CN101813765B - 基于非均匀空间立体阵列分布式sar的杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，它涉及一种杂波抑制方法，它解决了现有的STAP方法只适合于均匀直线阵列或均匀面阵的杂波抑制，而不适用于非均匀空间阵列的杂波抑制的问题。本发明首先建立一个非均匀空间立体阵列流形，然后对其进行信号重构，获得均匀空间立体阵列流形，再根据均匀空间立体阵列流形，计算并获得杂波的各维多普勒频率，进而获得基于所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型；根据所述杂波模型、各维多普勒频率及全空时自适应处理方法，构建全空时自适应滤波器，实现对SAR实际接收的空时采样信号的杂波抑制。本发明克服了已有技术的不足，可用于SAR地面动目标检测技术中的杂波抑制领域。

Description

基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法

技术领域

本发明涉及一种杂波抑制方法。

背景技术

杂波抑制是GMTI（地面动目标检测）技术的一个关键性环节，现有的STAP（空时自适应处理）技术在杂波抑制方面应用较广，它具有很好的杂波对消性能，但传统的基于均匀线阵的2D-STAP技术都是假定杂波环境是均匀的，它要求训练样本和待检测样本中的干扰是独立同分布的，这样才能使用其它距离门的样本来准确估计待检测距离门中干扰的统计特性，实现对杂波等干扰的有效抑制。

然而，雷达面临的实际杂波环境常常是非均匀的，而传统的STAP方法无法对随俯仰角变化的非均匀杂波进行有效地抑制；同时，传统的STAP方法只能应用于均匀直线阵列，当若线阵中阵元过多时，该方法的计算量会增加，可靠性也会降低，且阵元幅相误差不可避免，这会成为制约一维处理性能的重要因素。由于存在阵元幅相误差时，各列子阵俯仰方向图是俯仰角的函数，即各列子阵俯仰方向图不再一致，而一维采样仅控制多普勒域与方位域，而无法控制各列子阵俯仰角，因而也就无法避免这种由于列子阵俯仰角不一致造成的影响。

Phillip M. Corbell, Michael A. Temple, and Todd B. Hale. Forward-Looking Planar Array 3D-STAP Using Space Time Illumination Patterns (STIP). In 1-4244-0309-X/06/2006 IEEE, 602-606，这篇文章给出了基于均匀面阵的3D-STAP技术，但是只是解决针对基于均匀面阵的杂波抑制，而不能解决针对基于均匀空间阵列的杂波抑制，而且该文中的杂波抑制技术仍然存在如扫描区域受限、杂波模型建立复杂、阵列流形限制严格等缺陷。

发明内容

本发明的目的是解决现有的STAP方法只适合于均匀直线阵列或均匀面阵的杂波抑制，而不适用于非均匀空间阵列的杂波抑制的问题，提供了一种基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法。

基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，它的具体过程如下：

步骤一、根据非均匀分布式SAR的实际空间分布，建立一个基于X-Y-Z坐标系的非均匀空间立体阵列流形；

步骤二、利用基于俯仰维划分的二次阵列插值信号重构方法，对步骤一建立的非均匀空间立体阵列流形进行信号重构，获得均匀空间立体阵列流形；

步骤三、根据步骤二获得的均匀空间立体阵列流形，计算并获得杂波的各维多普勒频率，进而获得所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型；

步骤四、根据所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型、各维多普勒频率及全空时自适应处理方法，构建全空时自适应滤波器，进而对SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制。

本发明适用于非均匀空间阵列的杂波抑制领域，特别适用于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制，能够对其进行有效地杂波抑制。

附图说明

图1为非均匀空间立体阵列流形的示意图；图2为均匀空间立体阵列流形的示意图；图3是均匀空间立体阵列流形在X-Y坐标面的投影图。

具体实施方式

 具体实施方式一：本实施方式的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，它的具体过程如下：

步骤一、根据非均匀分布式SAR的实际空间分布，建立一个基于X-Y-Z坐标系的非均匀空间立体阵列流形；

步骤二、利用基于俯仰维划分的二次阵列插值信号重构方法，对步骤一建立的非均匀空间立体阵列流形进行信号重构，获得均匀空间立体阵列流形；

步骤三、根据步骤二获得的均匀空间立体阵列流形，计算并获得杂波的各维多普勒频率，进而获得所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型；

步骤四、根据所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型、各维多普勒频率及全空时自适应处理方法，构建全空时自适应滤波器，进而对SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制。

其中，SAR为英文Synthetic Aperture Radar的缩写，指合成孔径雷达。

本发明针对分布式SAR地面动目标检测中面临的问题，通过信号处理中的信号重构技术，对非均匀空间立体阵列流形进行信号重构，使其信号形式重构为空间立体均匀阵列的信号形式，以适用于STAP （空时自适应处理）方法对杂波进行抑制，图1是非均匀空间立体阵列流形的示意图，信号重构后新的阵列构形如图2所示，由图中可见此时的阵列构形成空间立体均匀阵列，相应的其杂波信号也被重构为均匀杂波信号；然后，将得到的均匀空间立体阵列杂波信号，作为杂波抑制的基本对象，通过Y轴方向上的各个子面阵进行3D-STAP对杂波进行抑制，从而实现非均匀空间立体阵列的分布式SAR杂波抑制。

步骤二所述内容的具体过程为：

步骤二一、对步骤一中所述非均匀空间立体阵列流形中的所有阵元，按照就近原则，将所述所有阵元划分到L个平行于X-Y坐标面的平面中，获得L个平行于X-Y坐标面的不均匀平面子阵列；其中，L为正整数，且L由所述非均匀空间立体阵列流形中的所有阵元在Z向分布的疏密程度决定；

步骤二二、分别对步骤二一获得的L个不均匀平面子阵列中的每一个平面子阵列进行插值，获得L个平行于X-Y坐标面的均匀平面子阵列；

步骤二三、根据由所述L个均匀平面子阵列构成的空间立体阵列流形，获得M个平行于X-Z坐标面的不均匀平面子阵列，然后对该M个不均匀平面子阵列的每一个不均匀平面子阵列再次进行插值，分别获得M个平行于X-Z坐标面的均匀平面子阵列；

步骤二四、根据步骤二三获得的M个均匀平面子阵列，获得均匀空间立体阵列流形。

在本实施方式中，所述所有阵元在空间上呈现不均匀分布，即所述所有阵元中，每两个阵元间的距离不全相同。

图1中，有27个阵元不均匀地分布在X-Y-Z空间中，即它们彼此间隔各不相同。实施步骤二一，可将实心圆圈代表的阵元划分到α₁平面中去，将空心圆圈代表的阵元划分到α₂平面中去，将方块代表的阵元划分到α₃平面中去，然后，分别在α₁、α₂和α₃平面内进行平面阵插值，将阵列插值成为三个3×3的均匀面阵；然后，在与X-Z坐标面平行的平面β₁、β₂和β₃中进行2次插值，将阵列插值为3×3×3的均匀空间立体阵列，如图2所示。本方法相当于在将空间立体阵列分割成若干个平行与X-Y坐标面的平面后，进行两次平面阵插值，从而得到一个均匀分布的空间立体阵列，以适应3D-STAP技术进行杂波抑制。

步骤三所述内容的具体过程为：

步骤三一、令步骤二四获得的均匀空间立体阵列流形的平行于X-Z坐标面的一个平面子阵列作为基准面子阵，然后根据步骤二获得的均匀空间立体阵列流形计算获得杂波的各维多普勒频率；

步骤三二、根据该基准面子阵的杂波模型以及步骤三一获得的杂波的各维多普勒频率，获得该均匀空间立体阵列流形的其余所有平面子阵列的杂波模型；其中，所述其余所有平面子阵列均与X-Z坐标面平行；

步骤三三、由所述基准面子阵的杂波模型以及步骤三二获得的其余所有平面子阵列的杂波模型，获得整个均匀空间立体阵列流形的杂波模型。

其中，步骤三二中的基准面子阵的杂波模型，是由背景技术中提到的《Forward-Looking Planar Array 3D-STAP Using Space Time Illumination Patterns》这篇文献中的方法得到的。

步骤三一中所述的各维多普勒频率包括时间多普勒频率f _d 、空间方位向普勒频率f _a 和空间俯仰向多普勒频率f _e  ，且所述空间方位向即X向，所述空间俯仰向即Z向；

且                                               

，

，

；

其中，V _a 是非均匀分布式SAR的阵列飞行速度，f _r 是采样脉冲的重复频率，θ _j 为第j个平面子阵列在X-Y坐标面的投影相对于选定杂波单元的方位角，且j=1，2，…，M，所述选定杂波单元为等距离杂波环上的任意一个杂波单元，φ为基准面子阵相对于选定杂波单元的俯仰角，λ为发射信号波长，且有

，

上式中，d _y 是相邻两个平面子阵列的间距，h为均匀空间立体阵列流形的中心阵元距离地面的高度，θ为基准面子阵相对于杂波单元的方位角。

如图2所示的空间立体阵列中，对于每一个平行于X-Z坐标面的平面子阵列，分别对其向X-Y平面投影，如图3所示，投影后可得到多个平行于X轴的直线阵，如直线阵A1、A2和A0，P1、P2和P0分别为直线阵A1、A2和A0上的一个阵元，且P1、P2和P0均位于Y轴上，H0为等距离杂波环上的一个杂波单元，其中直线阵A0位于基准面子阵上（图3中，直线阵A0位于X轴上）。其中，dy是相邻平面子阵列之间的间隔，阵元P0到杂波单元H0的斜距R在X轴的投影和Y轴上的投影分别为R _X 和R _Y ，基准面子阵相对于杂波单元的方位角为θ，即θ为杂波单元H0和阵元P0所在直线与X轴的夹角；其他平面子阵列P _i 相对于杂波单元H0的方位角为则为θi，其中i为平面子阵列的序数。此外，结合阵列距地面的高度，还可以得到各平面子阵列对同一杂波单元的俯仰角。 

步骤三三中所述的整个均匀空间立体阵列流形的杂波模型用其发射方向图表示为：

其中，所述均匀空间立体阵列流形包含的阵元个数为N×M×L，且L表示所述均匀空间立体阵列流形包含的平行于X-Y坐标面的平面子阵列的个数，N为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的行子阵的个数，M为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数，且所述行子阵平行于X轴，所述列子阵平行于Y轴；I _l 为所述平行于X-Y坐标面的平面子阵列对应的子阵权，I _n 为所述行子阵对应的子阵权，I _m 为所述列子阵对应的子阵权；φ ₀ 、θ ₀ 分别为杂波单元相对于基准面子阵的俯仰角和方位角。

步骤四所述内容的具体过程为：

步骤四一、由所述杂波的各维多普勒频率，获得各维傅立叶导向矢量，进而获得空时三维傅立叶导向矢量S_3D；

步骤四二、由步骤三获得的所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型，计算获得杂波空时二维协方差矩阵R；

步骤四三、根据全空时自适应处理方法要求的信杂噪比最大准则，获得全空时自适应滤波器的最佳权矢量W _opt ；

步骤四四、根据所述空时三维傅立叶导向矢量S_3D、杂波空时二维协方差矩阵R以及全空时自适应滤波器的最佳权矢量W _opt ，构建全空时自适应滤波器，进而对SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制。

步骤四中所述的SAR实际接收的空时采样信号表示为：

，其中m=1，2，…，M；

表示第m个平面子阵列的空时采样数据；

其中，n=1，2，…，N；l=1，2，…，L；k=1，2，…，K；表示位于第m个平面子阵列的（X=n，Z=l）处的阵元的第k个脉冲的采样数据，且，

则表示位于第m个平面子阵列的（X=n，Z=l）处的阵元的第k个脉冲对第b个等距离杂波环的采样数据；N为每个平行于Y-Z坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数，L为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的行子阵的个数，K为时域采样数，且所述行子阵平行于X轴，所述列子阵平行于Y轴。

在步骤四一中，所述各维多普勒频率，包括时间多普勒频率f _d 、空间方位向普勒频率f _a 和空间俯仰向多普勒频率f _e  ，且所述空间方位向即X向，所述空间俯仰向即Z向；

所述各维傅立叶导向矢量，包括空域方位向傅立叶导向矢量p、时域傅立叶导向矢量q和空域俯仰向傅立叶导向矢量Fe，且所述空域方位向傅立叶导向矢量p的表达式为：

p=[1，exp(i2πf _a )， exp(i4πf _a )， …， exp(i2π(N-1) f _a )] ^T ；

所述时域傅立叶导向矢量q的表达式为：

q=[1，exp(i2πf _d )，exp(i4πf _d )，…，exp(i2π(K-1) f _d )] ^T ；

所述空域俯仰向傅立叶导向矢量Fe的表达式为：

Fe=[1，exp(i2πf _e ，exp(i4πf _e ，…，exp(i2π(M-1) f _e )] ^T ；

所述空时三维傅立叶导向矢量S_3D的表达式为：

S_3D=S

Fe，

其中，S_3D为NKM×1维，S是空时二维傅立叶导向矢量，且S等于p和q的Kronecker积，即S=p

q，S为NK×1维。

在步骤四三中，所述全空时自适应滤波器的最佳权矢量

，其中，为非零的归一化复常数。

在步骤四四中，所述全空时自适应滤波器对所述SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制时利用的公式为：

，

其中，

为SAR实际接收的空时采样信号，

为所述全空时自适应滤波器对所述SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制后的输出信号。

Claims (10)

1.基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于它的具体过程如下：

步骤一、根据非均匀分布式SAR的实际空间分布，建立一个基于X-Y-Z坐标系的非均匀空间立体阵列流形；

步骤二、利用基于俯仰维划分的二次阵列插值信号重构方法，对步骤一建立的非均匀空间立体阵列流形进行信号重构，获得均匀空间立体阵列流形；

步骤三、根据步骤二获得的均匀空间立体阵列流形，计算并获得杂波的各维多普勒频率，进而获得所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型；

步骤四、根据所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型、各维多普勒频率及全空时自适应处理方法，构建全空时自适应滤波器，进而对SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤二所述内容的具体过程为：

步骤二一、对步骤一中所述非均匀空间立体阵列流形中的所有阵元，按照就近原则，将所述所有阵元划分到L个平行于X-Y坐标面的平面中，获得L个平行于X-Y坐标面的不均匀平面子阵列；其中，L为正整数，且L由所述非均匀空间立体阵列流形中的所有阵元在Z向分布的疏密程度决定；

步骤二二、分别对步骤二一获得的L个不均匀平面子阵列中的每一个平面子阵列进行插值，获得L个平行于X-Y坐标面的均匀平面子阵列；

步骤二三、根据由所述L个均匀平面子阵列构成的空间立体阵列流形，获得M个平行于X-Z坐标面的不均匀平面子阵列，然后对该M个不均匀平面子阵列的每一个不均匀平面子阵列再次进行插值，分别获得M个平行于X-Z坐标面的均匀平面子阵列；

步骤二四、根据步骤二三获得的M个均匀平面子阵列，获得均匀空间立体阵列流形。

3.根据权利要求2所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤三所述内容的具体过程为：

步骤三一、令步骤二四获得的均匀空间立体阵列流形的平行于X-Z坐标面的一个平面子阵列作为基准面子阵，然后根据步骤二获得的均匀空间立体阵列流形计算获得杂波的各维多普勒频率；

步骤三二、根据该基准面子阵的杂波模型以及步骤三一获得的杂波的各维多普勒频率，获得该均匀空间立体阵列流形的其余所有平面子阵列的杂波模型；其中，所述其余所有平面子阵列均与X-Z坐标面平行；

步骤三三、由所述基准面子阵的杂波模型以及步骤三二获得的其余所有平面子阵列的杂波模型，获得整个均匀空间立体阵列流形的杂波模型。

4.根据权利要求3所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤三一中所述的各维多普勒频率包括时间多普勒频率f_d、空间方位向普勒频率f_a和空间俯仰向多普勒频率f_e，且所述空间方位向即X向，所述空间俯仰向即Z向；

$f_e=\frac{d_z(\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sin {\mathrm{\θ}}_2+...+\sin {\mathrm{\θ}}_J)}{\mathrm{J\λ}};$

其中，d_x为方位向上阵元的间距；d_z为俯仰向上阵元的间距；

V_a是非均匀分布式SAR的阵列飞行速度，f_r是采样脉冲的重复频率，θ_j为第j个平面子阵列在X-Y坐标面的投影相对于选定杂波单元的方位角，且j＝1，2，…，M，所述选定杂波单元为等距离杂波环上的任意一个杂波单元，为基准面子阵相对于选定杂波单元的俯仰角，λ为发射信号波长，且有

上式中，d_y是相邻两个平面子阵列的间距，h为均匀空间立体阵列流形的中心阵元距离地面的高度，θ为基准面子阵相对于杂波单元的方位角。

5.根据权利要求4所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤三三中所述的整个均匀空间立体阵列流形的杂波模型用其发射方向图表示为：

其中，

d为均匀阵列中阵元的间距；

所述均匀空间立体阵列流形包含的阵元个数为N×M×L，且L表示所述均匀空间立体阵列流形包含的平行于X-Y坐标面的平面子阵列的个数，N为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的行子阵的个数，M为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数，且所述行子阵平行于X轴，所述列子阵平行于Y轴；I_l为所述平行于X-Y坐标面的平面子阵列对应的子阵权，I_n为所述行子阵对应的子阵权，I_m为所述列子阵对应的子阵权；

θ₀分别为杂波单元相对于基准面子阵的俯仰角和方位角。

6.根据权利要求1所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤四所述内容的具体过程为：

步骤四一、由所述杂波的各维多普勒频率，获得各维傅立叶导向矢量，进而获得空时三维傅立叶导向矢量S_3D；

步骤四二、由步骤三获得的所述均匀空间立体阵列流形的杂波模型，计算获得杂波空时二维协方差矩阵R；

步骤四三、根据全空时自适应处理方法要求的信杂噪比最大准则，获得全空时自适应滤波器的最佳权矢量W_opt；

步骤四四、根据所述空时三维傅立叶导向矢量S_3D、杂波空时二维协方差矩阵R以及全空时自适应滤波器的最佳权矢量W_opt，构建全空时自适应滤波器，进而对SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制。

7.根据权利要求1所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于步骤四中所述的SAR实际接收的空时采样信号表示为：

G_m=[t(1,1,1)...t(N,1,1)...t(1,L,1)...t(N,L,1)...t(1,1,K)...t(n,l,k)...t(N,L,K)]^T，其中m＝1，2，…，M；G_m表示第m个平面子阵列的空时采样数据；

其中，n＝1，2，…，N；l＝1，2，…，L；k＝1，2，…，K；t(n,l,k)表示位于第m个平面子阵列的（X=n，Z=l）处的阵元的第k个脉冲的采样数据，且t_b(n,l,k)则表示位于第m个平面子阵列的（X=n，Z=l)处的阵元的第k个脉冲对第b个等距离杂波环的采样数据；N为每个平行于Y-Z坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数，L为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的行子阵的个数，K为时域采样数，且所述行子阵平行于X轴，所述列子阵平行于Y轴。

8.根据权利要求6所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于在步骤四一中，所述各维多普勒频率，包括时间多普勒频率f_d、空间方位向普勒频率f_a和空间俯仰向多普勒频率f_e，且所述空间方位向即X向，所述空间俯仰向即Z向；

所述各维傅立叶导向矢量，包括空域方位向傅立叶导向矢量p、时域傅立叶导向矢量q和空域俯仰向傅立叶导向矢量Fe，且所述空域方位向傅立叶导向矢量p的表达式为：

p=[1，exp(i2πf_a)，exp(i4πf_a)，…，exp(i2π(N-1)f_a)]^T；

所述时域傅立叶导向矢量q的表达式为：

q=[1，exp(i2πf_d)，exp(i4πf_d)，…，exp(i2π(K-1)f_d)]^T；

所述空域俯仰向傅立叶导向矢量Fe的表达式为：

Fe=[1，exp(i2πf_e，exp(i4πf_e，…，exp(i2π(M-1)f_e)]^T；

所述空时三维傅立叶导向矢量S_3D的表达式为：

$S\_3D=S\⊗\mathrm{Fe},$

其中，N为每个平行于Y-Z坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数；K为时域采样数；M为每个平行于X-Y坐标面的平面子阵列中的列子阵的个数；S_3D为NKM×1维，S是空时二维傅立叶导向矢量，且S等于p和q的Kronecker积，即

S为NK×1维。

9.根据权利要求6所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于在步骤四三中，所述全空时自适应滤波器的最佳权矢量W_opt=μR^-1S_3D，其中，μ=1/(S_3D^HR^-1S_3D)为非零的归一化复常数。

10.根据权利要求6所述的基于非均匀空间立体阵列分布式SAR的杂波抑制方法，其特征在于在步骤四四中，所述全空时自适应滤波器对所述SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制时利用的公式为：

$\tilde{G}={W_{\mathrm{opt}}}^{H}G,$

其中，G为SAR实际接收的空时采样信号，

为所述全空时自适应滤波器对所述SAR实际接收的空时采样信号进行杂波抑制后的输出信号。

Images