般情况下只有少数部分位于采样间隔的整数倍，大多数都位于两个相邻采样点之间，因此主要存在分数延迟问题。如图1所示，为双基地雷达系统简单模型，现对分数延迟问题作出分析。假设接收系统中监测通道到参考通道的距离为R，到静物的距离为R32；LTE基站到参考通道的距离为R1，到监测通道的距离为R2，到静物的距离为R31；参考信号传递时延为τ1，而经参考通道处理的时延为τ'1，则参考信号的总时延为τr＝τ1+τ'1；直达波干扰传递时延为τ2，而经监测通道处理的时延为τ'2，则直达波干扰的总时延为τd＝τ2+τ'2；同理，多径的总时延为τc＝τ3+τ'2＝τ31+τ32+τ'2。根据实际雷达工作情况知，一般有R1≠R2≠(R31+R32)以及τ'1≠τ'2，则τ1≠τ2≠(τ31+τ32)，进而可知τc≠τd≠τr，故监测通道中的杂波与参考通道中的直达波信号之间时延上存在微小差别。延迟信号一般情况下只有少数部分位于采样间隔的整数倍，大多数都位于两个相邻采样点之间，因此主要存在分数延迟问题。如果实际的杂波信号仍用整数延迟来表示，那么肯定会减弱两通道间的相关性。假设只考虑直达波干扰，信号有效带宽为B，那么相关系数ρ和两个通道的直达波信号之间的延迟差τ之间的关系满足：ρ＝sinc(τ×B)针对相关系数对两个通道的相消增益的影响，将系统的相消增益定义为信号能量与杂波能量之比提高的倍数。如果相消增益越高，说明杂波抑制的结果将越好。可以将最优相消增益表示为：由上式可知，只有当|ρ|→1时，相消增益(CG)0才越大。例如，假设相关系数为0.999、0.99、0.9，经计算可得对应的相消增益分别为27dB、17dB、7dB。可见，相关系数微弱的改变都会给相消增益带来很大的影响。为此，本专利技术从分数延迟问题着手，分析了参考通道和监测通道之间的相关性对时域杂波抑制效果带来的影响，提出了一种适用于LTE外辐射源雷达的基于分数延迟的变步长频域批处理最小均方(FDBLMS，FractionalDelaybasedBatchLeastMeanSquare)自适应杂波抑制算法。该方法对监测信号进行内插，然后利用FDBLMS算法对杂波进行对消，用以解决两通道间相关性变差问题。
技术实现思路
针对外辐射源雷达杂波分数延迟带来的问题，本专利技术提出了LTE外辐射源雷达杂波抑制方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于LTE外辐射源雷达杂波抑制方法，其特征在于考虑了分数延迟问题，包括以下步骤：步骤1，建立LTE外辐射源雷达探测信号模型，并进行分数倍内插，包括如下子步骤；步骤1a，建立目标回波信号和参考信号的模型，所述目标回波信号即监测信号，参考信号即直达波信号；步骤1b，将原始的监测信号进行sinc函数内插得到由有限个整数延迟的参考信号线性组合的监测信号，从而得到监测信号的分数倍延迟的表达式；步骤2，针对分数倍内插后的数据进行FIR滤波器设计，以便在FDBLMS算法中滤出分数倍延迟的杂波；步骤3，进行基于分数延迟的变步长频域批处理最小均方算法FDBLMS，整个FDBLMS算法的具体运算过程如下，步骤3a，对参考信号、监测信号和权系数矢量进行分块，每块作为一次批处理的输入数据；步骤3b，对权系数矢量进行FFT，以便在频域实施杂波抑制算法；步骤3c，对输入第k-1个和第k个的数据块矢量进行FFT；步骤3d，根据第k个数据块X(k)和权系数W(k)，计算第k个数据块的估计值；步骤3e，计算第k个数据块的输出误差估计值；步骤3f，对第k个数据块的输出误差估计值进行FFT，将时域数据转换成频域数据；步骤3g，更新步长因子和权系数矢量；步骤4，将每块的输出结果组合，得到经过杂波抑制后的监测信号。进一步的，步骤1a中，LTE外辐射源雷达所接收的参考信号表示为，sref(t)＝d(t)+vref(t)其中，d(t)为直达波，vref(t)为参考通道的噪声；所接收到的原始监测信号表示为，上式中第一项为接收到的直达波，第二项为多径杂波，第三项为目标回波，第四项为噪声，其中，c0、Δτ0为直达波干扰的复包络幅值和相对于参考信号的分数延迟；Ts为雷达接收端采样周期，cl、Δτl(l＝1,2,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，建立LTE外辐射源雷达探测信号模型，并进行分数倍内插，包括如下子步骤；/n步骤1a，建立目标回波信号和参考信号的模型，所述目标回波信号即监测信号，参考信号即直达波信号；/n步骤1b，将原始的监测信号进行sinc函数内插得到由有限个整数延迟的参考信号线性组合的监测信号，从而得到监测信号的分数倍延迟的表达式；/n步骤2，针对分数倍内插后的数据进行FIR滤波器设计，以便在FDBLMS算法中滤出分数倍延迟的杂波；/n步骤3，进行基于分数延迟的变步长频域批处理最小均方算法FDBLMS，整个FDBLMS算法的具体运算过程如下，/n步骤3a，对参考信号、监测信号和权系数矢量进行分块，每块作为一次批处理的输入数据；/n步骤3b，对权系数矢量进行FFT，以便在频域实施杂波抑制算法；/n步骤3c，对输入第k-1个和第k个的数据块矢量进行FFT；/n步骤3d，根据第k个数据块X(k)和权系数W(k)，计算第k个数据块的估计值；/n步骤3e，计算第k个数据块的输出误差估计值；/n步骤3f，对第k个数据块的输出误差估计值进行FFT，将时域数据转换成频域数据；/n步骤3g，更新步长因子和权系数矢量；/n步骤4，将每块的输出结果组合，得到经过杂波抑制后的监测信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立LTE外辐射源雷达探测信号模型，并进行分数倍内插，包括如下子步骤；
步骤1a，建立目标回波信号和参考信号的模型，所述目标回波信号即监测信号，参考信号即直达波信号；
步骤1b，将原始的监测信号进行sinc函数内插得到由有限个整数延迟的参考信号线性组合的监测信号，从而得到监测信号的分数倍延迟的表达式；
步骤2，针对分数倍内插后的数据进行FIR滤波器设计，以便在FDBLMS算法中滤出分数倍延迟的杂波；
步骤3，进行基于分数延迟的变步长频域批处理最小均方算法FDBLMS，整个FDBLMS算法的具体运算过程如下，
步骤3a，对参考信号、监测信号和权系数矢量进行分块，每块作为一次批处理的输入数据；
步骤3b，对权系数矢量进行FFT，以便在频域实施杂波抑制算法；
步骤3c，对输入第k-1个和第k个的数据块矢量进行FFT；
步骤3d，根据第k个数据块X(k)和权系数W(k)，计算第k个数据块的估计值；
步骤3e，计算第k个数据块的输出误差估计值；
步骤3f，对第k个数据块的输出误差估计值进行FFT，将时域数据转换成频域数据；
步骤3g，更新步长因子和权系数矢量；
步骤4，将每块的输出结果组合，得到经过杂波抑制后的监测信号。


2.如权利要求1所述的一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，其特征在于：步骤1a中，LTE外辐射源雷达所接收的参考信号表示为，
sref(t)＝d(t)+vref(t)
其中，d(t)为直达波，vref(t)为参考通道的噪声；
所接收到的原始监测信号表示为，



上式中第一项为接收到的直达波，第二项为多径杂波，第三项为目标回波，第四项为噪声，其中，c0、Δτ0为直达波干扰的复包络幅值和相对于参考信号的分数延迟；Ts为雷达接收端采样周期，cl、Δτl(l＝1,2,...,Nc)为第i个多径杂波的复包络幅值和相对于参考信号的采样周期Ts的分数倍延迟；Nc为多径总数；m(t)为目标回波信号；vsurv(t)为监测通道噪声。


3.如权利要求2所述的一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，其特征在于：步骤1b的具体实现方式如下，
设有一带限信号f(t)，经过分数时延Δτ后的信号为f(t-Δτ)，采样周期为Ts，sinc内插公式表示为：



离散化，即t＝nTs+Δτ，得：



现令k＝n-i，且i、n、k都为整数，得：



根据sinc函数的图形特征，在原点处取最大值，且离原点越远的点的函数值衰减得越快，因此，k在(-∞,∞)之间取一段较小区间就能获得较高的插值精度，假设这段区间为(-p,p)，得到更正后的插值函数：



若参考信号表示为sref(t)＝d(t)+vref(t)，当采样间隔Ts≤|Δτ|时，监测信号表示为：



式中Δτl＝Δτ-lTs，l∈Z，Δτl＜Ts；以采样周期Ts离散化，并对其进行内插后得：



式中，c0、Δτ0为直达波干扰的复包络幅值和相对于参考信号的分数延迟；cl、Δτl(l＝1,2,...,Nc)为第i个多径杂波的复包络幅值和相对于参考信号的分数延迟；Nc为多径总数；m(n)为目标回波信号；vsurv(n)为监测通道噪声；vref(n)为参考通道噪声；hl,k＝clsinc(k-Δτl)。


4.如权利要求3所述的一种适用于LTE外辐射源雷达的时域杂波抑制方法，其特征在于：步骤2的具体实现方式如下，
为了抑制监测信号中的杂波，先将监测信号进行分段以便后续处理，若将其分为长度为N的数据段，则接收端接收到N个数据即可进行分数倍内插，则内插后数据段长度由N变为N+p；然后对FIR滤波器做出改进，使其由N阶变为N+p阶；
将监测信号表达式做变量替换，即l'＝l-k、k'＝k+p得：



其中
对参考信号和监测信号进行z变换得：



又有：
M(z)＝Ssurv(z)-H(z)Sref(z)
则滤波器的传递函数表示为：



其中，Hl'(z)为h’l’的z变换；
为了抑制具有分数延迟的杂波，将滤波器增加p阶，则重构后的滤波器总阶数为M＝p+N，则n时刻输入的参考信号和滤波器权系数矢量分别为x(n)＝[x(n+p),x(n+1),...,x(n-N+1)]T和w(n)＝[w-p(n),w-1(n),...,wN-1(n)]T，...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶云华，王雅莉，王胜涛，胡海霞，周健康，潘登，聂文洋，
申请(专利权)人：武汉大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44