CN112731304A - 一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，步骤依次为：对弧形阵列雷达的回波信号进行距离向处理；方位角度域滤波；对运动目标进行方位向压缩，完成杂波抑制。本发明借助方位向角频率和方位向扫描角度的对应关系，通过构造相应的方位角度域滤波器，对回波进行方位角度域滤波处理，实现杂波抑制。

Description

一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及了一种弧形阵列雷达杂波抑制方法。

背景技术

弧形阵列天线通常采用频率调制连续波收发分置的等效MIMO机制快速形成弧形孔径，针对机载或车载平台附近是待探测区域进行运动目标探测。在弧形阵列天线雷达系统中，在平行于电磁波传播的方向，发射信号决定了距离向分辨率；沿弧型角度设置若干天线阵元形成弧形孔径，回波信号进行相干积累以决定方位向分辨率。该系统依靠微波高速开关实现信号的等效多发多收，不间断取得目标信息，同时弧形阵列天线受平台振动影响较小，且不依靠平台移动以实现合成孔径，适用条件较为广泛。该雷达系统具有受平台振动影响小、无需平台移动的优点。

综上所述，弧形阵列天线雷达系统能够获得相较一般线阵天线更大的观测范围，在视场观测、目标检测等方面都有优势。但是弧形阵列天线在使用过程中会受到杂波的干扰，影响阵列天线的性能，而传统的滤波方法对杂波的抑制效果并不理想。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，包括以下步骤：

(1)对弧形阵列雷达的回波信号进行距离向处理；

(2)方位角度域滤波；

(3)对运动目标进行方位向压缩，完成杂波抑制。

进一步地，在步骤(1)中，弧形阵列雷达采用调频连续波FMCW信号，其发射信号的形式如下：

上式中，S_T(t)为发射信号，f_c表示发射信号载频，K表示调频率，t表示采样时间，j为虚数单位；

对回波信号进行解调频Dechirp处理、补偿残余视频相位、距离频率替换和距离向IFFT后，得回波信号的形式如下：

上式中，S_IFFT(t,θ_n)为回波信号，θ_n为弧形阵列波束指示角，σ为目标的雷达截面积，p_r为距离向的点扩散函数，w_a为方位角度域的矩形窗函数，f为信号中心频率，c为电磁波传播速度，η为方位向时间，且

θ为方位角度域，ω为波束扫描角速度，R_mv(η)表示运动目标与弧形阵列雷达中心间的距离。

进一步地，在步骤(2)中，设弧形阵列天线波束的3dB宽度为θ_a，波束扫描范围是[-θ_b,θ_b]，天线波束指向角为θ_x∈[-θ_b,θ_b]，且位于天线波束的3dB宽度θ_a以内的目标才有雷达回波信息；

当波束指向角θ_x在扫描范围内转动时，设定方位角度域

为内角度域，符号为θ_inner；方位角度域

为外角度域，符号为θ_outer；

滤除回波信号在方位角度域中内角度域θ_inner部分的回波，保留外角度域θ_outer中包含运动目标信息的回波信号，方位角度域滤波过程如下：

其中，θ_clutter为静止目标相对弧形阵列雷达中心的角度。

进一步地，在步骤(3)中，对运动目标进行方位向压缩，使得运动目标落入斜距为R₀、方位角为θ_clutter的成像单元内，该成像单元相对于每个波束扫描角对应的天线阵元的距离如下：

其中，R_arc为阵列弧半径；

设置滤波函数为exp

方位向压缩表示为将方位角度域滤波后的回波信号与滤波函数的相位相乘，其过程如下：

采用上述技术方案带来的有益效果：

弧形阵列雷达具有特殊的结构，建立方位向角频率与方位向扫描角度之间的对应关系，其方位向角频率带宽决定了弧形阵列雷达的方位向分辨能力。本发明借助方位向角频率和方位向扫描角度的对应关系，通过构造相应的方位角度域滤波器，对回波进行方位角度域滤波处理，实现杂波抑制。仿真结果验证了本发明的可行性和有效性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是弧形阵列天线波束扫描示意图；

图3是实施例中接收回波信号仿真图；

图4是实施例中未经杂波抑制处理的目标情况图；

图5是实施例中未经杂波抑制处理的目标情况(方位向FFT)图；

图6是实施例中频域滤波结果图；

图7是实施例中频域滤波结果(方位向FFT)图；

图8是实施例中方位角度域滤波结果图；

图9是实施例中方位角度域滤波结果(方位向FFT)图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，如图1所示，步骤如下：

步骤1：对弧形阵列雷达的回波信号进行距离向处理；

步骤2：方位角度域滤波；

步骤3：对运动目标进行方位向压缩，完成杂波抑制。

每个步骤的具体实现过程如下：

1、回波信号距离向处理

弧形阵列雷达采用调频连续波FMCW信号，发射信号为：

其中，f_c表示发射信号载频，K表示调频率，t表示采样时间。

经过解调频Dechirp处理、补偿残余视频相位、距离频率替换、距离向IFFT后，回波信号的形式如下：

其中，θ_n为弧形阵列波束指示角，σ为目标的雷达截面积RCS，p_r为距离向的点扩散函数，w_a为方位角度域的矩形窗函数，f为信号中心频率，c为电磁波传播速度，η为方位向时间，且

θ为方位角度域，ω为波束扫描角速度，R_mv(η)表示运动目标与弧形阵列雷达中心间的距离。

假设某静止目标(可产生杂波)成像单元与雷达弧形阵列中心间的距离由R_clutter(η)表示，有：

其中，R_arc为阵列弧半径，R₀和θ_clutter分别为静止目标相对雷达弧形阵列中心的距离和角度。

2、方位角度域滤波

杂波的相位历程可以表示为：

杂波方位角度对应的方位角频率ρ_clutter可以表示为：

如图2所示，弧形阵列天线波束的3dB宽度为θ_a，波束扫描范围是在[-θ_b,θ_b]之间，设天线波束指向角为θ_x∈[-θ_b,θ_b]，且位于天线波束的3dB宽度θ_a以内的目标才有雷达回波信息。

因此，当波束指向角θ_x在扫描范围内转动时，设定方位角度域

为内角度域，符号为θ_inner。而方位角度域

为外角度域，符号为θ_outer。定义全角度域，符号为θ_all，相关表达式如下：

θ_all＝θ_inner+θ_outer

弧形阵列系统方位向采用等角度采样，假设方位波束指向角θ_x从-θ_b到θ_b之间扫描时对应的方位向采样点数为N_a，则方位向的角度采样间隔可以表示为

沿着方位向角度采样进行FFT处理，杂波谱的谱宽可以表示为

若要避免杂波谱混叠、抑制静止目标产生的杂波，应滤除回波信号在方位角度域中内角度域θ_inner部分的回波，保留外角度域θ_outer中包含运动目标信息的回波信号，角度域滤波过程如下：

3、方位向压缩

对运动目标进行方位向压缩，可以使得运动目标落入斜距为R₀、方位角为θ_clutter的成像单元内。该成像单元相对于每个波束扫描角对应的天线阵元的距离，可以计算为：

由此，本方法设置滤波函数为

方位向压缩可表示为将方位角度域滤波后的回波信号与滤波函数的相位相乘，匹配过程如下：

完成以上步骤，可获得较好的杂波抑制效果。

以下参照上述步骤，通过建立MATLAB软件仿真模型以验证发明的有效性，具体的检测仿真系统参数如表1。

表1检测仿真系统参数

为展现滤波算法的杂波抑制效果，布置6个运动点目标和1个静止点目标用于回波仿真，目标参数如表2。

表2点目标仿真参数

注：(1)4号点目标为预设静止目标，产生杂波信号；(2)在弧形阵列机载雷达系统中，运动目标切向速度v_q对聚焦效果影响微小，同时也基本不会引起运动目标散焦，为便于仿真，设置目标切向速度v_q均为0m/s。

首先进行步骤1，回波信号距离向处理，回波仿真如图3所示。将信号进行匹配滤波处理，可观察全角度域θ_all中、没有经过任何杂波抑制处理的目标情况，如图4、图5所示。

(1)常规频域滤波法

对回波信号进行方位向傅里叶变化后，将信号输入频域滤波器，滤除方位向角度频率

部分的回波，保留

区域中包含运动目标信息的频域回波信号。

将频域滤波后的信号进行傅里叶逆变换，恢复为方位向时域信号。将信号进行方位向压缩处理，可观测该方法的杂波抑制效果，如图6、图7所示。

将图6与图4对比可知，频域滤波后，杂波(4号点目标)信号能量衰减显著，分析信号数据可得，杂波能量衰减约为38.27dB。

(2)本发明方位向角度域滤波法

进行步骤2，滤除回波信号在方位角度域中内角度域θ_inner部分的回波，保留外角度域θ_outer中包含运动目标信息的回波信号。

之后，进行步骤3，将信号进行方位向压缩处理，观测该方法的杂波抑制效果。以上两个步骤的计算过程如下：

观测方位向角度域滤波后的杂波抑制效果如图8、图9所示。

对比图8与图4分析可知，该算法对于杂波(4号点目标)的抑制效果较好，分析信号数据可得，杂波能量衰减约为35.20dB，本发明的有效性和可行性得到验证。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对弧形阵列雷达的回波信号进行距离向处理；

(2)方位角度域滤波；

(3)对运动目标进行方位向压缩，完成杂波抑制。

2.根据权利要求1所述基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，其特征在于，在步骤(1)中，弧形阵列雷达采用调频连续波FMCW信号，其发射信号的形式如下：

上式中，S_T(t)为发射信号，f_c表示发射信号载频，K表示调频率，t表示采样时间，j为虚数单位；

对回波信号进行解调频Dechirp处理、补偿残余视频相位、距离频率替换和距离向IFFT后，得回波信号的形式如下：

上式中，S_IFFT(t,θ_n)为回波信号，θ_n为弧形阵列波束指示角，σ为目标的雷达截面积，p_r为距离向的点扩散函数，w_a为方位角度域的矩形窗函数，f为信号中心频率，c为电磁波传播速度，η为方位向时间，且

θ为方位角度域，ω为波束扫描角速度，R_mv(η)表示运动目标与弧形阵列雷达中心间的距离。

3.根据权利要求2所述基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，其特征在于，在步骤(2)中，设弧形阵列天线波束的3dB宽度为θ_a，波束扫描范围是[-θ_b,θ_b]，天线波束指向角为θ_x∈[-θ_b,θ_b]，且位于天线波束的3dB宽度θ_a以内的目标才有雷达回波信息；

当波束指向角θ_x在扫描范围内转动时，设定方位角度域

为内角度域，符号为θ_inner；方位角度域

为外角度域，符号为θ_outer；

滤除回波信号在方位角度域中内角度域θ_inner部分的回波，保留外角度域θ_outer中包含运动目标信息的回波信号，方位角度域滤波过程如下：

其中，θ_clutter为静止目标相对弧形阵列雷达中心的角度。

4.根据权利要求3所述基于方位角度域滤波的弧形阵列雷达杂波抑制方法，其特征在于，在步骤(3)中，对运动目标进行方位向压缩，使得运动目标落入斜距为R₀、方位角为θ_clutter的成像单元内，该成像单元相对于每个波束扫描角对应的天线阵元的距离如下：

其中，R_arc为阵列弧半径；

设置滤波函数为

方位向压缩表示为将方位角度域滤波后的回波信号与滤波函数的相位相乘，其过程如下：

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