基于二维滑窗稳健空时自适应处理的目标检测方法

基于二维滑窗稳健空时自适应处理的目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空时自适应处理技术领域，特别涉及一种基于二维滑窗稳健空时自适 应处理的目标检测方法，本发明应用于机载雷达的回波信号处理。
【背景技术】
[0002] 机载雷达的地物回波呈现的空时耦合谱特性决定了其采用空时自适应处理 (Space-TimeAdaptiveProcessing，STAP)的杂波抑制效果优于一维杂波抑制技术。传 统的STAP方法利用训练数据估计待测数据的空时相关矩阵。均匀环境下，两组数据的统 计特性基本相似。该类方法有效地利用了回波的统计特性，可以获得较好地杂波抑制性 能；然而，机载雷达的实际工作环境往往是非均匀的，难以满足自适应处理对于均匀训练 样本数的需求，并且传统方法对于待测数据本身含有的干扰抑制效果较差。为此，基于 待测数据本身的STAP类方法被提出，例如直接数据域（DirectDataDomain，DDD)、反复 迭代自适应（IterativeAdaptiveApproach，IAA)、基于幅度相位估计（Amplitudeand PhaseEstimation，APES)的STAP方法等。其中，基于二维幅度相位估计（TwoDimension AmplitudeandPhaseEstimation，2D-APES)的2D-APES方法保证接收信号的时域及空域 输出与目标信号的均方误差最小，充分利用了杂波的统计信息，从而能够较好地同时在空 域及时域对干扰杂波进行抑制，并且计算量小。但在实际应用中，目标的参数信息，即目标 的波达方向（DirectionofArrival，D0A)或多普勒频率往往不能准确获取，目标真实导向 矢量产生失配。2D-APES方法对导向矢量失配非常敏感，导致目标检测性能下降。
[0003] 针对上述导向矢量失配问题，目前主要有以下几种方法：
[0004] 第一种方法，对角加载技术（diagonallyloaded，DL)。DL可以降低空时相关矩阵 小特征值的扰动，增加波束形成器的稳健性，提供了到达角失配的稳健性，以及阵元位置、 增益位置和相位扰动的稳健性等。但在实际情况对于加载量的多少往往是根据经验值设 定，加载量的不确定严重影响对角加载的性能。
[0005] 第二种方法，基于最差性能的最优的稳健方法，该方法将目标D0A及多普勒频率 约束在一个误差锥域内，通过凸优化方法求解最优滤波器权值，然而该方法并不能给出一 个解析解，并且计算量大。

【发明内容】

[0006] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种基于二维滑窗稳健空时自适应处 理的目标检测方法，保证接收信号的时域及空域输出与目标信号的均方误差最小，充分利 用了回波的统计信息，根据两点正交约束及迭代对角加载方法，在不增加较大的计算量的 前提下，有效保证了导向矢量失配时2D-APES方法的稳健性。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0008] -种基于二维滑窗稳健空时自适应处理的目标检测方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，利用机载雷达发射信号，并接收相应的回波数据；
[0010] 步骤2,对所述回波数据进行空时滑窗处理，得到空时滑窗后的回波数据；
[0011] 步骤3,由先验彳目息构造目标视在导向矢量误差边界矩阵，其中所述先验彳目息包括 目标归一化多普勒的上限、目标归一化多普勒的下限、目标真实波达方向的上限和目标真 实波达方向的下限，所述导向矢量误差边界矩阵包括目标视在导向矢量的上限和目标视在 导向矢量的下限；
[0012] 步骤4,计算所述空时滑窗后的回波数据在目标张成的子空间的正交补空间上的 投影分量的自相关矩阵；
[0013] 步骤5,通过以下公式计算所述自相关矩阵对角加载后的相关矩阵：
[0014] R'丄=R丄+yI
[0015] 其中，Ri为自相关矩阵，R' ±为对角加载后的相关矩阵，I为单位矩阵，Y为加载 因子，初始值为1 ;
[0016] 步骤6,根据所述目标视在导向矢量误差边界矩阵和对角加载后的相关矩阵求解 目标视在导向矢量误差边界矩阵的共辄转置矩阵的权矢量；
[0017] 步骤7,判断所述目标视在导向矢量误差边界矩阵的共辄转置矩阵与所述权矢量 相乘得到的列向量的模值是否小于1 ;若所述模值小于1，则增加所述加载因子Y后重新执 行所述步骤5至步骤6;若所述模值大于等于1，则将对应的权矢量作为最优权矢量；
[0018] 步骤8,利用所述最优权矢量构造滤波器对所述空时滑窗后的回波数据进行滤波， 得到目标回波数据。
[0019] 优选地，所述步骤1包括以下子步骤：
[0020] la)利用机载雷达采用N元等距线阵，阵元间隔为d，一个相干采样间隔内的脉冲 数为K来发射信号；
[0021] lb)接收相应的回波数据X，其中回波数据X包括目标回波数据、杂波回波数据、干 扰回波数据、噪声回波数据。
[0022] 优选地，所述步骤2包括以下子步骤：
[0023] 2a)根据先验信息确定目标归一化多普勒频率及归一化空域频域的范围，得到目 标NX1维空域导向矢量SJPKX1维时域导向矢量St，所述空域导向矢量Ss和时域导向矢 量St分則诵忖WT公忒讦管徨？丨丨.
[0024]
[0025]
[0026] 其中，fs为目标归一化空域频率，fd为目标归一化多普勒频率，d为阵元间隔，入 为波长，（?）T表示矩阵转置，K为一个相干采样间隔内的脉冲数，j为虚数单位；
[0027] 2b)根据以下公式对所述回波数据进行空时滑窗处理，滑窗后得到的MsMtXKsKt维 矩阵维回波数据1为：
[0028]
[0029] 其中：（?）T表示矩阵转置，X2D为空时滑窗处理后的MsMtXKsKt维的回 波数据，KsKtX1维空时导向矢量心=" ?rs2D ;MsMtX1维滑窗后的空时导向矢量 心=St2D ?Ss2D ;其中c2D、j2D和n2D分别为空时滑窗处理得到的杂波、干扰及噪声； 心D=[l .，叫，]T*KtXl维时域导向矢量，kD=[l… KSX1维空域导向矢量；MtXl维滑窗后的时域导向矢量&2D=[] …一2^11^1，: MSX1维滑窗后的空域导向矢量=[) #咕…W2响-以]T，Kt=K-Mt+l，Ks=N-Ms+1， fs为目标归一化空域频率，fd为目标归一化多普勒频率。
[0030] 优选地，所述步骤3包括以下子步骤：
[0031] 3a)根据目标归一化多普勒的下限fdl、目标归一化多普勒的上限fdu、目标归一化 空域频率的下限fsl和目标归一化空域频率的上限fsu，通过以下公式构造目标视在导向矢 量上限T(fdl，fsl)、目标视在导向矢量下限T(fdu，fsu):
[0032] T(fdl,fsl) =S2D(fdl,fsl)+E, | |E| | ^：e
[0033] T(fdu,fsu) =S2D(fdu,fsu)+E, | |E| | ^e
[0034] 其中，E为视在导向矢量与真实导向矢量之间的误差，常数e彡0,S2D为MsMtXl 维滑窗后的空时导向矢量；
[0035] 3b)根据所述目标视在导向矢量的上限和目标视在导向矢量的下限，通过以下公 式构造目标视在导向矢量误差边界矩阵T:
[0036] T= [T(fdl,fsl)T(fdu,fsu)]〇
[0037] 优选地，所述步骤4包括以下子步骤：
[0038] 4a)通过以下公式计算目标张成的子空间P||:
[0039]
[0040] 其中，（?r表示取共辄，（?）T表示矩阵转置，12D为KsKtX1维空时导向矢量，KsKt 为t2D的维数；
[0041] 4b)通过以下公式计算目标张成的子空间的正交补空间Pi:
[0042] P丄=I-P丨
[0043] 其中，I为KtXKt维的单位对角矩阵，Pu表示目标张成的子空间；
[0044] 4c)通过以下公式计算所述滑窗后的回波数据在Pi上的投影分量Xi:
[0045] X丄=X2DP丄
[0046] 其中，X2DS空时二维滑窗后得到的回波数据，P±为目标张成的子空间的正交补空 间；
[0047] 4d)通过以下公式计算所述滑窗后的回波数据在目标张成的子空间的正交补空间 上的投影分量的自相关矩阵Ri:
[0048] _
[0049] 其中，Xi为空时二维滑窗后的回波数据在Pi上的投影分量，H表示矩阵的共辄转 置。
[0050] 优选地，所述步骤6包括以下子步骤：
[0051] 6a)依据所述目标视在导向矢量误差边界矩阵T和对角加载后的相关矩阵R'1，结 合杂噪协方差矩阵的厄米特性，求解第一中间变量组0、r。、巧及r2:
[0052]
[0053] 其中，0、4、6及。都是非负实数，11表示矩阵的共辄转置；
[0054] 6b)根据所述第一中间变量组通过以下公式计算第二中间变量组<i>、P。及P1:
[0055] (}) = Ji - {3
[0056]
[0057]
[0058] 其中，（}>、0。及P:都为实数。
[0059]6c)根据所述目标视在导向矢量误差边界矩阵T、对角加载后的相关矩阵R'1、第 二中间变量组P。及P1通过以下公式求解权矢量W:
[0060]
[0061] 其中，H表示矩阵的共辄转置。
[0062] 优选地，所述步骤7包括以下子步骤：
[0063] 7a)依据下式判断所述目标视在导向矢量误差边界矩阵T的共辄转置矩阵TH与所 述权矢量w相乘得到的列向量的模值|thw|是否小于1:
[0064] ThW|<1
[0065] 其中，W表示权矢量，H表示矩阵的共辄转置；
[0066]7b)若|THW|〈1，则增加所述加载因子^，令y =a+y后重新执行所述步骤5至 步骤6,其中y为加载因子a为步长因子且a>1;
[0067]7c)若|THW|彡1，则将对应的权矢量W作为最优权矢量WRc]bustAPES。
[0068] 优选地，