CN112835002B - 一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法及系统；该方法包括：构建海杂波几何模型并获取载机参数；根据海杂波几何模型，计算海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；根据海杂波波束指向单位矢量计算阵元增益矢量，并求取阵元增益矢量与第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到第二海杂波空域导向矢量；根据海杂波波束指向单位矢量和载机参数计算海杂波时域导向矢量，并求取海杂波时域导向矢量和第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到海杂波空时导向矢量；根据海杂波空时导向矢量得到海杂波采样协方差矩阵；根据海杂波采样协方差矩阵得到海杂波分析结果：本发明将海杂波影响考虑在内，获得了精确的海杂波分析结果。

Description

一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达空时自适应处理技术领域，特别涉及一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法及系统。

背景技术

海洋是我国国土的重要组成部分，采用机载下视雷达进行对海监视显得至关重要。共形阵结构的雷达天线因其能够显著减小载机的负荷、减小空气阻力、以及产生相对较大的有效孔径等优点，在机载下视雷达中被广泛应用。当机载下视雷达对海工作时，产生的强海杂波往往会将动目标淹没，从而导致动目标不能被有效检测。

文献“Zhihui Xin,Guisheng Liao,Zhiwei Yang,Yuhong Zhang,and HongxingDang,A Deterministic Sea Clutter Space Time Model Based on Physical SeaSurface[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.2016,54(11)”研究发现：海杂波的波动性会导致海杂波谱发生一定程度的展宽，海况越高，杂波谱展宽越严重，从而将动目标湮没在杂波中。Zatman、Lapierre等人对共形阵几何结构引入的杂波距离依赖性进行了详细的分析，分析结果表明：共形阵的几何结构引起了杂波谱很大程度的展宽。可见，导致动目标不能被有效检测的原因，一方面源于海杂波区别于地杂波的时变性，另一方面则源于共形阵复杂的几何结构导致共形相控阵雷达的波束及杂波特性不同于常规的线性阵列。

目前，在雷达空时自适应处理技术领域中，R K.Hersey通过比较安装在不同部位的共形阵几何结构(如机头、机翼)的杂波特性，利用方位-俯仰-多普勒三维信息进行杂波补偿。文献“Ke Sun,Huadong Meng,Xiqin Wang.Conformal-arraySTAP using sparserepresentation.2011IEEE Radar Conference[C]”提出了一种针对圆柱共形阵结构，将基于杂波谱配准的补偿与稀疏表示相结合，从而产生平稳的杂波样本的方案，能够一定程度上提高信杂比(Signal-to-Clutter Ratio，SCR)。

然而，上述方案仅给出了如何对共形阵杂波谱进行补偿的思路，而并没有考虑实际的海杂波对共形阵杂波谱的影响；因此，上述方案成果对于后续实现动目标检测所给出的参考价值也十分有限。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第二方面，本发明提供了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法，所述共形阵雷达为机身圆台共形阵雷达，所述方法包括：

构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取所述共形阵雷达的载机参数；

根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；

根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取所述阵元增益矢量与所述第一海杂波空域导向矢量的哈达玛(Hadamard)积，得到所述共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量；

根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取所述海杂波时域导向矢量和所述第二海杂波空域导向矢量的克罗内克(Kronecker)积，得到所述共形阵雷达的海杂波空时导向矢量；

根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果。

优选地，所述根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量，包括：

根据所述海杂波几何模型，利用第一公式计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量，并利用第二公式计算所述共形阵雷达中各个阵元的位置坐标；

根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述各个阵元的位置坐标，利用第三公式计算所述共形阵雷达的第一海杂波空域导向矢量；

所述第一公式为：

其中，K(θ,φ)为所述海杂波波束指向单位矢量，θ为所述海杂波几何模型的海杂波俯仰角，为所述海杂波几何模型的海杂波方位角，上标T代表矩阵转置；

所述第二公式为：

其中，m＝n₁×n₂＝{1,2,…,M}，n₁∈{1,2,…,N₁,}，n₂∈{1,2,…,N₂}；M为所述共形阵雷达的阵元总个数，且M＝N₁×N₂，N₁为所述共形阵雷达的阵元分布的圆弧层数，N₂为每层所述圆弧包含的阵元个数，r表示第n₁层所述圆弧的半径，δ为所述圆台的圆心角，h为所述圆台的高；为所述共形阵雷达中的第m个阵元的位置坐标；

所述第三公式为：

其中，λ为所述共形阵雷达收发的电磁波的波长，j为虚部符号，e为自然底数，为所述第一海杂波空域导向矢量。

优选地，根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，包括：

根据所述共形阵雷达中各个阵元的安装指向与所述海杂波波束指向单位矢量之间的夹角，利用第四公式计算所述共形阵雷达中每个阵元的阵元增益，得到所述共形阵雷达的阵元增益矢量；

所述第四公式为：

其中，α_m为所述共形阵雷达中的第m个阵元的安装指向与所述海杂波波束指向单位矢量之间的夹角；g₀为所述共形阵雷达中的M个阵元的阵元增益峰值，g_b为所述共形阵雷达中M个阵元的阵元增益后向衰减系数，θ_null为所述海杂波几何模型的两个第一零点间的主瓣宽度；为所述共形阵雷达中的第m个阵元的阵元增益。

优选地，根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，包括：

根据所述载机参数中的脉冲重复频率、速度矢量、单个相干积累时间CPI内的脉冲个数以及所述海杂波波束指向单位矢量，利用第五公式计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量；

所述第五公式为：

其中，为所述海杂波时域导向矢量，/>为所述速度矢量，f_r为所述脉冲重复频率，k∈{0,1,…,K}，K为所述单个相干积累时间CPI内的脉冲个数。

优选地，根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵，包括：

根据所述海杂波空时导向矢量，利用第六公式计算所述共形阵雷达的L＝2MK个距离环的海杂波回波数据；

以各个所述距离环的海杂波回波数据为训练样本，构建协方差矩阵；

根据所述海杂波空时导向矢量和所述载机参数中的相关参数，利用第七公式构建海杂波去相关矩阵；

求取所述协方差矩阵和所述海杂波去相关矩阵的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

所述第六公式为：

其中，l∈{1,2,…,L}，所述共形阵雷达的海杂波位于L个所述距离环上；为所述共形阵雷达的第l个距离环上的散射单元的散射系数，/>为所述海杂波空时导向矢量中，对应于所述共形阵雷达的第l个距离环的元素，n代表高斯白噪声，x_l为所述共形阵雷达的第l个距离环的所述海杂波回波数据；

所述第七公式为：

其中，A_c为所述海杂波去相关矩阵，I_S为空域全1矩阵， 为求克罗内克积的符号，A_T为所述共形阵雷达的海杂波时间去相关矩阵，

A_T的表达式中，PRT为所述相关参数中的脉冲重复周期，σ_v为所述相关参数中的速度分布均方根；λ为所述共形阵雷达收发的电磁波的波长，且λ属于所述相关参数。

优选地，根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果，包括：

根据所述海杂波采样协方差矩阵，对所述共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解，得到所述共形阵雷达的海杂波特征谱；

根据所述海杂波采样协方差矩阵，利用第八公式计算所述共形阵雷达的海杂波实际增益权；

根据所述海杂波实际增益权和所述海杂波采样协方差矩阵，利用第九公式计算所述共形阵雷达的海杂波实际增益功率；

所述第八公式为：

其中，w为所述海杂波实际增益权；为所述共形阵雷达的海杂波多普勒增益空时导向矢量，/> f_d为所述共形阵雷达的海杂波归一化多普勒频率；v_s为所述第二海杂波空域导向矢量，上标H代表共轭转置，/>为所述海杂波采样协方差矩阵，/>为/>的逆矩阵；

所述第九公式为：

其中，P为所述海杂波实际增益功率。

优选地，所述方法还包括：

响应于海况变化，调整所述速度分布均方根σ_v，以重新计算所述海杂波实际增益权、所述海杂波实际增益功率，以及重新对所述共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解得到新的海杂波特征谱。

优选地，所述方法还包括：

在得到所述海杂波实际增益权之后，基于所述海杂波实际增益权、所述海杂波空时导向矢量以及所述海杂波采样协方差矩阵，利用第十公式计算所述共形阵雷达的海杂波抑制SCNR loss；

所述第十公式为：

其中，SCNR_out为所述共形阵雷达的信号杂波噪声比，SNR_opt为所述共形阵雷达的信号噪声比；为噪声功率，s_s-t为所述海杂波空时导向矢量，R为所述共形阵雷达的真实协方差矩阵。

第二方面，本发明实施例提供了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析系统，所述共形阵雷达为机身圆台共形阵雷达，所述系统包括：

初始模块，用于构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取所述共形阵雷达的载机参数；

第一计算模块，用于根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；

第二计算模块，用于根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取所述阵元增益矢量与所述第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量；

第三计算模块，用于根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取所述海杂波时域导向矢量和所述第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到所述共形阵雷达的海杂波空时导向矢量；

协方差矩阵获取模块，用于根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

分析模块，用于根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果。

本发明提供的应用于共形阵雷达的海杂波分析方法中，根据海杂波几何模型和海杂波波束指向单位矢量，计算出考虑了阵元增益的第二海杂波空域导向矢量；基于该第二海杂波空域导向矢量，计算出共形阵雷达的海杂波空时导向矢量，并基于该海杂波空时导向矢量得到共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵，从而能够基于该海杂波采样协方差矩阵得到共形阵雷达的海杂波分析结果。在这个过程中，本发明考虑了增益权，将海杂波本身的影响考虑在内，为工程实践中共形阵雷达的海杂波分析及抑制提供了有效的参考，对于后续获取更为精确的动目标检测也具有更高的参考价值。

以下将结合附图及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应用于共形阵雷达的海杂波分析方法的流程图；

图2是本发明实施例中共形阵雷达的海杂波几何模型的示意图；

图3(a)为利用本发明实施例提供的海杂波分析方法所得到的2级海况下的海杂波特征谱；

图3(b)为利用本发明实施例提供的海杂波分析方法所得到的4级海况下的海杂波特征谱；

图4(a)为现有技术中2级海况下的传统最小方差谱；

图4(b)为现有技术中4级海况下的传统最小方差谱；

图5(a)表示本发明实施例中获得的2级海况下的增益谱；图5(b)本发明实施例中获得的4级海况下的增益谱；

图6示出了本发明实施例和现有技术的海杂波抑制SCNR loss的仿真对比结果；

图7是本发明实施例提供的一种应用于共形阵雷达的海杂波分析系统的框图。

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。

为了获得更为精确的、对后续实现动目标检测具有更高参考价值的海杂波分析结果，本发明实施例提供了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法；其中，该共形阵雷达为机身圆台共形阵雷达；参见图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取该共形阵雷达的载机参数。

图2示出了一个机身圆台共形阵雷达的海杂波几何模型；该海杂波几何模型中，a₁表示机身圆台共形阵雷达的较大圆弧半径，a₂表示机身圆台共形阵雷达的较小圆弧半径，δ表示机身圆台共形阵雷达的圆心角，h表示机身圆台共形阵雷达的高，V表示机身圆台共形阵雷达所在载机的飞行速度，表示海杂波俯仰角为θ、海杂波方位角为/>处的机身圆台共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量。

该步骤S1中，获取的共形阵雷达的载机参数可以包括共形阵雷达的脉冲重复频率、速度矢量、单个相干积累时间CPI内的脉冲个数等多个参数。后续在使用到这些载机参数时会相应进行说明。

S2：根据该海杂波几何模型，计算共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量。

具体的，该步骤S2可以包括下述多个子步骤：

S2-1：根据该海杂波几何模型，利用第一公式计算共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量，并利用第二公式计算共形阵雷达中各个阵元的位置坐标。

其中，该第一公式为：

该第一公式中，K(θ,φ)为计算的海杂波波束指向单位矢量，θ为上述的海杂波俯仰角，为上述的海杂波方位角，上标T代表矩阵转置。

另外，该子步骤中所使用的第二公式为：

该第二公式中，为共形阵雷达中的第m个阵元的位置坐标，m＝n₁×n₂＝{1,2,…,M}，n₁∈{1,2,…,N₁,}，n₂∈{1,2,…,N₂}；M为共形阵雷达的阵元总个数，且M＝N₁×N₂，N₁为共形阵雷达的阵元分布的圆弧层数，N₂为每层圆弧包含的阵元个数，r表示第n₁层圆弧的半径，δ为上述的圆心角，h为上述的圆台的高。

可以理解的是，本发明实施例中将机身圆台划分为N₁层圆弧，每个圆弧中分别有N₂个阵元。

S2-2：根据海杂波波束指向单位矢量和各个阵元的位置坐标，利用第三公式计算共形阵雷达的第一海杂波空域导向矢量。

其中，该第三公式为：

该第三公式中，λ为共形阵雷达收发的电磁波的波长，j为虚部符号，e为自然底数，K(θ,φ)为上述的海杂波波束指向单位矢量，和/>分别为m取1和M时的/> 为计算得到的第一海杂波空域导向矢量。

可以理解的是，该子步骤中所计算的第一海杂波空域导向矢量，是没有将阵元增益考虑在内的海杂波空域导向矢量。

S3：根据海杂波几何模型和海杂波波束指向单位矢量，计算共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取该阵元增益矢量与第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量。

其中，根据海杂波几何模型和海杂波波束指向单位矢量，计算共形阵雷达的阵元增益矢量，可以具体包括：

根据共形阵雷达中各个阵元的安装指向与海杂波波束指向单位矢量之间的夹角，利用第四公式计算共形阵雷达中每个阵元的阵元增益，得到共形阵雷达的阵元增益矢量。

该第四公式为：

其中，α_m为共形阵雷达中的第m个阵元的安装指向与海杂波波束指向单位矢量之间的夹角；g₀为共形阵雷达中的M个阵元的阵元增益峰值；g_b为共形阵雷达中M个阵元的阵元增益后向衰减系数；θ_null为海杂波几何模型的两个第一零点间的主瓣宽度，这里说的第一零点指的是电磁波波束的方向图中靠近原点两侧的第一个零点；为共形阵雷达中的第m个阵元的阵元增益，M个阵元的的阵元增益，即构成共形阵雷达的阵元增益矢量。

另外，共形阵雷达中各个阵元的安装指向与海杂波波束指向单位矢量之间的夹角可以通过下述公式计算获得：

该公式中，K(θ,φ)为上述的海杂波波束指向单位矢量，n_m为共形阵雷达中第m个阵元的阵元安装指向。

可以理解的是，该步骤中将未考虑阵元增益的第一海杂波空域导向矢量与阵元增益矢量求取哈达玛积后，得到的第二海杂波空域导向矢量是将阵元增益考虑在内的海杂波空域导向矢量。

S4：根据海杂波波束指向单位矢量和所获取的载机参数，计算共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取该海杂波时域导向矢量和第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到共形阵雷达的海杂波空时导向矢量。

具体的，根据载机参数中的脉冲重复频率、速度矢量、单个相干积累时间CPI内的脉冲个数以及海杂波波束指向单位矢量，利用第五公式计算共形阵雷达的海杂波时域导向矢量。

其中，该第五公式为：

该第五公式中，为上述的速度矢量，f_r为上述的脉冲重复频率，k∈{0,1,…,K}，K为上述的单个相干积累时间CPI内的脉冲个数；j为虚部符号，e为自然底数，λ为共形阵雷达收发的电磁波的波长，K(θ,φ)为上述的海杂波波束指向单位矢量，/>为计算得到的海杂波时域导向矢量。

S5：根据海杂波空时导向矢量，得到共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵。

具体的，该步骤S5可以包括下述的多个子步骤：

S5-1：根据海杂波空时导向矢量，利用第六公式计算共形阵雷达的L＝2MK个距离环的海杂波回波数据。

其中，M为共形阵雷达的阵元总个数，K为上述的单个相干积累时间CPI内的脉冲个数；距离环是以共形阵雷达所在位置在地面上的投影点为圆心，并以一定距离为半径的圆环，该步骤中一共需要计算L个距离环的海杂波回波数据，每个距离环上都有海杂波散射单元，图2中在杂波散射体附近示出了2个距离环的部分轨迹。

该子步骤中所使用的第六公式为：

其中，l∈{1,2,…,L}，共形阵雷达的海杂波位于L个距离环上；为共形阵雷达的第l个距离环上的海杂波散射单元的散射系数，/>为海杂波空时导向矢量中，对应于共形阵雷达的第l个距离环的元素，n代表高斯白噪声，x_l为计算得到的共形阵雷达的第l个距离环的海杂波回波数据。

S5-1：以各个距离环的海杂波回波数据为训练样本，构建协方差矩阵。

具体的，以各个距离环的海杂波回波数据为训练样本，通过下述公式计算协方差矩阵：

其中，x_l为计算得到的共形阵雷达的第l个距离环的海杂波回波数据，L为训练样本个数，且L＝2MK，M和K的含义参见步骤S5-1，x_l的上标H表示共轭转置，为计算得到的协方差矩阵。

S5-1：根据海杂波空时导向矢量和载机参数中的相关参数，利用第七公式构建海杂波去相关矩阵。

其中，该第七公式为：其中，A_c为构建得到的海杂波去相关矩阵；/>为求克罗内克积的符号；I_S为空域全1矩阵，/>A_T为共形阵雷达的海杂波时间去相关矩阵，可通过预先构建获得，该海杂波时间去相关矩阵具体可以表示为：

该海杂波时间去相关矩阵的表达式中，PRT为相关参数中的脉冲重复周期，且σ_v为相关参数中的速度分布均方根，λ为相关参数中的共形阵雷达收发的电磁波的波长，e为自然底数。

S5-1：求取协方差矩阵和海杂波去相关矩阵的哈达玛积，得到共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵。

至此，得到了共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵，便可以基于该海杂波采样协方差矩阵进一步获取共形阵雷达的海杂波分析结果，具体参见下述的步骤S6。

S6：根据海杂波采样协方差矩阵，得到共形阵雷达的海杂波分析结果。

具体的，该步骤S6可以包括下述的多个子步骤：

S6-1：根据海杂波采样协方差矩阵，对共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解，得到共形阵雷达的海杂波特征谱。

其中，特征分解是常用数学工具，具体作用是得到不同特征值及其对应的特征矢量。这样，对共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解，便可以将不同多普勒的特征值大小表示出来，从而得到共形阵雷达的海杂波特征谱。

S6-2：根据海杂波采样协方差矩阵，利用第八公式计算共形阵雷达的海杂波实际增益权。

其中，该第八公式为：

该第八公式中，w为计算得到的海杂波实际增益权；为共形阵雷达的海杂波多普勒增益空时导向矢量，且/> f_d为共形阵雷达的海杂波归一化多普勒频率；v_s为上述的第二海杂波空域导向矢量，上标H代表共轭转置，/>为上述的海杂波采样协方差矩阵，/>为/>的逆矩阵。

S6-3：根据海杂波实际增益权和海杂波采样协方差矩阵，利用第九公式计算共形阵雷达的海杂波实际增益功率。

其中，该第九公式为：

该第九公式中，P为计算得到的海杂波实际增益功率，w为上述的海杂波实际增益权，上标H代表共轭转置，为上述的海杂波采样协方差矩阵。

可以理解的是，上述的海杂波特征谱、海杂波实际增益权以及海杂波实际增益功率均属于海杂波分析结果；在实际应用中，可以根据需求选择性地执行S6-1至S6-3中的任意几个子步骤，从而得到想要的海杂波分析结果。

本发明提供的应用于共形阵雷达的海杂波分析方法中，根据海杂波几何模型和海杂波波束指向单位矢量，计算出考虑了阵元增益的第二海杂波空域导向矢量；基于该第二海杂波空域导向矢量，计算出共形阵雷达的海杂波空时导向矢量，并基于该海杂波空时导向矢量得到共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵，从而能够基于该海杂波采样协方差矩阵得到共形阵雷达的海杂波分析结果。在这个过程中，本发明考虑了增益权处理的结果，将海杂波本身的影响考虑在内，为工程实践中共形阵雷达的海杂波分析及抑制提供了有效的参考，对于后续获取更为精确的动目标检测也具有更高的参考价值。

可选地，在一种实现方式中，本发明实施例提供的海杂波分析方法还可以包括：

响应于海况变化，调整速度分布均方根σ_v，以重新计算海杂波实际增益权、海杂波实际增益功率，以及重新对共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解得到新的海杂波特征谱。

在实际应用中，海况越高，可以将速度分布均方根σ_v调整得越大。

可选地，在一种实现方式中，本发明实施例提供的海杂波分析方法还可以包括：

在得到海杂波实际增益权之后，基于该海杂波实际增益权、上述的海杂波空时导向矢量以及上述的海杂波采样协方差矩阵，利用第十公式计算共形阵雷达的海杂波抑制SCNRloss(signal-to-clutter-noise ratio loss，信号杂波噪声比损失)。

该第十公式为：

其中，SCNR_out为共形阵雷达的信号杂波噪声比，SNR_opt为共形阵雷达的信号噪声比；为噪声功率，s_s-t为上述的海杂波空时导向矢量；R为共形阵雷达的真实协方差矩阵，在实际应用中，真实协方差矩阵R是未知的，可以用海杂波采样协方差矩阵/>来代替。

可选地，为了对比现有的海杂波传统SMI(Sample Matrix Inverse，采样协方差矩阵求逆)权与本发明实施例获得的海杂波实际增益权的区别，可以根据上述的海杂波采样协方差矩阵，利用第十一公式计算海杂波传统SMI权；该第十一公式为：

/>

其中，w'为计算得到的海杂波传统SMI权；为共形阵雷达的海杂波多普勒传统空时导向矢量，且/> f_d为共形阵雷达的海杂波归一化多普勒频率，s_s为上述的第一海杂波空域导向矢量/>的简写，上标H代表共轭转置，/>为上述的海杂波采样协方差矩阵。

另外，基于所计算出的海杂波传统SMI权，还可以进一步计算现有的海杂波传统最小方差功率，从而将其与本发明实施例获得的海杂波实际增益功率进行对比；具体的，可以根据海杂波传统SMI权和海杂波采样协方差矩阵，利用第十二公式计算共形阵雷达的海杂波传统最小方差功率；该第十二公式为：

其中，P'为计算得到的海杂波传统最小方差功率，w'为上述的海杂波传统SMI权，上标H同样代表共轭转置。

下面对本发明实施例提供的海杂波分析方法的分析效果采用仿真验证数据进行说明。其中，仿真过程中所使用到的参数参见如下：

仿真结果参见图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)、图5(a)、图5(b)以及图6所示。其中，

图3(a)为利用本发明实施例提供的海杂波分析方法所得到的2级海况下的海杂波特征谱；图3(b)为利用本发明实施例提供的海杂波分析方法所得到的4级海况下的海杂波特征谱；图3(a)和图3(b)中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示特征值大小，不同曲线分别表示不同的特征值的分布情况。

基于图3(a)和图3(b)可见，不同海况下，共形阵雷达的海杂波的特征值分布情况相似，大特征值的数目明显增加。这里，不同海况下特征值分布情况的相似性表明，共形阵雷达的非线性结构导致杂波自由度明显增大，而海杂波本身的运动性导致的自由度的扩展已然不明显。

图4(a)为现有技术中2级海况下的传统最小方差谱；图4(b)为现有技术中4级海况下的传统最小方差谱；图4(a)和图4(b)中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示空间锥角余弦cosψ，

基于图4(a)和图4(b)可见，随着海况的增加，机身圆台共形阵雷达的海杂波的传统最小方差谱展宽增加，且两种海况下杂波谱的展宽均很严重，甚至不能形成连续二位谱线。

图5(a)表示本发明实施例中获得的2级海况下的增益谱；图5(b)本发明实施例中获得的4级海况下的增益谱；图5(a)和图5(b)中，横坐标表示多普勒频率，纵坐标表示空间锥角余弦cosψ，

基于图5(a)和图5(b)可见，随着海况的增加，机身圆台共形阵雷达的海杂波的增益谱展宽增加,与图4(a)和图4(b)对比可见，本发明实施例中考虑了增益权对海杂波谱有很好的改善作用，可以有效提高海面目标的检测能力。

图6示出了本发明实施例和现有技术的海杂波抑制SCNR loss的仿真对比结果；其中，2级传统权和4级传统权均为现有技术的海杂波抑制SCNR loss，4级增益权和2级增益权均为本发明实施例的海杂波抑制SCNR loss；所谓的2级和4级均为海况。对比可见，本发明实施例的海杂波抑制SCNR loss显著较低。

相应于上述的应用于共形阵雷达的海杂波分析方法，本发明实施例还提供了一种应用于共形阵雷达的海杂波分析系统；该系统可以应用于电子设备中。在实际应用中，该电子设备可以是计算机或雷达中的相关模块。参见图7所示，该系统包括：

初始模块701，用于构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取共形阵雷达的载机参数；

第一计算模块702，用于根据海杂波几何模型，计算共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；

第二计算模块703，用于根据海杂波几何模型和海杂波波束指向单位矢量，计算共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取阵元增益矢量与第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量；

第三计算模块704，用于根据海杂波波束指向单位矢量和载机参数，计算共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取海杂波时域导向矢量和第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到共形阵雷达的海杂波空时导向矢量；

协方差矩阵获取模块705，用于根据海杂波空时导向矢量，得到共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

分析模块706，用于根据海杂波采样协方差矩阵，得到共形阵雷达的海杂波分析结果。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质。在该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述任一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法所述的方法步骤。

可选地，该计算机可读存储介质可以为非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如为至少一个磁盘存储器。

可选的，所述计算机可读存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

在本发明的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法所述的方法步骤。

需要说明的是，对于系统/存储介质/计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

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 (8)

1.一种应用于共形阵雷达的海杂波分析方法，其特征在于，所述共形阵雷达为机身圆台共形阵雷达，所述方法包括：

构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取所述共形阵雷达的载机参数；

根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；

根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取所述阵元增益矢量与所述第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量；

根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取所述海杂波时域导向矢量和所述第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到所述共形阵雷达的海杂波空时导向矢量；

根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果；

其中，根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵，包括：

根据所述海杂波空时导向矢量，利用第六公式计算所述共形阵雷达的L＝2MK个距离环的海杂波回波数据；其中，M为所述共形阵雷达的阵元总个数；K为单个相干积累时间CPI内的脉冲个数；

以各个所述距离环的海杂波回波数据为训练样本，构建协方差矩阵；

根据所述海杂波空时导向矢量和所述载机参数中的相关参数，利用第七公式构建海杂波去相关矩阵；

求取所述协方差矩阵和所述海杂波去相关矩阵的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

所述第六公式为：

其中，l∈{1,2,…,L}，所述共形阵雷达的海杂波位于L个所述距离环上；为所述共形阵雷达的第l个距离环上的散射单元的散射系数，/>为所述海杂波空时导向矢量中，对应于所述共形阵雷达的第l个距离环的元素，n代表高斯白噪声，x_l为所述共形阵雷达的第l个距离环的所述海杂波回波数据；

所述第七公式为：

其中，A_c为所述海杂波去相关矩阵，I_S为空域全1矩阵， 为求克罗内克积的符号，A_T为所述共形阵雷达的海杂波时间去相关矩阵，

A_T的表达式中，PRT为所述相关参数中的脉冲重复周期，/>f_r为脉冲重复频率；σ_v为所述相关参数中的速度分布均方根；λ为所述共形阵雷达收发的电磁波的波长，且λ属于所述相关参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量，包括：

根据所述海杂波几何模型，利用第一公式计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量，并利用第二公式计算所述共形阵雷达中各个阵元的位置坐标；

根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述各个阵元的位置坐标，利用第三公式计算所述共形阵雷达的第一海杂波空域导向矢量；

所述第一公式为：

其中，K(θ,φ)为所述海杂波波束指向单位矢量，θ为所述海杂波几何模型的海杂波俯仰角，为所述海杂波几何模型的海杂波方位角，上标T代表矩阵转置；

所述第二公式为：

其中，m＝n₁×n₂＝{1,2,…,M}，n₁∈{1,2,…,N₁,}，n₂∈{1,2,…,N₂}；M为所述共形阵雷达的阵元总个数，且M＝N₁×N₂，N₁为所述共形阵雷达的阵元分布的圆弧层数，N₂为每层所述圆弧包含的阵元个数，r表示第n₁层所述圆弧的半径，δ为所述圆台的圆心角，h为所述圆台的高；为所述共形阵雷达中的第m个阵元的位置坐标；

所述第三公式为：

其中，λ为所述共形阵雷达收发的电磁波的波长，j为虚部符号，e为自然底数，为所述第一海杂波空域导向矢量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，包括：

根据所述共形阵雷达中各个阵元的安装指向与所述海杂波波束指向单位矢量之间的夹角，利用第四公式计算所述共形阵雷达中每个阵元的阵元增益，得到所述共形阵雷达的阵元增益矢量；

所述第四公式为：

其中，α_m为所述共形阵雷达中的第m个阵元的安装指向与所述海杂波波束指向单位矢量之间的夹角；g₀为所述共形阵雷达中的M个阵元的阵元增益峰值，g_b为所述共形阵雷达中M个阵元的阵元增益后向衰减系数，θ_null为所述海杂波几何模型的两个第一零点间的主瓣宽度；为所述共形阵雷达中的第m个阵元的阵元增益。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，包括：

根据所述载机参数中的脉冲重复频率、速度矢量、单个相干积累时间CPI内的脉冲个数以及所述海杂波波束指向单位矢量，利用第五公式计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量；

所述第五公式为：

其中，为所述海杂波时域导向矢量，/>为所述速度矢量，f_r为所述脉冲重复频率，k∈{0,1,…,K}，K为所述单个相干积累时间CPI内的脉冲个数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果，包括：

根据所述海杂波采样协方差矩阵，对所述共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解，得到所述共形阵雷达的海杂波特征谱；

根据所述海杂波采样协方差矩阵，利用第八公式计算所述共形阵雷达的海杂波实际增益权；

根据所述海杂波实际增益权和所述海杂波采样协方差矩阵，利用第九公式计算所述共形阵雷达的海杂波实际增益功率；

所述第八公式为：

其中，w为所述海杂波实际增益权；为所述共形阵雷达的海杂波多普勒增益空时导向矢量，/>f_d为所述共形阵雷达的海杂波归一化多普勒频率；v_s为所述第二海杂波空域导向矢量，上标H代表共轭转置，/>为所述海杂波采样协方差矩阵，/>为/>的逆矩阵；

所述第九公式为：

其中，P为所述海杂波实际增益功率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于海况变化，调整所述速度分布均方根σ_v，以重新计算所述海杂波实际增益权、所述海杂波实际增益功率，以及重新对所述共形阵雷达的海杂波数据进行特征分解得到新的海杂波特征谱。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在得到所述海杂波实际增益权之后，基于所述海杂波实际增益权、所述海杂波空时导向矢量以及所述海杂波采样协方差矩阵，利用第十公式计算所述共形阵雷达的海杂波抑制SCNRloss；

所述第十公式为：

其中，SCNR_out为所述共形阵雷达的信号杂波噪声比，SNR_opt为所述共形阵雷达的信号噪声比；为噪声功率，s_s-t为所述海杂波空时导向矢量，R为所述共形阵雷达的真实协方差矩阵。

8.一种应用于共形阵雷达的海杂波分析系统，其特征在于，所述共形阵雷达为机身圆台共形阵雷达，所述系统包括：

初始模块，用于构建共形阵雷达的海杂波几何模型，并获取所述共形阵雷达的载机参数；

第一计算模块，用于根据所述海杂波几何模型，计算所述共形阵雷达的海杂波波束指向单位矢量和第一海杂波空域导向矢量；

第二计算模块，用于根据所述海杂波几何模型和所述海杂波波束指向单位矢量，计算所述共形阵雷达的阵元增益矢量，并求取所述阵元增益矢量与所述第一海杂波空域导向矢量的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的第二海杂波空域导向矢量；

第三计算模块，用于根据所述海杂波波束指向单位矢量和所述载机参数，计算所述共形阵雷达的海杂波时域导向矢量，并求取所述海杂波时域导向矢量和所述第二海杂波空域导向矢量的克罗内克积，得到所述共形阵雷达的海杂波空时导向矢量；

协方差矩阵获取模块，用于根据所述海杂波空时导向矢量，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；其中，所述协方差矩阵获取模块用于：

根据所述海杂波空时导向矢量，利用第六公式计算所述共形阵雷达的L＝2MK个距离环的海杂波回波数据；其中，M为所述共形阵雷达的阵元总个数；K为单个相干积累时间CPI内的脉冲个数；

以各个所述距离环的海杂波回波数据为训练样本，构建协方差矩阵；

根据所述海杂波空时导向矢量和所述载机参数中的相关参数，利用第七公式构建海杂波去相关矩阵；

求取所述协方差矩阵和所述海杂波去相关矩阵的哈达玛积，得到所述共形阵雷达的海杂波采样协方差矩阵；

所述第六公式为：

其中，l∈{1,2,…,L}，所述共形阵雷达的海杂波位于L个所述距离环上；为所述共形阵雷达的第l个距离环上的散射单元的散射系数，/>为所述海杂波空时导向矢量中，对应于所述共形阵雷达的第l个距离环的元素，n代表高斯白噪声，x_l为所述共形阵雷达的第l个距离环的所述海杂波回波数据；

所述第七公式为：

其中，A_c为所述海杂波去相关矩阵，I_S为空域全1矩阵， 为求克罗内克积的符号，A_T为所述共形阵雷达的海杂波时间去相关矩阵，

A_T的表达式中，PRT为所述相关参数中的脉冲重复周期，/>f_r为脉冲重复频率；σ_v为所述相关参数中的速度分布均方根；λ为所述共形阵雷达收发的电磁波的波长，且λ属于所述相关参数；

分析模块，用于根据所述海杂波采样协方差矩阵，得到所述共形阵雷达的海杂波分析结果。