针对FMCW毫米波雷达切片重构干扰的抑制方法及系统

针对fmcw毫米波雷达切片重构干扰的抑制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及线性频率调制体制抗干扰技术，具体涉及一种针对fmcw毫米波雷达切片重构干扰的抑制方法及系统。


背景技术：

2.随着干扰技术和干扰设备的不断革新，信息型干扰技术自出现到现在，共经历了四个阶段的发展，干扰的方式包括扫频式干扰，瞄准式和引导式干扰以及目前使用最多最先进的转发式干扰等等。
3.目前最新的第四代干扰机的转发式干扰采用数字射频存储器(drfm)技术，drfm技术能够适应复杂多变的电磁环境，使干扰信号与发射信号高度相干，对雷达系统产生严重的干扰，因此一直drfm干扰的技术也受到越来越高的重视。目前第四代干扰技术中，使用drfm技术的多假目标干扰(频谱弥散干扰(smsp)与切片重构干扰(c&i))对fmcw雷达探测系统的干扰最严重。2010年有学者提出利用小波分解技术提取不同分解尺度下的相像系数作为特征参数，然后分别通过最近邻分类器，bp神经网络和最小二乘支持向量机来对存储转发式干扰进行识别；2011年有学者针对距离-速度联合拖引干扰的检测问题,利用雷达信号在各变换域的特征差异，提出了一种基于统计特征和脉内细微特征的融合分段自相关最大值方差，wigner-viller分布幅值方差，小波变换矩阵方差三种特征的特征因子检测方法；2012年，有学者基于频谱弥散干扰和切片重构干扰的调频斜率特征，提出了基于瞬时斜率，分数阶傅里叶变换和匹配傅里叶变换的干扰识别方法；同年，有学者提出了一种基于近似熵的干扰检测方法，该方法通过求时序信号的近似熵来检测干扰的存在，对欺骗式干扰以及噪声干扰的检测效果显著。但是上述算法存在复杂度高，响应速度慢等缺点，在fmcw雷达系统上不具有可实施性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种针对fmcw毫米波雷达切片重构干扰的抑制方法及系统，该方法主要是基于短时傅里叶变换和时频域滤波器实现抑制，能够在三种切片重构(c&i)干扰形式下、干信比jsr≤40db的情况下实现干扰抑制，具有响应速度快，抗干扰效率高等优点
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：第一方面，本发明提供一种针对fmcw毫米波雷达切片重构干扰的抑制方法，包括：
6.受到切片重构干扰的回波射频信号经接收机后，与发射射频信号混频得到中频信号；
7.截取一段中频回波信号进行时频域处理，得到时频域二维信息；
8.经分析，一个真实目标信号在时频域表现为一条沿着时间轴分布频率固定的直线，而切片重构干扰在时频域上以一定间隔产生一系列的假目标频谱，且干扰信号的频谱值在雷达系统接收机带内，从而形成假目标干扰；根据这一特征，在时频域上找到干扰位
置，用其产生对应的二进制掩膜图像；
9.根据二进制掩膜图像，通过时频域滤波器即可实现对切片重构干扰的滤除，从多个假目标干扰中提取出真实目标信号。
10.第二方面，本发明还提供了一种针对fmcw毫米波雷达切片重构干扰的抑制系统，包括：
11.接收机混频模块，将受干扰的回波信号与发射信号混频得到中频回波信号；
12.短时间傅里叶变换模块，使用短时傅里叶变换将中频信号从时域变成时频域；
13.二进制掩膜图像模块，在时频域上找到干扰位置，用其产生对应的二进制掩膜图像；
14.滤除干扰模块，通过二进制掩膜进行干扰滤除，将滤波后的时频域图进行沿时间轴上的加权后平均，得到滤除c&i干扰后的频谱结果。
15.第三方面，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述第一方面所述的方法。
16.第四方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。
17.第五方面，本技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
19.(1)实现方式高效快速：目前针对切片重构式干扰的抑制算法较为复杂，大多数算法不具有可实施性；具有可实施性的算法在实际工程实现中的实时性、算法复杂度无法保证，无法在毫米波雷达系统中使用。本发明提出的基于短时傅里叶变换和时频域滤波器抗切片重构干扰的算法可根据实际情况调整算法复杂度和响应时间，处理流程高效，可以在fpga等可编程器件上实现抑制切片重构干扰；
20.(2)抗干扰适应性强：三种形式的切片重构干扰产生方式不同，本发明提出的算法针对三种形式的切片重构干扰均有效；且本发明可在干信比jsr≤40db情况下均可实现干扰抑制，适应性强。
附图说明
21.图1为本发明针对线性调频连续波体制c&i干扰的抑制方法流程图。
22.图2为间歇采样重复转发式切片重构干扰假目标结果图。
23.图3为受到切片重构干扰中频信号时频图。
24.图4为时频域幅值结果直方图。
25.图5为抗切片重构干扰掩膜图。
26.图6为抑制干扰后频谱效果对比图。
具体实施方式
27.如图1所示，本发明提供一种针对线性调频连续波体制c&i干扰的抑制方法，包括：
28.步骤1、接收机对含有目标回波、频谱弥散干扰以及噪声的接收信号进行混频后，
进入信号处理模块，经过ad芯片采样得到受到切片重构干扰的中频信号。
29.步骤2、采样后的中频信号进入短时傅里叶变换，短时傅里叶变换模块包括数据滑窗模块、加窗模块以及dft计算模块。短时傅里叶变换模块对输入ad数据流进行m点的数据滑窗n点的数据截断，截断之后加窗降低信号旁瓣和频谱泄露的影响，dft计算之后将该段结果存入fifo，对一帧中频信号处理之后得到时频域信息。参数n决定频率分辨率，参数m则决定时间分辨率，当m缩小时，时间分辨率提高，但是其计算量也随之变大，dft阵列中所需要的dft计算单元也需要增多，时间分辨率决定了后面图像掩膜的进度，时间分辨率越高，对干扰的识别与抑制能力越强。
30.步骤3、时频域信息进入二进制掩膜数据计算模块，该模块主要分为存储部分以及计算部分，存储部分中包括用于缓存时频域信息的fifo1阵列、用于存储二值化掩膜图像的fifo2阵列；计算部分包括log计算阵列、直方图计算模块、二值化转换模块。
31.步骤4、得到二进制掩膜数据后，可根据前面所述的滤波算法滤除c&i干扰，掩膜滤波模块包括信号检测模块以及频谱积累模块，通过信号检测模块计算的信号结果以及fifo2中输出的二值化结果和频谱功率谱值输出最后滤除干扰之后的时频域信息，进入频谱积累模块，得到真实目标的积累频谱。
32.进一步的，雷达接收机对含有目标回波、切片重构干扰以及噪声的接收信号进行混频后，c&i干扰在中频d带内上产生了多个假目标；理论分析如下：
33.切片重构干扰(c&i)并不是通过改变截获到信号的调制频率来实施干扰的，其仅仅是对截获到的信号进行截取复制。干扰产生的过程分为两个步骤：首先将drfm干扰机所截获的信号以等距的矩形脉冲进行截断，此为“切片(chopping)”步骤；之后将截断产生的切片按照一定的规律填满整个时间间隙，填满后产生了干扰信号，此为“重构(interleaving))”步骤。
34.根据截获和转发的策略不同，切片重构干扰可以分为直接转发(interrupted sampling direct jamming，isdj)、重复转发(interrupted sampling repeater jamming，isrj)和循环转发(interrupted sampling loop jamming，iscj)。
35.各类干扰的信号模型可以表示为：
36.(1)间歇式采样直接转发式干扰
[0037][0038]
其中，s
isdj
(t)为直接转发式(interrupted sampling direct jamming，isdj)干扰的信号模型，n为干扰切片个数，rect函数为矩形门函数，tj为干扰切片宽度，kr为发射信号调制频率，τ为干扰机到接收机的延时。
[0039]
(2)间歇采样重复转发式干扰
[0040][0041]
其中，s
isrj
(t)为重复转发式(interrupted sampling repeater jamming，isrj)干扰的信号数学模型，m为每个干扰切片转发的次数，tu＝(m+1)*tj为干扰机进行信号截获的时间间隔。
[0042]
(3)间歇采样循环转发式干扰
[0043][0044]
其中，s
iscj
(t)为循环转发式(interrupted sampling loop jamming，iscj)干扰的信号数学模型，a＝(m(m+1))/2-1为相应切片的截获延时系数，b＝(n(n+1))/2+n-1为每一个切片进行转发时的延时系数。
[0045]
c&i干扰混频入中频后在频谱上以一定间隔产生了一系列的假目标尖峰，且假目标尖峰与真实目标尖峰相似，使得系统难以提取真实目标参数信息，这便是c&i干扰的干扰机理。
[0046]
对中频信号进行短时傅里叶变换，将信号从时域变换成时频域。
[0047]
本发明重点分析间歇采样重复转发式干扰，这种形式干扰在时频域上以一定间隔产生了一系列的假目标频谱，且干扰信号的频谱值在雷达系统接收机带内，从而形成假目标干扰，这种假目标在频谱上与真实信号难以区分开来。由上文可知，干扰切片转发的次数m越大，所产生的假目标个数越多，越容易对雷达系统形成干扰。
[0048]
中频信号经过短时傅里叶变换之后得到一个二维时频域信息，正常目标信号与其他c&i干扰信号在时频域上位于不同的位置，利用图像掩模可以实现对真实信号与干扰的区分。图像掩膜即用某一种选定的形状，对需要处理的图像或者数据进行有目的的遮挡，来控制图像或者数据的处理区域。用于覆盖的特定图像或物体称为掩模或模板。数字图像处理中,掩模为二维矩阵数组,有时也用多值图像。图像掩模主要用于：(1)提取感兴趣(roi)区域；(2)屏蔽作用；(3)特殊形状图像的制作。本发明中使用二值化图像掩膜。
[0049]
通过二进制掩膜图像对原时频域矩阵进行滤波，将二进制掩膜为1的区域全部用噪声区域的值替代，为0的区域则不变，将滤波后的时频域图进行沿时间轴上的加权后平均，得到滤除c&i干扰后的频谱。
[0050]
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种针对线性调频连续波体制drfm干扰的抑制系统，包括：
[0051]
接收机混频模块，将受到干扰的回波信号与发射信号混频后得到中频信号；
[0052]
短时间傅里叶变换模块，使用短时傅里叶变换将中频信号从时域信号变成时频域信号；
[0053]
二进制掩膜图像模块，由于切片重构干扰在中频时频域上以一定间隔产生了一系列的假目标频谱，且干扰信号的频谱在雷达系统带内，根据这一特征，在时频域上找到干扰位置，用其产生对应的二进制掩膜图像；
[0054]
由于c&i干扰与目标回波在时间、频率、能量等多个维度进行覆盖重叠，表现在c&i干扰在频率轴以一定间隔产生了一系列的假目标，根据这一特征，在时频域上找到干扰位置，用其产生对应的二进制掩膜图像；
[0055]
滤除干扰模块，通过二进制掩膜进行干扰滤除，将滤波后的时频域图进行沿时间轴上的加权后平均，得到滤除切片重构干扰后的频谱结果。
[0056]
上述各模块的具体实现方法与前述抑制方法相同，此处不再赘述。
[0057]
下面结合附图和实例对本发明做出进一步阐述。
[0058]
图1出示本发明抗干扰算法流程框图：本发明提出一种基于短时傅里叶变换和时频域滤波器的切片重构干扰抑制方法。受到切片重构干扰的回波信号与本振信号混频，后
通过低通滤波器得到中频信号；采样后进入信号处理模块，首先进行短时傅里叶变换得到时频谱，根据时频谱产生对应的二进制掩膜图像，通过掩膜图像可以明显判别出受干扰位置，滤除后即可得到真实目标信号值。
[0059]
图2出示间歇采样重复转发式切片重构干扰假目标结果图，可以清晰的看出切片重构干扰在频域上产生了多个系统带内的假目标干扰，根据干扰切片转发的次数不同，假目标干扰的个数也不同，如果没有有效的抗干扰措施，很容易影响整体雷达系统工作状态。
[0060]
本发明针对这种干扰信号实行以下步骤：
[0061]
步骤一：首先对采样后的中频信号进行stft变换，stft计算模块包括数据滑窗模块、加窗模块以及dft计算模块。stft计算模块对输入ad数据流进行m点的数据滑窗n点的数据截断，之后通过加窗模块，降低信号旁瓣和频谱泄露的影响，增加测频动态范围，然后通过dft阵列计算每一次n点截取数据的部分频谱，最后dft阵列计算后的频谱数据存入fifo阵列中。参数n决定频率分辨率，参数m则决定时间分辨率，当m缩小时，时间分辨率提高，但是其计算量也随之变大，dft阵列中所需要的dft计算单元也需要增多。stft计算框架需要一个能够实现流水线工作模式，且资源量较少的dft计算模块。本发明使用部分计算的dft算法来进行stft框架计算，在满足算法性能要求的同时，减少资源使用量。dft计算主要在于中频信号值与旋转因子的乘法以及累加运算，所以本发明dft算法主要分为三个模块，为旋转因子读取模块、输入读取模块以及dft pe(处理元素)region，dft算法为现有成熟方法，本发明利用verilog语言在fpga平台上实现此算法。
[0062]
步骤二：得到stft后的时频域后，时频域信息进入二进制掩膜数据计算模块，该模块主要分为存储部分以及计算部分，存储部分中包括用于缓存时频域信息的fifo1阵列、用于存储二值化掩膜图像的fifo2阵列；计算部分包括log计算阵列、直方图计算模块、二值化转换模块。
[0063]
步骤三：得到二进制掩膜数据后，可根据前文的滤波算法滤除c&i干扰，掩膜滤波模块包括信号检测模块以及频谱积累模块，通过信号检测模块计算的信号结果以及fifo2中输出的二值化结果，两者组合输出滤除干扰之后的时频域信息，然后进入频谱积累模块，得到滤除干扰后真实目标的频谱。
[0064]
以下使用前文设定的参数进行仿真，假设切片重复个数m为5，即切片重构干扰切片个数为5，干信比等于40db。
[0065]
图3出示受到切片重构干扰中频信号时频图，可以清晰的看出切片重构干扰的频率分段特性，时频图分段个数等于切片干扰个数，所有时间维度上均存在切片重构干扰信号。
[0066]
图4出示时频域幅值结果直方图，一个真实目标信号在时频域表现为一条沿着时间轴分布频率固定的直线，而切片重构干扰经混频得到中频后，在时频域上以一定间隔产生了一系列的假目标频谱，从而形成假目标干扰。直方图统计之后可明显分辨出真实目标信号。
[0067]
图5出示抗切片重构干扰掩膜图，根据直方图可以找到时频域上切片重构干扰所在位置，绘制二进制掩膜图像。
[0068]
图6出示抑制干扰后频谱效果对比图，由图中可知，在切片干扰个数m为5，干信比等于40db的情况下，干扰信号产生多个假目标干扰。基于短时傅里叶变换和时频域滤波器
的切片重构干扰抑制方法可以有效抑制切片重构干扰产生的假目标，识别出真实目标信号。
[0069]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。