CN110208756B - 一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，该俯仰滤波方法使用列内俯仰滤波列子阵合成技术，在充分利用平面阵信息和脉冲回波信息的基础上，在有误差情况下提高非正侧阵机载雷达杂波抑制性能；采用自适应俯滤波权值，即俯仰滤波权值通过第一个填充脉冲回波数据训练得到，使得本发明的杂波抑制性能几乎不受误差的影响，通过自适应训练俯仰滤波权值来滤除有效脉冲回波的近程杂波。

Description

一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，用于非正侧阵机载雷达近程杂波抑制。

背景技术

杂波抑制性能是影响机载雷达能否正常下视工作的主要因素，因此，机载雷达杂波抑制技术受到了各国研究人员的重视。

在杂波协方差矩阵和目标信号均确知的条件下，Brennan和Reed于1973年在期刊Aerospace and Electronic Systems(AES)上，提出了全空时二维自适应处理(STAP)的概念和理论，其思想是将阵列信号处理的基本原理推广到由脉冲和阵元采样的两维场中。全STAP能够取得比较理想的杂波抑制效果，但是，杂波协方差矩阵精确已知的条件在工程实现中难以满足，通常情况下是通过参考单元估计得到。此外，全STAP的运算量和设备复杂度令人难以接受。

为了降低运算量，德国的R.Klemm博士于1987年在期刊Signal Processing上提出了辅助通道法，在没有误差的情况下，该方法能够取得比较理想的杂波抑制效果，并且降低了估计协方差矩阵所需要的独立同分布参考单元数目，但在有误差情况下，该方法的杂波抑制性能并不理想。

1992年，廖桂生在其博士论文中提出了mDT-SAP法，该方法既降低了运算量又能够取得比较理想的杂波抑制效果，同时该方法对误差不敏感。然而，在非正侧阵情况下，该方法的杂波抑制性能并不理想；同时为了降低运算量，该方法对平面阵数据进行列内直接加和处理，没有充分发挥平面阵的有效信息。

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，该方法在有误差的情况下，其杂波抑制性能并不理想。

常规俯仰滤波方法把平面阵数据合成线阵数据处理，忽略了平面阵雷达回波的俯仰信息，导致非正侧阵雷达杂波的抑制效果恶化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，该俯仰滤波方法在充分利用平面阵信息和脉冲回波信息的基础上，在有误差情况下提高非正侧阵机载雷达杂波抑制性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，包括以下步骤：

步骤1，利用俯仰向阵元输入叠加形成主天线通道，选取俯仰向阵元中的两个阵元形成辅助天线通道，分别设置主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a；

步骤2，取第一个填充脉冲第l号距离门第n列阵元回波数据Y_nl，分别通过主天线通道和辅助天线通道，得主天线通道的输出d_nl和辅助天线通道的输入z_nl；

步骤3，构造协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，根据协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd求解辅助天线通道对应的自适应权w_a；

将主天线通道对应的静态权w_q与辅助天线通道对应的自适应权w_a进行对消，得俯仰滤波的权矢量w_nl；

步骤4，利用俯仰滤波的权矢量w_nl抑制有效脉冲第n列阵元接收到第l号距离门的第k个脉冲x_nkl的近程杂波，得到近程杂波抑制后的数据

其中，[·]^H表示共轭转置运算；k＝1,2,…,K，K为相干积累的脉冲数；

直至k从1到K遍历完，得遍历后的数据

步骤5，重复步骤2-4，直至第l号距离门N列阵元数据处理完毕，得第l号距离门俯仰滤波的数据

其中，n＝1,2,…,N，N是雷达天线阵面的阵元列数；

步骤6，重复步骤2-5，直至L号距离门数据处理完毕，得俯仰滤波后的数据

对所述俯仰滤波后的数据

依次进行方位向阵元合成和脉冲多普勒处理，得距离多普勒数据；其中，l＝1,2,…,L，L是最大不模糊距离门数。

优选的，步骤1包含以下子步骤：

子步骤1.1，取俯仰向阵元中的第一个和最后一个阵元作为辅助天线通道，所述辅助天线通道的变换矩阵B表示为：

其中，M是雷达天线阵面的阵元行数；

子步骤1.2，取俯仰向阵元中的所有阵元作为主天线通道，并确定主天线通道对应的静态权w_q为：w_q＝S_e；

其中，

d是阵元间距，λ是波长，

是俯仰向主波束的俯仰角，j是虚数单位，[·]^T表示转置运算。

优选的，步骤2中，主天线通道的输出d_nl的表达式为：

其中，[·]^H表示共轭转置运算；

Y_nl通过变换矩阵B对应的辅助天线通道的输入z_nl的表达式为：

z_nl＝BY_nl；

其中，z_nl是2×1的向量。

优选的，步骤3包含以下子步骤：

子步骤3.1，第一个填充脉冲的第n列阵元接受到第l号距离门数据在其左右相邻的距离门各取△l，则训练样本数为P＝2△l+1；

对y_nq利用步骤2依次计算主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq，其中q∈[l-△l,…,l,…,l+△l]，则协方差矩阵构造R_nl为：

子步骤3.2，根据所述主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq构建互相关向量r_zd：

子步骤3.3，根据所述协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，求得辅助天线通道对应的自适应权w_a：

子步骤3.4，根据所述主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a，求得俯仰滤波的权矢量w_nl：

w_nl＝w_q-B^Hw_a

其中，俯仰滤波的权矢量w_nl为M×1矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，使用列内俯仰滤波列子阵合成技术，充分利用了平面阵雷达回波的俯仰信息，取得了明显的非正侧阵雷达杂波的抑制效果。

本发明的基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法中，采用自适应俯滤波权值，即俯仰滤波权值通过第一个填充脉冲回波数据训练得到，使得本发明的杂波抑制性能几乎不受误差的影响，通过自适应训练俯仰滤波权值来滤除有效脉冲回波的近程杂波。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法的流程图；

图2为直接在俯仰向进行阵元合成和基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法的PD处理；其中，图2(a)为直接在俯仰向进行阵元合成的俯仰滤波的PD处理结果，图2(b)为基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法得到的PD处理结果；

图3为直接在俯仰向进行阵元合成和基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法的平均输出功率对比。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，包括以下步骤：

步骤1，利用俯仰向阵元输入叠加形成主天线通道，选取俯仰向阵元中的两个阵元形成辅助天线通道，分别设置主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a。

具体的，步骤1包含以下子步骤：

子步骤1.1，取俯仰向阵元中的第一个和最后一个阵元作为辅助天线通道，所述辅助天线通道的变换矩阵B表示为：

其中，M是雷达天线阵面的阵元行数。

子步骤1.2，取俯仰向阵元中的所有阵元作为主天线通道，并确定主天线通道对应的静态权w_q为：w_q＝S_e。

其中，

d是阵元间距，λ是波长，

是俯仰向主波束的俯仰角，j是虚数单位，[·]^T表示转置运算。

步骤2，取第一个填充脉冲第l号距离门第n列阵元回波数据Y_nl，其数据格式为M×1的向量，分别通过主天线通道和辅助天线通道，得主天线通道的输出d_nl和辅助天线通道的输入z_nl；

其中，主天线通道的输出d_nl的表达式为：

其中，[·]^H表示共轭转置运算。

Y_nl通过变换矩阵B对应的辅助天线通道的输入z_nl的表达式为：

z_nl＝BY_nl；

其中，z_nl是2×1的向量。

步骤3，构造协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，根据协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd求解辅助天线通道对应的自适应权w_a；将主天线通道对应的静态权w_q与辅助天线通道对应的自适应权w_a进行对消，得俯仰滤波的权矢量w_nl。

具体的，步骤3包含以下子步骤：

子步骤3.1，第一个填充脉冲的第n列阵元接受到第l号距离门数据在其左右相邻的距离门各取△l，则训练样本数为P＝2△l+1；对训练样本数要求大于2倍的自由度(z_nq的长度维度)，即P>4。

对y_nq利用步骤2依次计算主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq，其中q∈[l-△l,…,l,…,l+△l]，则协方差矩阵构造R_nl为：

子步骤3.2，根据所述主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq构建互相关向量r_zd：

子步骤3.3，根据所述协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，求得辅助天线通道对应的自适应权w_a：

子步骤3.4，根据所述主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a，求得俯仰滤波的权矢量w_nl：

w_nl＝w_q-B^Hw_a

其中，俯仰滤波的权矢量w_nl为M×1矩阵。

步骤4，利用俯仰滤波的权矢量w_nl抑制有效脉冲第n列阵元接收到第l号距离门的第k个脉冲x_nkl(其数据格式为M×1)的近程杂波，得到近程杂波抑制后的数据

其中，[·]^H表示共轭转置运算；k＝1,2,…,K，K为相干积累的脉冲数；

直至k从1到K遍历完，得遍历后的数据

步骤5，重复步骤2-4，直至第l号距离门所有列阵元数据处理完毕，即n从1遍历到N，得第l号距离门俯仰滤波的数据

(数据格式为N×K)；其中，n＝1,2,…,N，N是雷达天线阵面的阵元列数。

步骤6，重复步骤2-5，直至所有的距离门数据处理完毕(即l从1到L)，得俯仰滤波后的数据

此时数据变为三维数据；对所述俯仰滤波后的数据

依次进行方位向阵元合成和脉冲多普勒处理，得二维的距离多普勒数据；其中，l＝1,2,…,L，L是最大不模糊距离门数。

其中，方位向阵元合成和脉冲多普勒处理的顺序可以颠倒。

为了清楚地说明本发明的具体实施方法，首先简单介绍本发明中所用到的一些术语的定义。

填充脉冲：是指在中、高脉冲重频情况下，雷达接收机功率达到稳定状态前所发射的脉冲；

有效脉冲：是指在中、高脉冲重频情况下，雷达接收机功率达到稳定状态后所发射的脉冲；

近程杂波：是指由脉冲重复周期PRT决定的最大不模糊距离范围内的杂波。

通过以下仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。

1)仿真实验条件

表1前视阵雷达仿真参数

2)仿真结果及分析

采用表1的系统参数仿真了俯仰向直接进行阵元合成和利用填零脉冲自适应旁瓣对消后的距离多普勒谱，所加的动目标也是位于第127距离门号，第42多普勒通道。为了说明本节方法对误差的不敏感，加入阵元幅相误差(5％的幅度误差，3°的相位误差)。

图2(a)是直接在俯仰向进行阵元合成的俯仰滤波的PD结果，可以看出，近程杂波还有大量剩余，动目标被淹没，难以被检测到。图2(b)是本发明方法的距离多普勒，在有阵元幅相误差的情况下，能够自适应误差，近程杂波得到有效抑制。

为了说明近程杂波的抑制效果，选取在100号距离门到300号距离门近程杂波比较强的距离门做功率平均，如图3所示，近程杂波主要处于40多普勒通道附近，本节提出的利用填零脉冲自适应旁瓣对消方法的近程杂波输出功率要比直接阵元合成小很多，俯仰滤波可以将弯曲的近程杂波抑制最多20dB，而且噪声电平与直接阵元合成差不多。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用俯仰向阵元输入叠加形成主天线通道，选取俯仰向阵元中的两个阵元形成辅助天线通道，分别设置主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a；

步骤1包含以下子步骤：

子步骤1.1，取俯仰向阵元中的第一个和最后一个阵元作为辅助天线通道，所述辅助天线通道的变换矩阵B表示为：

其中，M是雷达天线阵面的阵元行数；

子步骤1.2，取俯仰向阵元中的所有阵元作为主天线通道，并确定主天线通道对应的静态权w_q为：w_q＝S_e；

其中，

d是阵元间距，λ是波长，

是俯仰向主波束的俯仰角，j是虚数单位，[·]^T表示转置运算；

步骤2，取第一个填充脉冲第l号距离门第n列阵元回波数据Y_nl，分别通过主天线通道和辅助天线通道，得主天线通道的输出d_nl和辅助天线通道的输入z_nl；

步骤3，构造协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，根据协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd求解辅助天线通道对应的自适应权w_a；

将主天线通道对应的静态权w_q与辅助天线通道对应的自适应权w_a进行对消，得俯仰滤波的权矢量w_nl；

步骤4，利用俯仰滤波的权矢量w_nl抑制有效脉冲第n列阵元接收到第l号距离门的第k个脉冲x_nkl的近程杂波，得到近程杂波抑制后的数据

其中，[·]^H表示共轭转置运算；k＝1，2，…，K，K为相干积累的脉冲数；

直至k从1到K遍历完，得遍历后的数据

步骤5，重复步骤2-4，直至第l号距离门N列阵元数据处理完毕，得第l号距离门俯仰滤波的数据

其中，n＝1，2，…，N，N是雷达天线阵面的阵元列数；

步骤6，重复步骤2-5，直至L号距离门数据处理完毕，得俯仰滤波后的数据

对所述俯仰滤波后的数据

依次进行方位向阵元合成和脉冲多普勒处理，得距离多普勒数据；其中，l＝1，2，…，L，L是最大不模糊距离门数。

2.根据权利要求1所述的基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，其特征在于，步骤2中，主天线通道的输出d_nl的表达式为：

其中，[·]^H表示共轭转置运算；

Y_nl通过变换矩阵B对应的辅助天线通道的输入z_nl的表达式为：

z_nl＝BY_nl；

其中，z_nl是2×1的向量。

3.根据权利要求2所述的基于自适应旁瓣对消的俯仰滤波方法，其特征在于，步骤3包含以下子步骤：

子步骤3.1，第一个填充脉冲的第n列阵元接受到第l号距离门数据在其左右相邻的距离门各取Δl，则训练样本数为P＝2Δl+1；

利用步骤2依次计算主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq，其中q∈[l-Δl，…，l，…，l+Δl]，则协方差矩阵构造R_nl为：

子步骤3.2，根据所述主天线通道的输出d_nq和辅助天线通道的输入z_nq构建互相关向量r_zd：

子步骤3.3，根据所述协方差矩阵构造R_nl和互相关向量r_zd，求得辅助天线通道对应的自适应权w_a：

子步骤3.4，根据所述主天线通道对应的静态权w_q和辅助天线通道对应的自适应权w_a，求得俯仰滤波的权矢量w_nl：

w_nl＝w_q-B^Hw_a

其中，俯仰滤波的权矢量w_nl为M×1矩阵。

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