距离补偿方法和装置与流程

本发明涉及数据处理领域，具体而言，涉及距离补偿方法和装置。

背景技术：

机载雷达具有部署灵活方便，监控范围广泛等优势，常用于担任远程预警、指挥、监视等重要任务。机载雷达由于处于下视工作状态，检测过程中杂波分布范围广、强度大，呈现出强烈的空时二维耦合特性。空时自适应处理(stap：space－timeadaptiveprocessing)技术，不同于传统的一维空域波束形成滤波和一维时域多普勒滤波，而是在角度－doppler二维平面的对角线上形成杂波凹口，自适应地进行滤波处理。常规stap技术为了得到空时二维最优处理器权矢量，需要通过待检测单元相邻的训练样本单元估计

杂波协方差矩阵(ccm：cluttercovariancematrix)，这要求训练样本单元的杂波分布特性与待检测单元趋于一致，即满足独立同分布(iid：independentandidenticallydistributed)条件。

机载雷达正侧视设置情况下，不同距离单元的训练样本满足iid条件，杂波谱沿角度－doppler二维平面对角线呈直线分布，可以较好地估计出ccm；而在机载雷达非正侧视设置情况下，杂波谱发生弯曲并且展宽，杂波多普勒频率随距离变化而变化，训练样本不再满足iid条件，ccm估计准确性下降，常规stap方法不再适用。基于配准补偿(rbc：registrationbasedcompensation)的距离依赖性补偿方法，通过空时子孔径平滑(sso：sub－aperturesmoothingoperation)，重新估计出ccm，然后对其进行特征值分解计算得到变换矩阵，最终实现主瓣和旁瓣的同时补偿。但是子孔径损失和先验信息失配又会给该方法带来新的问题，使得杂波距离依赖性补偿性能下降。

技术实现要素：

本发明提供距离补偿方法和装置，旨在改善上述问题。

本发明提供的一种距离补偿方法，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。所述方法包括：将所述雷达的各个距离单元接收的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据，利用稀疏恢复算法，根据每个所述距离单元对应的所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。根据所述距离单元的所述杂波空时谱，获得过渡协方差矩阵，将每个所述距离单元的所述过渡协方差矩阵作用于待检测单元，获得变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。

本发明实施例提供的一种距离补偿装置，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。所述距离补偿装置包括：数据帧转换模块，用于将所述雷达个各个距离单元接收的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据。杂波空时谱获取模块，用于利用稀疏恢复算法，根据每个所述距离单元对应的所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。过渡协方差矩阵获取模块，用于根据所述距离单元的所述杂波空时谱，获得过渡协方差矩阵。变换矩阵获取模块，用于将每个所述距离单元的所述过渡协方差矩阵作用于待检测单元，获得变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。

上述本发明实施例提供的距离补偿方法和装置，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。先获取所述雷达的各个距离单元杂波数据，进行分块处理，获得叠加形式的回波数据，进而得到各个距离单元回波数据的等效多帧数据，将所述距离单元的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据，利用稀疏恢复算法，根据所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。根据所述杂波空时谱，即可获取每个距离单元的过渡协方差矩阵。最后，根据每个所述距离单元的过渡协方差矩阵，获得所述雷达的变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。利用稀疏恢复算法不依赖历史数据，且所需训练样本较少，可以实现目标超分辨，改善杂波谱的估计性能，进而提高杂波协方差矩阵的估计精度，提高杂波抑制性能，实现杂波谱的距离依赖性补偿。依赖稀疏恢复算法代替空时子孔径平滑，全孔径估计杂波空时谱，避免了子孔径损失和先验信息失配的影响。且系统自由度增加以及不依赖于先验信息，对于存在阵元误差的情况下，系统鲁棒性进一步提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的距离补偿方法和装置所应用的计算机的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的距离补偿方法的步骤流程图；

图3为本发明第一实施例提供的距离补偿方法的过程示意图；

图4为本发明第二实施例提供的距离补偿装置的功能模块图。

具体实施方式

本领域技术人员长期以来一直在寻求一种改善该问题的工具或方法。

鉴于此，本发明的设计者通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，得出本方案所示的距离补偿方法和装置。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，是本发明实施例提供的距离补偿方法所应用的计算机100的方框示意图。所述计算机100包括距离补偿装置101、存储器102、存储控制器103、处理器104、外设接口105、输入输出单元106、显示单元107等。

所述存储器102、存储控制器103、处理器104、外设接口105、输入输出单元106、显示单元107等各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述距离补偿装置101包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器中或固化在所述计算机100的操作系统(operatingsystem，os)中的软件功能模块。所述处理器104用于执行存储器中存储的可执行模块，例如所述距离补偿装置101包括的软件功能模块或计算机程序。

其中，存储器102可以是，但不限于，随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread－onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread－onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread－onlymemory，eeprom)等。其中，存储器102用于存储程序，所述处理器104在接收到执行指令后，执行所述程序，后述本发明实施例中任一实施例揭示的过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器104中，或者由处理器104实现。

处理器104可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器104可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述外设接口105将各种输入输出单元106耦合至处理器104以及存储器102。在一些实施例中，外设接口105、处理器104以及存储控制器103可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

输入输出单元106用于提供给用户输入数据实现用户与所述服务器的交互。所述输入输出单元106可以是，但不限于，鼠标和键盘等。

显示单元107在所述服务器与用户之间提供一个交互界面，例如用户操作界面，或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元107可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器进行计算和处理。

本实施例提供的距离补偿方法，用于非正侧视情况下的距离补偿，尤其是应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。当然，本发明实施例的具体应用场景并不作为限定，其他需要进行距离补偿的场景也可以应用于本实施例。以下为对本发明实施例进行的详细说明。

请参见图2和图3，图2示出了本发明实施例提供的一种距离补偿方法的流程图，应用于图1所述的距离补偿装置，图3为本发明实施例提供的距离补偿方法的过程示意图。本发明实施例应用于单基地线阵的机载多输入多输出(multiple－inputmultiple－output，mimo)的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。下面将结合图2和图3，为本发明实施例提供的距离补偿方法进行具体解释。

步骤s201，将所述雷达的各个距离单元接收的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据。

在非正侧视情况下，建立杂波模型，将机载多输入多输出雷达所接收的单帧数据等效为相控阵多帧回波数据。所述雷达所接收的数据包括多个距离单元接收的数据，针对每个距离单元对应的数据进行过渡协方差的计算，首先是将各个距离单元接收的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据。单帧数据到多帧数据的转换过程可以为：

将所获取的所述距离单元的所述单帧数据分成多个杂波块，获取每个所述杂波块的多普勒频率和空间频率的对应关系，根据全部所述杂波块的所述对应关系获取所述相控阵的多帧数据。

在一种实施方式中，将所述雷达在第l个距离环的杂波数据进行分块处理，则所述机载非正侧视雷达满足空间耦合关系：

在上述耦合关系汇总，λ表示发射波长，v表示载机速度，α表示速度与阵面之间的夹角；fd,i和fs,i分别表示第i个杂波块对应的多普勒频率以及空间频率；θi和分别表示第i个杂波块对应的方位角和俯仰角。由上述机载雷达空时耦合关系可知，杂波多普勒频率以及空间频率所存在的对应关系为：

在上述对应关系中，fd,m＝2v/λ表示为杂波最大多普勒频率，rl表示雷达相对于第l个距离门的斜距。

则相应地，回波数据可以表示为该距离环上若干离散杂波块的叠加形式：

其中，g表示离散杂波快的个数，σi表示第i个杂波块的散射系数，si(wt,ws)表示第i个杂波块对应的发射－接收－时域三维导向矢量，ws和wt分别表示空域角频率和时域角频率。

直接对所述雷达第l个距离单元的回波数据进行等效的矩阵形式为：

其中，xl,m,m＝1,2,...,m为对应于第m个发射波形的回波数据。

其中，第i个杂波块对应的发射空域导向矢量，接收空域导向矢量和时域导向矢量分别为和表示kronecker积。

其中，wt,i＝2πfd,i/fprf，ws,i＝2πdrfs,i/λ；fprf表示脉冲重复频率，μ表示发射阵元与接收阵元间距比。

步骤s202，利用稀疏恢复算法，根据每个所述距离单元对应的所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。

依据上述步骤，将每个所述距离单元的单帧数据等效为该距离单元的多帧数据后，利用稀疏恢复算法，结合上述步骤获得的多帧数据，计算该距离单元的杂波空时谱。

所述稀疏恢复算法(sparserecovery，sr)，是用于对一定形式上满足稀疏性的数据，以低于奈奎斯特采样率的频率进行采样时，通过特定的算法将原数据进行恢复或重构的算法。所要求的稀疏形式可以表现在时域、频域、空时域等方面，并且可以是近似的稀疏。所述稀疏恢复算法，目前主要分为三类：凸优化方法，贪婪(greedy)算法，focuss算法。稀疏恢复算法不依赖先验信息，并且利用少量的训练样本就可以实现目标超分辨，是本发明实施例用于解决非正侧视条件下距离依赖性的关键技术。本发明实施例结合稀疏恢复算法，根据相控阵的多帧数据，获得相应距离单元的杂波空时谱的过程可以为：

根据所述相控阵的多帧数据，构建所述雷达的稀疏模型，建立稀疏超完备基，获取所述稀疏超完备基在所述稀疏模型上的杂波时空谱。

在一种实施方式中，由于各距离环上的杂波数据是由多个空时三维导向矢量叠加而成的，则第l个距离环上的杂波数据又可以表示为：

其中，γj表示杂波第j个空时二维导向矢量对应的复幅度；αl表示第l个距离环上杂波数据在mnk×nsnd的超完备基矩阵ψl上的频率分布(即杂波空时谱)：

其中，ns＝ρsn和nd＝ρdk分别表示由空间频率和doppler频率量化得到的分辨单元，ρs和ρd分别表示空间频率和doppler频率的量化尺度，为了获得精细的空时分布特性，一般取值远大于1。在已知xl和ψl的情况下，就可以对空时谱αl进行求解。

由于矩阵ψl是超完备的(nsnd＞＞mnk)，故需要求解欠定方程。根据稀疏恢复理论，当待求解的向量具有稀疏性时，欠定方程可以有效求解：

其中，表示空时谱估计，||·||p表示lp范数，ε表示匹配误差。

步骤s203，根据所述距离单元的所述杂波空时谱，获得过渡协方差矩阵。

依据上述步骤获取每个所述距离单元的杂波空时谱之后，计算对应每个距离单元的过渡协方差矩阵。获得每个所述距离单元的过渡协方差矩阵的过程可以为：

根据稀疏恢复算法求解所述杂波时空谱，获得稀疏协方差矩阵，根据所述稀疏协方差矩阵，获得所述过渡协方差矩阵。

在一种实施方式中，根据稀疏恢复算法求解所述杂波时空谱，获得稀疏协方差矩阵的方式可以包括：

根据所述稀疏恢复算法，求解所述杂波时空谱，获取杂波时空谱估计和超完备基矩阵，根据所述杂波时空谱估计和所述超完备基矩阵，计算所述稀疏协方差矩阵。

在上述实施例的基础上，根据所述距离单元的所述稀疏协方差矩阵，获得所述过渡协方差矩阵的方式可以为：

根据所述稀疏协方差矩阵，获取每个采样点对应用于表示杂波功率谱的capon谱，根据全部所述采样点的capon谱，重构所述过渡协方差矩阵。

在一种实施方式中，最后通过不同距离单元的杂波空时谱估计和超完备基矩阵ψl，计算出稀疏协方差矩阵：

其中，表示第l个距离单元的空时谱中第i个元素，ψi,l表示超完备基ψl的第i列数据，(·)^h表示共轭转置，i表示大小为mnk×nsnd的零矩阵。

在第l个距离环上的角度－doppler频率分布曲线上均匀的取p个离散点(p>2mnk)，因为杂波功率谱的强度可以通过capon谱直接反映，故第t个散射点处的杂波散射系数可由p(ws,t,wt,t)表示，进而重构出未补偿的协方差矩阵估计：

其中，第t个散射点在角度－doppler频率分布曲线上的空域角频率和时域角频率分别为ws,t和wt,t；表示稀疏恢复后的空时三维导向矢量；w(ws,t,wt,t)表示空时平面上的空时三维导向矢量。

步骤s204，将每个所述距离单元的所述过渡协方差矩阵作用于待检测单元，获得变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。

依据上述步骤获取每个所述距离单元的过渡协方差矩阵后，将每个距离单元的过渡协方差矩阵，作用于待检测单元，获得对应的变换矩阵，再结合所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。其实现过程可以包括：

对所述过渡协方差矩阵进行特征值分解，得到特征矢量矩阵和特征值矩阵，根据所述特征矢量矩阵和所述特征值矩阵，获取所述变换矩阵。

在一种实施方式中，指定第l个训练样本单元为待检测单元，重构出第l个距离单元的杂波协方差矩阵现在要通过变换矩阵使得第l个距离单元与待检测单元杂波数据统计特性趋于一致，即满足：

其中，||·||2表示矩阵的2－范数。对和进行特征值分解：

其中，vl和vl分别表示和进行特征值分解后的特征矢量矩阵，λl和λl是对应的特征值矩阵。求得空时变换矩阵为：

在上述实施例的基础上，根据交换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿，使得其与待检测单元数据特性趋于一致。进行距离补偿之后，还可以做进一步优化。根据距离补偿后的距离门数据，获得相对更加准确的杂波协方差矩阵，再根据所述杂波协方差矩阵，涉及滤波器，进行滤波处理。全部所述杂波协方差矩阵，获得准最优权矢量，根据所述准最优权矢量，设计滤波器，进行过滤处理。

为使训练单元的杂波特性与待检测单元趋于一致，将求得的空时变换矩阵tl作用于雷达回波数据，达到杂波距离依赖性补偿的目的：

其中，xl表示第l个距离单元的雷达回波数据。

则准最优权矢量为：

其中，为归一化常数，sl(wt,l,ws,l)为空时三维导向矢量。

在上述实施例的基础上，将所述多输入多输出雷达单帧回波数据等效为相控阵多帧回波数据的方法可以包括直接处理、子阵合成或者随机选取等，以及其他能达到本发明实施例的多帧数据等效的方案均可适用于本实施例，在此不做限定。

综上所述，本发明实施例提供的距离补偿方法，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。先获取所述雷达的各个距离单元接收的杂波数据，进行分块处理，获得叠加形式的回波数据，进而得到各个距离单元回波数据的等效多帧数据。将所述距离单元的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据，利用稀疏恢复算法，根据所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。根据所述杂波空时谱，即可获取每个距离单元的过渡协方差矩阵。最后，根据全部所述距离单元的过渡协方差矩阵，获得所述雷达的变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。利用稀疏恢复算法不依赖历史数据，且所需训练样本较少，可以实现目标超分辨，改善杂波谱的估计性能，进而提高杂波协方差矩阵的估计精度，提高杂波抑制性能，实现杂波谱的距离依赖性补偿。依赖稀疏恢复算法代替空时子孔径平滑，全孔径估计杂波空时谱，避免了子孔径损失和先验信息失配的影响。且系统自由度增加以及不依赖于先验信息，对于存在阵元误差的情况下，系统鲁棒性进一步提升。

请参见图4，为本发明提供的一种距离补偿装置400，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。所述距离补偿装置400包括：数据帧转换模块401、杂波空时谱获取模块402、过渡协方差矩阵获取模块403和变换矩阵获取模块404。

数据帧转换模块401，用于将所述雷达的各个距离单元接收的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据；

杂波空时谱获取模块402，用于利用稀疏恢复算法，根据每个所述距离单元对应的所述相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱；

过渡协方差矩阵获取模块403，用于根据所述距离单元的所述杂波空时谱，获得过渡协方差矩阵；

变换矩阵获取模块404，用于将每个所述距离单元的所述过渡协方差矩阵作用于待检测单元，获得变换矩阵，根据所述变换矩阵对所述雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。

在上述实施例的基础上，所述过渡协方差矩阵获取模块403用于：

根据稀疏恢复算法求解所述杂波空时谱，获得稀疏协方差矩阵；

根据所述稀疏协方差矩阵，获得所述过渡协方差矩阵。

上述本发明实施例提供的距离补偿装置，应用于单基地线阵的机载多输入多输出的雷达在非正侧视情况下，各发射阵元波形正交时的距离补偿。先获取雷达的各个距离单元接收的杂波数据，进行分块处理，获得叠加形式的回波数据，进而得到各个距离单元回波数据的等效多帧数据。将距离单元的单帧数据转换为对应的相控阵的多帧数据，利用稀疏恢复算法，根据相控阵的多帧数据，获得该距离单元的杂波空时谱。根据杂波空时谱，即可获取每个距离单元的过渡协方差矩阵。最后，根据每个距离单元的过渡协方差矩阵，获得雷达的变换矩阵，根据变换矩阵对雷达的各个距离单元的距离门数据进行距离补偿。利用稀疏恢复算法不依赖历史数据，且所需训练样本较少，可以实现目标超分辨，改善杂波谱的估计性能，进而提高杂波协方差矩阵的估计精度，提高杂波抑制性能，实现杂波谱的距离依赖性补偿。依赖稀疏恢复算法代替空时子孔径平滑，全孔径估计杂波空时谱，避免了子孔径损失和先验信息失配的影响。且系统自由度增加以及不依赖于先验信息，对于存在阵元误差的情况下，系统鲁棒性进一步提升。本发明实施例提供的距离补偿装置的具体实施过程请参见上述方法实施例，在此不再一一赘述

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。