CN109765536B - 基于辅助通道的fda-mimo降维空时自适应杂波抑制方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于辅助通道的FDA‑MIMO降维空时自适应杂波抑制方法及设备；该方法可以包括：根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA‑MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据；根据FDA‑MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据；沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒‑发射‑接收空间频率域，获得多普勒域‑发射‑接收空间频率域的变换数据；根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量；根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术，尤其涉及一种基于辅助通道的频率分集阵列多输入多输出(FDA-MIMO，FrequencyDiverseArray-Multiple-Input Multiple-Output)降维空时自适应杂波抑制方法及设备。
背景技术
机载或星载雷达由于所处平台的运动，其主瓣和旁瓣杂波会扩散地分布在一定的多普勒频率范围内，从而淹没雷达所感兴趣的动目标。为了改善动目标的检测性能，通常会采用空时自适应处理(STAP，Space-Time Adaptive Processing)技术，该技术联合了多个空域通道和多个相干脉冲进行二维自适应处理，能够有效地抑制空时耦合的杂波，从而提高动目标的检测性能，但是全空时自适应处理不利于工程实现，需要降低系统维度才能够实现工程化应用。
针对STAP的降维技术来说，传统的自适应降维方法通常采用的方案是在当前通道的临近单元选取样本，从而基于目标所在的主通道与临近通道的样本生成杂波协方差矩阵，实现主通道内的杂波自相消，但是临近通道与主通道的回波存在去相关现象，导致杂波自适应相消的时候会存在强杂波剩余，降低运动目标的输出信杂噪比。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法及设备；能够获取尽可能多的杂波信息，从而提升杂波抑制性能，很好地解决了机载/星载雷达在非正侧视情况下的杂波抑制问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法，所述方法包括：
根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据；
根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据；
沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据；
根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量；
根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制设备，所述设备包括FDA-MIMO雷达天线、存储器和处理器；其中，
所述FDA-MIMO雷达天线，用于FDA-MIMO雷达信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行第一方面所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法的步骤。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制程序，所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法的步骤。
本发明实施例提供了一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法及设备；在对原始数据完成两次距离依赖补偿后，按照杂波脊线方向将补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，并根据变化后的数据获取杂波抑制权值，最后基于该杂波抑制权值对变换后的数据进行杂波抑制。由于本方法沿着杂波脊线方向选取辅助通道进行多普勒-发射-接收空间频率域的变换，克服了现有降维方法对杂波辅助通道选取时信息不足的缺点，能够获取尽可能多的杂波信息来提升距离依赖杂波的协方差矩阵信息容量，从而改善目标通道的杂波相消性能，提高动目标的输出信杂噪比，很好地解决了机载/星载雷达在非正侧视情况下的杂波抑制问题。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法流程示意图；
图2为本发明实施例所提供的基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法对地面杂波进行杂波抑制对应的滤波器二维响应图；
图3为本发明实施例所提供的3DL-STRAP方法对地面杂波进行杂波抑制对应的滤波器二维响应图；
图4为本发明实施例所提供的地面杂波对应的杂波距离单元空时两维谱图；
图5为本发明实施例所提供的在不同程度的阵列误差情况下信杂噪比损失曲线对比示意图；
图6为本发明实施例所提供的不同辅助通道数的输出信杂噪比损失示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制设备的具体硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
对于设置在运动平台的雷达系统来说，比如机载或星载雷达系统，由于平台的运动，会导致雷达的主瓣和旁瓣杂波扩散分布在一定的多普勒频率范围内，而感兴趣的动目标可能会被这些杂波所淹没。为了改善动目标的检测性能，一种有效的方法是采用空时自适应处理STAP技术，该技术联合了多个空域通道和多个相干脉冲进行二维自适应处理，能够有效地抑制空时耦合的杂波，从而提高动目标的检测性能。而全空时自适应处理不利于工程实现，需要降低系统维度从而实现工程化。
针对STAP的降维技术来说，主要包括固定结构降维技术和自适应降维技术，即不依赖于数据的降维技术和依赖于数据的降维技术。对于自适应降维技术来说，常用的mDT方法可以联合m个多普勒通道与空间通道进行自适应处理，能形成与杂波谱相匹配的凹口，从而提高主瓣杂波区的目标检测性能。
后续基于mDT方法又提出联合局域化(JDL，Joint-Domain Localized)处理方法，该方法的基本思想是在感兴趣的波束-多普勒域选取若干相邻的波束做STAP处理，但该方法对幅相误差比较敏感。基于交叉谱(CSM，Cross-Spectral Metric)的特征相消器通过选择对输出信杂噪比影响较大的特征向量作为杂波子空间，当自由度较大时，计算量非常大。为了降低运算量，提出了多级维纳滤波器(MWF，Multistage Winer Filter，)，它利用一系列正交投影，将输入信号矢量进行前向递推分解，再进行多级标量滤波，最后进行后向递推综合。该方法可直接对空时数据进行处理，在滤波时无需进行特征分解，运算量得以大大降低。
实施例一
本发明实施例期望能够提供一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法，能够解决在FDA-MIMO雷达非正侧视情况下抑制距离依赖杂波的问题，参见图1，本发明实施例所提供的基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法流程可以包括：
S101：根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据；
S102：根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据；
S103：沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据；
S104：根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量；
S105：根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据。
通过图1所述的方法，可以看出，在对原始数据完成两次距离依赖补偿后，按照杂波脊线方向将补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，并根据变化后的数据获取杂波抑制权值，最后基于该杂波抑制权值对变换后的数据进行杂波抑制。由于本方法沿着杂波脊线方向选取辅助通道进行多普勒-发射-接收空间频率域的变换，克服了现有降维方法对杂波辅助通道选取时信息不足的缺点，从而能够获取尽可能多的杂波信息，因此最终所获取到的杂波抑制权值能够更好的提升杂波抑制性能，提高运动目标的输出信杂噪比。
针对图1所示的技术方案，在一种可能的实现方式中，S101所述的根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据，具体可以包括：
根据FDA-MIMO雷达系统参数和/或FDA-MIMO雷达的回波接收数据估计所述各距离单元的多普勒中心ΔfD,l；
沿着各距离单元，按照式1对原始数据xk,l进行多普勒补偿，获得所述一次补偿数据
其中，k表示脉冲序号，l代表距离单元序号。
需要说明的是，不同于阵列在非正侧视情况下所引起的距离依赖性，由于FDA-MIMO雷达的发射信号载频相较于参考载频存在一个小的步进量，因此，在针对原始数据完成一次距离依赖补偿后，由于需要补偿这个步进量所引入的二次距离依赖特性，对于S102所述的根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据
具体可以包括：
根据所述一次补偿数据
以及式2，获取二次补偿数据
其中，
1N代表全1矢量，
为克罗内克积Kronecker运算符；Δf表示频率步进量；rl表示第l个距离门的主值距离；T表示向量转置运算符；diag()表示构造对角矩阵运算符，c为光速。
通过上述式1以及式2完成距离依赖补偿后，分别消除了多普勒以及载频步进量所引入的距离依赖。对于图1所示的技术方案，当通过S101以及S102消除距离依赖之后，对于S103来说，沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据，可以包括：
沿着杂波脊线分布选取Q0+1个辅助通道，并根据式3获取所述辅助通道在发射-接收空间频率域的空域导向矢量TS(ψ0)：
TS(ψ0)＝[sTR(ψ0),sTR(ψ1),…,sTR(ψQ0)] (3)
其中，
fT表示发射频率，fR表示接收频率，ψ0表示目标锥角；
根据式4获取多普勒域变换矩阵TD(k)：
TD(k)＝[qk-1,qk,qk+1] (4)
其中，qi表示第i个多普勒通道对应的时域变换矢量；
根据所述二次补偿数据
所述空域导向矢量TS(ψ0)以及所述多普勒域变换矩阵TD(k)按照式5获取多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据χl：
其中，
需要说明的是，在通过上述方案获取到变换数据后，S104所述的根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量，具体包括：
根据最小方差约束理论，将所述变换数据结合拉格朗日乘子法得到式6所示的自适应杂波抑制权矢量wST(ψ0,k)：
其中，
L表示样本数，H表示共轭转置运算符；
表示时间导向矢量，具体为
在通过式6获取到自适应杂波抑制权矢量之后，对于S105所述根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据，具体可以包括：
根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据通过式7进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据zk,l：
需要说明的是，对于FDA-MIMO雷达，杂波具有在发射-接收空间频率域分布在相同的杂波脊线上这一特点，利用这个特点，上述方案沿着杂波脊线选取辅助通道，从而能够获取尽可能多的杂波信息，于是通过上述方案能够提升杂波抑制性能。
对于上述图1所示的技术方案，本发明实施例通过具体的仿真实验来阐述图1所示技术方案的优势。
首先，仿真实验以机载雷达为例，图2和图3分别示出了机载雷达非正侧视情况下，图1所示的技术方案和3DL-STRAP方法对地面杂波进行杂波抑制对应的滤波器二维响应图。而图4是对应的杂波距离单元空时两维谱图。
从图2和图3对比可以发现，采用图1所示的技术方案能够在杂波对应的分布位置形成更深的凹口，而3DL-STRAP滤波器凹口并没有完全对准杂波分布的位置，并且在目标位置处存在一定的增益损失。
接着，参见图5，其示出了不同程度的阵列误差情况下，采用图1所示的技术方案和3DL-STRAP方法的信杂噪比损失曲线。从图中可以发现，图1所示的技术方案对于阵列误差不敏感，而3DL-STRAP随着阵列误差的增大，性能出现了比较明显的下降，由此，图1所示的技术方案具有稳健的杂波抑制性能。
最后，参见图6，其示出了不同辅助通道数的输出信杂噪比损失，从图中可发现，当辅助通道达到8个以上时，性能已经不存在明显的差别，为了兼顾系统运算复杂度以及样本需求，通常采用8个辅助通道参与杂波抑制为宜。
实施例二
基于前述技术方案相同的技术构思，如果上述方案能够以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制的程序，所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制的程序被至少一个处理器执行时实现上述实施例一所示的技术方案中所述方法的步骤。
实施例三
基于前述技术方案相同的技术构思，参见图7，其示出了本发明实施例提供的一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制设备70的具体硬件结构，包括：FDA-MIMO雷达天线701、存储器702和处理器703；各个组件通过总线系统704耦合在一起。可理解，总线系统704用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统704除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线系统704。其中，FDA-MIMO雷达天线701，用于FDA-MIMO雷达信号的接收和发送；
存储器702，用于存储能够在处理器703上运行的计算机程序；
处理器703，用于在运行所述计算机程序时，执行：
根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据；
根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据；
沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据；
根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量；
根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据。
可以理解，本发明实施例中的存储器702可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambusRAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器702旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
而处理器703可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器703中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器703可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器702，处理器703读取存储器702中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
具体来说，基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制设备70中的处理器703还配置为运行所述计算机程序时，执行前述实施例一中所述方法的步骤，这里不再进行赘述。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据；
根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据；
沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据；
根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量；
根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据；
其中，所述根据各距离单元的多普勒中心估计值对FDA-MIMO雷达的原始数据进行一次距离依赖补偿，获得一次补偿数据，具体包括：
根据FDA-MIMO雷达系统参数和/或FDA-MIMO雷达的回波接收数据估计所述各距离单元的多普勒中心ΔfD,l；
沿着各距离单元，按照式1对原始数据xk,l进行多普勒补偿，获得所述一次补偿数据
其中，k表示脉冲序号，l代表距离单元序号；
所述根据FDA-MIMO雷达发射信号载频相较于参考载频的步进量对所述一次补偿数据进行二次距离依赖补偿，获得二次补偿数据
具体包括：
根据所述一次补偿数据
以及式2，获取二次补偿数据
其中，
1N代表全1矢量，
为克罗内克积Kronecker运算符；Δf表示频率步进量；rl表示第l个距离门的主值距离；T表示向量转置运算符；diag()表示构造对角矩阵运算符，c为光速；
所述沿着杂波脊线将所述二次补偿数据变换至多普勒-发射-接收空间频率域，获得多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据，包括：
沿着杂波脊线分布选取Q0+1个辅助通道，并根据式3获取所述辅助通道在发射-接收空间频率域的空域导向矢量TS(ψ0)：
TS(ψ0)＝[sTR(ψ0),sTR(ψ1),…,sTR(ψQ0)](3)
其中，
fT表示发射频率，fR表示接收频率，ψ0表示目标锥角；
根据式4获取多普勒域变换矩阵TD(k)：
TD(k)＝[qk-1,qk,qk+1](4)
其中，qi表示第i个多普勒通道对应的时域变换矢量；
根据所述二次补偿数据
所述空域导向矢量TS(ψ0)以及所述多普勒域变换矩阵TD(k)按照式5获取多普勒域-发射-接收空间频率域的变换数据χl：
其中，
所述根据所述变换数据以及最小方差约束理论，获取自适应杂波抑制权矢量，具体包括：
根据最小方差约束理论，将所述变换数据结合拉格朗日乘子法得到式6所示的自适应杂波抑制权矢量wST(ψ0,k)：
其中，
L表示样本数，H表示共轭转置运算符；
表示时间导向矢量，具体为
所述根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据，具体包括：
根据所述自适应杂波抑制权矢量对所述变换数据通过式7进行杂波抑制，获取杂波抑制后的输出数据zk,l：
2.一种基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制设备，其特征在于，所述设备包括FDA-MIMO雷达天线、存储器和处理器；其中，
所述FDA-MIMO雷达天线，用于FDA-MIMO雷达信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行权利要求1所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法的步骤。
3.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制程序，所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1所述基于辅助通道的FDA-MIMO降维空时自适应杂波抑制方法的步骤。
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