CN102445684B - 基于修正stap的机载雷达高速空中机动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法。其是先对回波数据进行杂波抑制，再利用keystone变换校正目标距离走动，再利用修正STAP估计出目标加速度，接着根据加速度对多普勒走动项进行补偿，最后进行空时二维波束形成实现目标能量积累。本发明方法不仅能够避免直接利用keystone变换校正存在多普勒模糊的高速目标距离走动时影响杂波分布特性，进而降低STAP性能的问题，而且利用修正STAP能较为精确地估计出目标加速度，因此有利于目标多普勒走动补偿，从而实现目标能量的有效积累。另外，本方法具有步骤简单，检测结果准确，适合目标存在严重距离走动、多普勒模糊及多普勒走动时的动目标检测等优点。

Description

基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，特别是涉及一种基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法。

背景技术

在航空技术领域中，目前检测高速空中机动(仅考虑存在径向加速度的情况)目标面临的主要难题有：a.机载雷达下视工作时微弱目标信号往往淹没于因平台运动使多普勒谱展宽了的强地杂波中，因此仅用单个通道接收下来的回波信号(时域采样信号)进行多普勒处理的方法不能抑制与动目标相同多普勒频率的地物杂波。b.目标的高速运动会引起严重的距离走动，这会导致目标积累效果下降。c.目标的径向加速度引起的二次相位项会对回波信号产生时变调制(即产生多普勒走动)，此时如果仍采用传统的相参积累方法处理线性调频信号(linear frequency modulated，LFM)必然也会导致积累效果严重下降。

相位中心偏置天线(displaced phase center antenna，DPCA)技术是一种对同时利用多个通道接收的空时采样信号进行处理的方法，然而其容易受通道误差等各种非理想因素的影响。Brennan等人提出了用空时二维采样信号进行自适应处理的方法(即STAP技术)，其核心思想是利用杂波的空时耦合特性自适应地调节二维滤波器的响应滤除杂波，并保证对目标有足够的增益，其在一定程度上补偿了误差所造成的影响，从而大大改善了杂波抑制效果。

但是，传统的STAP方法都是假设在相干处理时间(coherent processinginterval，CPI)内目标处于固定的距离单元(即不发生距离走动)。因此，必须设法对目标距离走动进行校正以提高动目标检测性能。Keystone变换可以在目标运动速度未知的情况下统一校正多个目标的线性距离走动，因此被广泛应用于雷达地面动目标成像以及微弱目标检测领域。

中国专利第201110123779.2号中公开的将keystone变换与STAP相结合来检测高速微弱空中动目标的方法可以取得良好的性能。但是，该方法仅仅针对的是匀速运动的高速目标，当目标作机动飞行时，径向加速度引起的二次相位项会对回波信号产生时变调制，此时该方法的检测性能将大大下降。中国专利第201110126353.2号中提到将keystone变换、Wigner-Hough变换和STAP进行巧妙地结合，提出了一种用于机载相控阵雷达实现高速空中机动目标检测的新方法，其主要思想是先对回波数据进行杂波抑制，再利用keystone变换校正目标距离走动，然后利用Wigner-Hough变换估计出目标的加速度，接着根据所估计出的加速度对由加速度所引起的多普勒走动项进行补偿，最后进行目标积累检测。但是，该方法是采用Wigner-hough变换估计目标的加速度，在相干处理脉冲数目较少时，Wigner-hough变换估计目标加速度存在较大误差，从而导致多普勒走动项补偿效果不理想。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种方法简单，检测结果准确，适合目标存在严重距离走动、多普勒模糊及多普勒走动时的动目标检测等特点的基于STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据阵列天线接收的参考单元的数据估计出待测单元的杂波协方差矩阵；

2)将上述杂波协方差矩阵的逆矩阵代替投影矩阵乘以接收数据，以实现杂波抑制；

3)将上述杂波抑制后的数据进行keystone变换，以校正目标距离走动；

4)利用将上述经过目标距离走动校正后的数据进行修正的匹配滤波来估计目标径向加速度；

5)根据步骤4)估计出的目标加速度对步骤3)处理后的数据进行多普勒走动项补偿；

6)将上述多普勒走动项补偿后的数据进行空时二维波束形成，以实现目标能量积累。

所述的步骤1)中参考单元的数据与待测单元的杂波数据满足独立同分布条件。

所述的步骤4)中目标加速度的估计是利用修正STAP实现的。

本发明提供的基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法是先对回波数据进行杂波抑制，再利用keystone变换校正目标距离走动，然后利用修正STAP估计出目标加速度，接着根据所估计出的加速度对多普勒走动项进行补偿，最后进行常规空时二维波束形成实现目标能量积累。与现有技术相比，本方法不仅能够避免直接利用keystone变换校正存在多普勒模糊的高速目标距离走动时影响杂波分布特性，进而降低STAP性能的问题，而且利用修正STAP能较为精确地估计出目标加速度，因此有利于目标多普勒走动补偿，从而实现目标能量的有效积累。另外，本方法具有步骤简单，检测结果准确，适合目标存在严重距离走动、多普勒模糊及多普勒走动时的动目标检测等优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法流程图。

图2a为总回波功率谱。

图2b为杂波抑制后的功率谱。

图2c为杂波抑制和keystone变换后的功率谱。

图2d为多普勒走动项补偿后的功率谱。

图2e为图2b，2c和2d沿多普勒方向切面的比较。

图3为目标能量积累效果比较。

图4为不同处理方法改善因子比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法进行详细说明。

本发明提供的基于修正STAP的机载预警雷达高速空中机动目标检测方法是基于STAP的目标检测方法，通过将keystone变换和修正STAP进行巧妙的结合来实现目标存在严重距离走动、多普勒模糊及多普勒走动情况下的动目标检测，如图1所示，该方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据阵列天线接收的与待测单元的杂波数据满足独立同分布的参考单元的数据估计出待测单元的杂波协方差矩阵；

考虑机载平台上沿航线方向放置的N元均匀线阵，阵元间距为d＝0.5λ，λ为工作波长，一个相干处理时间内发射K个脉冲，x_nk为第n个阵元在第k个脉冲上对应的复采样值，则每一距离门上的接收数据可以写作一个N×K的矩阵，假设在每个脉冲重复间隔内沿距离向的采样点数为L，则一个CPI的接收数据形成了一个N×K×L的三维数据块X。将该数据矩阵X按列排成一个NK×1的列向量，可记为x＝vec(X)，就形成了一个空时快拍数据。假定单个距离门内最多存在一个目标，待检测单元的空时快拍(即一次数据)可写成：

x_pri＝x_s+x_c+x_n                        (1)

式(1)中x_s、x_c和x_n分别表示目标、杂波和噪声成分。总的回波数据的功率谱如图2a所示，由于杂波很强，目标能量很微弱，完全淹没在杂波和噪声中。参考单元的空时快拍(即二次数据)可写成：

x_sec＝x_c+x_n                           (2)

R为干扰(杂波+噪声)协方差矩阵。实际情况中，R通常未知，需要根据参考单元数据进行估计，估计得到的协方差矩阵记为

$\hat{R}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\sec }\left(i\right)x_{\sec }^H\left(i\right)---\left(3\right)$

式(3)中x_sec(i)为二次数据向量，表示与被检测距离单元邻近的第i个参考单元内的数据，且i＝1，2，…，N_sec。这些邻近参考单元的选择必须满足独立同分布的条件。同时，为了将由估计协方差矩阵所产生的误差导致的性能损失限制在3dB内，要求参考单元数目N_sec取2-3倍的系统自由度。

2)将上述杂波协方差矩阵的逆矩阵代替投影矩阵乘以接收数据，以实现杂波抑制；利用杂波协方差矩阵的逆矩阵代替投影矩阵的目的是便于计算，同时也避免了投影矩阵求解过程中阶数的选取问题。另外，此步骤在下面的目标距离走动校正之前进行，这样做主要是因为高速目标存在着严重的速度模糊，keystone变换校正目标距离走动时会影响杂波分布特性，进而降低STAP性能。

对干扰协方差矩阵R进行特征分解：

$R=\underset{l=1}{\overset{\mathrm{NK}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_l{u}_l{u}_l^H=\underset{l=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_l{u}_l{u}_l^H+{\mathrm{\σ}}^2\underset{l=Q+1}{\overset{\mathrm{NK}}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l{u}_l^H---\left(4\right)$

式(4)中λ_l(l＝1，2，…，Q)代表杂波特征值，σ²代表其余的NK-Q个噪声特征值，(·)^H表示共轭转置运算。与杂波特征值对应的特征向量u_l(l＝1，2，…，Q)张成杂波子空间U_c＝span{u₁，…，u_Q}，杂波子空间的正交补空间的投影矩阵为：

$P_c^{\⊥}=I-U_c{U}_c^H---\left(5\right)$

不难证明，

且当λ_l＞＞σ²(l＝1，2，…，Q)时，

本发明利用R^-1近似代替对回波数据进行杂波抑制，运算简单，并且也回避了投影矩阵求解过程中阶数(Q)的选取问题。考虑参考单元的数据满足独立同分布条件，R可用参考单元的数据按照式(3)估计得到。杂波抑制后的数据记为x_proj：

$x_{\mathrm{proj}}={\hat{R}}^{-1}\·x_{\mathrm{pri}}---\left(6\right)$

杂波抑制后的功率谱如图2b所示，可以看出杂波得到了有效的抑制，但是由于目标距离走动和多普勒走动的影响，使得目标能量仍然很微弱。

3)将上述杂波抑制后的数据进行keystone变换，以校正目标距离走动；本步骤能够在不需要目标运动的先验信息的情况下很好地实现目标距离走动校正。

令t_k表示慢时间，表示快时间，p(·)为回波包络，f_c为载波频率，A_s为点目标回波的幅度。假设目标在CPI内做匀加速直线运动，目标与雷达之间的瞬时距离

R_s0为0时刻目标与雷达之间的距离，V_s为目标运动速度，a_s为目标运动的加速度。则运动点目标的基带回波信号为：

$s_s(\hat{t},t_k)=A_{s}p(\hat{t}-2\left(\frac{R_{s0}+V_s{t}_k+\frac{1}{2}{a}_s{t}_k^2}{c}\right))e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{c}2\left(\frac{R_{s0}+V_s{t}_k+\frac{1}{2}{a}_s{t}_k^2}{c}\right)}---\left(7\right)$

从式(7)可以看出，对于不同的发射脉冲，目标回波信号峰值位置不同，即产生了距离徙动(包括一阶线性距离走动和二阶距离弯曲)。另外，目标的多普勒频率记为f_sd，可由下式给出：

$f_{\mathrm{sd}}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{d{R}_s\left(t_k\right)}{d{t}_k}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}(V_s+a_s{t}_k)---\left(8\right)$

为了实现目标距离走动校正，首先将式(7)从快时间域变换到距离频率域，得：

$S_s(f,t_k)=A_{s}P\left(f\right)e^{-\frac{4\mathrm{\π}(f+f_c)}{c}{R}_{s0}-\frac{4\mathrm{\π}(f+f_c)}{c}{V}_s{t}_k-\frac{4\mathrm{\π}(f+f_c)}{c}\frac{a_s{t}_k^2}{2}}---\left(9\right)$

式(9)P(f)为

的傅里叶变换。上式的指数相位中第一项为常数项，它不影响后面的处理，第二项为距离走动项和多普勒偏移项，第三项为距离弯曲项和多普勒走动项。当第三项中的距离弯曲项可以忽略时，式(9)可以写成：

$S_s(f,t_k)=A_{s}P\left(f\right)e^{-\frac{4\mathrm{\π}(f+f_c)}{c}{R}_{s0}-\frac{4\mathrm{\π}(f+f_c)}{c}{V}_s{t}_k-\frac{4\mathrm{\π}{f}_c}{c}\frac{a_s{t}_k^2}{2}}---\left(10\right)$

对于存在多普勒模糊的高速目标，keystone变换与多普勒频率的模糊程度有关，目标的多普勒频率用f_d表示，则f_d与模糊后的多普勒频率f_d0有如下关系：

f_d＝f_d0+Ff_r                    (11)

其中F为模糊数。定义一个虚拟时间η_k，令(f_c+f)t_k＝f_cη_k，目标存在多普勒模糊情况下的keystone变换公式如下：

$S_s^{\′\′}(f,{\mathrm{\η}}_k)=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{f_c}{f+f_c}\mathrm{kF}}{S}_s^{\′}(f,{\mathrm{\η}}_k)$ (12)

$=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{f_c}{f+f_c}\mathrm{kF}}{S}_s(f,\frac{f_c}{f_c+f}{\mathrm{\η}}_k)$

从式(12)可以看出，当动目标多普勒模糊数F取不同值时，意味着keystone变换有不同的修正项

将式(12)变换回快时间域可得：

$s_s^{\′\′}(\hat{t},{\mathrm{\η}}_k)={\tilde{A}}_s\·p(\hat{t}-\frac{2R_{s0}}{c})\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_c{V}_s{\mathrm{\η}}_k}\·e^{-\mathrm{j\π}{f}_c{a}_s{\mathrm{\η}}_k^2}---\left(13\right)$

从式(13)可以看出，对于不同发射脉冲，目标回波信号峰值的位置始终是2R_s0/c，其只与初始时刻目标的位置有关，也就是说keystone变换把原本位于不同距离单元的回波校正到同一距离单元，补偿了距离走动，此时式(13)中目标信号变成LMF信号，目标距离走动校正后的功率谱如图2c所示，可以看出，由于目标多普勒走动的影响，距离走动校正后目标能量并未有显著提高。将keystone变换后的一次数据记为上标K表示keystone变换。

4)利用将上述经过目标距离走动校正后的数据进行修正的匹配滤波来估计目标径向加速度；

修正匹配滤波器的权矢量

定义为：

式(14)中a(v₀，γ)为修正的时域导向矢量：

式(15)中a(v₀)为初速度对应的时域导向矢量部分，a(γ)为加速度对应的时域导向矢量部分：

$a\left(\mathrm{\γ}\right){=\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{-j\frac{4\mathrm{\π\γT}}{\mathrm{\λ}{f}_r}}& e^{-j{2}^2\frac{4\mathrm{\π\γT}}{\mathrm{\λ}{f}_r}}& ...& e^{-j{(K-1)}^2\frac{4\mathrm{\π\γT}}{\mathrm{\λ}{f}_r}}\end{array}\right]}^T---\left(16\right)$

则修正的匹配滤波器输出为：

5)根据步骤4)估计出的目标加速度对步骤3)处理后的数据进行多普勒走动项补偿；

补偿后的功率谱如图2d所示，可以看出，目标能量得到显著提高，多普勒分辨率也明显提高。

图2e是沿多普勒方向分别取图2b，2c，2d的一个切面进行的对比，从中可以更加明显地看出，经过目标距离走动校正后，目标能量并未提高，但是目标信号形式发生了变化，即变成了一个线性调频信号的形式；经过多普勒走动项补偿后，目标能量显著增加，多普勒分辨率也大大提高。

6)将上述多普勒走动项补偿后的数据进行空时二维波束形成，以实现目标能量积累。

图3比较了不同处理方法目标能量积累效果。其中两个目标1，2的速度分别为854m/s和910m/s，对应的多普勒频率(有模糊的归一化多普勒频率)分别为0.1和0.5。“直接最优处理”是直接经最优处理器处理的目标能量积累效果；“KF+OAP”指先进行keystone变换校正目标距离走动，再进行杂波抑制，最后利用修正STAP估计目标加速度并对其进行补偿；“新方法”是经本发明方法处理后的目标能量积累效果。可以看出“直接最优处理”不能积累任何一个目标，这正是目标距离走动所导致的结果；“KF+OAP”可以有效积累目标2，但不能积累目标1，这是由于目标存在多普勒模糊时，keystone变换校正目标距离走动的同时导致杂波脊展宽和杂波抑制性能下降，且目标1处于展宽后的杂波脊上，因此不能被检测到；然而“新方法”对两个目标均能够有效积累。

图4比较了不同处理方法的检测性能，图中横轴表示目标速度，纵轴表示改善因子。图4只给出了目标速度取正值的结果，当目标速度取负值时的结果与正值部分关于V_s＝0对称。“理想情况”指目标无距离走动的理想情况下STAP最优处理器处理的结果，它可以作为最佳性能的上界；其余各曲线所代表的含义同图3。可以看出，在目标存在距离走动和多普勒走动的情况下，若不考虑这些因素的影响将会导致严重的性能损失，如“直接最优处理”；由于目标存在多普勒模糊时，杂波和目标模糊数不同，此时直接利用keystone变换校正目标距离走动会导致杂波脊展宽，这会降低主瓣杂波附近目标检测性能，并且随着目标多普勒模糊数的增大，keystone变换导致杂波脊展宽更明显，因此“KF+OAP”在主瓣杂波附近出现严重的性能损失的区域也逐渐扩大；而“新方法”在整个区间内都能获得较好的性能。

Claims (3)

1.一种基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法，其特征在于：所述的检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据阵列天线接收的参考单元的数据估计出待测单元的杂波协方差矩阵；

2)将上述杂波协方差矩阵的逆矩阵代替投影矩阵乘以接收数据，以实现杂波抑制；

3)将上述杂波抑制后的数据进行keystone变换，以校正目标距离走动；

4)利用将上述经过目标距离走动校正后的数据进行修正的匹配滤波来估计目标径向加速度；

5)根据步骤4)估计出的目标加速度对步骤3)处理后的数据进行多普勒走动项补偿；

6)将上述多普勒走动项补偿后的数据进行空时二维波束形成，以实现目标能量积累。

2.根据权利要求1所述的基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法，其特征在于：所述的步骤1)中参考单元的数据与待测单元的杂波数据满足独立同分布条件。

3.根据权利要求1所述的基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法，其特征在于：所述的步骤4)中目标加速度的估计是利用修正STAP实现的。

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