基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法

本发明涉及机载雷达信号处理，具体涉及一种基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法。

背景技术：

1、地基雷达受地球曲率的影响，探测距离有限，为了获得更远的探测距离，雷达被架设到了飞机上，机载雷达随之诞生。但机载雷达在下视搜索场景下，由于平台运动造成杂波谱多普勒扩展严重，极大压缩了动目标检测(moving target detection,mtd)和脉冲多普勒(pulse doppler,pd)处理后多普勒维的清晰区。因此，机载雷达大多工作在中、高重频条件下，但由于发射波形的参数固定，中、高重频意味着严重的距离模糊，造成各脉冲重复周期(pulse repetition time,prt)内的杂波回波沿快时间维发生折叠，导致远距离目标需要与近距离强杂波竞争，这将造成机载雷达对于远距离低速弱目标的探测能力下降。为改善这一问题，当前应用最广泛的方法是空时自适应信号处理(space-time adaptiveprocessing,stap)技术。stap是一种空时二维滤波技术，通过无目标的独立同分布训练样本计算杂波加噪声的协方差矩阵，构造最优的空时二维滤波器。然而，根据rmb准则，若想获得相对于最优滤波器性能损失小于3db的空时滤波器需要系统自由度2倍的独立同分布训练样本，但是在实际的复杂场景中，杂波的非均匀性，非平稳性和系统失真等非理想因素导致难以获得满足要求的数据样本，也造成实际中stap性能大打折扣。

2、因此，当前因波形参数固定造成的折叠杂波仍然是机载雷达远距离探测亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法，能够针对波形参数固定造成的折叠杂波进行抑制，计算复杂度低、折叠杂波抑制效果好。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法，包括以下步骤：

3、步骤1：根据场景估计杂波分布的距离区间。

4、步骤2：根据雷达参数确定杂波多普勒维覆盖范围。

5、步骤3：对总回波进行沿快时间维向量化，获得向量化后的总回波。

6、步骤4：根据雷达参数确定杂波回波分部的最大距离段数p；并对每个待重构距离段编号为变量p，p取值为1,2,…,p，初始化p＝1。

7、步骤5：根据雷达天线与杂波散射单元的几何关系，确定杂波子空间并构建第p距离段杂波投影矩阵。

8、步骤6：设置第p距离段对应的接收滤波器组。

9、步骤7：分距离段子空间投影重构各距离段杂波，得到第p距离段的杂波重构结果。

10、步骤8：令p自增1，若p更新后p＞p，则重新令p＝1，重复步骤5至步骤7实现距离段间循环迭代，直到迭代过程收敛。

11、步骤9：对每个距离段用向量化的总回波减去重构出的非本距离段杂波，得到每个距离段的杂波重构结果，并沿快时间维做逆向量化处理，完成对各距离段杂波的准确重构和对折叠杂波的有效抑制。

12、步骤10：利用总回波减去重构出的各距离段杂波后，分距离段对场景中的目标进行检测，对于存在目标的距离段，构造目标的子空间，更新目标所在距离段的子空间，更新目标所在距离段的投影矩阵，重复步骤7-10，直至总回波减去各距离段的重构结果小于设定的阈值，目标检测完成。

13、进一步地，步骤1：根据场景估计杂波分布的距离区间，具体为：

14、机载雷达的最大探测距离范围为[rmin,rmax]，其具体关系如式(1)：

15、

16、其中h为飞行高度，pt为雷达发射功率，gt为发射天线增益，ar为天线有效接收面积，σ为雷达照射区域的散射截面积，smin为接收机最小可检测信号；

17、[rmin,rmax]即为杂波分布的距离区间。

18、进一步地，步骤2：根据雷达参数确定杂波多普勒维覆盖范围，具体为：

19、机载雷达相对于地面的飞行速度为v，波长为λ，则杂波多普勒维覆盖范围[fdmin,fdmax]由式(2)计算：

20、

21、进一步地，步骤3：将总回波进行沿快时间维向量化，具体为：

22、总回波为o，o是一个三维矩阵维度是m×n×prtnum，其中m对应脉冲个数，n对应阵元个数，prtnum对应一个prt内的采样点数；沿快时间维对o做向量化，将三维矩阵转化为二维矩阵，得到向量化的总回波vec(o)；

23、vec(o)的维度为mn×prtnum。

24、5、如权利要求4所述的基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法，其特征在于，所述步骤4：根据雷达参数确定杂波回波分部的最大距离段数p；

25、根据步骤1中杂波分布的距离区间[rmin,rmax]与一个距离段对应的距离范围rc，由式(3)计算待重构距离段数p：

26、

27、其中表示向上取整。

28、进一步地，步骤5：根据雷达天线与杂波散射单元的几何关系，确定杂波子空间并构建第p距离段杂波投影矩阵，具体为：

29、通过雷达天线与杂波散射单元的几何关系得到，

30、

31、其中fd表示杂波散射单元的多普勒频率，如图5所示，θ为杂波散射单元与雷达天线在方位维的夹角，为杂波散射单元的俯仰角，α为偏航角，ψ为锥角，且满足定义角度-多普勒平面为cosψ～fd/fr，其中fr表示脉冲重复频率(pulserepetition frequency,prf)，则式(4)进一步表示为，

32、

33、对式(5)两边同时平方并化简得到，

34、

35、从式(6)可以看出，杂波谱是角度-多普勒平面内的一簇椭圆方程；根据阵列放置形式的不同，即偏航角α取不同值，杂波在角度-多普勒平面内的分布特性有所区别。

36、以天线正侧视情况，即偏航角α＝0°时为例，介绍杂波子空间的构建方法。此时式(6)退化为一条直线：

37、

38、其中β＝2vtr/λ对应杂波脊在角度-多普勒平面的斜率；

39、设所构建杂波子空间的自由度为l，根据经验l∈[2m,8m]，以式(8)的计算结果δfd为间隔，对杂波的多普勒覆盖范围[fdmin,fdmax]离散化，

40、

41、求得所构建杂波子空间的离散多普勒频率fd＝[fd1,…,fdn,…,fdl]，其中fd1＝fdmin，fdl＝fdmax，fdn表示第n个离散化后的多普勒频率，根据式(7)角度与多普勒之间的关系，可以计算出每个离散多普勒频率对应的角度cos(ψn)，如式(9)所示：

42、

43、利用式(9)可以得到与fd对应的角度fs，进而可以求得第p距离段杂波子空间多普勒维导向矢量sdt与角度维导向矢量sat，sdt与sat中的第n个导向矢量的表达式

44、

45、其中d为阵元间距，sdt中p对应第p个距离段，则估计的杂波子空间spa用式(11)来表示：

46、

47、其中表示克罗内可积；

48、根据brennan准则，正侧视条件下杂波的自由度r近似满足式(12)，

49、r≈n+β(m-1)  (12)

50、而所构建的杂波子空间自由度l大于r，因此，所构建的子空间spa中存在部分与杂波无关的信息需要去除；对杂波子空间spa做奇异值分解，如式(13)所示，

51、

52、其中λ1为对角矩阵，对角线上的元素对应rc个大于0db的大奇异值，u1、v1分别为λ1中每个大奇异值对应的左奇异向量和右奇异向量，而对角矩阵λ2对角线上的元素对应(l-rc)个小于0db的小奇异值，u2、v2分别为λ2中每个小奇异值对应的左奇异向量和右奇异向量；

53、通过截尾奇异值分解去除(l-rc)个小奇异值及其所对应的子空间后，u1张成的空间即为去除与杂波无关信息后的杂波子空间；

54、通过式(14)构建第p个距离段杂波对应的投影矩阵qp：

55、

56、进一步地，步骤6：设置第p距离段对应的接收滤波器组，具体为：

57、若脉间捷变波形各脉冲内的参数和调制形式相同仅脉间初始相位不同，则接收滤波器组通过时延初相捷变的匹配滤波器组来进行设计；

58、若各脉冲内的调制形式不同，则接收滤波器组使用联合失配滤波器以改善脉冲间调制形式变化引起的距离旁瓣调制(range sidelobe modulation,rsm)效应。

59、进一步地，步骤7：分距离段子空间投影重构各距离段杂波，得到第p个距离段的杂波重构结果；具体为：

60、当对第p距离段杂波做重构前，将除第p距离段以外的其他距离段杂波重构结果从总回波vec(o)中减去，作为第p距离段接收滤波器组的输入input(p)，如式(15)所示，

61、

62、初始各距离段杂波重构结果rb(p)＝0,p＝1,2,...,p；

63、重构过程包括如下步骤，设置第p个距离段的接收滤波器组，沿快时间维对input(p)做脉冲压缩选通第p个距离段的回波；选通后得到的第p个距离段的回波数据为echo(p)，利用构建的投影矩阵对echo(p)做子空间投影，得到第p距离段的杂波投影结果pro(p)，如式(16)所示；

64、pro(p)＝qpecho(p)                    (16)

65、其中qp为第p个距离段杂波对应的投影矩阵；

66、对pro(p)沿快时间维做脉冲压缩逆处理，得到第p个距离段的杂波重构结果rb(p)。

67、进一步地，步骤10中，更新目标所在距离段的子空间，更新目标所在距离段的投影矩阵，具体为：

68、构造目标的子空间为u2；

69、按照式(17)更新目标所在距离段的子空间，

70、u1＝[u1,u2]                       (17)

71、并利用式(14)更新此距离段的投影矩阵。

72、有益效果：

73、本发明提出了一种基于距离选通与子空间投影的机载雷达折叠杂波抑制方法。该方法利用具有距离选通特性的脉间捷变波形，通过从距离维选通本距离段回波后做子空间投影，得到本距离段杂波重构结果，并在距离段间循环迭代，消除各距离段杂波之间的相互影响，实现分距离段杂波重构，之后从接收回波中对消非本距离段的杂波实现折叠杂波抑制，并进行目标检测，有效提高了机载雷达对于远距离低速弱目标的探测能力。该方法具有实现简单、计算复杂度低、折叠杂波抑制效果好等诸多优势。