CN111965610A - 非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法 - Google Patents

非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法，包括：根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息；根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域；根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵；采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果。本发明提供的空域降维方法可应用在歼击机雷达和弹载雷达中，具有普适性，且在子阵数一定的情况下主瓣杂波抑制性能更好，提高了整体杂波抑制性能。

Description

非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法。
背景技术
STAP(Space-Time Adaptive Processing，空时自适应处理)技术是相控阵机载雷达杂波抑制与目标检测的关键技术，随着雷达技术的发展，其已成为雷达技术领域的重点研究方向。
目前，STAP虽然经过了长期的研究，但现有技术大都是在假设搭载平台为水平匀速飞行和雷达阵列轴线与地面平行的前提下进行研究的，针对搭载平台的非理想运动状态和雷达更一般的阵面结构或安放状态情况的研究相对较少。而在实际情况中，搭载平台飞行状态不仅仅包括匀速水平飞行，还有俯冲飞行状态和向上飞行状态。此外，雷达阵面的安放状态也可以多样，雷达阵面可能有一定的上翻角或者下翻角，雷达阵面也可能在阵面法线方向有一定的旋转角。显然，在不同的搭载平台运动状态和雷达阵面安放状态情况下，运动雷达的杂波特性也不同，应根据杂波特性采用合适的杂波抑制方法。因此，现有技术对STAP的应用研究在一定程度上限制了平台特殊飞行状态下雷达的正常工作，也限制了STAP技术在歼击机雷达和弹载雷达中的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法，包括：
根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息；
根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域；
根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵；
采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果。
在本发明的一个实施例中，所述根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息，包括：
获取雷达系统参数；
根据所述雷达系统参数获取雷达阵面相对地面的角度信息，以得到雷达阵面的状态信息。
在本发明的一个实施例中，根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域，包括：
根据所述雷达阵面的状态信息得到在所述雷达阵面上平行于地面的直线和垂直于地面的直线；
根据所述平行于地面的直线和所述垂直于地面的直线将所述雷达阵面划分成Q个区域；其中，Q为偶数，其表示需要划分的子阵数，且满足Q≥4。
在本发明的一个实施例中，根据所述平行于地面的直线和所述垂直于地面的直线将所述雷达阵面划分成Q个区域，包括：
若Q为4的整数倍，则过所述矩形阵面的几何中心分别作一条与地面平行的直线l1和与地面垂直的直线l2；利用所述直线l1和所述直线l2将所述矩形阵面划分四个区间；在每个所述区间内作
Figure BDA0002573708630000031
条与所述直线l2平行的直线，以将对应的所述区间划分成
Figure BDA0002573708630000032
个区域，从而得到Q个区域，其中，每个所述区间内的
Figure BDA0002573708630000033
个区域的面积尽可能相等；
否则，过所述矩形阵面的几何中心作一条与地面平行的直线l1；利用与所述直线l1垂直的
Figure BDA0002573708630000034
条直线以及所述直线l1将矩形阵面划分成Q个区域，其中，每个区域的面积尽可能相等。
在本发明的一个实施例中，根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵，包括：
将落在同一个区域的阵元构成一个子阵，得到子阵划分方案；
根据所述子阵划分方案构建子阵划分矩阵。
在本发明的一个实施例中，采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果，包括：
根据所述子阵划分矩阵计算降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量；
根据所述降维后的回波数据得到降维后杂波的协方差矩阵；
根据所述降维后的主波束导向矢量和所述降维后杂波的协方差矩阵得到降维后的最优权矢量；
根据所述降维后的最优权矢量对所述回波数据进行滤波处理，得到滤波输出结果。
在本发明的一个实施例中，所述降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量的计算公式为：
Figure BDA0002573708630000041
其中，xr表示降维后的回波数据，T表示子阵划分矩阵，H表示共轭，x表示未降维时的回波数据矢量，sr0表示降维后的主波束导向矢量，s0表示未降维时的主波束导向矢量。
在本发明的一个实施例中，所述降维后杂波的协方差矩阵的表达式为：
Figure BDA0002573708630000042
其中，Rr表示降维后杂波的协方差矩阵，xr表示降维后的回波数据，R＝E[xxH]表示未降维时的杂波协方差矩阵，T表示子阵划分矩阵。
在本发明的一个实施例中，所述降维后的最优权矢量的计算公式为：
Figure BDA0002573708630000043
其中，Woptr表示降维后的最优权矢量，μr表示归一化常数，Rr表示降维后杂波的协方差矩阵，sr0表示降维后的主波束导向矢量。
在本发明的一个实施例中，所述滤波输出结果的表达式为：
Figure BDA0002573708630000044
其中，y表示滤波输出结果，Woptr表示降维后的最优权矢量，xr表示降维后的回波数据矢量。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法充分考虑到了雷达阵面状态信息，在构建子阵划分方案时不同雷达状态下的子阵方案不同，能根据当前状态给出最合适的子阵划分方案，其可应用在歼击机雷达和弹载雷达中，具有普适性；
2、本发明提供的非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法在划分子阵时，始终保持子阵与地面垂直，在子阵数一定的情况下主瓣杂波抑制性能更好，提高了整体杂波抑制性能。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法流程示意图；
图2a～2b是本发明实施例提供的Q＝8时矩形阵面的区域划分方案示意图；
图3a～3b是本发明实施例提供的Q＝6时矩形阵面的区域划分方案示意图；
图4是本发明实施例提供的仿真实验1的雷达阵面相对地面状态的示意图；
图5是本发明实施例提供的仿真实验1的子阵划分方案示意图；
图6是仿真实验1条件的下本发明的改善因子曲线和已有的等噪声功率法的改善因子对比曲线；
图7是本发明实施例提供的图6中主瓣杂波区域的局部放大图；
图8是本发明实施例提供的仿真实验2的雷达阵面相对地面状态的示意图；
图9是本发明实施例提供的仿真实验2的子阵划分方案示意图；
图10是仿真实验2条件下的本发明的改善因子曲线和已有的等噪声功率法的改善因子对比曲线；
图11是本发明实施例提供的图10中主瓣杂波区域的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法流程示意图，包括：
步骤1：根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息。
首先，获取雷达系统参数；
具体地，读入雷达搭载平台飞行速度信息和雷达阵面的安放信息。
然后，根据所述雷达系统参数获取雷达阵面相对地面的角度信息，以得到雷达阵面的状态信息。
步骤2：根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域，具体包括：
21)根据所述雷达阵面的状态信息，也即雷达阵面相对大地的角度信息得到在所述雷达阵面上平行于地面的直线和垂直于地面的直线。
22)根据所述平行于地面的直线和所述垂直于地面的直线将所述雷达阵面划分成Q个区域；其中，Q为偶数，其表示需要划分的子阵数，且满足Q≥4。具体如下：
若需要划分的区域个数Q为4的整数倍，则过矩形阵面的几何中心分别作一条与地面平行的直线l1和与地面垂直的直线l2；然后利用所述直线l1和所述直线l2将所述矩形阵面划分四个区间；在每个所述区间内作
Figure BDA0002573708630000061
条与所述直线l2平行的直线，以将对应的所述区间划分成
Figure BDA0002573708630000062
个区域，从而得到Q个区域，其中，每个所述区间内的
Figure BDA0002573708630000071
个区域的面积尽可能相等。
下面以Q＝8为例，对Q为4的整数倍时矩形阵面的区域划分进行详细说明。请参见图2a～2b，图2a～2b是本发明实施例提供的Q＝8时矩形阵面的区域划分方案示意图，其中，图2a中的直线l1和直线l2与矩形的某一条边平行，故可以将阵面划分成8个面积相等的区域。图2b中由于参与区域划分的直线不再与矩形的某一条边平行，实际操作中很难得到8个面积完全相同的区域，因此，在进行区域划分时，只能尽可能保证所得的8个区域面积相等。
进一步地，若需要划分的区域个数Q不是4的整数倍，则过所述矩形阵面的几何中心作一条与地面平行的直线l1；利用与所述直线l1垂直的
Figure BDA0002573708630000072
条直线以及所述直线l1将矩形阵面划分成Q个区域，其中，每个区域的面积尽可能相等。
下面以Q＝6为例，对Q不是4的整数倍时矩形阵面的区域划分进行详细说明。
请参见图3a～3b，图3a～3b是本发明实施例提供的Q＝6时矩形阵面的区域划分方案示意图，其中，图3a中的参与区域划分的直线l1与矩形的某一条边平行，故可以将阵面划分成6个面积相等的区域。图3b中由于参与区域划分的直线不再与矩形的某一条边平行，实际操作中很难得到6个面积完全相同的区域，因此，在进行区域划分时，只能尽可能保证所得的6个区域面积相等。
步骤3：根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵。
具体地，将落在同一个区域的阵元构成一个子阵，得到子阵划分方案；
根据所述子阵划分方案构建子阵划分矩阵，其中，子阵划分矩阵用T表示。
步骤4：采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果，具体包括：
41)根据所述子阵划分矩阵计算降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量.
具体地，降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量的计算公式为：
Figure BDA0002573708630000081
其中，xr表示降维后的回波数据，T表示子阵划分矩阵，H表示共轭，x表示未降维时的回波数据矢量，sr0表示降维后的主波束导向矢量，s0表示未降维时的主波束导向矢量。
42)根据所述降维后的回波数据得到降维后杂波的协方差矩阵，其表达式为：
Figure BDA0002573708630000082
其中，R＝E[xxH]表示未降维时的杂波协方差矩阵。
43)根据所述降维后的主波束导向矢量和所述降维后杂波的协方差矩阵得到降维后的最优权矢量。
具体地，其计算公式为：
Figure BDA0002573708630000083
Figure BDA0002573708630000084
其中，Woptr表示降维后的最优权矢量，μr表示归一化常数，Rr表示降维后杂波的协方差矩阵。
44)根据所述降维后的最优权矢量对所述回波数据进行滤波处理，得到滤波输出结果y，为：
Figure BDA0002573708630000091
本实施例提供的非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法充分考虑到了雷达阵面状态信息，在构建子阵划分方案时不同雷达状态下的子阵方案不同，能根据当前状态给出最合适的子阵划分方案，其可应用在歼击机雷达和弹载雷达中，具有普适性。
此外，本实施例在划分子阵时，始终保持子阵与地面垂直，在子阵数一定的情况下主瓣杂波抑制性能更好，提高了整体杂波抑制性能。
实施例二
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述。
1、仿真实验条件：
本次仿真实验的环境为：MATLAB 2017b,Intel(R)Xeon(R)CPU 2.20GHz,Windows7专业版。
本次仿真实验搭载平台水平匀速飞行，飞行速度大小为200m/s；雷达阵面的阵元个数为18乘24；雷达阵面的初始安装状态为前视阵，
2、仿真内容及结果分析：
仿真实验1：雷达阵面绕阵面法线方向逆时针旋转30°；
请参见图4、图5、图6和图7，图4是本发明实施例提供的仿真实验1的雷达阵面相对地面状态的示意图，其中l1是与地面平行的直线，l2是与地面垂直的直线；图5是本发明实施例提供的仿真实验1的子阵划分方案示意图，在仿真实验1的条件下，本发明根据雷达阵面相对大地的角度信息，获得的子阵划分方案，其中相同颜色的阵元属于同一个子阵；图6是仿真实验1条件的下本发明的改善因子曲线和已有的等噪声功率法的改善因子对比曲线；图7是本发明实施例提供的图6中主瓣杂波区域的局部放大图。从图6和图7中可知，本发明的改善因子曲线在主瓣杂波区的凹口更窄且凹口深度更浅，同样说明本方法在主瓣杂波区的杂波抑制性能更好一些；在旁瓣杂波区，本发明提供的方法的改善因子比等噪声功率法的改善因子大；以多普勒通道号10到50区间的改善因子均值作为旁瓣杂波区的性能指标，在旁瓣杂波区，本发明的改善因子为80.14dB，等噪声功率法的改善因子为79.17dB。本发明的方法使旁瓣杂波区的杂波抑制性能提升了0.97dB。
仿真实验2：雷达阵面绕阵面法线方向逆时针旋转90°。
请参见图8、图9、图10和图11，图8是本发明实施例提供的仿真实验2的雷达阵面相对地面状态的示意图，其中l1是与地面平行的直线，l2是与地面垂直的直线；图9是本发明实施例提供的仿真实验2的子阵划分方案示意图，在仿真实验2的条件下，本发明根据雷达阵面相对大地的角度信息，获得的子阵划分方案，其中相同颜色的阵元属于同一个子阵；图10是仿真实验2条件下的本发明的改善因子曲线和已有的等噪声功率法的改善因子对比曲线；图11是本发明实施例提供的图10中主瓣杂波区域的局部放大图。从图10和图11中可知，本发明的改善因子曲线在主瓣杂波区的凹口更窄且凹口深度更浅，同样说明本发明在主瓣杂波区的杂波抑制性能更好；在旁瓣杂波区，本发明的改善因子比等噪声功率法的改善因子大；以多普勒通道号10到50区间的改善因子均值作为旁瓣杂波区的性能指标，在旁瓣杂波区，本发明的改善因子为80.01dB，等噪声功率法的改善因子为78.9dB。本发明使旁瓣杂波区的杂波抑制性能提升了1.2dB。
实验结果表明，在子阵数目相同的情况下，本法明的子阵划分方案相比等噪声功率法的子阵划分方案有着更好的杂波抑制性能，特别在主瓣杂波区本法明的性能提升更明显。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非理想运动状态下矩形面阵的空域降维方法，其特征在于，包括：
根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息；
根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域；
根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵；
采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果。
2.根据权利要求1所述的空域降维方法，其特征在于，所述根据雷达系统参数得到雷达阵面的状态信息，包括：
获取雷达系统参数；
根据所述雷达系统参数获取雷达阵面相对地面的角度信息，以得到雷达阵面的状态信息。
3.根据权利要求1所述的空域降维方法，其特征在于，根据所述雷达阵面的状态信息将所述雷达阵面划分为若干区域，包括：
根据所述雷达阵面的状态信息得到在所述雷达阵面上平行于地面的直线和垂直于地面的直线；
根据所述平行于地面的直线和所述垂直于地面的直线将所述雷达阵面划分成Q个区域；其中，Q为偶数，其表示需要划分的子阵数，且满足Q≥4。
4.根据权利要求3所述的空域降维方法，其特征在于，根据所述平行于地面的直线和所述垂直于地面的直线将所述雷达阵面划分成Q个区域，包括：
若Q为4的整数倍，则过所述矩形阵面的几何中心分别作一条与地面平行的直线l1和与地面垂直的直线l2；利用所述直线l1和所述直线l2将所述矩形阵面划分四个区间；在每个所述区间内作
Figure FDA0002573708620000021
条与所述直线l2平行的直线，以将对应的所述区间划分成
Figure FDA0002573708620000022
个区域，从而得到Q个区域，其中，每个所述区间内的
Figure FDA0002573708620000023
个区域的面积尽可能相等；
否则，过所述矩形阵面的几何中心作一条与地面平行的直线l1；利用与所述直线l1垂直的
Figure FDA0002573708620000024
条直线以及所述直线l1将矩形阵面划分成Q个区域，其中，每个区域的面积尽可能相等。
5.根据权利要求1所述的空域降维方法，其特征在于，根据所述若干区域对所述雷达阵面进行子阵划分，得到子阵划分矩阵，包括：
将落在同一个区域的阵元构成一个子阵，得到子阵划分方案；
根据所述子阵划分方案构建子阵划分矩阵。
6.根据权利要求1所述的空域降维方法，其特征在于，采用STAP技术对所述子阵划分矩阵进行滤波处理，得到滤波输出结果，包括：
根据所述子阵划分矩阵计算降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量；
根据所述降维后的回波数据得到降维后杂波的协方差矩阵；
根据所述降维后的主波束导向矢量和所述降维后杂波的协方差矩阵得到降维后的最优权矢量；
根据所述降维后的最优权矢量对所述回波数据进行滤波处理，得到滤波输出结果。
7.根据权利要求6所述的空域降维方法，其特征在于，所述降维后的回波数据和降维后的主波束导向矢量的计算公式为：
Figure FDA0002573708620000031
其中，xr表示降维后的回波数据，T表示子阵划分矩阵，H表示共轭，x表示未降维时的回波数据矢量，sr0表示降维后的主波束导向矢量，s0表示未降维时的主波束导向矢量。
8.根据权利要求6所述的空域降维方法，其特征在于，所述降维后杂波的协方差矩阵的表达式为：
Figure FDA0002573708620000032
其中，Rr表示降维后杂波的协方差矩阵，xr表示降维后的回波数据，R＝E[xxH]表示未降维时的杂波协方差矩阵，T表示子阵划分矩阵。
9.根据权利要求6所述的空域降维方法，其特征在于，所述降维后的最优权矢量的计算公式为：
Figure FDA0002573708620000033
其中，Woptr表示降维后的最优权矢量，μr表示归一化常数，Rr表示降维后杂波的协方差矩阵，sr0表示降维后的主波束导向矢量。
10.根据权利要求6所述的空域降维方法，其特征在于，所述滤波输出结果的表达式为：
Figure FDA0002573708620000034
其中，y表示滤波输出结果，Woptr表示降维后的最优权矢量，xr表示降维后的回波数据矢量。
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