CN111337895A - 多通道海杂波空时相关性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的多通道海杂波空时相关性分析方法，属于雷达技术领域。本发明实现方法为：计算通道间幅相误差引起的去相干因子，利用定标数据计算不同通道的信噪比；基于距离多普勒域天线接收数据，利用噪声去相关公式计算噪声引起的去相干因子；利用雷达平台速度与天线通道间距的关系，计算通道间滑脉冲时间去相干曲线；计算海杂波时间去相干曲线，并获得杂波去相关时间；利用海杂波时间去相干曲线计算海杂波空间去相干曲线，并获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。本发明能够去除传统杂波特性分析方法存在的空时耦合问题，为后续空时自适应处理算法参数选取提供准确的先验信息，通过所述先验信息提升雷达系统杂波抑制能力。

Description

多通道海杂波空时相关性分析方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及海杂波特性分析方法，能够为空时自适应处理算法参数选取提供更准确的先验信息，提升雷达系统杂波抑制能力。

背景技术

空时自适应处理技术在陆地杂波抑制方面有着优越的性能，但实际雷达系统感兴趣的目标，包括飞机、舰船等大概率存在于海洋背景下，因此亟需研究海杂波特性对杂波抑制算法的影响，为后续目标检测奠定基础。

现有的杂波特性研究主要包括通道相关性、空时耦合相关性、特征值分解等，通道相关性主要受噪声及通道幅相误差影响。空时耦合相关性可以体现杂波内部的时间及空间去相关特性，但无法单独对其分析。特征值分解方法一般用于区分陆地杂波和不同海况海杂波特性，陆地杂波只有第一特征值较高，其他特征值接近噪声水平，海杂波由于存在内部运动，除第一特征值外的其他特征值一般也明显高于噪声水平，而且随着海况的增大，特征值起伏更加明显。

为了进一步分析海杂波对后续杂波抑制算法的影响，需要对海杂波时间去相关及空间去相关特性进行独立分析，去除传统杂波特性分析方法存在的空时耦合问题，为后续空时自适应处理算法参数选取提供准确的先验信息，提升雷达系统杂波抑制能力。

发明内容

本发明公开的多通道海杂波空时相关性分析方法要解决的技术问题是：通过多通道海杂波空时相关性分析，为空时自适应处理算法参数选取提供更准确的先验信息，提升雷达系统杂波抑制能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的多通道海杂波空时相关性分析方法，包括如下步骤：

步骤1：计算通道间幅相误差引起的去相干因子，并利用定标数据计算不同通道的信噪比。

定义通道数为N，接收定标脉冲数为M_定，采样窗对应距离门为R，选取1通道为参考通道，第i(1≤i≤N)通道接收定标回路第j(1≤j≤M_定)个脉冲、第k(1≤k≤R)个距离门数据表示为

则第i通道与参考通道的相关性

表示为

其中：E代表求变量的数学期望。

通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}建模为

上式中

CNR_{i_定标}代表第i通道定标数据信噪比，考虑到脉压后的接收定标数据为单个sinc函数，利用定标数据的所述特点计算不同通道的信噪比。

步骤2：基于距离多普勒域天线接收数据，利用噪声去相关公式计算噪声引起的去相干因子。

不同于步骤1定标数据信噪比的计算，对于天线接收数据，脉压后接收脉冲信号中每个距离采样点不仅包含一个距离环的杂波数据，同时存在无杂波区噪声数据，即脉冲重复频率大于杂波多普勒带宽。因此在距离脉冲域无法直接提取接收信号杂噪比，利用噪声去相关公式从距离多普勒域数据入手间接获得噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}

其中：CNR₁第1通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值，CNR_i代表第i通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值。

步骤3：利用雷达平台速度与天线通道间距的关系，计算通道间滑脉冲时间去相干曲线。

雷达平台速度V与天线通道间距d满足md/2V＝nPRT，通道接收数据相关性达到最大，其中m,n为整数，PRT为脉冲重复周期。当滑动预定脉冲时，通道间相关系数达到最大。记录不同通道与参考通道滑动脉冲相关系数峰值ρ_{1_2},ρ_{1_3},...,ρ_{1_7},ρ_{1_M}及其相应滑动脉冲数μ_{1_2},μ_{1_3},...,μ_{1_7},μ_{1_M}，并将所述相关系数峰值点进行拟合得到通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}。

步骤4：基于步骤1中得到的通道间幅相误差引起的去相干因子、步骤2得到的噪声引起的去相干因子和步骤3得到的通道间滑脉冲时间去相干曲线，计算海杂波时间去相干曲线，并基于海杂波时间去相干曲线获得杂波去相关时间。

步骤3中通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}近似表示为噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}、通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}以及海杂波内部运动引起的时间去相干曲线ρ_{i_time}乘积，因此，海杂波时间去相干曲线ρ_{i_time}表示为

ρ_{i_time}＝ρ_{i_total}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR})

令ρ_{i_time}＝1/e，获得杂波去相关时间。

步骤5：利用步骤4得到的海杂波时间去相干曲线计算海杂波空间去相干曲线，并基于所述海杂波空间去相干曲线获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。

利用步骤3中通道间相关系数峰值对应的滑动脉冲数，计算得到滑动此脉冲数时通道间不同距离门数据相关性。接收采样窗共T个距离门，参考通道第k₁(1≤k₁≤T)个距离门与第i通道第k₂(1≤k₂≤T)个距离门之间空间数据相关性

表示为

其中：

为参考通道第k₁个距离门数据，

为第i通道第k₂个距离门数据。

由上式求得第i通道与参考通道不同距离门之间数据相关性ρ_{i_spacetotal}，所述ρ_{i_spacetotal}即为

考虑到海杂波时间相关性已经通过步骤4计算得到，海杂波空间去相干曲线表示为

ρ_{i_space}＝ρ_{i_spacetotal}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR}ρ_{i_time})

令ρ_{i_space}＝1/e，获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。

步骤6：将上述步骤1至步骤5所海杂波去相关特性分析方法应用于不同航向、不同方位角多组数据中，将得到的海杂波去相干时间及空间去相干长度进行平均作为最终的海杂波去相关特性分析结果，所述海杂波去相关特性分析结果即为空时自适应处理算法参数选取需提供的先验信息，通过所述先验信息提升雷达系统杂波抑制能力。

有益效果：

相比传统的杂波分析方法，本发明公开的多通道海杂波空时相关性分析方法属于杂波特性分析方法，实现方法为：计算通道间幅相误差引起的去相干因子，并利用定标数据计算不同通道的信噪比；基于距离多普勒域天线接收数据，利用噪声去相关公式计算噪声引起的去相干因子；利用雷达平台速度与天线通道间距的关系，计算通道间滑脉冲时间去相干曲线；基于通道间幅相误差引起的去相干因子、噪声引起的去相干因子和通道间滑脉冲时间去相干曲线，计算海杂波时间去相干曲线，并基于海杂波时间去相干曲线获得杂波去相关时间；利用海杂波时间去相干曲线计算海杂波空间去相干曲线，并基于所述海杂波空间去相干曲线获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。本发明通过对海杂波时间去相关及空间去相关两项重要指标进行独立分析，能够去除传统杂波特性分析方法存在的空时耦合问题，为后续空时自适应处理算法参数选取提供准确的先验信息，通过所述先验信息提升雷达系统杂波抑制能力。

附图说明

图1为“多通道海杂波空时相关性分析方法”处理流程图；

图2为海杂波去相干时间曲线；

图3为海杂波空间去相干系数。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例使用场景为：本实施例公开的多通道海杂波空时相关性分析方法可应用于不同海况海杂波及地杂波中。首先估计得到通道间幅相误差引起的去相干因子、噪声引起的通道间去相干因子，接着利用滑动脉冲、雷达平台速度与天线通道间距的关系得到总的时间去相关曲线和不同距离门空间去相关曲线，从而分别获得海杂波内部运动引起的时间去相干曲线及海杂波空间去相关曲线。

如图1所示，本实施例公开的多通道海杂波空时相关性分析方法，具体实现步骤如下：

步骤1：计算通道间幅相误差引起的去相干因子，并利用定标数据计算不同通道的信噪比。

定义通道数为N，接收定标脉冲数为M_定，采样窗对应距离门为R，选取1通道为参考通道，第i(1≤i≤N)通道接收定标回路第j(1≤j≤M_定)个脉冲、第k(1≤k≤R)个距离门数据表示为

则第i通道与参考通道的相关性

表示为

其中：E代表求变量的数学期望。

通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}建模为

上式中

CNR_{i_定标}代表第i通道定标数据信噪比，考虑到脉压后的接收定标数据为单个sinc函数，利用定标数据的所述特点计算不同通道的信噪比。

步骤2：基于距离多普勒域天线接收数据，利用噪声去相关公式计算噪声引起的去相干因子。

不同于步骤1定标数据信噪比的计算，对于天线接收数据，脉压后接收脉冲信号中每个距离采样点不仅包含一个距离环的杂波数据，同时存在无杂波区噪声数据，即脉冲重复频率大于杂波多普勒带宽。因此在距离脉冲域无法直接提取接收信号杂噪比，利用噪声去相关公式从距离多普勒域数据入手间接获得噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}

其中：CNR₁第1通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值，CNR_i代表第i通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值。

步骤3：利用雷达平台速度与天线通道间距的关系，计算通道间滑脉冲时间去相干曲线。

雷达平台速度V与天线通道间距d满足md/2V＝nPRT，通道接收数据相关性达到最大，其中m,n为整数，PRT为脉冲重复周期。当滑动预定脉冲时，通道间相关系数达到最大。记录不同通道与参考通道滑动脉冲相关系数峰值ρ_{1_2},ρ_{1_3},...,ρ_{1_7},ρ_{1_M}及其相应滑动脉冲数μ_{1_2},μ_{1_3},...,μ_{1_7},μ_{1_M}，并将所述相关系数峰值点进行拟合得到通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}。

步骤4：基于步骤1中得到的通道间幅相误差引起的去相干因子、步骤2得到的噪声引起的去相干因子和步骤3得到的通道间滑脉冲时间去相干曲线，计算海杂波时间去相干曲线，并基于海杂波时间去相干曲线获得杂波去相关时间。

步骤3中通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}近似表示为噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}、通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}以及海杂波内部运动引起的时间去相干曲线ρ_{i_time}乘积，因此，海杂波时间去相干曲线ρ_{i_time}表示为

ρ_{i_time}＝ρ_{i_total}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR})

令ρ_{i_time}＝1/e，获得杂波去相关时间。

步骤5：利用步骤4得到的海杂波时间去相干曲线计算海杂波空间去相干曲线，并基于所述海杂波空间去相干曲线获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。

利用步骤3中通道间相关系数峰值对应的滑动脉冲数，计算得到滑动此脉冲数时通道间不同距离门数据相关性。接收采样窗共T个距离门，参考通道第k₁(1≤k₁≤T)个距离门与第i通道第k₂(1≤k₂≤T)个距离门之间空间数据相关性

表示为

由上式求得第i通道与参考通道不同距离门之间数据相关性ρ_{i_spacetotal}，所述ρ_{i_spacetotal}即

考虑到海杂波时间相关性已经通过步骤4计算得到，海杂波空间去相干曲线表示为

ρ_{i_space}＝ρ_{i_spacetotal}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR}ρ_{i_time})

令ρ_{i_space}＝1/e，获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。

步骤6：将上述步骤1至步骤5所海杂波去相关特性分析方法应用于不同航向、不同方位角多组数据中，将得到的海杂波去相干时间及空间去相干长度进行平均作为最终的海杂波去相关特性分析结果，所述海杂波去相关特性分析结果即为空时自适应处理算法参数选取需提供的先验信息，通过所述先验信息提升雷达系统杂波抑制能力。

下面通过实测数据对本实施例的效果做进一步说明。

采用8通道实测数据，接收定标脉冲数为250，采样窗对应距离门为1001，雷达平台高度H为3300m，脉冲重复周期PRT为4e^-4，选取1通道为参考通道，利用步骤1至步骤3能够计算得到通道间幅相误差引起的去相干因子、噪声去相干因子和通道间滑脉冲时间去相干因子。接着利用步骤4公式令海杂波时间去相干曲线为1/e，能够获得杂波去相关时间，将其带入步骤5能够得到不同距离门对应海杂波空间去相关长度。图2和图3分别为固定航向、90°方位角条件下的4级海况海杂波去相干时间曲线和海杂波空间去相干系数曲线。将本实施例公开的多通道海杂波空时相关性分析方法应用于不同航向、不同方位角4级海况海杂波数据中，将得到的海杂波去相干时间及空间去相干长度进行平均能够得到最终的海杂波去相干时间为17ms、空间去相干长度为33m，图3中空间去相干长度的计算方法为L＝H*(tand(θ₁)-tand(θ₀))，其中tand代表正切函数，θ₁和θ₀为不同距离环对应的入射角。

通过实测数据分析结果表明，本实施例公开的多通道海杂波空时相关性分析方法充分利用实测数据以及定标数据，考虑通道间幅相误差、杂噪比等因素对空时去相干的影响，能够去除时间去相关系数和空间去相关系数计算的耦合问题。另外，实测数据分析结果使用不同航向、不同方位角的多组数据平均得到，具有较高的可靠性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：计算通道间幅相误差引起的去相干因子，并利用定标数据计算不同通道的信噪比；

步骤2：基于距离多普勒域天线接收数据，利用噪声去相关公式计算噪声引起的去相干因子；

步骤3：利用雷达平台速度与天线通道间距的关系，计算通道间滑脉冲时间去相干曲线；

步骤4：基于步骤1中得到的通道间幅相误差引起的去相干因子、步骤2得到的噪声引起的去相干因子和步骤3得到的通道间滑脉冲时间去相干曲线，计算海杂波时间去相干曲线，并基于海杂波时间去相干曲线获得杂波去相关时间；

步骤5：利用步骤4得到的海杂波时间去相干曲线计算海杂波空间去相干曲线，并基于所述海杂波空间去相干曲线获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度；

步骤6：将上述步骤1至步骤5所海杂波去相关特性分析方法应用于不同航向、不同方位角多组数据中，将得到的海杂波去相干时间及空间去相干长度进行平均作为最终的海杂波去相关特性分析结果，所述海杂波去相关特性分析结果即为空时自适应处理算法参数选取需提供的先验信息，通过所述先验信息提升雷达系统杂波抑制能力。

2.如权利要求1所述的多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：步骤1实现方法为，

定义通道数为N，接收定标脉冲数为M_定，采样窗对应距离门为R，选取1通道为参考通道，第i(1≤i≤N)通道接收定标回路第j(1≤j≤M_定)个脉冲、第k(1≤k≤R)个距离门数据表示为

则第i通道与参考通道的相关性

表示为

其中：E代表求变量的数学期望；

通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}建模为

上式中

CNR_{i_定标}代表第i通道定标数据信噪比，考虑到脉压后的接收定标数据为单个sinc函数，利用定标数据的所述特点计算不同通道的信噪比。

3.如权利要求2所述的多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：步骤2实现方法为，

对于天线接收数据，脉压后接收脉冲信号中每个距离采样点不仅包含一个距离环的杂波数据，同时存在无杂波区噪声数据，即脉冲重复频率大于杂波多普勒带宽；因此在距离脉冲域无法直接提取接收信号杂噪比，利用噪声去相关公式从距离多普勒域数据入手间接获得噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}

其中：CNR₁第1通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值，CNR_i代表第i通道0多普勒单元主瓣杂波内杂噪比平均值。

4.如权利要求3所述的多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：步骤3实现方法为，

雷达平台速度V与天线通道间距d满足md/2V＝nPRT，通道接收数据相关性达到最大，其中m,n为整数，PRT为脉冲重复周期；当滑动预定脉冲时，通道间相关系数达到最大；记录不同通道与参考通道滑动脉冲相关系数峰值ρ_{1_2},ρ_{1_3},...,ρ_{1_7},ρ_{1_M}及其相应滑动脉冲数μ_{1_2},μ_{1_3},...,μ_{1_7},μ_{1_M}，并将所述相关系数峰值点进行拟合得到通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}。

5.如权利要求4所述的多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：步骤4实现方法为，

步骤3中通道间滑脉冲时间去相干曲线ρ_{i_total}近似表示为噪声引起的去相干因子ρ_{i_CNR}、通道间幅相误差引起的去相干因子ρ_{i_error}以及海杂波内部运动引起的时间去相干曲线ρ_{i_time}乘积，因此，海杂波时间去相干曲线ρ_{i_time}表示为

ρ_{i_time}＝ρ_{i_total}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR})

令ρ_{i_time}＝1/e，获得杂波去相关时间。

6.如权利要求5所述的多通道海杂波空时相关性分析方法，其特征在于：步骤5实现方法为，

利用步骤3中通道间相关系数峰值对应的滑动脉冲数，计算得到滑动此脉冲数时通道间不同距离门数据相关性；接收采样窗共T个距离门，参考通道第k₁(1≤k₁≤T)个距离门与第i通道第k₂(1≤k₂≤T)个距离门之间空间数据相关性

表示为

其中：

为参考通道第k₁个距离门数据，

为第i通道第k₂个距离门数据；

由上式求得第i通道与参考通道不同距离门之间数据相关性ρ_{i_spacetotal}，所述ρ_{i_spacetotal}即为

考虑到海杂波时间相关性已经通过步骤4计算得到，海杂波空间去相干曲线表示为

ρ_{i_space}＝ρ_{i_spacetotal}/(ρ_{i_error}ρ_{i_CNR}ρ_{i_time})

令ρ_{i_space}＝1/e，获得不同距离门对应海杂波空间去相关长度。

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