基于多普勒三通道联合处理的空时自适应单脉冲测角方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达单脉冲测角领域，具体涉及一种基于多普勒三通道联合处理的空 时自适应单脉冲测角方法。
【背景技术】
[0002] 机载雷达下视工作，地杂波严重导致多普勒展宽，使得运动目标容易被杂波淹没， 影响雷达目标探测性能。1973年Brennan等提出利用空时二维自适应信号处理（STAP)来 抑制杂波。STAP进行空时二维滤波，通过待检测单元（CUT)邻近距离单元选取训练样本， 自适应计算滤波器的权值，已经成为一项成熟的技术，并被认为是机载雷达探测目标同时 抑制杂波的强大工具。虽然应用STAP技术可以提高目标检测性能，但是无法估计出目标角 度。Nickel提出的自适应单脉冲技术是一种高精度角度估计方法，且该方法可以推广至空 时二维。STAP在空时两维空间实现自适应杂波抑制和动目标信号的相干积累，理论上可以 实现最优处理，但是全维处理所需要的运算量惊人，假设空域和时域采样数分别为N和K， 得到的自适应权值需要对NKXNK维杂波相关矩阵进行估计和求逆，其运算量为0 (NK)3,实 时处理在软硬件上都存在巨大的困难。降维STAP，通过对全维数据的线性变换将问题的求 解降至低维空间，可实现系统自由度的降低。多普勒三通道联合处理（3DT)是适合工程应 用的后多普勒降维STAP技术。但是在多普勒分辨率较低的情况下，仅用空域的自适应单脉 冲存在较大的测角误差。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于多普勒三通道联合处理的空时自适 应单脉冲测角方法，解决了多通道机载雷达系统通道较少，多普勒分辨率较低，测角误差大 的问题。
[0004] 本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
[0005] 基于多普勒三通道联合处理的空时自适应单脉冲测角方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1、获取雷达阵列天线各接收通道信号，并根据如下公式对第k个检测多普勒 单元做空时域的联合处理：
[0007] T=Tt^Ts.,
[0008] 其中，！^为空域降维矩阵，为NXN阶的单位矩阵，Tt为时域降维矩阵，
[0010] 其中，/l、//4、/',分别为第k_l，第k，和第k+1个多普勒单元归一化的中 心多普勒频率；
[0011] 步骤2、根据如下公式获取第k个待检测多普勒单元的接收数据zT=THz，最优权 矢量Wt:
[0012] wr =i^V，其中，St=TV上标H表示复共辄转置，S为目标空时导引矢量，Rt由 相邻距离单元作为样本进行极大似然估计获得，估计值美为：
[0013]
其中xTl=ThX1代表第i个样本Xi经降维处理后的输出，L为样 本个数；
[0014] 步骤3、计算和波束自适应权值、空域差波束自适应权值、空域和波束自适应权值， 设定h= 0 ;
[0015] 步骤4、根据如下公式计算目标方位空间频率u的估计值目标归一化多普勒频 率V的估计值f:
[0017] 其中，u。=sin0。为目标方位空间频率初始值，0。为发射天线方位指向角， A==Zrff为目标归一化多普勒频率初始值；ru为空域差波束与和波束的单脉冲比，yu为 ru的偏移量修正值，r￥为时域差波束与和波束的单脉冲比，y￥为rv的偏移量修正值；
为空时自适应单脉冲比的斜率矩阵；
[0018] 步骤 5、令，v〇..=f>h=h+1 ;
[0019] 步骤6、判断h是否小于m，如果是，重复执行步骤4至步骤5,否则，执行步骤7,m 为大于1的整数；
[0020] 步骤7、根据如下公式计算目标方位空间角0的估计值I
[0021] §= arc sin ：? ；
[0022] 步骤8、令0: = #,获取目标方位空间角。
[0023] 所述步骤6中的m等于2。
[0024] 所述和波束自适应权值、空域差波束自适应权值、空域和波束自适应权值计算公 式分别如下：
[0025] Wy-RySq^?dciyii-Ryu?dci^v-v
矢量，对角矩阵DN=diag(Jii[0I…N-l])，DK=diag(2Jii[0I…K-1])，N为雷达阵 列天线列数，K为次相干处理间隔内脉冲数。
[0027] 所述任一个雷达信号多普勒单元的信号模型为：
[0028] z=sb+n
[0029] 其中，z表示检测单元阵列输出矢量，b表示目标的复包络，n表示杂波加噪声；s 为目标空时导引矢量：
[0030] S = S10Ss
[0031] 其中，为直积：
分别对应时域导 引矢量和空域导引矢量，上标T表示转置。
[0032] 所述步骤4中rv、y v、ru、y。与C中各元素的计算公式分别为：
[0038] 其中：％ =心|B=%>V=V。为波束中心处经过3DT算法降秩后的空时导向矢量。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0040] 1、当多普勒分辨率较差时，可获得比常规空域自适应单脉冲更高的测角精度。
[0041] 2、收敛速度快，运算量小，易于工程实施。
【附图说明】
[0042] 图1为基于多普勒三通道联合处理的空时自适应单脉冲测角方法流程图。
[0043] 图2为3DT-AM算法目标角度估计随迭代次数变化曲线。
[0044] 图3为3DT-AM与3DT-STAM算法目标角度估计结果。
[0045] 图4为3DT-STAM算法估计的目标归一化多普勒频率。
[0046] 图5为3DT-AM与3DT-STAM方法下目标角度估计RMSE随SNCR变化曲线。
[0047] 图6为不同脉冲数下3DT-STAM算法目标角度估计RMSE随SCNR变化曲线。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0049] 机载雷达下视工作，地杂波严重导致多普勒展宽，使得运动目标容易被杂波淹没， 影响雷达目探测性能。1973年Brennan等提出利用空时二维自适应信号处理（STAP)来抑 制杂波。STAP进行空时二维滤波，通过待检测单元（CUT)邻近距离单元选取训练样本，自适 应计算滤波器的权值，已经成为一项成熟的技术，并被认为是机载雷达探测目标同时抑制 杂波的强大工具。虽然应用STAP技术可以提高目标检测性能，但是无法估计出目标角度。 Nickel提出的自适应单脉冲技术是一种高精度角度估计方法，且该方法可以推广至空时二 维。STAP在空时两维空间实现自适应杂波抑制和动目标信号的相干积累，理论上可以实现 最优处理，但是全维处理所需要的运算量惊人，假设空域和时域采样数分别为N和K，得到 的自适应权值需要对NKXNK维杂波相关矩阵进行估计和求逆，其运算量为O(NK)3,实时处 理在软硬件上都存在巨大的困难。降维STAP，通过对全维数据的线性变换将问题的求解降 至低维空间，可实现系统自由度的降低。多普勒三通道联合自适应处理是适合工程应用的 后多普勒降维STAP技术。但是在多普勒分辨率较低的情况下，仅用空域的自适应单脉冲存 在较大的测角误差。
[0050] 假设雷达阵列天线有N列，各阵元天线各项同性，一次相干处理间隔内脉冲数为 K，则其检测单元的雷达信号多普勒单元信号模型可表示成如下形式：
[0051] z=sb+n
[0052] 式中，z表示检测单元阵列输出矢量，b表示目标的复包络，n表示杂波加噪声；s 为目标空时导引矢量：假设杂波加噪声n服从均值为0,协方差为R的高斯分布，杂波、噪声 和目标互不相关。
[0053] 3DT算法首先将各个通道接收信号通过快速傅里叶变换（FFT)由时域变换到多普 勒域，然后联合待检测目标所在多普勒单元极其两侧相邻多普勒单元进行自适应处理。对 于第k个检测多普勒单元，取左侧第k-1个多普勒单元和右侧第k+1个多普勒单元作为辅 助通道，做空时域的联合自适应处理，数据的转置与降维用矩阵T来实现；其中T是一系列 空域与时域导向矢量Kronecker直积构成的降维转置矩阵，定义为：
[0055] 其中發为Kronecker直积，！^为空域降维矩阵，由于3DT算法空域并未降维，因此TsSNXN阶的单位矩阵，Tt为时域降维矩阵：
[0057] 上标T表示转置。Zfel分别为第k-1，第k，和第k+1个多普勒单元 归一化的中心多普勒频率。
[0058] 经过T降维后，第k个待检测多普勒单元的接收数据，目标导向矢量和杂波加干扰 噪声协方差矩阵分别为Zt=THz，St=THs，Rt=TRTH，上标H表示复共辄转置。
[0059] 因此，3DT算法中第k个待检测多普勒单元的最优权矢量为
[0060] Wj=
[0061] 由于杂噪特性未知，实际应用中Rt由相邻距离单元作为训练样本进行极大似然估
[0062]其中xTl= ThX1代表第i个样本xi经降维矩阵T进行降维处理后的输出，L为样 本个数，保证估计精度，样本需要与待检测单元杂噪分量在统计上满足独立同分布条件，可 取L = 6N个独立同分布训练样本。
[0063] 为进一步确定目标方位信息，传统的空域自适应单脉冲可用于目标测角（这里将 基于3DT空域自适应单脉冲简称为3DT-AM算法）。广义单脉冲测角公式为
[0064]Il=U0 +cA{rn ~jLl}
[0065] 其中6为目