CN103383448B - 适用于hprf波形机载雷达的杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，其实现过程是：用第n列阵元高度线以上远距离回波数据估计出远程主瓣杂波Q，用Q设计矩阵滤波器P以提取近程杂波；用P提取第n列阵元第l号距离单元数据x_ln中的近程杂波，估计近程杂波协方差矩阵采用对角加载采样协方差求逆方法计算俯仰滤波器w_e；用w_e抑制x_ln中的近程杂波，所有数据处理后，得到不含近程杂波的数据Y；从脉冲域变换到多普勒域；从中取出数据并估计出杂波抑制滤波器w_k；用该滤波器抑制远程杂波，处理完所有多普勒通道数据，输出待检测数据，用于后续雷达监测处理。本发明解决了在有阵列误差情况下杂波抑制的难题，能较好地抑制近程杂波，且易于工程化实现，可显著改善机载雷达的目标检测性能。

Description

适用于HPRF波形机载雷达的杂波抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及到机载雷达的杂波抑制，具体是一种适用于高脉冲重复频率(HPRF)波形机载雷达的杂波抑制方法，用于HPRF波形的平面阵列雷达的杂波抑制。

背景技术

空时自适应处理(STAP)技术可以在复杂地面杂波环境中有效检测目标，根据RMB准则可知，当满足独立同分布条件的训练样本个数为系统自由度的2倍时，STAP技术能够取得较好的性能。但对非正面阵机载雷达来说，由于机载的飞行方向与雷达天线阵面的轴线不一致，导致杂波在角度多普勒空间内不再呈直线分布，并且随着距离的变化而变化，此时空时自适应处理器的杂波抑制能力急剧下降，这将直接影响雷达的探测性能。

为了克服天线非正侧面配置导致的杂波距离依赖性，人们开展了大量的研究。在已知雷达系统配置参数的情况下，可以采用补偿类算法来补偿阵面配置引起的杂波距离依赖性，包括多普勒频移算法和角度多普勒补偿算法，多普勒频移算法是根据雷达系统参数计算出待检测单元及各参考单元的主杂波多普勒频率，然后沿时域方向为各参考单元平移一个复相位因子，使补偿后的各参考单元杂波谱的多普勒频率中心与待检测单元的多普勒频率中心相同；角度多普勒补偿算法是沿着空域和时域二维平移，将参考单元杂波谱中心沿角度-多普勒方向移动到待检测单元杂波谱中心的位置，从而使得各参考单元主杂波的角度-多普勒中心与待检单元的角度-多普勒中心重合，但是这些补偿类算法只适用于无距离模糊的情况，也就是理想状况，但是在现实情况中机载雷达尤其是非正侧机载雷达，并不会总处于这种理想状况，非理想状况会给雷达的实际检测带来误差。

2009年，孟祥东在西电学报上提出了静态权值俯仰滤波级联二维空时处理的方法，在没有误差的情况下，该方法能够有效抑制非正侧阵雷达杂波，同时充分利用了平面阵的有效信息；然而，在有误差的情况下，该方法的杂波抑制性能并不理想。在实际情况中，机载雷达绝大多数处于有误差的情况，因此静态权值俯仰滤波级联二维空时处理的方法并不是很适用，特别是不能有效的抑制近程杂波，尤其是非正侧机载雷达配置会引起严重的杂波非均匀性，导致由这些非均匀样本估计出来的自适应滤波器与待检测单元中的杂波不匹配，使得杂波抑制性能下降，导致雷达系统的目标探测性能急剧下降，因此对于非正侧面阵配置雷达来说，急需一种可以有效抑制杂波的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种在存在阵列误差的情况下充分利用俯仰维信息有效抑制近程杂波的适用于HPRF波形机载雷达的杂波抑制方法，该方法能够改善非正侧机载雷达的杂波抑制性能。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案是针对非正侧机载雷达杂波的抑制，本发明对杂波的抑制包括如下步骤：

(1)雷达通过天线接收回波数据，从雷达原始回波数据X_n中取出第n列阵元高度线以上的远距离回波数据作为样本，估计出远程主瓣杂波q，并利用该远程主瓣杂波q设计出矩阵滤波器P以提取近程杂波，该矩阵滤波器P是抑制了远程主瓣杂波的矩阵滤波器。

(2)利用矩阵滤波器P以及填充脉冲提取出雷达原始回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元数据中的近程杂波，然后利用最大似然法估计雷达原始回波数据X_n中近程杂波的协方差矩阵并采用对角加载采样协方差求逆方法计算抑制雷达原始回波数据X_n中近程杂波的俯仰滤波器w_e。

(3)利用俯仰滤波器w_e抑制雷达原始回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元回波数据x_ln中的近程杂波，得到第n列阵元俯仰波束形成后的数据：其中，[·]^H表示共轭转置运算，y_ln是原始回波数据经过阵元俯仰波束形成后对近程杂波进行抑制的回波数据。

(4)重复步骤(1)～(3)，对N列阵元中的各个列阵元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对列阵数n取1到N的各个值，直至第l号距离单元所有列阵元的回波数据都处理完毕，得到第l号距离单元俯仰滤波后的线阵数据y_l，其中N表示雷达阵面总列数，此时已完成第l号距离单元中各个列阵元的数据处理，也就是说完成了第l号距离单元中数据中的近程杂波抑制。

(5)重复步骤(1)～(4)，对M号距离单元的各个距离单元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对距离单元数l取1到M的各个值，直至将所有包含近程杂波的距离单元数据都处理完毕，此时得到平稳且不含近程杂波的线阵数据Y，其中M表示距离单元总数。

(6)对不含近程杂波的线阵数据Y的方位向做加权快速傅里叶变换处理，以便于对线阵数据中的远程杂波进行抑制，即为了降低副瓣，在傅里叶变换的基础上增加一个70dB的切比雪夫窗，将线阵数据Y由脉冲域变换到多普勒域，多普勒域数据为

(7)从多普勒域数据中取出第k个多普勒通道及其左右各一个多普勒通道的数据，并组成线阵数据块然后估计出与第k个多普勒通道杂波相对应的杂波协方差矩阵再采用Capon法自适应设计第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器w_k。

(8)利用第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器w_k抑制线阵数据块中的远程杂波，得到第k个多普勒通道的待检测数据：

(9)重复步骤(7)～(8)，对多普勒通道数k取1到K的各个值，直至将所有多普勒通道处理完毕，最终得到杂波抑制后的待检测数据z，K表示多普勒通道总数。此时，近程杂波和远程杂波均得到了有效抑制，待检测数据z中的信号分量主要是目标和噪声，然后就可以采用其它的检测器，如单元平均恒虚警或CA-CFAR，检测待检测数据z中所包含的目标，提高了雷达系统的目标检测能力。

待检测数据z是近程杂波和远程杂波均得到抑制的数据，非正侧机载雷达原始回波数据中的杂波得到了有效的抑制，本发明解决了非理想状况下非均匀性杂波的抑制问题，提高了后续数据处理的可靠性。此数据为数据后续处理提供了方便。

本发明是在天线平面阵俯仰自由度信息的基础上，利用高度线以上距离单元中的远程杂波提取出雷达回波中所包含的近程杂波，在此过程中利用第一个填充脉冲进行有源阵列校正处理，然后利用提取出来的近程杂波计算出俯仰滤波器的权值以对消有效脉冲回波中的近程杂波，使得雷达回波数据中的近程杂波得到有效抑制，最后再对经俯仰滤波处理后的数据进行方位空时二维自适应处理，提高了数据后续处理的可靠性。

本发明的实现还在于：步骤(1)所述的设计抑制远程主瓣杂波的矩阵滤波器P的方法，按如下步骤进行：

(1a)根据雷达系统参数及惯导数据计算高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝floor(H/ΔR)，其中，H表示由惯导数据获取的载机飞行高度，ΔR表示由雷达系统设定的距离分辨率，floor(·)表示向下取整运算；

(1b)计算用于提取远程主瓣杂波的滤波器。欲使提取出的近程杂波中不包含目标信号和远程主瓣杂波，则要求计算矩阵滤波器P的样本完全来自于远程主瓣杂波和目标信号即可。又因为远程主瓣杂波与目标的来波方向相同，所以只使用远程主瓣杂波作为样本即可计算出所需要的矩阵滤波器P。根据雷达系统参数及惯导数据计算出远程主瓣杂波的多普勒频率f_d，main，则用于提取远程主瓣杂波的滤波器为 $w_{\mathrm{main}}={[1e^{i2\mathrm{\π}{f}_{d,\mathrm{main}}}...e^{i2\mathrm{\π}{f}_{d,\mathrm{main}}(P-1)}]}^T,$ 其中P表示相参脉冲个数，(·)^T表示转置运算。

(1c)取出第l个距离单元第n列阵元的雷达回波数据，并将其排成M×P维的数据块x_ln，得到第l个距离单元中的远程主瓣杂波其中，(·)^H表示共轭转置运算。

(1d)重复步骤(1c)直至得到全部前L_H个距离单元的远程主瓣杂波，并将其按照顺序排成数据块 $Q=[x_{1n,f}{x}_{2n,f}...x_{L_{H}n,f}].$

(1e)采用正交投影方法设计出用以抑制远程主瓣杂波的矩阵滤波器P

P＝I_M-Q(Q^HQ)^-1Q^H

式中，I_M表示M×M维的单位阵。

这是本发明实现的关键步骤之一，此步骤关键在于远程主瓣杂波的计算。因为远程主瓣杂波的来波方向和雷达接收波束方向一致，而且在高度线以上没有近程杂波，所以可以利用惯导数据设计正交投影滤波器提取高度线以上的远程主瓣杂波。

本发明的实现还在于：步骤(2)所述的计算俯仰滤波器w_e的过程包括如下步骤：

(2a)取出第l个距离单元第n列阵元的第1个填充脉冲数据x_fill，n作为近程杂波导向矢量，并采用斜投影方法自适应构造用于提取近程杂波的斜投影滤波器使用第1个填充脉冲数据是因为只有第1个填充脉冲能够精确反映影响近程杂波导向矢量的各种非理想因素，如系统误差等，将填充脉冲代入斜投影滤波器中可以有效克服系统误差对近程杂波导向矢量的影响。

(2b)利用斜投影滤波器提取第l个距离单元第n列回波数据x_ln中的近程杂波使用斜投影滤波器的好处在于它可以在有效抑制远程主瓣杂波的同时实现提取出来的近程杂波与雷达原始回波数据中的近程杂波相同，有利于后面的近程杂波抑制处理。

(2c)利用最大似然方法估计第l个距离单元第n列杂波的俯仰协方差矩阵 ${\hat{R}}_e=\frac{1}{P}{\hat{X}}_{\ln }{{\hat{X}}_{\ln }}^H;$

(2d)采用对角加载采样协方差求逆方法，计算出第l个距离单元第n列数据的俯仰滤波器其中，s_t表示目标导向矢量，σ²表示对角加载系数，一般取高于噪声功率10dB左右即可。

这是本发明实现的关键步骤之一，此步骤关键在于保持提取前后近程杂波不变。因为斜投影滤波器可以在抑制干扰信号的同时保持约束方向信号不变，而且雷达第一个填零脉冲中仅含近程杂波，所以本发明利用第一个填零脉冲作为约束方向来设计合适的斜投影滤波器以有效提取近程杂波。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.常规空时处理技术首先对平面阵天线进行俯仰向微波合成处理，将面阵数据降维成线阵数据，没有充分利用平面阵列天线的俯仰自由度信息，使得常规STAP处理技术无法有效抑制近程杂波；本发明充分利用了平面阵列天线的俯仰自由度信息，沿着俯仰维进行自适应处理，显著改善机载平面阵列雷达的杂波抑制性能。

2.本发明提出的方法，在掌握HPRF波形机载雷达特点的基础上，采用自适应滤波的方式从雷达回波数据中提取出近程杂波，同时又利用填充脉冲对阵列误差进行有效的校正处理，使得本发明提出的方法可以在存在阵列误差的情况下有效抑制近程杂波，突破了传统方法在有阵列误差情况下杂波抑制性能大幅下降的瓶颈。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明与常规处理方法应用于前视阵雷达的输出功率图；

图3是本发明与常规处理方法应用于前视阵雷达的俯仰滤波方向图；

图4是本发明与常规处理方法应用于前视阵雷达的改善因子曲线比较图；

图5是本发明与常规处理方法应用于斜侧阵雷达的输出功率图；

图6是本发明与常规处理方法应用于斜侧阵雷达的俯仰滤波方向图；

图7是本发明与常规处理方法应用于斜侧阵雷达的改善因子曲线比较图；

图8是本发明与常规处理方法应用于后视阵雷达的输出功率图；

图9是本发明与常规处理方法应用于后视阵雷达的俯仰滤波方向图；

图10是本发明与常规处理方法应用于后视阵雷达的改善因子曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明详细说明如下：

实施例1

本发明是一种适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，HPRF波形机载雷达是一种利用较高的脉冲重复频率获得较大的多普勒空间区域的雷达，因此可以用于探测运动速度比较快的空中目标，但是此种雷达的无模糊距离较近，而雷达的视距较远，因此一般存在多次距离模糊，尤其是在非正侧面阵机载雷达的条件下，近距离杂波和远距离杂波重叠在一起，杂波难以抑制，导致目标难以被分辨出，抑制雷达回波中的杂波是HPRF波形雷达成功探测目标的重要前提，因此是一个必须解决的问题。本发明是针对非正侧面阵机载雷达杂波的抑制，非正侧面阵机载雷达主要包括前视阵、后视阵以及侧视阵雷达等。参见图1，本发明的实施过程包括如下步骤：

(1)雷达通过天线接收回波数据，从雷达原始回波数据X_n中取出第n列阵元高度线以上的远距离回波数据作为样本，估计出远程主瓣杂波q，并利用该远程主瓣杂波q设计出矩阵滤波器P以提取近程杂波，从而有效提取出近程杂波，或者说该矩阵滤波器P是抑制了远程主瓣杂波的矩阵滤波器。抑制远程主瓣杂波的矩阵滤波器P的设计，包括如下步骤：

(1a)根据雷达系统参数及惯导数据计算高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝floor(H/ΔR)，其中，H表示由惯导数据获取的载机飞行高度，ΔR表示由雷达系统设定的距离分辨率，floor(·)表示向下取整运算；

(1b)计算用于提取远程主瓣杂波的滤波器。欲使提取出的近程杂波中不包含目标信号和远程主瓣杂波，则要求计算矩阵滤波器P的样本完全来自于远程主瓣杂波和目标信号即可。又因为远程主瓣杂波与目标的来波方向相同，所以只使用远程主瓣杂波作为样本即可计算出所需要的矩阵滤波器P。根据雷达系统参数及惯导数据计算出远程主瓣杂波的多普勒频率f_d，main，则用于提取远程主瓣杂波的滤波器为 $w_{\mathrm{main}}={[1e^{i2\mathrm{\π}{f}_{d,\mathrm{main}}}...e^{i2\mathrm{\π}{f}_{d,\mathrm{main}}(P-1)}]}^T,$ 其中P表示相参脉冲个数，(·)^T表示转置运算；

(1c)取出第l个距离单元第n列阵元的雷达回波数据，并将其排成M×P维的数据块x_ln，得到第l个距离单元中的远程主瓣杂波其中，(·)^H表示共轭转置运算；

(1d)重复步骤(1c)直至得到全部前L_H个距离单元的远程主瓣杂波，并将其按照顺序排成数据块 $Q=[x_{1n,f}{x}_{2n,f}...x_{L_{H}n,f}];$

(1e)采用正交投影方法设计出用以抑制远程主瓣杂波的矩阵滤波器P

P＝I_M-Q(Q^HQ)^-1Q^H

式中，I_M表示M×M维的单位阵。

在雷达原始回波数据中，由于远程杂波样本的统计特性具有相似性，可以认为每个样本中包含的远程杂波是相同的，而每个样本中包含的近程杂波的统计特性变化很快，是不同的，根据这一特点本发明利用仅含远程杂波的样本设计出投影滤波器去抑制同时包含近程、远程杂波样本中所包含的远程杂波，从而提取出所需抑制的近程杂波。

(2)利用矩阵滤波器P以及填充脉冲提取出雷达原始回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元数据中的近程杂波，然后利用最大似然法估计雷达回波数据X_n中近程杂波的协方差矩阵并采用对角加载采样协方差求逆方法计算抑制雷达回波数据X_n中近程杂波的俯仰滤波器w_e。计算俯仰滤波器w_e的过程包括如下步骤：

(2a)取出第l个距离单元第n列阵元的第1个填充脉冲数据x_fill，n作为近程杂波导向矢量，并采用斜投影方法自适应构造用于提取近程杂波的斜投影滤波器使用第1个填充脉冲数据是因为只有第1个填充脉冲能够精确反映影响近程杂波导向矢量的各种非理想因素，如系统误差等，将填充脉冲代入斜投影滤波器中可以有效克服系统误差对近程杂波导向矢量的影响。

(2b)利用斜投影滤波器提取第l个距离单元第n列回波数据x_ln中的近程杂波使用斜投影滤波器的好处在于它可以在有效抑制远程主瓣杂波的同时实现提取出来的近程杂波与雷达原始回波数据中的近程杂波相同，有利于后面的近程杂波抑制处理。斜投影滤波器是由第l个距离单元第n列阵元的第1个填充脉冲数据x_fill，n作为近程杂波导向矢量，并采用斜投影方法自适应构造出用于提取近程杂波的滤波器。

(2c)利用最大似然方法估计第l个距离单元第n列杂波的俯仰协方差矩阵 ${\hat{R}}_e=\frac{1}{P}{\hat{X}}_{\ln }{{\hat{X}}_{\ln }}^H;$

(2d)采用对角加载采样协方差求逆方法，计算出第l个距离单元第n列数据的俯仰滤波器其中，s_t表示目标导向矢量，σ²表示对角加载系数，一般取高于噪声功率10dB左右即可。

在对雷达回波中的填充脉冲进行仔细分析的基础上，同时结合阵列误差对雷达杂波抑制性能的影响机理，本发明提出的方法，提出了利用填充脉冲对阵列误差进行校正处理，使得本发明提出的方法可以在存在阵列误差的情况下有效抑制近程杂波，突破了传统方法在有阵列误差情况下杂波抑制性能大幅下降的瓶颈。

(3)利用俯仰滤波器w_e抑制雷达回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元回波数据x_ln中的近程杂波，得到第n列阵元俯仰波束形成后的数据：其中，[·]^H表示共轭转置运算，y_ln是原始回波数据经过阵元俯仰波束形成后对近程杂波进行抑制的回波数据。

常规空时处理技术首先对平面阵天线进行俯仰向微波合成处理，将面阵数据降维成线阵数据，没有充分利用平面阵列天线的俯仰自由度信息，使得常规STAP处理技术无法有效抑制近程杂波。本发明充分利用了平面阵列天线的俯仰自由度信息，沿着俯仰维进行自适应处理，显著改善机载平面阵列雷达的杂波抑制性能。

(4)重复步骤(1)～(3)，对N列阵元中的各个列阵元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对列阵数n取1到N的各个值，直至第l号距离单元所有列阵元的回波数据都处理完毕，得到第l号距离单元俯仰滤波后的线阵数据y_l，其中N表示雷达阵面总列数，此时已完成第l号距离单元中各个列阵元的数据处理，也就是说完成了第l号距离单元中数据中的近程杂波抑制。

(5)重复步骤(1)～(4)，对M号距离单元的各个距离单元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对距离单元数l取1到M的各个值，直至将所有包含近程杂波的距离单元数据都处理完毕，此时得到平稳且不含近程杂波的线阵数据Y，其中M表示距离单元总数。

(6)对不含近程杂波的线阵数据Y的方位向做加权快速傅里叶变换处理，以便于对线阵数据中的远程杂波进行抑制，即为了降低副瓣，在傅里叶变换的基础上增加一个70dB的切比雪夫窗，将线阵数据Y由脉冲域变换到多普勒域，多普勒域数据为

(7)从多普勒域数据中取出第k个多普勒通道及其左右各一个多普勒通道的数据，并组成线阵数据块然后估计出与第k个多普勒通道杂波相对应的杂波协方差矩阵再采用Capon法自适应设计第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器w_k；

(8)利用第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器w_k抑制线阵数据块中的远程杂波，得到第k个多普勒通道的待检测数据：

(9)重复步骤(7)～(8)，对多普勒通道数k取1到K的各个值，直至将所有多普勒通道处理完毕，最终得到杂波抑制后的待检测数据z，K表示多普勒通道总数。待检测数据z是近程杂波和远程杂波均得到抑制的数据，非正侧机载雷达原始回波数据中的杂波得到了有效的抑制，提高了后续数据处理的可靠性。此数据为数据后续处理提供了方便。

常规空时处理技术首先对平面阵天线进行俯仰向微波合成处理，将面阵数据降维成线阵数据，没有充分利用平面阵列天线的俯仰自由度信息，使得常规STAP处理技术无法有效抑制近程杂波；本发明充分利用了平面阵列天线的俯仰自由度信息，沿着俯仰维进行自适应处理，可以显著改善机载平面阵列雷达的杂波抑制性能。

实施例2

适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法同实施例1，其中步骤(7)中计算俯仰滤波器w_k包括如下步骤：

(7a)取出中第k个多普勒通道及其相邻两个多普勒通道的数据，并将其三个多普勒通道数据依顺序相接成如下形式的线阵数据块其中i＝k-1，k，k+1表示第i个多普勒通道所有阵元所有距离单元的数据，它的维数是N×L，N是方位阵元个数，L是全部距离单元个数，该线阵数据是已经滤除近程杂波的数据，但是其还包含有远程杂波。

(7b)利用最大似然法，估计第k个多普勒通道的空时协方差矩阵 ${\hat{R}}_k={\stackrel{\‾}{y}}_k{\stackrel{\‾}{y}}_k^H/L.$

(7c)在保证目标信号增益不变的前提下，根据线性约束最小准则，自适应俯仰滤波器其中，s_k是表示第k个多普勒通道目标的空时导向矢量。

步骤7中的分多普勒通道处理的主要目的是对杂波进行局域化处理，即将杂波分割在多个区域中，然后分别对每个区域中的杂波进行处理，可以降低杂波抑制的难度，减少所需要消耗的系统自由度，能够显著降低运算量，明显改善机载雷达的远程杂波抑制性能，提高雷达的目标检测性能。

实施例3

适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法同实施例1-2，本发明的优点可通过前视阵机载雷达杂波抑制仿真实验进行说明。

1、实验参数及实验条件

雷达天线采用8行×16列的前视阵平面阵列，雷达发射波长为0.1米，阵元间距为0.05米，在一个相干脉冲重复间隔CPI内发射32个脉冲，脉冲重复频率是6200Hz，系统带宽为2MHz，主波束指向阵面法线方向，杂噪比CNR是45dB；载机高度为4150米，载机飞行速度为130m/s。雷达照射到一个目标，其距雷达的距离为391.86Km(第47距离门)，多普勒频率为1320Hz，由雷达主波束进入接收机。在此仿真中：距离分辨率高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝loor(H/VR)＝floor(4150/75)＝55。

2、实验内容及结果分析

A.从能直接反应杂波抑制效果的剩余功率曲线进行说明。仿真结果如图2所示，其中，横坐标表示距离单元序号，纵坐标表示剩余功率，为了更清晰的反应处理前后杂波的抑制情况，仅示出了前100个距离单元的剩余功率。从图上可以看出经过常规方法处理后，第47个距离单元的目标也被抑制掉了，无法有效检测出来。经本发明方法处理后原来被近程杂波遮挡住的第47个距离单元的目标很容易地被检测到。

B.从第60距离单元的俯仰方向图为例对本发明进行说明。仿真结果如图3所示，纵坐标表示俯仰方向图的增益，横坐标表示杂波相对于雷达接收机的俯仰角。图中黑线表示本发明方法的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“本发明方法”，图中灰线表示常规方法处理的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“常规方法”。从图3可以看出，本发明方法在俯仰角-42°处(近程杂波位置)形成一个较深地凹口，显示能够较好地抑制近程杂波；而常规方法处理则不能在近程杂波处形成凹口，无法有效抑制近程杂波。

C.从改善因子角度对本发明进行说明。改善因子是指处理前后雷达系统对目标检测能力的改善程度，数值越大说明处理方法的改善效果越好。图4同时示出了存在误差和无误差时，其中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示改善因子的大小，单位dB，由图4可以看出，本发明方法在近程杂波区的改善因子比常规处理方法要高35dB左右，说明本发明对近程杂波的抑制能力得到了明显的提高。而且对比图中的曲线还可以发现，本发明方法对误差不敏感，在有无误差的情况下都可以取得较好的杂波抑制性能。

本例针对前侧阵机载雷达，从剩余功率、俯仰方向、改善因子三个不同的方面得到了本发明对杂波的高效抑制。

实施例4

适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法同实施例1-2，本发明的优点还可通过斜侧阵机载雷达杂波抑制仿真实验进行说明。

1、实验参数及实验条件

雷达天线采用8行×16列的斜侧视阵平面阵列。雷达天线轴向与载机飞行方向之间的夹角为-45°，雷达发射波长为0.75米，阵元间距为0.375米，在一个相干脉冲重复间隔CPI内发射32个脉冲，脉冲重复频率是7000Hz，系统带宽为1.5MHz，主波束指向阵面法线方向，杂噪比CNR是45dB；载机高度为3500米，载机飞行速度为200m/s。雷达照射到一个目标，其到雷达距离为391.36Km(第44距离门)，多普勒频率为2371Hz，由雷达主波束进入接收机。在此仿真中：距离分辨率高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝floor(H/ΔR)＝floor(3500/100)＝35。

2、实验内容及结果分析

A.从能直接反应杂波抑制效果的剩余功率曲线进行说明。仿真结果如图5所示，其中，横坐标表示距离单元序号，纵坐标表示剩余功率，为了更清晰的反应处理前后杂波的抑制情况，仅示出了前100个距离单元的剩余功率。从图上可以看出经过常规方法处理后，第44个距离单元的目标也被抑制掉了，无法有效检测出来。经本发明方法处理后原来被近程杂波遮挡住的第44个距离单元的目标很容易地被检测到。

B.从第40距离单元的俯仰方向图为例对本发明进行说明。仿真结果如图6所示，纵坐标表示俯仰方向图的增益，横坐标表示杂波相对于雷达接收机的俯仰角。图中黑线表示本发明方法的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“本发明方法”，图中灰线表示常规方法处理的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“常规方法”。从图6可以看出，本发明方法可以在俯仰角-60°处(近程杂波位置)形成一个较深地凹口，能够较好地抑制近程杂波；而常规方法处理则不能在近程杂波处形成凹口，无法有效抑制近程杂波。

C.从改善因子角度对本发明进行说明。图7同时示出了存在误差和无误差时，常规处理方法和本发明方法的改善因子情况，其中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示改善因子的大小，单位dB，由图7可以看出，本发明方法在近程杂波区的改善因子比常规处理方法要高30dB左右，说明本发明对近程杂波的抑制能力得到了明显的提高。而且对比图中的曲线还可以发现，本发明方法对误差不敏感，在有无误差的情况下都可以取得较好的杂波抑制性能。

本例针对斜侧阵机载雷达，从剩余功率、俯仰方向、改善因子三个不同的方面得到了本发明对杂波的高效抑制。

实施例5

适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法同实施例1-2，本发明的优点可通过后视阵机载雷达杂波抑制仿真实验进行说明。

1、实验参数及实验条件

雷达天线采用10行×12列的后视阵平面阵列。雷达天线轴向与载机飞行方向之间的夹角为90°，雷达发射波长为0.25米，阵元间距为0.125米，在一个相干脉冲重复间隔CPI内发射32个脉冲，脉冲重复频率是3700Hz，系统带宽为1.5MHz，主波束指向阵面法线方向，杂噪比CNR是55dB；载机高度为5200米，载机飞行速度为150m/s。雷达照射到一个目标，其到雷达距离为371Km(第56距离门)，多普勒频率为-96Hz，由雷达主波束进入接收机。在此仿真中：距离分辨率高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝floor(H/ΔR)＝floor(5200/100)＝52。

2、实验内容及结果分析

A.从能直接反应杂波抑制效果的剩余功率曲线进行说明。仿真结果如图8所示，其中，横坐标表示距离单元序号，纵坐标表示剩余功率，为了更清晰的反应处理前后杂波的抑制情况，仅示出了第10至80个距离单元的剩余功率。从图上可以看出经过常规方法处理后，第56个距离单元的目标也被抑制掉了，无法有效检测出来。经本发明方法处理后原来被近程杂波遮挡住的第56个距离单元的目标很容易地被检测到。

B.从第63距离单元的俯仰方向图为例对本发明进行说明。仿真结果如图9所示，纵坐标表示俯仰方向图的增益，横坐标表示杂波相对于雷达接收机的俯仰角。图中黑线表示本发明方法的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“本发明方法”，图中灰线表示常规方法处理的俯仰方向图，为了简便起见在图中标注为“常规方法”。从图9可以看出，本发明方法可以在俯仰角-58°处(近程杂波位置)形成一个较深地凹口，能够较好地抑制近程杂波；而常规方法处理则不能在近程杂波处形成凹口，无法有效抑制近程杂波。

C.从改善因子角度对本发明进行说明。图10同时示出了存在误差和无误差时，常规处理方法和本发明方法的改善因子情况，其中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示改善因子的大小，单位dB，由图10可以看出，本发明方法在近程杂波区的改善因子比常规处理方法要高40dB左右，说明本发明对近程杂波的抑制能力得到了明显的提高。而且对比图中的曲线还可以发现，本发明方法对误差不敏感，在有无误差的情况下都可以取得较好的杂波抑制性能。

本例针对后侧阵机载雷达，从剩余功率、俯仰方向、改善因子三个不同的方面得到了本发明对杂波的高效抑制。

本发明用于机载雷达杂波抑制时，对于采用前视阵、斜侧阵和后视阵等非正侧面阵配置方案的HPRF波形机载雷达均可取得较好的近程杂波抑制效果，能够显著减少杂波剩余功率，改善输出信杂噪比，提高近程杂波处目标的检测概率。

综上所述，本发明的适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，其实现过程简述如下：用第n列阵元高度线以上远距离回波数据估计出远程主瓣杂波Q，用Q设计矩阵滤波器P以提取近程杂波；用P提取第n列阵元第l号距离单元数据x_ln中的近程杂波，估计近程杂波协方差矩阵采用对角加载采样协方差求逆方法计算俯仰滤波器w_e；用w_e抑制x_ln中的近程杂波，所有数据处理后，得到不含近程杂波的数据Y；从脉冲域变换到多普勒域；从中取出数据并估计出杂波抑制滤波器w_k；用该滤波器抑制远程杂波，处理完所有多普勒通道数据，输出待检测数据，用于后续雷达监测处理。本发明能够较好地减小非正侧面阵雷达配置引起的杂波非均匀性，解决了在有阵列误差情况下杂波抑制的难题，有效抑制了近程杂波，易于工程化实现，能够明显提高雷达回波的均匀性，可以显著改善机载雷达的目标检测性能。

Claims (3)

1.一种适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，是针对非正侧机载雷达杂波的抑制，其特征在于：包括有如下步骤：

(1)雷达通过天线接收回波数据，从雷达原始回波数据X_n中取出第n列阵元高度线以上的远距离回波数据作为样本，估计出远程主瓣杂波q，并利用该远程主瓣杂波q设计出矩阵滤波器P以提取近程杂波；矩阵滤波器P的设计，包括如下步骤：

(1a)根据雷达系统参数及惯导数据计算高度线以上远程杂波距离单元个数L_H＝floor(H/ΔR)，其中，H表示由惯导数据获取的载机飞行高度，ΔR表示由雷达系统设定的距离分辨率，floor(·)表示向下取整运算；

(1b)根据雷达系统参数及惯导数据计算远程主瓣杂波的多普勒频率f_d，main，构造出用于提取远程主瓣杂波的滤波器实现该目的，其中P表示相参脉冲个数，(·)^T表示转置运算；

(1c)取出第l个距离单元第n列阵元的雷达回波数据，并将其排成M×P维的数据块x_ln，得到第l个距离单元中的远程主瓣杂波其中，(·)^H表示共轭转置运算；

(1d)重复步骤(1c)直至得到全部前L_H个距离单元的远程主瓣杂波，并将其按照顺序排成数据块 $Q=[x_{1n,f}{x}_{2n,f}...x_{L_{H}n,f}];$

(1e)采用正交投影方法设计出用以抑制远程主瓣杂波的矩阵滤波器P

P＝I_M-Q(Q^HQ)^-1Q^H

式中，I_M表示M×M维的单位阵；

(2)利用矩阵滤波器P以及填充脉冲提取出雷达原始回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元数据中的近程杂波，然后利用最大似然法估计雷达回波数据X_n中近程杂波的协方差矩阵并采用对角加载采样协方差求逆方法计算抑制雷达回波数据X_n中近程杂波的俯仰滤波器w_e；

(3)利用俯仰滤波器w_e抑制雷达回波数据X_n中第n列阵元第l号距离单元回波数据x_ln中的近程杂波，得到第n列阵元俯仰波束形成后的数据：其中，[·]^H表示共轭转置运算；

(4)重复步骤(1)～(3)，对N列阵元中的各个列阵元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对列阵数n取1到N的各个值，直至第l号距离单元所有列阵元的回波数据都处理完毕，得到第l号距离单元俯仰滤波后的线阵数据y_l，其中N表示雷达阵面总列数；

(5)重复步骤(1)～(4)，对M号距离单元的各个距离单元中的回波数据进行近程杂波抑制，即对距离单元数l取1到M的各个值，直至将所有包含近程杂波的距离单元数据都处理完毕，此时得到平稳且不含近程杂波的线阵数据Y，其中M表示距离单元总数；

(6)对不含近程杂波的线阵数据Y的方位向做加权快速傅里叶变换处理，将线阵数据Y由脉冲域变换到多普勒域，多普勒域数据为

(7)从多普勒域数据中取出第k个多普勒通道及其左右各一个多普勒通道的数据，并组成线阵数据块然后估计出与第k个多普勒通道杂波相对应的杂波协方差矩阵再采用Capon法自适应设计第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器w_k；

(8)利用第k个多普勒通道的杂波抑制滤波器wk抑制线阵数据块中的远程杂波，得到第k个多普勒通道的待检测数据：

(9)重复步骤(7)～(8)，对多普勒通道数k取1到K的各个值，直至将所有多普勒通道处理完毕，最终得到杂波抑制后的待检测数据z，K表示多普勒通道总数。

2.根据权利要求1所述的适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，其特征在于：步骤(2)所述的计算俯仰滤波器w_e的过程包括如下步骤：

(2a)取出第l个距离单元第n列阵元的第1个填充脉冲数据x_fill，n作为近程杂波导向矢量，并采用斜投影方法自适应构造用于提取近程杂波的斜投影滤波器 $E_{x_{\mathrm{fill}}|P}=x_{\mathrm{fill},n}{\left(x_{\mathrm{fill},n}P{x}_{\mathrm{fill},n}\right)}^{-1}{x}_{\mathrm{fill},n}^{H}P;$

(2b)利用斜投影滤波器提取第l个距离单元第n列回波数据x_ln中的近程杂波 ${\hat{X}}_{\ln }=E_{x_{\mathrm{fill}}|P}{x}_{\ln };$

(2c)利用最大似然方法估计第l个距离单元第n列杂波的俯仰协方差矩阵 ${\hat{R}}_e=\frac{1}{P}{\hat{X}}_{\ln }{{\hat{X}}_{\ln }}^H;$

(2d)采用对角加载采样协方差求逆方法，计算出第l个距离单元第n列数据的俯仰滤波器其中，s_t表示目标导向矢量，σ²表示对角加载系数。

3.根据权利要求2所述的适用于HPRF波形机载雷达杂波抑制方法，其特征在于：步骤(7)所述的计算杂波抑制滤波器w_k的过程包括如下步骤：

(7a)取出多普勒域数据中第k个多普勒通道及其相邻两个多普勒通道的数据，并将其三个多普勒通道数据依顺序相接成如下形式的数据块其中表示第i个多普勒通道所有阵元所有距离单元的数据，它的维数是N×L，N是方位阵元个数，L是全部距离单元个数；

(7b)利用最大似然法，估计第k个多普勒通道的空时协方差矩阵

(7c)在保证目标信号增益不变的前提下，根据线性约束最小准则，计算杂波抑制滤波器其中，s_k是表示第k个多普勒通道目标的空时导向矢量。