专利名称:自适应最佳滤波器的制作方法
自适应最佳滤波器是一种信号处理装置。
随着电子技术的发展，在今天限制雷达、声纳系统性能(作用距离、分辨力等)的主要因素已经不是像元、器件噪声这一类白噪声干扰，而是那些由雷达发射机本身辐射的电磁波受到地物、海浪、云层、雨、雪、飞鸟、敌方施放的假目标、反射器、干扰丝、箔条等散射回来的雷达辐射能量的干扰，即杂波干扰。这类干扰最大的特点是它具有极强的相关性;或等价地说，这类干扰的功率谱是有色的。一般说来这类干扰的危害不能简单地用增加发射机功率的方法来削弱。目前解决这一问题的方法除了从改善天线方向性，设计合理的信号形式外，主要有两种方法一是采用动目标显示器(MTI)，或称对消器。它利用运动目标(比如飞机、导弹等)相对背景杂波源(地物等)有相对运动，从而它们一般具有较大的多卜勒频移，因而只需在接收机中设置一个数字式高通滤波器就可以削弱杂波的功率。二是采用脉冲多卜勒(PD)雷达体制。这种体制也是利用了杂波与动目标信息具有不同的多卜勒频移，从而在频域上来区分提取动目标信息的。PD雷达可以看成是MTI加匹配滤波器的结合体。如果MTI能真正使有色杂波白色化(把有色谱变成白谱)，则PD雷达可以近似地看成是有色噪声背景下对已知信号的最佳处理器。但现有的MTI系统往往不能做到此点。主要理由有两个一是MTI能滤除杂波，必须要求杂波具有平均为零的多卜勒频移。这一方面要求雷达工作频率十分稳定，同时，若雷达平台移动时(比如机载、舰载雷达)还必须精确地自动补偿掉这个运动，才能较好地达到上述要求。显然，这种办法对于运动的杂波体，如鸟群、风暴、雨雪以及人为箔条干扰等则不能有效地加以抑制;其二，采用闭环式主杂波跟踪系统第一个问题可以得到某种程度的解决，比如1973年美国专利“MTI雷达”(U.S.Patent 3.742.500)提出了一种将对消器凹口自动地调整在杂波平均多卜勒频率上的办法，可以在一定程度上抑制掉运动杂波。但是一般闭环式主杂波跟踪系统只解决了对消器凹口定位问题，而不能调整对消器本身凹口的形状参量(形状、宽度、深度等)。因而它不能达到与真实杂波功率谱很好的“匹配”(即并非是它的逆)，从而它远非最佳处理，特别是在同一距离单元内有两种以上不同类型的杂波体时，上述方法均无能为力。
本发明提出了一种在强的运动杂波背景下提取动目标信息的最佳处理器的新方案，即自适应最佳滤波器(AOF)，它既能够自动地将滤波器频响凹口对准杂波的平均多卜勒频移点，又能够调整凹口的形状参数(形状、宽度、深度)等，使之与真实杂波谱相“匹配”。在信号出现时，其输出可以达到或逼近于理想最佳滤波器所能达到的最大信噪比(信号峰值功率与噪声平均功率之比)。发明者论文(王永德“自适应最佳滤波器”第一届(84)全国信号处理学术会议论文集，二卷523～528)阐述了这种滤波器的基本原理。本发明在此基础上针对一般杂波的自回归模型(AR)的特点，提出了一种自适应逆谱滤波器(AISF)级联匹配滤波器实现AOF的改进方案，见图2。比之于原型AOF它又具有以下两个优点一是设备大为简化。原型AOF要求的价数等于信号样点数，因而当样点数太大时工程实现较为困难，而一般改进的AOF只需2～8价就够了;二是，它具有对有用信号不同多卜勒频移的适应性。而原型的AOF以及一般的脉冲多卜勒处理器并不具备此优点。
熟知，在有色噪声背景下检测已知波形信号的最佳滤波器其传输函数应为H0(jw)＝ 1/(Sn(w)) ·F＊(jw)·<math><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>-jwt</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msup></math>＝H1(w)·H2(w)式中Sn(w)为杂波的功率谱密度;H1(w)＝ 1/(Sn(w)) 则称为逆谱滤波器;F＊(jw)为已知信号频谱函数的共轭，它是已知的，从而H2(jw)＝F＊(jw)<math><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>-jwt</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msup></math>(匹配滤波器)实现并不困难。但是H1(w)的实现则不太容易，显然直接用MTI来代替H1(w)是十分粗略的。本发明则是提出一种特定的算法用以自适应地实现H1(w)。
图1是PD雷达终端信号处理装置的原理方框图。
图2是自适应最佳滤波器的原理方框图。
图3是自适应逆谱滤波器的基本结构图。
图4算法单元的电路结构图。
改进后的自适应最佳滤波器(AOF)最基本的原理图示于图2。它是由逆谱滤波器(12)，匹配滤波器(13)及杂波参数估值器(14)等三个部分构成。
其中，逆谱滤波器(12)及杂波参数估值器(14)一起可称为自适应逆谱滤波器(AISF)(39)。
代表雷达回波的数字序列X(K)进入逆谱滤波器后，所输出的信号Y(K)分为两路，一路经过匹配滤波器后的输出信号Z(K)送至判决器，另一路经过杂波参数估值器回馈至逆谱滤波器，估值器的输出用来调整逆谱滤波器的频响形状参数。任何一种能从该滤波器输出(或输入)通过一定算法单元自适应地估计出杂波参数αi(i＝1，2，……n)(假定杂波可以用一自回归模型，即X(K)＝<math><munderover><mi>Σ</mi><mi>i=1</mi><mi>n</mi></munderover></math>αiX(K-i)+W(K);来描述，式中αi(i＝1，2，……n)即为杂波参数，W(k)为白噪声序列)的方法都可以导出一种AOF的具体方案。这里仅就一种由最速梯度下降法导出的算法来加以说明。所描述的具体方案中假定雷达杂波可以用一个二阶自回归模型(即n＝2)来模拟，则AISF的阶数应选为4(5个抽头);若为了更精确，用三阶自回归模型来描述杂波，则AISF阶数应选为6(7个抽头)……。
图1画出了通常PD雷达终端信号处理器的方框图，图中原来MTI的位置现在被自适应逆谱滤波器(AISF)(4)(10)所替代，它与FFT处理机(11)一起构成了自适应最佳滤波器(40)，其它方框图的功能是清楚的，这里不再详述。由雷达接收机来的中频信号经正交相位检波器(由相干本振(5)和移相器(6)提供两路同频相差90°的信号在乘法器(1)和(7)中与雷达中频信号相乘，然后经低通滤波器(2)、(8)滤出基带信号)变成两个通道(I，Q通道)的双极视频信号(零中频信号)，再经过模数变换器(A/D)变换器(3)、(9)将视频信号抽样并变换成数字码，抽样脉冲(未画出)的重复频率一般选为距离门宽度(脉宽)的倒数。量化级一般从杂噪比的动态范围考虑，典型值为10-16位(bit)。数字信号到达I、Q通道的自适应逆谱滤波器(4)、(10)加以逆谱处理，然后送至FFT信号处理机(11)进行匹配过滤。(4)、(10)完全是一样的，这里仅举一个加以说明。
概而论之，自适应逆谱滤波器(AISF)就是通过算法αr(K+1)＝αr(K)-2μ〔y(K)x(K-rT)-F(r)〕;(r＝0，1，2，3，4)从旧的权系数αr(K);(r＝0，1，2，3，4)得到新的权系数，再对信号X(K+1)进行加权和处理的专用电子计算机。式中F(r)为一简单函数，其定义为r＝2时，F(r)＝1;r≠2时，F(r)＝0。
图3示出了自适应逆谱滤波器的基本结构。图中(20)、(30)、(40)、(50)单元中的Z-T表示延时(存贮)时间为T的延迟线，抽头延迟线的抽头数目视需要而定，T为雷达脉冲重复频率，一般是距离门宽度的整数倍;(18)、(19)、(21)、(22)、(23)为数字乘法器，数字乘法器的数目与抽头延迟线抽头的数目一致，要求在小于一个距离门宽度的一半时间内完成给定bit数的乘法运算，若有更高速的乘法器可供利用，则整个5个权可共用一个算法单元，在一个距离门宽度内依次实现对5个权的高速和加权运算则电路可进一步简化。(24)、(25)、(26)、(27)为加法器，其数目可比抽头延迟线抽头数目少一个。图3中所需用的算法单元个数与抽头延迟线的抽头数一致，各算法单元(15)、(16)、(17)具有完全相同的结构，其具体电路示于图4。图4中符号所代表的意义完全同于图3。
代表雷达回波的数字序列X(K)以高抽样速率进入抽头延迟线(20)、(30)、(40)、(50)。比如说距离门宽度为1微秒则抽样速率为1兆赫，脉冲重复频率为10千赫，则延时为100微秒。在任一时刻K，抽头处(34)、(35)、(36)、(37)、(38)得到的X(K)，X(K-T)，X(K-2T)，X(K-3T)，X(K-4T)都是取自同一距离门的数据(杂波或杂波加信号)，它们分别与当时的权系数a0(K)、a1(K)、a2(K)、a3(K)、a4(K)在乘法器(18)、(19)、(21)、(22)、(23)中相乘，然后在加法器(24)、(25)、(26)、(27)中相加输出即为y(K)。加权和处理后的y(K)一方面做为逆谱滤波器的输出，另方面又返回去用来调整权系数ar(K)，(r＝0，1，2，3，4)。这一调整是在算法单元(15)、(16)、(17)中进行的。见图4，y(K)与相应的抽头值X(K-rT)(r＝0，1，2)在乘法器(28)中相乘，得到y(K)X(K-rT)，将它送至加法器(29)，在算法单元(Ⅲ)(17)中乘积y(K)X(K-rT)与-1相加，得到y(K)X(K-rT)-1，而在算法单元(Ⅰ)(15)和算法单元(Ⅱ)(16)中加法器(29)可省去。加法器(29)的输出送至倍乘器(31)乘以常数因子2μ以构成修正量2μ(y(K)X(K-rT)-1)与此时刻的权系数ar(K)(r＝0，1，2)在加法器(32)中相加(代数和)形成下一个时刻(K+1)的新的权系数ar(K+1)，(r＝0，1，2)。这个权系数暂存在相应的延迟单元(33)中，直到下一周期同一距离门信号出现在抽头处时才起作用。其它距离门的数据分别暂存在延迟单元(20)、(30)、(40)、(50)之中，权系数则暂存在相应算法单元的存贮器(33)之中，下一个时钟脉冲的到来整个系统就开始对下一个距离门数据的处理……。这样经过若干个周期之后，对每个距离门的数据来讲权系数达到收敛，校正项近似为零，滤波器成为当时杂波环境下的逆谱滤波器。若雷达移动至新的环境，或遇到了不同类型的杂波干扰，则权系数又会自动地加以调整，以达到新的最佳值。常数μ的大小可以控制这种收敛过程的快慢。由于a3＝a1，a4＝a0，故算法单元(Ⅳ)及算法单元(Ⅴ)(未画出)可以省去而与算法单元(Ⅰ)(15)和算法单元(Ⅱ)(16)共用。任何数字系统中公有的时钟电路以及必要的控制电路(比如权系数置零，桢同步电路等)均未画出。
经逆谱处理后的正交双通道信号yI(K)及yQ(K)(见图1)，送至FFT处理机(11)进行距离门分路与匹配滤波处理，这与通常的PD雷达终端处理机是一样的，这里不再详述。
本发明提出的自适应最佳滤波器(自适应逆谱滤波器加匹配滤波器)方案为提高雷达、声纳系统抗有色杂波干扰能力提出了一种新的技术途径。对于高斯有色杂波干扰，它可以达到或逼近于理论上的最佳检测性能。
由于采用了自适应措施，自适应最佳滤波器对时变，运动杂波环境中已知信号的检测更能充分发挥其优越性。
本发明特别适用于雷达平台运动的雷达系统，它可以省去主杂波跟踪环节，也可以降低对雷达工作频率稳定度之要求。
整个系统可以采用多种方式(模拟、数字或混合式)加以实施。若采用数字方案它同样具有一般数字系统灵活性之特点。
本发明不限于用图3与图4所采用的方案，一般说来它可以采用图2所示结构。任何一种参数估值方法均可导出一种自适应最佳滤波器的具体方案，这需要针对具体使用背景来加以选取。
权利要求
1、一种自适应最佳滤波器，其特征在于它是由一个自适应逆谱滤波器(AISF)(39)级联一个匹配滤波器(13)而成；数字序列X(K)进入自适应逆谱滤波器以后，输出数字序列y(K)，y(K)经匹配滤波器后的输出信号Z(K)送至判决器。
2、如权利要求
1所说的自适应最佳滤波器，其特征在于其中的自适应逆谱滤波器(39)是由逆谱滤波器(12)及杂波参数估值器(14)构成;数字序列X(K)通过逆谱滤波器后的输出信号y(K)分成两路，一路馈入匹配滤波器(13)，另一路通过杂波参数估值器回馈至逆谱滤波器，杂波参数估值器的输出用来调整逆谱滤波器频响的形状参数。
3、如权利要求
2所说的自适应逆谱滤波器，其特征在于其中的逆谱滤波器(12)由具有奇数个抽头且延迟时间为T的抽头延迟线，与抽头延迟线抽头数相等的奇数个算法单元，与抽头延迟线抽头数目相等的奇数个乘法器及比抽头延迟线抽头数目少一个偶数个加法器构成;数字序列X(K)以高抽样速率进入抽头延迟线，在任一时刻K，抽头处所得的X(K-rT);(r＝0，1，2……)都是取自同一距离门的数据，它们分别与当时的权系数ar(K)，(r＝1，2……)在乘法器相乘，然后将各相乘结果在加法器相加输出y(K)，经加权和处理后y(K)一方面作为逆谱滤波器的输出，另一方面返回去用来调整权系数ar(K)，其它距离门的数据可分别暂存在延迟单元(20)、(30)、(40)、(50)中，权数据可分别暂存在相应的算法单元(33)之中，待到下一个时钟脉冲到来，整个系统又开始对下一个距离门数据的处理。
4、如权利要求
3所说的逆谱滤波器，其特征在于其中的抽头延迟线可选用5个抽头(34)、(35)、(36)、(37)、(38)，其中的乘法器数目可为5个(18)、(19)、(21)、(22)、(23)，其中的算法单元(Ⅳ)与算法单元(Ⅴ)可以省去而与算法单元(Ⅰ)、(15)和算法单元(Ⅱ)(16)共用;若有更高速的乘法器可供利用，则可共用一个算法单元。
5、如权利要求
3所说的逆谱滤波器，其特征在于其中的算法单元是由两个乘法器(28)、(31)两个加法器(29)、(32)及一个延迟单元(33)构成;自适应逆谱滤波器经加权和处理后的输出信号y(K)与相应的抽头值X(K-rT);(r＝0，1，2，3，4)在乘法器(28)相乘，其输出X(K-rT)y(K)送至加法器(29)与F(r)相加。
将相加结果X(K-rT)y(K)-F(r)在乘法器(31)与2μ相乘，构成修正量2μ〔y(K)X(K-rT)-F(r)〕，该修正量与此时刻的权系数ar(K);(K＝0，1，2)在加法器(32)中相加，形成下一时刻(K+1)时的新的权系数，这个权系数ar(K+1);(r＝0，1，2)暂存在延迟单元(33)中，直到下一周期同一距离门信号出现在抽头处时才起作用。
6、如权利要求
5所说的算法单元，其特征在于其中的乘法器(31)倍乘因子为2μ，常数因子μ的选择大小可以控制每个距离门的数据权系数收敛过程的快慢。
7、一种PD雷达终端信号处理装置，它包括相干本振器(5)、移相器(6)、乘法器(7)(1)、低通滤波器(2)、(8)模数变换(A/D变换)器(3)、(9)，其特征在于它还具有一个双通道的自适应最佳滤波器(40);由相干本振器(5)和移相器(6)提供两路同频相差90°的信号在乘法器(1)、(7)中与雷达中频信号相乘，然后经低通滤波器(2)、(8)分别滤出基带信号，变成双通道(I、Q通道)的双极视频(中频)信号(零中频)，再分别经模数变换器(3)(9)将双极视频信号抽样并变换成数字码后馈入自适应最佳滤波器(40)。
8、如权利要求
7所说的PD雷达终端信号处理装置，其特征在于其中的自适应最佳滤波器由两个自适应逆谱滤波器(ATSF)(4)(10)及FFT处理机(11)组成，由模数变换器(3)(9)输出的双极视频信号分别馈入两个自适应逆谱滤波器(4)(10)后输出两路信号yI(K)及yQ(K)一并馈入作为匹配滤波器的FFT处理机(11)，由FFT处理机输出端取出该装置的总输出以供判决。
专利摘要
本发明所提出的自适应最佳滤波器是一种信号处理装置，主要用于雷达、声纳系统中，在有色杂波背景下已知信号的检测。它是采用自适应逆谱滤波器与匹配滤波器级联方式来构成的。它特别适用于背景杂波的统计特性或者未知、或者时变这样一些应用场合。这种滤波器的自适应特性是由一种特定的算法单元根据雷达回波信号本身特性来不断更新逆谱滤波器的系数来达到的。在高斯有色噪声背景下，自适应最佳滤波器可以逼近于对已知信号的最佳处理。
文档编号H03H21/00GK85103887SQ85103887
公开日1986年10月29日 申请日期1985年5月3日
发明者王永德 申请人:四川大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan