运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法
【专利摘要】本发明公开一种运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法，主要解决在多径环境下超低空目标产生的“镜像”虚假目标污染训练样本而造成的性能损失问题。其实现步骤是：1.设计优化的4个约束点频率；2.构建多普勒域约束条件；3.构建空域约束条件；4.求解最优权矢量；5.得到输出数据；本发明通过在多普勒域用不等式约束代替原先方法的等式约束，在空域用幅相联合约束代替原先方法的幅度约束，能在不损耗自由度的前提下实现主瓣保形，实现空时自适应处理方法的稳健性，提高运动平台雷达检测超低空目标的性能，可用于运动平台雷对超低空目标的检测。
【专利说明】
运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法
技术领域
[0001 ]本发明属于雷达技术领域，更进一步设及空时自适应信号处理技术，可用于多径 环境下超低空运动目标的监视与预警。
【背景技术】
[0002] 运动平台雷达提供对空中或地面运动目标的监视与跟踪功能，具有重要的军用和 民用价值。然而，运动平台雷达下视工作时面临多普勒扩展了的地面杂波问题，使得微弱目 标信号将淹没在杂波背景中。空时自适应处理STAP联合空间与时间的二维信息，可实现在 强杂波背景下的微弱运动目标检测，提供了对低空突防目标的有效探测，受到国内外学者 的广泛关注。
[0003] 传统运动平台雷达STAP方法中，杂波及干扰的协方差矩阵是通过待检测单元邻近 距离口的训练数据估计得到的，当训练单元与待检测单元中的杂波和干扰满足独立同分布 条件，且训练样本数大于2倍系统自由度时，系统性能损失小于3地。对于正侧视弹载雷达， 杂波的空域频率与多普勒频率之间是线性禪合的，并且该禪合关系是不随距离而变化的， 所W不同距离获得的训练样本可W近似认为满足独立同分布特性。
[0004] 随着飞行器技术的发展，突防目标的飞行高度可W达到lOOmW下。此时，超低空目 标与环境之间存在禪合效应和多径杂波，形成"镜像"虚假目标。并且"镜像"目标与真实目 标具有不同的空间角度、多普勒和距离，导致真实目标在空时二维平面上存在角度-多普勒 二维扩展。一旦虚假目标被包含在训练样本中，将造成STAP方法主瓣响应崎变，引起目标相 消，造成STAP方法的性能恶化。针对目标约束不准确造成的STAP性能损失问题，传统的线性 约束最小均方误差LCMV波束形成方法通过增加主瓣附近的多个线性约束来展宽波束形成 器的主瓣响应。LCMV方法的缺点是由于线性约束的增加导致用于抑制杂波和干扰的自由度 减少，造成波束形成器的旁瓣变高或者干扰方向的零陷变浅。实际上，造成STAP性能下降的 因素不仅有目标约束的不准确，而且包括杂波协方差矩阵估计的误差。对于前视阵列等非 正侧视模式，杂波还存在严重的距离依赖性，造成杂波协方差矩阵估计存在误差，从而导致 STAP方法的性能急剧下降。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处 理方法，W解决上述现有技术的不足，提高弹载雷达检测性能。
[0006] 本发明的基本思路是:通过在待检测目标和多普勒域上与其临近一点W及空域上 与其临近两点采用优化的幅度和相位联合约束，实现STAP二维响应的主瓣保形，其实现方 案包括如下：
[0007] 1)设计优化的4个约束点频率：
[000引设目标为第0个约束点，该点的多普勒频率为
空间角频率为 乂。=sin00a>s為，第1个约束点的多普勒频率为./；;=篇，空间角频率为
第2 个约束点的多普勒频率为沁=/;,°，空间角频率为
.，第3个约束点的多普勒 频率为
，空间角频率为其中，V为平台运动速度，λ为雷达发射信号 的波长，θ0为目标的方位角，Φ 0为目标的俯仰角，fpRF为雷达发射信号的脉冲重复频率，Μ为 阵列阵元数，Κ为脉冲数；
[0009] 2)构建多普勒域约束条件：
[0010] 2a)将多普勒域优化问题
片的约束条件|s〇Hw|2m
[0011] 其中，W为待求的最优解，Η表示共辆转置操作，RX为采样数据的协方差矩阵，so和S3 分别为第0个约束点W及第3个约束点的空时导向矢量，j表示虚数，Ρο,Ρι,Φ分别为待求的 二元向量
申Ξ个未知参数；
[001^ 化）计算步骤2a)中S个未知参数Ρο,Ρι，Φ :
[0013] 化1)根据第0个约束点的空时二维导向矢量S0,第3个约束点的空时二维导向矢量 S漏到空时二维导向矩阵S=(S0，S3);
[0014] 2b2)根据采样数据的协方差矩阵Rx，空时二维导向矩阵S，计算得到
其中，?表示广义逆，ro，ri，η，β为根据四元矩阵
中的 四个元素得到的四个数值不同的中间数；
[00巧]沈3)根抵亂札朽说寻到：
[0016]
[0017] 3)构建空域约束条件：
[001引3a)构建空域优化问题：
[0019]
[0020] 其中，si，S2分别为步骤1)中第1个约束点和第2个约束点的空时二维导向矢量，α〇， 口1，曰2，0日，01，02为待求的^元向量
中6个未知参数；
[0021] 3b)根据S1，S0，S2得到该优化问题中约束条件的参数为：
[0022]
[0023] 其中，Μ为阵列阵元数，d表示阵元间距，λ为雷达发射信号的波长，φι表示第i个约 束点跟雷达阵列轴向的空间锥角；
[0024] 4)求解最优权矢量：
[00巧]4a)根据步骤2a)和3a)构建空域多普勒域联合约束优化问题：
，其 中，〔=(31，3日，32,33)为新的空时二维导向矩阵 为约束矢量；
[0026] 4b)根据C，U得到最优权矢量为：
[0027] w = I?x-iC(CHl?x-iC)-iu
[002引5)根据最优权矢量W得到运动平台雷达检测超低空目标的输出数据Υ=*τχ，其中X 表示采样数据，Τ表示转置操作。
[0029] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0030] 本发明通过在多普勒域用不等式约束代替原先方法的等式约束，在空域用幅相联 合约束代替原先方法的幅度约束，能够在不损耗自由度的前提下实现主瓣保形，从而克服 了镜像目标污染训练样本而造成检测目标性能损失的问题，实现了空时自适应处理方法的 稳健性，提高了运动平台雷达检测超低空目标的性能。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的使用场景图；
[0032] 图2是本发明的实现流程图；
[0033] 图3是用发明方法检测超低空目标的波束形成图；
[0034] 图4是用本发明方法检测目标的性能改善因子对比最优性能改善因子的曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明实施例及效果作进一步的详细描述。
[0036] 参照图1，本发明的使用场景为:采用运动平台作为雷达平台，平台高度为Η，运动 速度为V。目标高度为h，运动速度为Vs。雷达配置方式为一维等距线阵，阵元数为Μ，阵列轴 线垂直于雷达运动方向，阵列发射信号的脉冲重复频率为fpRF。
[0037] 参照图2,本发明通过在多普勒域用不等式约束代替原先方法的等式约束，在空域 用幅相联合约束代替原先方法的幅度约束，W实现空时自适应处理方法的稳健性，提高运 动平台雷达检测超低空目标的性能。其实现步骤如下：
[0038] 步骤1，设计优化的4个约束点频率。
[0039] 设目标为第0个约束点，该点的多普勒频率为
空间角频率为 fsD = sin白OCOS Φ 0;
[0040] 第1个约束点的多普勒频率为店，空间角频率为
[0041] 第2个约束点的多普勒频率为// = /:，空间角频率为.
[0042] 第3个约束点的多普勒频率为
.空间角频率为乂3 =於，
[0043] 其中，V为平台运动速度，λ为雷达发射信号的波长，θ〇为目标的方位角，Φ 0为目标 的俯仰角，fpRF为雷达发射信号的脉冲重复频率，Μ为阵列阵元数，Κ为脉冲数。
[0044] 步骤2,构建多普勒域约束条件。
[0045] 2a)计算第i个约束点的空时二维导向矢量。
[0046] 根据雷达发射信号的脉冲重复频率fPRF，阵列阵元数M，脉冲数K，第i约束点的多普 勒频率成切及空间角频率推得到第i个约束点的空域导向矢量3(/:) W及时域导向矢量
[0049]其中i = 0，l，2,3，T表示转置操作；
[0化0] 2b)根据步骤2a)中第i个约束点的空域导向矢量及时域导向矢量Μ/;;；)得 到第1个约束点的空时二维导向矢量3,.(./;，./;;)=4./;'.)01>以;;），其中，0表示克罗内克乘 积；
[0051] 2c)根据步骤化）中第i个约束点的空时二维导向矢量得到从第0个约束 点到第3个约束点的空时二维导向矢量：
[0052] 2d)将多普勒域优化问题
μ的约束条件|so\|2M and|s3Hw|2M写成
[0053]其中，w为待求的最优解，Η表示共辆转置操作，RX为采样数据的协方差矩阵，so和S3 分别为步骤2c)中第0个约束点W及第3个约束点的空时导向矢量，j表示虚数，Ρο,Ρι,Φ分别 一 为待求的二元向量中Ξ个未知参数； ·. 、/
[0化4] 2e)计算步骤2d)中Ξ个未知参数Ρο，Ρι，Φ :
[0055] 2el)根据步骤2c)中第0个约束点的空时二维导向矢量S0,第3个约束点的空时二 维导向矢量S3得到空时二维导向矩阵S=(S0，S3);
[0056] 2e2)根据步骤2el)中空时二维导向矩阵S，采样数据的协方差矩阵Rx，计算得到
其中，1*表示广义逆，-1表示矩阵求逆操作，。，扣〇，0为根 / X 据四元矩阵* *中的四个元素得到的四个数值不同的中间数； ? 9 \ /
[0化7] 化3)根据步骤化2)中^)，〇，^，的寻到所求的(1)，口日，化：
[0061] 上述步骤2d)中多普勒域约束优化问题在多普勒域用不等式约束代替原始方法中 的等式约束，可W不损耗系统的自由度，从而避免波束形成器的旁瓣变高或者干扰方向的 零陷变浅。
[0062] 步骤3,构建空域约束条件。
[0063] 3a)构建空域优化问题：
[0064]
[0065] 其中，si，S2分别为步骤2c)中第1个约束点和第2个约束点的空时二维导向矢量， 〇〇，曰1，曰2，0〇，01，02为待求的^元向1
1=16个未知参数；
[0066] 3b)根据步骤2c)中的si，so，S2得到该优化问题中约束条件的参数为：
[0067]
[006引其中，d表示阵元间距，Φ康示第i个约束点跟雷达阵列轴向的空间锥角；
[0069] 空域约束采用Ξ点的联合幅相约束，其幅度和相位约束跟目标信号相匹配，因此 性能上损失较小。
[0070] 步骤4,求解最优权矢量。
[0071] 4a)根据步骤2d)中多普勒域的约束问题
和步骤3a)中空域 的约束问题陶建空域多普勒域联合约束优化问 题。
[0072] 由于多普勒域约束问题中第0个约束点的幅相约束条件为wHso = Po,空域约束问题 中第0个约束点的幅相约束条件为w^:。二《。^种，为此，需将空域约束问题中第0个约束点 的约束条件转换成跟多普勒域约束相同，为此将空域优化问题写成：
[0073]
[0074] 于是，空域多普勒域联合约束优化问题变为：
[0075]
，
[0076] 其中，〔=(31，30,32,33)为新的空时二维导向矩阵，
为约束矢量；
[0077] 4b)根据步骤4a)中巧邮得到最优权矢量为：
[007引 w=i?x-ic(cHi?x-ic)-iu，
[0079] 其中，-1表示矩阵求逆操作，Η表示共辆转置操作。
[0080] 步骤5,根据步骤4b)中最优权矢量W得到运动平台雷达检测超低空目标的输出数 据Υ=*τχ，其中X表示采样数据，T表示转置操作；
[0081 ]下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
[0082] 1.仿真参数：
[0083] 设运动平台雷达的参考载频f〇=10GHz，脉冲重复频率fpRF = 60KHz，雷达阵列为阵 元间距为半波长的等距线阵，阵元数M=20,脉冲数Κ=16,雷达平台的运动速度v = 400m/s， 平台高度H=1080m，目标高度h = 80m，目标速度vs = 100m/s，杂波噪声比为60地，信号噪声 比为25地。
[0084] 2.仿真内容：
[0085] 仿真1，在上述仿真参数下，用发明方法进行超低空目标的波束形成，结果图如图3 所示。
[0086] 由图3可见，本发明方法的波束形成方向图在主瓣区域没有发生崎变，可见本发明 方法有效。
[0087] 仿真2,在上述仿真参数下，用本发明方法检测目标的性能改善因子对比最优性能 改善因子曲线变化，结果如图4所示。
[008引由图4可见，本发明方法的改善因子只比最优的下降5地左右，可见本发明方法的 性能较好。
[0089]本仿真验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。
【主权项】
1.运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法，包括： 1) 设计优化的4个约束点频率： 设目标为第〇个约束点，该点的多普勒频率为，空间角频率为/s° = sin^ cqs為，第1个约束点的多普勒频率为爲1 = <，空间角频率为 个约束点的多普勒频率为./?=义，空间角频率为第3个约束点的多普勒，空间角频率为乂4 其中，v为平台运动速度，λ为雷达发射信号 的波长，θ〇为目标的方位角，Φ 〇为目标的俯仰角，fPRF为雷达发射信号的脉冲重复频率，Μ为 阵列阵元数，Κ为脉冲数； 2) 构建多普勒域约束条件： 2a)将多普勒域优化问题中的约束条件|s〇Hw|22 1 and其中，w为待求的最优解，Η表示共辄转置操作，Rx为采样数据的协方差矩阵，so和S3分别 为第0个约束点以及第3个约束点的空时导向矢量，j表示虚数，p〇，pi，Φ分别为待求的二元2b)计算步骤2a)中三个未知参数ρ〇，ρι，Φ : 2bl)根据第0个约束点的空时二维导向矢量so,第3个约束点的空时二维导向矢量S3得 到空时二维导向矩阵3=(80,83); 2 b 2 )根据采样数据的协方差矩阵R X，空时二维导向矩阵S，计算得到，其中，?表示广义逆，。^^，^为根据四元矩阵 四个元素得到的四个数值不同的中间数；2b3)根据ro，r 1，Γ2，β得到：3) 构建空域约束条件： 3a)构建空域优化问题：其中，S1，s2分别为步骤1)中第1个约束点和第2个约束点的空时二维导向矢量，α〇， αι， α2，β()，β?，β2为待求的三元向3b)根据81，8〇,82得到该优化问题中约束条件的参数为：其中，Μ为阵列阵元数，d表示阵元间距，λ为雷达发射信号的波长，机表示第i个约束点跟 雷达阵列轴向的空间锥角；4) 求解最优权矢量： 4a)根据步骤2a)和3a)构建空域多普勒域联合约束优化问题：C= (81，8〇,82,83)为新的空时二维导向矩阵 约束矢量； 4b)根据C，u得到最优权矢量为： w = Rx_1C(ChRx_1C)_1u 5) 根据最优权矢量w得到运动平台雷达检测超低空目标的输出数据Y=wTX，其中X表示 采样数据，T表示转置操作。2.根据权利要求1所述的运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法， 其中步骤2a)中计算第0个约束点以及第3个约束点的空时二维导向矢量so，S3，按如下步骤 进行： 2al)根据雷达发射信号的脉冲重复频率fPRF，阵列阵元数M，脉冲数K，第k个约束点的空 间角频率f以及第k个约束点的多普勒频率乃，得到第k个约束点的空域导向矢量以 及时域导向矢量b 其中，k = 0,3;2a2)根据步骤2al)中4，)以及得到第k个约束点的空时二维导向矢量：其中，8)表示克罗内克乘积。 2a3)根据步骤2a2)中以/K)得到第〇个约束点的空时二维导向矢量\ =^/：υ，Λ°；)， 第3个约束点的空时二维导向矢量83=83(/^^；)。3.根据权利要求1所述的运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法， 其中步骤3a)中计算第1个约束点以及第2个约束点的空时二维导向矢量81，82，按如下步骤 进行： 3al)根据雷达发射信号的脉冲重复频率fPRF，阵列阵元数M，脉冲数K，第1个约束点的空 间角频率尤以及第1个约束点的多普勒频率力得到第1个约束点的空域导向矢量以及 时域导向矢量其中，1 = 1，2; 3a2)根据步骤3al)中<//；)以及得到第1个约束点的空时二维导向矢量：3a3)根据步骤3a2)中以/f )得到第1个约束点的空时二维导向矢量、，^1，^， 第2个约束点的空时二维导向矢
【文档编号】G01S7/41GK105824016SQ201610160625
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】廖桂生, 许京伟, 冯阳, 王成浩, 兰岚
【申请人】西安电子科技大学