机载前视阵雷达的空时自适应处理方法
【专利摘要】本发明属于雷达动目标检测【技术领域】，特别涉及机载前视阵雷达的空时自适应处理方法。其具体步骤为：得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第l号距离门的数据矢量xnkl；获取机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT,(K+1)T]的时间段内记录的选定距离门的数据向量；得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第l号距离门的降维俯仰协方差矩阵的估计得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第l号距离门的降维自适应权矢量ωE,nl；得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第l号距离门的俯仰预滤波后数据矢量ynkl；采用方位-多普勒空时自适应处理方法，得出机载前视阵雷达的第l号距离门第k个多普勒通道的空时自适应处理后信号。
【专利说明】机载前视阵雷达的空时自适应处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达动目标检测【技术领域】，特别涉及机载前视阵雷达的空时自适应处 理方法，具体可以用于机载前视阵雷达近距离地面运动目标检测方法，适用于机载相控阵 雷达进行杂波抑制及动目标检测。
【背景技术】
[0002] 机载前视阵雷达的地面运动目标显示（Ground Moving Target Indication，GMTI)功能有着广泛的军事应用前景。例如在机载火控雷达中用于发现并引导 机载武器攻击敌方的坦克、装甲车或移动导弹发射架，还能在一定程度上弥补远程机载监 视系统在城市战环境中对地面运动目标检测和跟踪性能下降的缺陷（远程监视系统在探 测城市中的地面运动目标时容易受到高大建筑物的遮挡）。机载雷达采用下视工作模式探 测近距离地面运动目标时面临的主要问题是强大的地面杂波，这些在多普勒域上扩散的杂 波很有可能将感兴趣的动目标淹没。空时自适应处理技术具有很强的抑制具有空时耦合特 性的地杂波的能力。但是，当采用机载前视阵雷达探测近距离地面运动目标时，其杂波谱是 随着距离的变化而变化的（在近距离变化尤其明显），即杂波具有距离非平稳的特性（或 称为距离依赖性）。然而，传统STAP (Space Time Adaptive Processing)处理器能获得较 理想的杂波抑制性能的前提为存在足够多的独立同分布的训练样本，这限制了 STAP技术 在前视阵GMTI雷达中的直接应用。另外，当雷达的脉冲重复频率选得太高（比如大多数机 载GMTI雷达中采用的中PRF(Mid PRF，MPRF))以至于杂波出现距离模糊，在检测近程目标 时远程杂波将会带来额外的杂波凹口。这主要是由于远程主瓣杂波和近程主瓣杂波的多普 勒频率不相同（因为他们的俯仰角不相同）。在这种情况下检测近距离运动目标时，远程杂 波将带来额外的盲速。
[0003] 为了能在距离非平稳的杂波环境下采用STAP技术，学者们提出了许多算法来 补偿杂波的距离依赖性。例如多普勒平移（Doppler Wrapping, DW)算法通过对距离样 本数据进行时域复加权，可以达到将杂波谱进行多普勒平移的目的，通过对不同距离样 本赋以不同的多普勒平移，最终可以在一定程度上实现距离依赖性补偿。而角度多普勒 补偿（Angle-Doppler Compensation，ADC)算法（或自适应角度多普勒补偿（Adaptive Angle-Doppler Compensation, AADC)算法）不仅对距离样本数据进行时域复加权，还进行 了空域复加权。这样就可以将不同距离门的杂波谱的角度-多普勒中心进行配准，以达到 削弱杂波距离依赖性的目的。上述算法在无距离模糊的时候具有很好的性能。但是当杂波 存在距离模糊时，由于一个距离单元存在多条杂波脊，上述算法无法同时补偿来自不同距 离的多条杂波谱。基于模型化的一类算法也具有处理距离依赖杂波的能力。例如基于导数 更新的算法（Derivative-Based Updating, DBU)采用的模型是假设权矢量是随着距离线性 变化的函数。而估计协方差矩阵的逆（Prediction of Inverse Covariance Matrix, PICM) 算法直接估计的是协方差矩阵逆的元素，采用的模型是线性预测类模型。虽然这些算法不 仅可以应用于距离不模糊的情况，还可以应用于距离模糊的情况，但是它们无法消除远程 杂波带来的盲速。
[0004] 为了消除由于距离模糊带来的额外盲速，利用平面相控阵雷达提供的俯仰自由 度，学者们提出了一类俯仰预滤波算法，用于滤除距离模糊的杂波。例如非自适应的俯仰波 束形成器可根据阵列流型和系统参数获得滤波权矢量，但是这些方法对误差很敏感（例如 阵列误差和载机高度误差等）。因此人们又提出了数据自适应的俯仰波束形成器，统计波束 形成（Beamformed Statistical, BS)方法的俯仰协方差矩阵由距离样本估计得到，俯仰鲁 棒Capon波束形成（Elevation Robust Capon Beamforming，ERCB)方法的俯仰协方差矩阵 由待检测单元的脉冲域数据估计得到。这两种方法的训练样本均受到了俯仰主瓣杂波信号 的污染，容易导致波束方向图畸变和目标相消的情况。虽然ERCB算法采用了对角加载技术 进行主波束保形，但是较大的加载因子会导致较大的杂波抑制性能的损失。三维STAP具有 抑制距离模糊杂波的能力，但是在距离非平稳性比较严重的杂波环境下很难获取足够多的 独立同分布的训练样本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，本发明中使用的 俯仰协方差矩阵是由无近程杂波污染的距离样本估计得到的，因此能够获得较为理想的俯 仰自适应方向图，在有效滤除远程杂波的同时能够完整地保留近程动目标。在消除了模糊 的远程杂波的影响之后，可采用基于杂波谱补偿的STAP方法（例如DW-STAP)滤除剩余的 距离依赖的近程杂波。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0007] 机载前视阵雷达的空时自适应处理方法包括以下步骤：
[0008] 步骤1，利用机载前视阵雷达发射由K个脉冲组成的相干脉冲串，利用机载前视阵 雷达的接收阵列接收回波数据；机载前视阵雷达为脉冲多普勒雷达，机载前视阵雷达的接 收阵列由N列均匀排列的阵元组成，每列阵元由Mn个均匀排布的阵元组成，机载前视阵雷 达的距离门的总数为L ;得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收 至_第1号距离门的数据矢量xnkl，k取1至K ;
[0009] 步骤2,得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维变换 矩阵Tnl，n取1至N，1取1至L ;获取机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT，（K+1) T]的时间段内记录的选定距离门的数据向量，T为机载前视阵雷达发射信号的脉冲重复间 隔；根据机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT，（K+1)T]的时间段内记录的选定 距离门的数据向量，得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维 俯仰协方差矩阵的估计
[0010] 步骤3,得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维自适 应权矢量《E，nl ;
[0011] 步骤4,利用降维自适应权矢量《E，nl，对机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元 的第k个脉冲接收到的第1号距离门的数据矢量Xnkl进行俯仰预滤波，得出机载前视阵雷 达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的俯仰预滤波后数据矢量 ^nkl ?
[0012] 步骤5,采用方位-多普勒空时自适应处理方法，对机载前视阵雷达的接收阵列的 第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的俯仰预滤波后数据矢量ynkl进行杂波抑 制处理，得出机载前视阵雷达的第1号距离门第k个多普勒通道的空时自适应处理后信号。 [0013] 本发明的有益效果为：
[0014] 本发明不仅具有很好的远程杂波抑制性能，还具有保护近程目标能量不受损失的 优点。本发明不仅能够有效消除由远程杂波带来的额外盲速，还能够改善方位-多普勒 STAP的杂波抑制性能。另外，本发明不仅能够加快收敛速度，还能够降低运算量。与阵元空 间自适应滤波方法相比，其计算复杂度从〇(N3+N2)量级降低到了 0(43+42)量级，这有利于工 程的实时实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法的简要流程图；
[0016] 图2为本发明的机载前视阵雷达的几何构型示意图；
[0017] 图3为本发明实施例中机载前视阵雷达系统发射和接收信号的示意图；
[0018] 图4为仿真实验1中采用静态俯仰和波束方法级联常规ro处理后得出对应的距 尚-多普勒图；
[0019] 图5为仿真实验1中采用本发明级联常规ro处理后得出对应的距离-多普勒图；
[0020] 图6为仿真实验1中采用ERCB算法级联常规处理后得出对应的距离-多普勒 图；
[0021] 图7为仿真实验2中13. 9km所在距离单元的俯仰Capon谱图；
[0022] 图8为仿真实验2中分别采用本发明、静态俯仰和波束方法、以及ERCB算法得出 的相应的自适应俯仰方向图；
[0023] 图9为仿真实验3中采用几种方法得出的13. 95km对应距离单元的改善因子曲线 的对比示意图；
[0024] 图10为仿真实验3中待检测距离单元分别采用本发明的俯仰预滤波方法、以及静 态俯仰和波束算法的俯仰滤波方法得出的协方差矩阵特征谱示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0026] 参照图1，为本发明的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法的简要流程图。该机 载前视阵雷达的空时自适应处理方法包括以下步骤：
[0027] 步骤1，利用机载前视阵雷达发射由K个脉冲组成的相干脉冲串，利用机载前视阵 雷达的接收阵列接收回波数据；机载前视阵雷达为脉冲多普勒雷达，机载前视阵雷达的接 收阵列由N列均匀排列的阵元组成，每列阵元由Mn个均匀排布的阵元组成，机载前视阵雷 达的距离门的总数为L。得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收 到的第1号距离门的数据矢量xnkl。
[0028] 其具体步骤为：
[0029] 本发明实施例中，机载前视阵雷达为相控阵雷达，参照图2,为本发明的机载前视 阵雷达的几何构型示意图。在图2中，设置有三维直角坐标系，该坐标系的原点是载机在地 面的投影，X轴与载机的运动方向平行，Z轴正向为坚直向上方向。
[0030] 本发明实施例中，载机匀速飞行，载机运动的速度为V，载机的高度为H，散射点的 俯仰角表不为P，散射点的方位角表不为0，散射点与机载前视阵雷达天线阵列轴向的夹 角表示为V (锥角），载机速度方向与机载前视阵雷达天线阵列轴向的夹角表示为a ^，对 于本发明的机载前视阵雷达来说，= 90°。
[0031] 本发明实施例中，机载前视阵雷达为脉冲多普勒雷达，利用机载前视阵雷达发射 由K个脉冲组成的相干脉冲串（窄带脉冲多普勒雷达的相干脉冲串），利用机载前视阵雷达 的接收阵列接收回波数据。机载前视阵雷达的接收阵列为矩形平面阵列，机载前视阵雷达 的接收阵列由N列均匀排列的阵元组成，每列阵元由Mn个均匀排布的阵元组成。机载前视 阵雷达的距离门的总数为L。
[0032] 得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离 门的数据矢量xnkl:
[0033] Xnkl = Cnkl+snkl+nnkl
[0034] 其中，n取1至N，k取1至K，1取1至L ^nkl表示机载前视阵雷达的接收阵列的 第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的杂波快拍矢量，Cnkl为Mn行的列向量； Snkl表示机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的 目标快拍矢量，Snkl为Mn行的列向量；Ilnkl表示机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的 第k个脉冲接收到的第1号距离门的噪声快拍矢量，nnkl为Mn行的列向量。
[0035] 根据Ward杂波模型，某一距离环的杂波回波可建模为N。个独立杂波块的回波信 号的叠加，N。为大于1的自然数，这些杂波块以角度间隔A 0将对应的距离环均匀地划分 得到，A 0 = 2^1/N。。结合图2,在存在距离模糊的情况下，机载前视阵雷达的接收阵列的 第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的杂波快拍矢量Cnkl的修正后表达式为：
[0036]
【权利要求】
1. 机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，利用机载前视阵雷达发射由K个脉冲组成的相干脉冲串，利用机载前视阵雷达 的接收阵列接收回波数据；机载前视阵雷达为脉冲多普勒雷达，机载前视阵雷达的接收阵 列由N列均匀排列的阵元组成，每列阵元由Mn个均匀排布的阵元组成，机载前视阵雷达的 距离门的总数为L ;得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的 第1号距离门的数据矢量xnkl，k取1至K ; 步骤2,得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维变换矩阵 Tnl，n取1至N，1取1至L ;获取机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT，（K+1)T] 的时间段内记录的选定距离门的数据向量，T为机载前视阵雷达发射信号的脉冲重复间隔； 根据机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT，（K+1)T]的时间段内记录的选定距离 门的数据向量，得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维俯仰 协方差矩阵的估计焱E1>/; 步骤3,得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维自适应权 矢量wE，ni ; 步骤4,利用降维自适应权矢量《 E，nl，对机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第 k个脉冲接收到的第1号距离门的数据矢量Xnkl进行俯仰预滤波，得出机载前视阵雷达的接 收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的俯仰预滤波后数据矢量ynkl ; 步骤5,采用方位-多普勒空时自适应处理方法，对机载前视阵雷达的接收阵列的第n 列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的俯仰预滤波后数据矢量ynkl进行杂波抑制处 理，得出机载前视阵雷达的第1号距离门第k个多普勒通道的空时自适应处理后信号。
2. 如权利要求1所述的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，在步骤1 中，机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的数据 矢量Xnkl为： Xnkl _ Cnkl + Snkl+nnkl 其中，n取1至N，k取1至K，1取1至L ;cnkl表示机载前视阵雷达的接收阵列的第n 列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的杂波快拍矢量，Snkl表示机载前视阵雷达的接 收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的目标快拍矢量，Iinkl表示机载前 视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的噪声快拍矢量。
3. 如权利要求1所述的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，在步骤2 中，得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维变换矩阵Tnl : - sEj(^7Z) SE，h(Pf,1) SE，h(^V：2)… 其中，約表示机载前视阵雷达的接收阵列的第1号距离门的期望目标的俯仰角， "(约)表示机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的期望目标的俯仰 导向矢量，外，,"表示指向远程杂波的第m个辅助波束对应的俯仰角，SE"(朽表示机载前 视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的指向远程杂波的第m个辅助波束的俯仰导向矢量，m = 1，2…，M，M为设定的大于1的自然数； 获取机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元在[KT，（K+1)T]的时间段内记录的第q 号距离门的俯仰数据向量，T为机载前视阵雷达发射信号的脉冲重复间隔，q = 1-U，1 -L0+l, ? ? ?，1，? ? ?，1+L〇-1, 1+L。，L。为设定的自然数； 得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维俯仰协方差矩阵 的估计食mw:
其中，上标H表示矩阵的共轭转置。
4. 如权利要求1所述的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，在步骤 3中，机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的降维自适应权矢量《E，nl为：
其中，上标-1表示矩阵的逆，上标H表示矩阵的共轭转置，Se "(约)表示机载前视阵雷 达的接收阵列的第n列阵元的第1号距离门的期望目标的俯仰导向矢量。
5. 如权利要求1所述的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，在步骤4 中，机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距离门的俯仰 预滤波后数据矢量ynkl为：
6. 如权利要求1所述的机载前视阵雷达的空时自适应处理方法，其特征在于，所述步 骤5的具体子步骤为： (5. 1)得出机载前视阵雷达的接收阵列的第n列阵元的第k个脉冲接收到的第1号距 离门多普勒平移后的数据xnkl:
其中，Afiu为第1号距离门的多普勒平移量； (5.2)得出机载前视阵雷达的第1号距离门第k个多普勒通道的降维空时快拍矢量 Yu' Jm=IxIu Ih Iluf 其中，上标T表示矩阵或向量的转置，瓦,=[名H …为X血变换至多 普勒域的数据；令Tt表示设定的时域降维矩阵，得出降维后的空时导向矢量Sst : sst=Tt\(/D0)?Ss(/A0) 其中，st (fM)表示期望目标的时域导向矢量，ss(fAtl)表示期望目标的方位空域导向矢 量，?表不Kronecker积； 得出机载前视阵雷
达的第1号距离门第k个多普勒通道的自适应权向量《ST， kl : 其中，食w为第1号距离门的空时协方差矩阵的估计，上标-1表示矩阵的逆，上标H表 示矩阵的共轭转置； 得出机载前视阵雷达的第1号距离门第k个多普勒通道的空时自适应处理后信号Zkl :
【文档编号】G01S7/36GK104360325SQ201410690855
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】王彤, 陈华彬, 文才, 吴建新 申请人:西安电子科技大学