一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法

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一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,思路为:计算快速傅里叶变换后的第n个阵元在第l个距离门接收的机载雷达脉冲znl和N个阵元的第k个多普勒通道在第l个距离门接收的机载雷达回波zkl,并计算降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第l个距离门的机载雷达回波z'kl和N个阵元的第k个多普勒通道、第l个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵Rkl;计算第p次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第l个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵和N个阵元的第k个多普勒通道、第l个距离门的机载雷达回波杂波的最优协方差矩阵并计算空时自适应滤波处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第l个距离门的机载雷达回波杂波,进而计算阵元—多普勒域机载雷达回波对应的距离?多普勒谱。
【专利说明】
一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达杂波抑制技术领域,特别涉及基于协方差矩阵估计的机载雷达杂 波抑制方法,并且是基于非均匀杂波条件下级联二维空时处理方法,适用于斜侧阵机载雷 达杂波抑制或非正侧阵机载雷达杂波抑制。
【背景技术】
[0002] 机载预警雷达已经成为现代战争的预警情报、战场监视和作战指挥系统的重要组 成部分,它可以显著增加对低空突防目标的探测距离,大大提高武器系统的效能,在现在战 争中扮演着越来越重要的角色,受到各军事大国的高度重视。机载预警雷达的波束指向一 般是水平或稍下方向,使得机载预警雷达不可避免地会接收到地杂波。由于技术水平限制, 使得阵列机载雷达天线的旁瓣电平较高,且阵列机载雷达回波中地杂波较强,可达90dB,远 强于目标回波;此外,由于飞机平台的运动,地杂波的多普勒范围大大展宽,使得可供检测 的多普勒范围大大降低,有很大一部分目标都"湮没"在地杂波中。因此,为了可靠检测远距 离目标,首先要解决机载雷达的杂波抑制问题。
[0003] 空时自适应处理(STAP)技术的诞生追溯到20世纪70年代,在杂波协方差矩阵和目 标信号分别确知的条件下,Brennan和Reed等在期刊Aerospace and Electronic Systems (AES)上,提出了全空时自适应处理(STAP)的概念和理论,其思想是将阵列信号处理的基本 原理推广到由脉冲和阵元采样的两维场中;全空时自适应处理(STAP)能够取得比较理想的 机载雷达杂波抑制效果,但是,机载雷达杂波协方差矩阵精确已知的条件在工程实现中难 以满足,通常情况下是由参考单元估计得到;根据Reed,Mal lett和Brennan三人提出的理论 (即RMB准贝IJ)可知,为了使空时自适应处理(STAP)器的性能损失不超过3dB,空时自适应处 理(STAP)器训练样本个数至少应为系统自由度的两倍,而且,机载雷达杂波协方差矩阵须 从独立同分布的训练样本估计而来,所以全空时自适应处理(STAP)的运算量和设备复杂度 令人难以接受。
[0004] 为了降低运算量,德国的R.Klemm博士于1987年在期刊Signal Processing上提出 了辅助通道法,将空时自适应处理(STAP)器维数从Ml降至N+M-1,此处N表示机载雷达天线 阵元个数,M表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数;在没有误差的理想情况 下,该方法能够取得比较理想的杂波抑制效果,性能接近最优空时自适应处理(STAP)处理, 并且降低了估计杂波协方差矩阵所需要的独立同分布参考单元数目,但在有误差情况下, 该方法的杂波抑制性能并不理想。
[0005] 国内的西安电子科技大学在降维空时自适应处理(STAP)研究方面也展开了大量 工作,并提出了局域化处理法,即因子化方法(1DT)和扩展因子化方法(mDT);该局域化处理 法首先利用低旁瓣的多普勒滤波器对机载雷达回波进行局域化处理,然后在空域自适应处 理或空时域联合自适应处理将雷达杂波抑制掉。
[0006] 1994年,H.Wang等人提出了局域化联合处理(JDL)方法,该方法利用两维傅里叶变 换将接收到的雷达杂波由阵元-脉冲域变换到角度-多普勒域,然后分别在相邻的空域维和 时域维选取3个波束进行联合自适应处理,该方法的维数由1DT(或3DT)的N(或3N)进一步降 到9,显著减少计算量。

【发明内容】

[0007] 针对上述已有技术在非均匀杂波环境下协方差矩阵估计不够准确的问题,本发明 的目的在于充分利用机载雷达阵元和机载雷达脉冲回波,并提出一种基于协方差矩阵估计 的机载雷达杂波抑制方法,该种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法基于迭代方 式的协方差矩阵估计形式,从而进行机载雷达杂波抑制,旨在非均匀杂波环境下提高机载 雷达杂波的抑制性能。
[0008] 为达到上述技术目的,本发明采用如下技术方案予以实现。
[0009] -种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,包括以下步骤:
[0010] 步骤1,分别设定机载雷达的天线阵面在方位向均匀排列N个阵元,机载雷达回波 中包含的距离门个数为L,一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数为M,假设x nlm表示 第n个阵元、第1个距离门、第m个脉冲的机载雷达回波,得到第n个阵元、第1个距离门接收的 机载雷达脉冲记为x ni,并对xni进行快速傅里叶变换,得到快速傅里叶变换后的第n个阵元 在第1个距离门接收的机载雷达脉冲z nl,进而依次计算得到第n个阵元、第k个多普勒通道在 第1个距离门接收的机载雷达回波znkl和N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的 机载雷达回波Zkl;
[0011]其中,kG{l,2,…,K},K表示快速傅里叶变换后的第n个阵元在第1个距离门接收 的机载雷达脉冲Zni包含的多普勒通道总个数;1£{1,2,-_14儿表示机载雷达回波中包含的 距离门总个数;
[0012]步骤2,初始化:设k表示当前多普勒通道索引,1表示当前的距离门索引,k和1初始 值均为1;设定P为迭代次数,且P的初始值为1;
[0013] 步骤3,获取N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练 样本集Qkl,Qkl=[Zk(l-MN)…Zk(l-1) Zk(l+1)…Zk(l+MN) S],并计算得到N个阵元的第k个多普 勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练优化样本集q2…qv… qv],Qki中包含的元素分别与V ki中包含的元素 对应,qv表不(^ki中第v个优化训练样本; qv对应Qki中zi的相位差导向矢量S,且下标V=2MN+1;
[0014] 其中,Z1表示与快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达 脉冲相对应的空时数据快拍矢量,z ka〇表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-1个距离门 接收的机载雷达回波,zk(1+1)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+1个距离门接收的机载 雷达回波,z k(1-MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-MN个距离门接收的机载雷达回 波,z ka+MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+MN个距离门接收的机载雷达回波;
[0015] 步骤4,对N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波Zkl进行 降维处理,计算得到降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 z'kl,进而计算得到N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差 矩阵R kl;其中,如果当前多普勒通道索引k=l时,N个阵元的第k-1个多普勒通道在第1个距 离门接收的机载雷达回波z(k-m为N个阵元的第K个多普勒通道在第1个距离门接收的机载 雷达回波z K1;如果当前多普勒通道索引k = K时,N个阵元的第K+1个多普勒通道在第1个距离 门接收的机载雷达回波Z(K+m为N个阵元的第1个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷 达回波Z11;
[0016] 步骤5,计算第p次迭代后第v个优化训练样本对N个阵元的第k个多普勒通道、第1 个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权系数点进而计算得到第P次迭代后N个 阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵;其中, 为V X 1维列向量,V表示K中包含的元素个数;
[0017] 步骤6,对第p次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 协方差加权系数矩阵Pi冲前v-i个元素依次进行平方归一化,得到第p次迭代后恥中第/ 个元素对应的加权归一化系数pq2,然后计算得到第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通 道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差归一化矩阵;其中,y G {1,2,~v-l},V表 示粒中包含的元素个数;
[0018] 步骤7,判断第p次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回 波协方差加权系数矩阵是否达到稳态,假定|P; ],||=-;如果,则令P加 1,返回步骤5;
[0019] 若迭代终止,此时得到的第p次迭代后的加权系数矩阵K 达到稳态,进而得到的第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达 回波杂波协方差归一化矩阵食『,,为N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达 回波杂波的最优协方差矩阵;
[0020] 步骤8,利用N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波的最 优协方差矩阵,对降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回 波zli进行空时自适应处理,得到空时自适应滤波处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1 个距离门的机载雷达回波杂波y kl;
[0021] 步骤9,令1加1,重复步骤3-步骤8,直到1=L时,第k个多普勒通道的L个距离门各 自对应的机载雷达回波杂波抑制完成后,再令k加1,重复步骤3步骤8,直至ljk = K时,此时K个 多普勒通道各自对应的L个距离门机载雷达回波杂波全部抑制完成,并得到阵元一多普勒 域机载雷达回波对应的距离-多普勒谱。
[0022] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0023] 第一,本发明中提出的方法相比常规脉冲多普勒方法,充分使用导向矢量信息,使 得处理过程更具有稳健性;
[0024] 第二,使用常规扩展因子化法3DT估计机载雷达杂波协方差矩阵时,通常采用广义 内积(GIP)方法作为非均匀检测器剔除训练样本的样本奇点,该方法在均匀杂波条件下表 现较好,但在非均匀杂波环境的条件下表现极差;本发明方法在非均匀杂波环境下依然能 够估计出机载雷达杂波协方差矩阵,从而更好地抑制机载雷达杂波;
[0025]第三,使用常规扩展因子化法3DT估计机载雷达杂波协方差矩阵时,各训练样本分 别使用相同的加权系数,导致在非均匀条件下,不能更好地补偿机载雷达杂波起伏;而本发 明方法修正了这一缺陷。
【附图说明】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0027]图1是本发明方法的实现流程图;
[0028]图2a是使用脉冲多普勒方法进行杂波抑制后得到的距离多普勒图,其中横坐标为 多普勒通道,纵坐标为距离门;
[0029] 图2b是使用本发明方法进行杂波抑制后得到的距离多普勒图,其中横坐标为多普 勒通道,纵坐标为距离门;
[0030] 图3a是分别使用脉冲多普勒处理方法和本发明方法进行杂波抑制后的杂波剩余 中1-300号距离门对应的杂波剩余图,其中横坐标表示多普勒通道,纵坐标表示杂波剩余, 单位为dB;
[0031]图3b是分别使用脉冲多普勒处理方法和本发明方法进行杂波抑制后的杂波剩余 中300-530号距离门对应的杂波剩余图。
【具体实施方式】
[0032] 参考图1,为本发明方法的实现流程图;本发明的一种基于协方差矩阵估计的机载 雷达杂波抑制方法,包括以下步骤:
[0033] 步骤1,分别设定机载雷达的天线阵面在方位向均匀排列N个阵元,机载雷达回波 中包含的距离门个数为L,一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数为M,假设x nlm表示 第n个阵元、第1个距离门、第m个脉冲的机载雷达回波,得到第n个阵元、第1个距离门接收的 机载雷达脉冲记为x ni,并对Xni进行快速傅里叶变换(FFT),得到快速傅里叶变换后的第n个 阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲Zni,进而依次计算得到第n个阵元、第k个多普勒通 道在第1个距离门接收的机载雷达回波z nkl和N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接 收的机载雷达回波Zkl。
[0034] 其中,kG{l,2,…,K},K表示快速傅里叶变换后的第n个阵元在第1个距离门接收 的机载雷达脉冲Zni包含的多普勒通道总个数;1£{1,2,-_14儿表示机载雷达回波中包含的 距离门个数。
[0035] 具体地,分别设定机载雷达的天线阵面在方位向均匀排列N个阵元,机载雷达回波 中包含的距离门个数为L,一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数为M,同时N也表示 空时处理的空域自由度,M也表示空时处理的时域自由度;假设x nlm表示第n个阵元、第1个距 离门、第m个脉冲的机载雷达回波,mG{l,2,…,M},那么第n个阵元、第1个距离门接收的机 载雷达脉冲记为x ni,其表达式为:
[0036] Xnl=[Xnll Xnl2 …Xnlm …XnlM]T
[0037] 进而得到N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲,并得到与所述N个阵 元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的空时数据快排矢量 X1,其表达式为:
[0038] X/=[xJ;乓…xU
[0039] 因此,对第n个阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲Xnl进行快速傅里叶变换 (FFT),得到快速傅里叶变换后的第n个阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲z nl,其表达 式为:
[0040] Znl - T Xnl -[Znll Znl2 ??? Znlk ??? ZnlK]
[0041] 进而得到快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲, 并得到与快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的 空时数据快拍矢量zi,其表达式为:
[0042] {丨 zTv …zlt …r£TNl~J
[0043]其中,上标T表示转置,xnlm表示第n个阵元、第1个距离门、第m个脉冲的机载雷达回 波,znl表示第n个阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲,znlk表示第n个阵元、第k个多普 勒通道在第1个距离门接收的机载雷达脉冲,T表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩阵, Xnl表示 第n个阵元、第1个距离门接收的机载雷达脉冲,上标H表示共辄转置;如果第n个阵元在第1 个距离门接收的机载雷达脉冲x ni做FFT处理时进行了fftshift处理,那么加权快速傅里叶 变换(FFT)矩阵T的第k列矢量Tk为:
[0044] Tk=[ao aiejlI(k-K/2-1)/(K/2) ??? ave^k-K/2-1)/(K/2)(k,) ??? aK-iejlI(k-K/2-1)/(K/2)(K-D]1
[0045] 其中,V G {〇,1,2,…,K_1},K表示快速傅里叶变换(FFT)的点数,相当于对N个阵 元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的空时数据快排矢量xi做K点快速傅里 叶变换(FFT),K为2的幂次,且K值大于等于一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数 M;同时,K也表示快速傅里叶变换后的第n个阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲znl包 含的多普勒通道总个数;a k,表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩阵中第k'个加权系数;然后依 次计算得到第n个阵元、第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波z nkl和N个阵 元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波zkl。
[0046] 所述第n个阵元、第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波znkl和所述 N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波zkl,其表达式分别为: M-1.
[0047] = Tf X", = X ?BrT,!/(m+11e-- m=Q
[0048] Zkl=[zikl Z2kl ??? Znkl ??? ZNkl]T
[0049] 其中,mG{〇,l,2,…,M-1},M表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数, am表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩阵中第m个加权系数;Xnl(m+1)表示第n个阵元、第1个距离 门、第m+1个脉冲的机载雷达回波,x nl表示第n个阵元、第1个距离门接收的机载雷达脉冲,上 标H表示共辄转置,Tk表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩阵T的第k列矢量;K表示快速傅里叶 变换(FFT)的点数,相当于对N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的空 时数据快排矢量xi做K点快速傅里叶变换(FFT),K 一般选择2的幂次,且K值大于等于一个相 干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数M;同时,K也表示快速傅里叶变换后的第n个阵元在 第1个距离门接收的机载雷达脉冲z nl包含的多普勒通道总个数;1£{1,2,-_14儿表示机载 雷达回波中包含的距离门个数,XniU +1)表示第n个阵元、第1个距离门、第m+1个脉冲的机载 雷达回波。
[0050] 步骤2,初始化:包括两层循环,第一层为多普勒通道,第二层为距离门,设k表示当 前多普勒通道索引,1表示当前的距离门索引,k和1初始值均为1;设定p为迭代次数,且p的 初始值为1。
[0051]步骤3,获取N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练 样本集Qkl,Qkl=[Zk(l-MN) ??? Zk(l-1) Zk(l+1) ??? Zk(l+MN)S],并计算得至丨JN个阵元的第k个多普 勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练优化样本集q2…qv… qv],Qki中包含的元素分别与V ki中包含的元素 对应,qv表不(^ki中第v个优化训练样本; qv对应Qki中zi的相位差导向矢量S,且下标V=2MN+1。
[0052]其中,Z1表示与快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达 脉冲相对应的空时数据快拍矢量,zkm表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-1个距离门 接收的机载雷达回波,Zk( 1+1)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+1个距离门接收的机载 雷达回波,zk(1- MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-MN个距离门接收的机载雷达回 波,zka +MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+MN个距离门接收的机载雷达回波。
[0053] 具体地,为了保证空时自适应处理的性能,在此对称选取第1个距离门前后的2MN 个距离门样本(不包括自身),以及zi的相位差导向矢量S,且S = S,?次,21表示与快速傅里 叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的空时数据快拍矢量, ?表不矩阵的Kronecker乘积,St表不z ' ki空时处理过程中对应的时域导向矢量,Ss表不z ' ki 空时处理过程中对应的空域导向矢量,2'1{1表示降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第 1个距离门的机载雷达回波,且8,=[丨-^^???1?^:!,」表示虚数运算 单位,e w表示x n i m相对x n i:的相位偏移,f d表示归一化的时域多普勒频率, Ss=[l ……,~〃,,,办表示xnlm相对xllm的相位偏移,fs表示空域频 率,N表示机载雷达天线阵面方位向均匀包含的阵元个数,N也表示z'kl空时处理过程中对应 的空域自由度;然后获取N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训 练样本集Qkl,Qkl=[Zk(l-MN)…Zk(l-1) Zk(l+1)…Zk(l+MN) S];其中,Zk(l-1)表示N个阵元的第k 个多普勒通道在第1-1个距离门接收的机载雷达回波,Zk(1+1)表示N个阵元的第k个多普勒通 道在第1 + 1个距离门接收的机载雷达回波,Zka-MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-MN个距离门接收的机载雷达回波,Zka+MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+MN个距离 门接收的机载雷达回波,M表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数,N表示机载 雷达天线阵面方位向包含的阵元个数。
[0054]为了下标方便管理,构造 N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回 波扩展训练优化样本集0/1<1,9/1<1=[9192~9^"9¥],(^1中包含的元素分别与9 /1<1中包 含的元素 对应,qv表不Q' ki中第v个优化训练样本;qv对应Qki中zi的相位差导向矢量S, 且下标V = 2MN+1。
[0055]步骤4,对N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波zkl进行 降维处理,计算得到降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 z'kl,进而计算得到N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差 矩阵R kl;其中,如果当前多普勒通道索引k=l时,N个阵元的第k-1个多普勒通道在第1个距 离门接收的机载雷达回波z(k-m为N个阵元的第K个多普勒通道在第1个距离门接收的机载 雷达回波z K1;如果当前多普勒通道索引k = K时,N个阵元的第K+1个多普勒通道在第1个距离 门接收的机载雷达回波z(K+m为N个阵元的第1个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷 达回波Z11。
[0056]具体地,本发明对N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回 波Zkl进行3DT降维处理,降维处理后的N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机 载雷达回波zkl自由度降为3N,该方法利用当前多普勒通道k以及与其相邻的两个多普勒通 道k-1和k+1进行降维处理,且如果当前多普勒通道索引k=l时,N个阵元的第k-1个多普勒 通道在第1个距离门接收的机载雷达回波为N个阵元的第K个多普勒通道在第1个距离 门接收的机载雷达回波m;如果当前多普勒通道索引k = K时,N个阵元的第K+1个多普勒通 道在第1个距离门接收的机载雷达回波z(K+m为N个阵元的第1个多普勒通道在第1个距离门 接收的机载雷达回波zn,进而计算得到降维处理后的第k个多普勒通道、第1个距离门的机 载雷达回波的向量形式心表达式为:
[0057 ] 2kl=[2i(i-1),' ztkl Z\(k+\)l ZX(k-l)l ZNkl ZN{k^lv1
[0058]经过整理,得到降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达 回波z ' ki,其表达式为:
[0059] zm?!?,)11',
[0060] 其中,IN表示NXN的单位阵,Bk^Tk-i Tk Tk+1],xi表示N个阵元在第1个距离门各 自接收的机载雷达脉冲相对应的空时数据快排矢量,Tk表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩 阵T的第k列矢量,B k表示加权快速傅里叶变换(FFT)矩阵T的组合矩阵,称为降维矩 阵,發表示矩阵的Kronecker乘积,上标H表示共辄转置。
[0061]依据上面给出的数据矢量表示形式,获得降维处理后N个阵元的第k个多普勒通 道、第1个距离门的机载雷达回波z'kl,并根据RMB准则,估计阵元一多普勒域机载雷达回波 的协方差矩阵所需样本数必须大于2MN-3,M表示z ' kl空时处理过程中对应的时域自由度,降 维处理后变为3,亦即M = 3;N表示Z'klS时处理过程中对应的空域自由度,N也表示机载雷达 天线阵面方位向包含的阵元个数;2' 1{1表示降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个 距离门的机载雷达回波。
[0062]然后计算得到N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协 方差矩阵Rki:
;然后将Rki的初值设置为丽维单位矩阵Iki,N表示z 'ki 空时处理过程中对应的空域自由度,N也表示机载雷达天线阵面方位向包含的阵元个数;M 表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数。
[0063] 步骤5,计算第p次迭代后第v个优化训练样本对N个阵元的第k个多普勒通道、第1 个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权系数我进而计算得到第P次迭代后N个 阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵恥;其中,賊为 VX 1维列向量,V表示:PS中包含的元素个数。
[0064] 具体地,所述第p次迭代后第v个优化训练样本对N个阵元的第k个多普勒通道、第1 个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权系数我I和所述第P次迭代后N个阵元的第 k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵其表达式分别为:
[0067]其中篇为VX1维列向量,V表示恥中包含的元素个数;啦―1表示第p-1次迭代后N 个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵,|爲表示第p次 迭代后zi的相位差导向矢量S对:R【的加权系数,Z1表示与快速傅里叶变换后的N个阵元在第 1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的空时数据快拍矢量。
[0068]步骤6,对第p次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 协方差加权系数矩阵踡中前V-1个元素依次进行平方归一化,得到第p次迭代后g中第/ 个元素对应的加权归一化系数|及&|2,然后计算得到第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通 道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差归一化矩阵Rf ;其中,V' G {1,2,…V-l},V表 示Pf,中包含的元素个数。
[0069]具体地,所述第p次迭代后恥中第/个元素对应的加权归一化系数|&丨,|2,其表达 式为:
[0071 ]其中,/ G {1,2,…V-l},V表示K中包含的元素个数,Pf凍示第p次迭代后N个阵元 的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵,^表示第p次迭 代后第/个训练样本对第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的 加权系数,q v,表示Vk冲第V'个优化训练样本,Q、表示N个阵元的第k个多普勒通道、第1个 距离门的机载雷达回波扩展训练优化样本集。
[0072] 利用第p次迭代后恥中第/个元素对应的加权系数归一化系数py2,计算得到第 P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差归一化矩 阵纪,句=丈起q,#,qv,表示Q'ki中第v '个优化训练样本,Q'ki表示N个阵元的第k个多 :1,土1 普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练优化样本集。
[0073] 步骤7,判断第p次迭代后R〖的加权系数矩阵恥是否达到稳态,假定||P1=-°<M如果 |PS PSl / |Pf I > f,则令P加1,返回步骤5;
[0074] 若迭代终止,此时得到的第P次迭代后R【的加权系数矩阵恥 达到稳态,进而得到的第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达 回波杂波协方差归一化矩阵放纟,为N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达 回波杂波的最优协方差矩阵。
[0075]步骤8,利用N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波的最 优协方差矩阵Rw,对降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回 波乂^进行空时自适应(STAP)处理,得到空时自适应(STAP)滤波处理后N个阵元的第k个多 普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波ykl。
[0076] 具体地,利用N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波的最 优协方差矩阵&?,通过N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波空 时自适应权值
,计算得到空时自适应(STAP)滤波处理后N个阵元的第k个多普 勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波ykl。
[0077] 也=?
[0078]其中,wkl表示N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波空时 自适应权值,2\1表示降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回 波,kG{l,2,…,K},K表示快速傅里叶变换后的第n个阵元在第1个距离门接收的机载雷达 脉冲z nl包含的多普勒通道总个数;1£{1,2,-丄}儿表示机载雷达回波中包含的距离门个 数。
[0079]步骤9,令1加1,重复步骤3-步骤8,直到1=L时,第k个多普勒通道的L个距离门各 自对应的机载雷达回波杂波抑制完成后,再令k加1,重复步骤3-步骤8,直到k = K时,此时K 个多普勒通道各自对应的L个距离门机载雷达回波杂波全部抑制完成,并得到阵元一多普 勒域机载雷达回波对应的距离-多普勒谱。
[0080] 通过以下仿真试验对本发明效果作进一步验证说明。
[0081] (一)实验参数及实验条件
[0082] 机载雷达的天线阵面结构采用斜侧阵面阵,各个阵元均匀排列在椭圆天线阵面 上,天线阵面的方位向和俯仰向分别均匀排列56个阵元和10个阵元,阵元间距为d = V2,入 为载波波长,仿真实验的杂波数据脉冲个数为500,距离门个数为530。
[0083](二)实验内容及结果分析
[0084] 分别采用常规脉冲多普勒滤波方法和本发明方法雷达回波进行杂波抑制,得到的 两幅距离多普勒图分别如图2a、图2b所示;图2a是使用脉冲多普勒方法进行杂波抑制后得 到的距离多普勒图,图2b是使用本发明方法进行杂波抑制后得到的距离多普勒图,其中,图 2a和图2b中的横坐标分别为多普勒通道,纵坐标分别为距离门,并且白色区域分别表示杂 波抑制后的杂波剩余功率分布,黑色区域分别表示杂波抑制后的噪声剩余功率分布。
[0085] 从图2a中可以看出,采用常规脉冲多普勒滤波方法进行杂波抑制后,杂波剩余功 率较强,主瓣所占的多普勒宽度较大;从图2b中可以看出,本发明方法能够有效降低杂波剩 余,对旁瓣杂波的抑制性能较好,而且主瓣所占的多普勒范围也变窄,有利于后续对目标进 行检测。
[0086] 分别常规脉冲多普勒滤波方法和本发明方法对回波数据进行杂波抑制,绘制两种 方法的杂波剩余比较图,如图3a和图3b所示;图3a是分别使用脉冲多普勒处理方法和本发 明方法进行杂波抑制后的杂波剩余中1-300号距离门对应的杂波剩余图,其中横坐标表示 多普勒通道,纵坐标表示杂波剩余,单位为dB;图3b是分别使用脉冲多普勒处理方法和本发 明方法进行杂波抑制后的杂波剩余中300-530号距离门对应的杂波剩余图。
[0087]从图3a和图3b可以看出,与常规脉冲多普勒滤波方法相比,本发明方法使主瓣杂 波变窄且使旁瓣杂波功率降低,而且,与常规脉冲多普勒滤波方法相比,本发明方法的旁瓣 杂波的抑制能力更佳。
[0088] 综上所述,仿真实验验证了本发明的正确性,有效性和可靠性。
[0089] 显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围;这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1,分别设定机载雷达的天线阵面在方位向均匀排列N个阵元,机载雷达回波中包 含的距离门个数为L,一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数为M,假设xnlm表示第η 个阵元、第1个距离门、第m个脉冲的机载雷达回波,得到第η个阵元、第1个距离门接收的机 载雷达脉冲记为Xnl,并对Xnl进行快速傅里叶变换,得到快速傅里叶变换后的第η个阵元在 第1个距离门接收的机载雷达脉冲ζ η1,进而依次计算得到第η个阵元、第k个多普勒通道在第 1个距离门接收的机载雷达回波ZnkdPN个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机 载雷达回波Zkl; 其中,ke{l,2, ···,!(},K表示快速傅里叶变换后的第η个阵元在第1个距离门接收的机 载雷达脉冲ζη1包含的多普勒通道总个数;1^{1,2,-_14儿表示机载雷达回波中包含的距离 门总个数; 步骤2,初始化:设k表示当前多普勒通道索引,1表示当前的距离门索引,k和1初始值均 为1;设定P为迭代次数,且P的初始值为1; 步骤3,获取N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练样本 集Qki,Qki=[zk(i-MN)…Zk(i-1) Zk(i+1)…Zk(i+MN) S],并计算得至丨JN个阵元的第k个多普勒通 道、第1个距离门的机载雷达回波扩展训练优化样本集q2…q v…qv],Qkl 中包含的元素分别与Via中包含的元素一一对应,qv表示Via中第v个优化训练样本;qv对应 Qki中zi的相位差导向矢量S,且下标V = 2MN+1; 其中,Z1表示与快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲 相对应的空时数据快拍矢量,zka-υ表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-1个距离门接收 的机载雷达回波,Zka+υ表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+1个距离门接收的机载雷达 回波,Z k(1-MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1-MN个距离门接收的机载雷达回波, Zk(1+MN)表示N个阵元的第k个多普勒通道在第1+MN个距离门接收的机载雷达回波; 步骤4,对N个阵元的第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波zkl进行降维 处理,计算得到降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波z'kl, 进而计算得到N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵 Rkl;其中,如果当前多普勒通道索引k=l时,N个阵元的第k-Ι个多普勒通道在第1个距离门 接收的机载雷达回波z(k-m为N个阵元的第K个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达 回波ζκι;如果当前多普勒通道索引k = K时,N个阵元的第K+1个多普勒通道在第1个距离门接 收的机载雷达回波z(K+m为N个阵元的第1个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回 波 Z11; 步骤5,计算第P次迭代后第V个优化训练样本对N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距 离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权系数及(),进而计算得到第P次迭代后N个阵元 的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵%淇中,β[,为V X 1维列向量,V表示中包含的元素个数; 步骤6,对第Ρ次迭代后Ν个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方 差加权系数矩阵1?中前V-1个元素依次进行平方归一化,得到第p次迭代后K中第ν'个元 素对应的加权归一化系数|免,|,然后计算得到第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、 第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差归一化矩阵:&|ι其中,/^{1,2,一¥-1},¥表示恥 中包含的元素个数; 步骤7,判断第p次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协 方差加权系数矩阵齡是否达到稳态,则令P加1,返 回步骤5;,迭代终止,此时得到的第P次迭代后1?的加权系数矩阵K达到 稳态,进而得到的第P次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 杂波协方差归一化矩阵故f,,为N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 杂波的最优协方差矩阵; 步骤8,利用N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波的最优协 方差矩阵疲",对降维处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波z'w 进行空时自适应处理,得到空时自适应滤波处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离 门的机载雷达回波杂波y ki; 步骤9,令1加1,重复步骤3-步骤8,直到1 = L时,第k个多普勒通道的L个距离门各自对 应的机载雷达回波杂波抑制完成后,再令k加1,重复步骤3步骤8,直到k=K时,此时K个多普 勒通道各自对应的L个距离门机载雷达回波杂波全部抑制完成,并得到阵元一多普勒域机 载雷达回波对应的距离-多普勒谱。2.如权利要求1所述的一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在 于,在步骤1中,所述第η个阵元、第1个距离门接收的机载雷达脉冲记为χη1,其表达式为: Xnl-[xnll Χη12 '''Χη?ιιι''· ΧπΙμ] 所述快速傅里叶变换后的第η个阵元在第1个距离门接收的机载雷达脉冲ζη1,以及所述 第η个阵元、第k个多普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波znkl和Ν个阵元的第k个多 普勒通道在第1个距离门接收的机载雷达回波z kl,其表达式分别为: Znl - T Xnl -[Znll Znl2 '"Znlk··· ZnlK]Zkl=[Zlkl Z2kl …Znkl …ZNkl]T 其中,111£{〇,1,2,"_,]\1-1},]\1表不一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数,3111表 示加权快速傅里叶变换矩阵中第m个加权系数;Xnlu+1)表示第n个阵元、第1个距离门、第m+1 个脉冲的机载雷达回波,χ ηι表示第η个阵元、第1个距离门接收的机载雷达脉冲,上标T表示 转置,Xnim表示第η个阵元、第1个距离门、第m个脉冲的机载雷达回波,ζ η1表示第η个阵元在第 1个距离门接收的机载雷达脉冲,Znlk表示第η个阵元、第k个多普勒通道在第1个距离门接收 的机载雷达脉冲,T表示加权快速傅里叶变换矩阵,Tk表示加权快速傅里叶变换矩阵T的第k 列矢量,上标Η表示共辄转置,ke{l,2,···,!(},K表示快速傅里叶变换后的第η个阵元在第1 个距离门接收的机载雷达脉冲ζη?包含的多普勒通道总个数;1^{1,2,-_14儿表示机载雷达 回波中包含的距离门个数,Μ表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲个数。3. 如权利要求1所述的一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在 于,在步骤4中,所述降维处理后Ν个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波 z'kl和所述N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵Rkl, 其表达式分别为:其中,In表示NXN的单位阵,N表示z'klS时处理过程中对应的空域自由度,N也表示机 载雷达天线阵面方位向包含的阵元个数;Μ表示一个相干处理间隔内机载雷达接收的脉冲 个数,Tk Tk+1],X1表示Ν个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉冲相对应的 空时数据快排矢量,Tk表示加权快速傅里叶变换矩阵T的第k列矢量,Bk表示加权快速傅里叶 变换矩阵T的组合矩阵,?表示矩阵的Kronecker乘积,上标Η表示共辄转置,q v表示V kl中第 ν个优化训练样本,表示N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波扩展 训练优化样本集;ke{l,2,···,!(},K表示快速傅里叶变换后的第η个阵元在第1个距离门接 收的机载雷达脉冲ζ η1包含的多普勒通道总个数。4. 如权利要求1所述的一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在 于,在步骤5中,所述第p次迭代后第ν个优化训练样本对N个阵元的第k个多普勒通道、第1个 距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权系数和所述第P次迭代后N个阵元的第k 个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵PL其表达式为:其中,Pf;为VX 1维列向量,Rf表示第p-Ι次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个 距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵,|私|表示第P次迭代后21的相位差导向矢量S对私 的加权系数,Z1表示与快速傅里叶变换后的N个阵元在第1个距离门各自接收的机载雷达脉 冲相对应的空时数据快拍矢量。5. 如权利要求1所述的一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在 于,在步骤6中,所述第p次迭代后PS中第ν'个元素对应的加权归一化系数|肩%| 2和所述第p 次迭代后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差归一化矩 阵其表达式为:其中,/ e {1,2,…V-l},V表示齡中包含的元素个数,表示第p次迭代后N个阵元的第 k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波协方差加权系数矩阵,於^表示第p次迭代后 第W个训练样本对第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波协方差矩阵的加权 系数,q v,表示Via中第ν'个优化训练样本,表示N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离 门的机载雷达回波扩展训练优化样本集。6.如权利要求1所述的一种基于协方差矩阵估计的机载雷达杂波抑制方法,其特征在 于,在步骤8中,所述空时自适应滤波处理后N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机 载雷达回波杂波yki,其表达式为:)? = wf Z。其中,上标Η表示共辄转置,wki表示N个阵元的 第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波杂波空时自适应权值,乂^表示降维处理后 N个阵元的第k个多普勒通道、第1个距离门的机载雷达回波; 1^£{1,2,一,1(},1(表示快速傅里叶变换后的第11个阵元在第1个距离门接收的机载雷达 脉冲znl包含的多普勒通道总个数;1^{1,2,-丄}儿表示机载雷达回波中包含的距离门个 数。
【文档编号】G01S7/28GK105929371SQ201610256596
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】王彤, 张俊飞, 李博文
【申请人】西安电子科技大学
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