CN113376602B - 宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，公开了一种宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，首先根据主波束指向计算波束覆盖范围和角度搜索间隔，根据感兴趣目标速度计算速度搜索范围和速度搜索间隔，然后按照当前搜索角度和搜索速度的目标分布情况重组宽带回波数据，使用重组的训练样本计算自适应权矢量，对重组数据的不同距离单元进行目标搜索，得到自适应处理后的宽带信号输出。该方法将回波数据按目标分布提取并重组，重组后同一目标的峰值点由分散在几个距离单元变为聚集到同一距离单元，使得相干积累后目标能量损失降低，提高了目标检测和杂波抑制性能。

Description

宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种宽带机载相控阵雷达的空时自适应处理方法，即一种宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，主要适用于宽带条件下机载相控阵雷达的杂波抑制和目标检测。

背景技术

与传统的窄带雷达相比，宽带雷达具有更准确的战场侦察能力，更精确的目标及地物成像能力，更好的目标识别能力和更精细的角度、距离、多普勒分辨能力，能够对目标的真实“样貌”进行成像和识别。但是带宽的增加意味着系统的时间/距离分辨能力提高，也会给信号处理带来问题：在空域，信号的孔径渡越时间不再远小于信号的时间分辨率，目标信号和杂波信号在阵元间的包络走动不能忽略；在时域，高速目标信号和杂波信号在脉冲间的距离走动不能忽略。因此，带宽的增加会对宽带相控阵雷达的波束形成和脉间相干积累过程产生不利影响。

由于宽带阵列信号在阵元间存在包络走动问题，窄带阵列的波束形成方法已经不再适用于宽带相控阵雷达。宽带条件下的波束形成方法主要分为空时处理结构和空频处理结构。空时结构的宽带波束形成器由Frost提出，其基本思想是在各阵元后加一组延时器组成FIR滤波器，进而补偿由频率变化产生的相位差。空频结构的宽带波束形成方法由Raabe提出，其核心思想是将回波信号在频域分成若干个满足窄带条件的子带，在频域对各子带分别进行波束形成，最后将子带输出转换到时域并合成为宽带信号。之后，也有很多学者对空频处理方法进行了改进。近些年来，国内外科研工作者对宽带自适应波束形成的研究逐渐深入，Wei Liu提出了一种新型宽带波束形成结构，这种新型结构的关键是使用传感器延迟线(SDL)或简单的空间滤波器来替代时域FIR滤波器，以空间换时间。近几年，还有一些国内外学者将keystone预变换处理应用于宽带自适应波束形成中，通过变换将不同频率的相位对齐到同一基准频率上，解决了目标的空间色散问题，将宽带自适应处理变为窄带自适应处理。

由于宽带雷达信号在脉冲间的包络走动，使得相干积累后目标信号的能量降低，目标检测性能下降，因此对宽带雷达目标信号的包络对齐方法研究也成为国内外学者关注的重要问题之一。对于目标参数可以精确估计的情况，科研人员们提出了许多种包络对齐的方法，主要包括最大相关法、峰值法、最小熵法、时频分析法等。对于目标速度无法使用先验信息精确估计的情况，R.C.Dipietro等人提出了keystone变换(KT)算法，并将该方法应用到SAR中，通过在距离频率-慢时间二维伸缩变换有效地解决了信号的距离走动问题。接着KT方法被应用于脉冲多普勒(PD)雷达中，有效地提高了微弱目标的检测性能。近几年来，国内的一些学者也将KT算法应用到高速平台的动目标检测中，该方法可以同时对目标和杂波进行距离走动校正。但当目标发生速度模糊时，使用KT方法对目标距离走动进行校正的同时会使杂波产生额外的距离走动。

虽然国内外学者分别在宽带相控阵雷达的阵元间和脉冲间距离走动方面都获得了一定的研究成果，但是对于宽带机载相控阵雷达空时二维自适应处理方法(STAP)的研究较少。为了解决带宽增加对机载雷达空时自适应处理带来的影响，一些文献提出了子带STAP算法，通过频谱分割降低子带的分辨率从而解决了目标的距离走动问题，但子带分割后仍使用传统的空时处理方法，并没有从宽带信号模型的角度出发，缺少对宽带机载相控阵雷达空时自适应处理方法的研究。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，该方法将回波数据按目标分布提取并重组，重组后同一目标的峰值点由分散在几个距离单元变为聚集到同一距离单元，使得相干积累后目标能量损失降低，提高了目标检测和杂波抑制性能。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，包括以下步骤：

步骤1，设机载雷达的天线为含有N个阵元的均匀线阵，阵元间距为d，一个相干处理间隔内发射M个脉冲，其脉冲重复频率为f_r，脉冲重复间隔为T_r＝1/f_r，信号带宽为B，则N个阵元M个脉冲的回波信号经L次快时间采样后得到N×M×L维宽带回波数据X；

当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v精确已知时，第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为

其中，ΔR＝c/B为信号双程距离分辨率，c为光速；

步骤2，当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v未知时，对目标的入射锥角ψ和径向速度v进行搜索，并根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算搜索目标的空时导向矢量v(ψ,v)；

步骤3，计算搜索目标的峰值分布情况，使用对应的目标峰值提取窗WIN对所述宽带回波数据X进行提取和重组，得到重组训练回波数据；

步骤4，使用所述重组后的回波数据Y计算重组宽带信号的最优自适应权矢量W，使用所述最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出z_l；

步骤5，对所述重组后的回波数据Y中所有的距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，重复子步骤2.2，继续速度维搜索；完成速度维搜索后，重复子步骤2.1，完成角度维搜索；最终，目标的角度、速度二维搜索完成，得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤2具体包含以下子步骤：

子步骤2.1，设主波束指向ψ₀，根据所述主波束指向ψ₀计算波束半功率宽度Δθ；根据所述波束半功率宽度Δθ计算得到目标相对天线的入射锥角ψ的搜索范围为ψ∈[ψ_min,ψ_max]；

在波束宽度内若点目标走动Q个距离单元，根据入射锥角ψ的搜索范围计算目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max；

根据所述目标在阵元间的距离走动范围计算角度搜索间隔Δψ，最后以Δψ为角度间隔进行目标角度搜索；

子步骤2.2，当目标搜索角度为ψ时，对感兴趣目标进行速度维搜索；首先根据载机速度矢量在波束指向方向的投影速率v_r和感兴趣目标速度在波束指向方向的投影速率范围-v_t～v_t，计算出感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围为v∈[v_min,v_max]；

接着计算在所述感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围[v_min,v_max]内目标走动距离单元的个数的范围[Q_min,Q_max]；

计算走动任意Q个距离单元时的搜索速度范围v_1,Q～v_2,Q，然后求解速度搜索间隔Δv，最后以Δv为速度间隔进行目标速度搜索；

子步骤2.3，根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算目标峰值点的归一化空时导向矢量v(ψ,v)：

其中，j表示复数，s_s为宽带目标峰值点的归一化空域导向矢量

其中，f_c为载频，s_t为宽带目标峰值点的归一化时域导向矢量

(2)子步骤2.1中，所述波束半功率宽度Δθ为：

其中，d＝λ/2为阵元间距，λ为载波波长，ψ₀为主波束指向；

所述目标相对天线的入射锥角ψ的搜索范围ψ∈[ψ_min,ψ_max]中：ψ_min＝ψ₀-Δθ/2，ψ_max＝ψ₀+Δθ/2；

设ψ₀≥90°，所述目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max中：

则目标相对天线的入射锥角ψ需满足条件为：

解得目标走动Q个距离单元的入射锥角范围为ψ∈[ψ_1,Q,ψ_2,Q]；

计算角度搜索间隔Δψ，当Q_N,min＝Q_N,max时，角度搜索间隔Δψ＝Δθ为波束宽度，即只需对角度ψ₀方向进行目标搜索；当Q_N,max≠Q_N,min时，角度搜索间隔需满足Δψ<min(|ψ_1,Q-ψ_2,Q|)。

(3)在子步骤2.2中，所述感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围v∈[v_min,v_max]中：

v_min＝v_r-v_t，v_max＝v_r+v_t

设v_min≥0且cosψ≥0，则所述目标走动距离单元的个数的范围[Q_min,Q_max]中：

在感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围v∈[v_min,v_max]内，若已知目标走动Q个距离单元，则目标与载机径向速度需满足条件：

解得目标走动Q个距离单元的速度范围为v∈[v_1,Q,v_2,Q]。

(4)在子步骤2.2中，所述速度搜索间隔Δv应满足以下两个条件：

a)当目标在脉冲间走动任意Q个距离单元时，其中Q∈[Q_min,Q_max]，搜索速度范围为v_1,Q～v_2,Q，因此，速度搜索间隔应小于最小速度搜索范围，即满足

Δv<min(|v_1,Q-v_2,Q|)

b)由于相干积累时间决定了多普勒分辨率ΔB＝1/MT_r，多普勒分辨率也会影响速度搜索间隔，因此，速度搜索间隔还应满足

(5)步骤3具体包含以下子步骤：

子步骤3.1，计算搜索目标的峰值分布情况，已知第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为Δl_n,m，则N个阵元M个脉冲目标峰值的距离走动量矩阵L为：

其中Δl_1,1＝0，假设第1个阵元第1个脉冲目标峰值点所在的第l号距离单元为参考距离单元，相对参考距离单元，当round(Δl_n,m)＝-q时，第n个阵元第m个脉冲目标峰值点向后走动了q个距离单元，其中0≤q≤Q-1；因此，求解在第l+q号距离单元的各阵元各脉冲目标峰值点的分布情况需满足方程

round(L)＝-q

子步骤3.2，使用矩形窗win_q+1提取第l+q号距离单元N×M维数据切片中的目标数据

X′_q+1＝win_q+1⊙X_l+q

其中，X_l+q为第l+q号距离单元的N×M维宽带回波数据，win_q+1为第l+q号距离单元的目标峰值提取窗，可以表示为

win_q+1＝[round(L)＝-q]_N×M

当round(Δl_n,m)＝-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝1，当round(Δl_n,m)≠-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝0；

子步骤3.3，重复子步骤3.2，对第l号距离单元至第l+Q-1号距离单元的原始回波数据进行目标峰值提取，然后将从Q个距离单元提取出来的目标峰值数据组合到一起：

目标峰值提取窗WIN为N×M×Q维矩阵

WIN(:,:,q+1)＝win_q+1

重组后的回波数据Y可以表示为

Y＝[y₁…y_l…y_L′]_NM×L′

其中L′＝L-Q+1；y_l表示第l号距离单元的NM×1维重组数据矢量，可以表示为

(6)步骤4具体为：

根据LCMV准则，可得优化方程为

其中，

表示NM×NM维的重组宽带杂波加噪声协方差矩阵；

解得目标入射锥角为ψ，相对径向速度为v时的重组宽带信号的最优自适应权矢量W：

最后，使用最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出为

z_l＝W^Hy_l。

(7)步骤5具体为：

对所述重组后的回波数据Y中每个距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，对当前搜索角度ψ和搜索速度v进行判断，若：ψ+Δψ>ψ_max且v+Δv>v_max，则直接输出搜索角度为ψ、搜索速度为v时STAP处理后的宽带信号；否则，当ψ+Δψ>ψ_max，v+Δv≤v_max，则令搜索速度v增加一个速度间隔Δv重复子步骤2.2继续速度维搜索，即v′＝v+Δv；完成速度维搜索后，当ψ+Δψ≤ψ_max，v+Δv>v_max，则令搜索角度ψ增加一个角度间隔Δψ重复子步骤2.1继续角度维搜索，即ψ′＝ψ+Δψ，最终得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种宽带机载相控阵雷达直接空时自适应处理方法，首先根据主波束指向计算波束覆盖范围和角度搜索间隔，根据感兴趣目标速度计算速度搜索范围和速度搜索间隔，然后按照当前搜索角度和搜索速度的目标分布情况重组宽带回波数据，使用重组的训练样本计算自适应权矢量，对重组数据的不同距离单元进行目标搜索，得到自适应处理后的宽带信号输出。与传统空时处理方法相比，宽带直接空时处理方法将重组后同一目标的峰值点由分散在几个距离单元变为聚集到同一距离单元，降低了相干积累后目标能量的损失，从而提高了输出信杂噪比，通过仿真结果可以看出，当目标在阵元间和(或)脉冲间发生距离走动时，宽带目标在阵元间和脉冲间的距离走动量越大，宽带直接空时处理方法的系统改善性能越好。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法在正侧阵主波束指向阵面法向时的宽带杂波处理仿真结果图；

图3是本发明方法在正侧阵主波束与阵面轴向夹角为45°偏扫时的宽带杂波处理仿真结果图；

图4是本发明方法在斜侧阵α＝-30°且主波束不偏扫时的宽带杂波处理仿真结果图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的宽带机载相控阵雷达的空时自适应处理方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤1，假设机载雷达的天线为含有N个阵元的均匀线阵，阵元间距为d，一个相干处理间隔(CPI)内发射M个脉冲，其脉冲重复频率为f_r，脉冲重复间隔(PRI)为T_r＝1/f_r，信号带宽为B，则N个阵元M个脉冲的回波信号经L次快时间采样后得到N×M×L维宽带回波数据X。

当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v精确已知时，第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为

其中，ΔR＝c/B为信号双程距离分辨率。

步骤2，当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v未知时，需要对目标进行入射锥角ψ和径向速度v二维搜索，并根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算搜索目标的空时导向矢量v(ψ,v)。

步骤2具体为：

子步骤2.1，假设主波束指向ψ₀，在波束角度覆盖范围内进行目标搜索。首先根据主波束指向ψ₀计算波束半功率宽度Δθ：

其中d＝λ/2为阵元间距，λ为载波波长，ψ₀为主波束指向；

根据所述波束半功率宽度Δθ计算得到目标相对天线的入射锥角ψ的搜索范围为ψ∈[ψ_min,ψ_max]：

ψ_min＝ψ₀-Δθ/2，ψ_max＝ψ₀+Δθ/2

根据入射锥角ψ的取值范围计算目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max，此时假设ψ₀≥90°

在波束宽度内若点目标走动Q个距离单元，其中Q的取值范围为Q_N,min～Q_N,max，则目标的入射锥角ψ需满足条件

解得目标走动Q个距离单元的入射锥角范围为ψ∈[ψ_1,Q,ψ_2,Q]。

然后根据目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max计算角度搜索间隔Δψ，当Q_N,min＝Q_N,max时，角度搜索间隔Δψ＝Δθ为波束宽度，即只需对角度ψ₀方向进行目标搜索；当Q_N,max≠Q_N,min时，角度搜索间隔需满足Δψ<min(|ψ_1,Q-ψ_2,Q|)。

最后以Δψ为间隔进行目标角度搜索。

子步骤2.2，当目标搜索角度为ψ时，对感兴趣目标进行速度维搜索。首先根据载机速度矢量在波束指向方向的投影速率v_r和感兴趣目标速度在波束指向方向的投影速率范围-v_t～v_t，计算出感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围为v∈[v_min,v_max]；其中，v_min＝v_r-v_t，v_max＝v_r+v_t。

接着计算在所述感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围[v_min,v_max]内目标走动距离单元的个数的范围[Q_min,Q_max]，假设v_min≥0且cosψ≥0，则：

计算走动任意Q个距离单元时的搜索速度范围v_1,Q～v_2,Q，并求解速度搜索间隔Δv，具体如下：

在感兴趣速度范围[v_min,v_max]内，若已知目标走动Q个距离单元，目标与载机径向速度需满足条件

解得目标走动Q个距离单元的速度范围为v∈[v_1,Q,v_2,Q]。

最后计算速度搜索间隔Δv，并以Δv为间隔进行目标速度搜索，速度搜索间隔Δv应满足以下两个条件：

a)当目标在脉冲间走动任意Q个距离单元时，其中Q∈[Q_min,Q_max]，搜索速度范围为v_1,Q～v_2,Q，因此，速度搜索间隔应小于最小速度搜索范围，即满足

Δv<min(|v_1,Q-v_2,Q|) (9)

b)由于相干积累时间决定了多普勒分辨率ΔB＝1/MT_r，多普勒分辨率也会影响速度搜索间隔，因此，速度搜索间隔还应满足

其中λ为载波波长。

子步骤2.3，根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算目标搜索角度为ψ、搜索速度为v时的目标峰值点的归一化空时导向矢量v(ψ,v)：

其中，j表示复数，s_s为宽带目标峰值点的归一化空域导向矢量

其中，f_c为载频，s_t为宽带目标峰值点的归一化时域导向矢量

步骤3，计算搜索目标的峰值分布情况，使用对应的目标峰值提取窗WIN对宽带回波数据X进行提取和重组，得到重组后的回波数据Y。

步骤3具体包含以下子步骤：

计算搜索目标的峰值分布情况，已知第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为Δl_n,m(式(1))，则N个阵元M个脉冲目标峰值的距离走动量矩阵L为

其中Δl_1,1＝0。假设第1个阵元第1个脉冲目标峰值点所在的第l号距离单元为参考距离单元，相对参考距离单元，当round(Δl_n,m)＝-q时，第n个阵元第m个脉冲目标峰值点向后走动了q个距离单元，其中0≤q≤Q-1。因此，求解在第l+q号距离单元的各阵元各脉冲目标峰值点的分布情况需满足方程

round(L)＝-q (15)

使用矩形窗win_q+1提取第l+q号距离单元N×M维数据切片中的目标数据

X′_q+1＝win_q+1⊙X_l+q (16)

其中，X_l+q为第l+q号距离单元的N×M维宽带回波数据，win_q+1为第l+q号距离单元的目标峰值提取窗，可以表示为：

win_q+1＝[round(L)＝-q]_N×M (17)

当round(Δl_n,m)＝-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝1；当round(Δl_n,m)≠-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝0。使用同样方法对第l号距离单元至第l+Q-1号距离单元的原始回波数据进行目标峰值提取，然后将从Q个距离单元提取出来的目标峰值数据组合到一起

目标峰值提取窗WIN为N×M×Q维矩阵

WIN(:,:,q+1)＝win_q+1 (19)

重组后的回波数据Y可以表示为：

Y＝[y₁…y_l…y_L′]_NM×L′ (20)

其中，L′＝L-Q+1。y_l表示第l号距离单元的NM×1维重组数据矢量，可以表示为：

步骤4，使用所述重组后的回波数据Y计算重组宽带信号的最优自适应权矢量W，使用所述最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出z_l；

步骤4具体包含以下子步骤：

根据线性约束最小方差(LCMV)准则，可得优化方程为

其中，

表示NM×NM维的重组宽带杂波加噪声协方差矩阵，表达式为：

其中，y_l表示按目标分布提取并重组的第l个训练样本，即第l号距离单元的NM×1维重组数据矢量。

解得目标入射锥角为ψ，相对径向速度为v时的重组宽带信号的最优自适应权矢量W：

最后，使用最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出为

z_l＝W^Hy_l (25)

步骤5，对所述重组后的回波数据Y中所有的距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，重复子步骤2.2，继续速度维搜索；完成速度维搜索后，重复子步骤2.1，完成角度维搜索；最终，目标的角度、速度二维搜索完成，得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z。

步骤5具体为：

采用步骤4中的方法对所述重组后的回波数据Y中每个距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，对当前搜索角度ψ和搜索速度v进行判断，若：ψ+Δψ>ψ_max且v+Δv>v_max，则直接输出搜索角度为ψ、搜索速度为v时STAP处理后的宽带信号；否则，当ψ+Δψ>ψ_max，v+Δv≤v_max，则令搜索速度v增加一个速度间隔Δv重复子步骤2.2继续速度维搜索，即v′＝v+Δv；完成速度维搜索后，当ψ+Δψ≤ψ_max，v+Δv>v_max，则令搜索角度ψ增加一个角度间隔Δψ重复子步骤2.1继续角度维搜索，即ψ′＝ψ+Δψ，最终得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z。

本发明效果通过以下仿真实验进一步验证说明。

(一)仿真参数

在本实验中，采用宽带机载相控阵雷达，天线为含有32个阵元的水平均匀线阵，阵元间距为0.3m，雷达主波束的俯仰角0度；脉冲重复频率8000Hz，载波波长0.6m，信号带宽100MHz，采样频率100MHz，相干积累脉冲数32，载机平台高度8000m。

(二)仿真数据处理结果及分析

为了说明本发明性能的优越性，基于上述模型，仿真中使用传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法进行对比，然后通过改变不同阵面构型如阵面偏转角和主波束指向来分析本发明对宽带杂波抑制和目标检测性能的改善。

图2、图3、图4分别给出了在三种阵面构型下，对宽带杂波进行空时自适应处理后的仿真结果。图2是正侧阵主波束指向阵面法向时本发明方法与传统空时处理方法的仿真结果，图2(a)为宽带杂波的PD图，载机的飞行速度为速度1080m/s，图2(b)、(c)分别为使用传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法进行杂波抑制后的距离多普勒图，图2(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比图。

从图2(a)可以看出，副瓣杂波几乎覆盖了所有多普勒通道。图2(b)、(c)中主波束指向阵面法向时，宽带信号在阵元间的距离走动可以忽略，仅需考虑脉冲间的距离走动。因此，当搜索速度越大时，宽带目标信号在脉冲间的距离走动越明显，与传统空时处理方法相比，宽带直接空时处理方法的杂波抑制效果越好。图2(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比，当搜索速度在-192～192m/s范围内时，两种方法的杂波剩余和改善因子完全相同，这是因为在-192～192m/s范围内宽带信号在脉冲间未发生距离走动；当搜索速度逐渐增大时，宽带信号在脉冲间的距离走动量也随之增大，此时宽带直接空时处理后的改善因子比传统空时处理方法平均高4dB，且搜索速度越大，宽带直接空时处理方法改善性能越好，杂波剩余功率越低，这是因为使用传统空时处理方法时目标分布在多个距离单元，相干积累后的目标增益下降，而宽带直接空时处理方法使用的重组回波数据是将发生距离走动的目标信号聚集到同一距离单元，重组后的目标信号在阵元间和脉冲间均无距离走动，相干积累后的目标能量损失降低，进而提高了系统的改善性能。

图3为正侧阵主波束与阵面轴向夹角为45°偏扫时本发明方法与传统空时处理方法的仿真结果，图3(a)为宽带杂波的PD图，载机的飞行速度为速度1200m/s，图3(b)、(c)分别为使用传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法进行杂波抑制后的距离多普勒图，图3(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比。

从图3(a)可以看出，副瓣杂波完全覆盖了所有多普勒通道，图3(b)、(c)中，由于宽带信号在阵元间和脉冲间均发生距离走动，使用宽带直接空时处理方法比传统空时处理方法杂波抑制效果好。图3(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比，可以看出，当搜索速度在-192～192m/s范围内时，宽带直接空时处理方法的改善因子比传统空时处理方法提高约4dB；当搜索速度在-1200～-192m/s或192～1200m/s范围内时，宽带直接空时处理方法的改善因子比传统空时处理方法最多提高8dB，这是因为当搜索角度固定时，阵元间的距离走动量固定，若速度在-192～192m/s范围内，宽带信号在脉冲间未发生距离走动；若搜索速度逐渐增大时，宽带信号在脉冲间的距离走动量也随之增大，相比于传统空时处理方法，宽带直接空时处理方法改善性能更好，杂波剩余功率更低。

图4为斜侧阵α＝-30°且主波束不偏扫时本发明方法与传统空时处理方法的仿真结果，图4(a)为宽带杂波的PD图，载机的飞行速度为速度900m/s，图4(b)、(c)分别为使用传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法进行杂波抑制后的距离多普勒图，图4(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比。

从图4(a)可以看出，杂波副瓣覆盖了7～30号多普勒通道，杂波主瓣中心近似位于第23号多普勒通道，图4(b)、(c)中杂波主波束指向阵面法向，宽带信号在阵元间无距离走动，只需考虑脉冲间的距离走动。因此，搜索速度越大，宽带目标信号的距离走动越明显，宽带直接空时处理方法的杂波抑制效果越好。图4(d)、(e)为传统空时处理方法和宽带直接空时处理方法的杂波剩余功率和改善因子对比，当搜索速度在-192～192m/s范围内时，两种方法的杂波剩余和改善因子完全相同，这是因为在-192～192m/s范围内宽带信号在脉冲间未发生距离走动；当搜索速度在192～768m/s范围内时，目标位于杂波主瓣附近，两种方法几乎都无法进行目标检测；当搜索速度在-1200～-192m/s或768～1200m/s范围内时，宽带直接空时处理方法的改善因子比传统空时处理方法最多提高6.5dB，这是由于速度越大，目标在脉冲间的距离走动量越大，使用传统空时处理方法对原始回波数据进行相干积累后的目标增益下降，而宽带直接空时处理方法使用的重组回波数据是将发生距离走动的目标信号对齐到同一距离单元，通过提高相干积累后的目标能量来提高输出信杂噪比，进而提高了系统的改善性能。

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 (7)

1.一种宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设机载雷达的天线为含有N个阵元的均匀线阵，阵元间距为d，一个相干处理间隔内发射M个脉冲，其脉冲重复频率为f_r，脉冲重复间隔为T_r＝1/f_r，信号带宽为B，则N个阵元M个脉冲的回波信号经L次快时间采样后得到N×M×L维宽带回波数据X；

当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v精确已知时，第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为

其中，△R＝c/B为信号双程距离分辨率，c为光速；

步骤2，当目标相对天线的入射锥角ψ和目标相对载机的径向速度v未知时，对目标的入射锥角ψ和径向速度v进行搜索，并根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算搜索目标的空时导向矢量v(ψ,v)；

步骤2具体包含以下子步骤：

子步骤2.1，设主波束指向ψ₀，根据所述主波束指向ψ₀计算波束半功率宽度△θ；根据所述波束半功率宽度△θ计算得到目标相对天线的入射锥角ψ的搜索范围为ψ∈[ψ_min,ψ_max]；

在波束宽度内若点目标走动Q个距离单元，根据入射锥角ψ的搜索范围计算目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max；

根据所述目标在阵元间的距离走动范围计算角度搜索间隔△ψ，最后以△ψ为角度间隔进行目标角度搜索；

子步骤2.2，当目标搜索角度为ψ时，对感兴趣目标进行速度维搜索；首先根据载机速度矢量在波束指向方向的投影速率v_r和感兴趣目标速度在波束指向方向的投影速率范围-v_t～v_t，计算出感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围为v∈[v_min,v_max]；

接着计算在所述感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围[v_min,v_max]内目标走动距离单元的个数的范围[Q_min,Q_max]；

计算走动任意Q个距离单元时的搜索速度范围v_1,Q～v_2,Q，然后求解速度搜索间隔△v，最后以△v为速度间隔进行目标速度搜索；

子步骤2.3，根据搜索到的入射锥角ψ和径向速度v，计算目标峰值点的归一化空时导向矢量v(ψ,v)：

其中，j表示复数，s_s为宽带目标峰值点的归一化空域导向矢量，v_t为感兴趣目标速度在波束指向方向的投影速率；

其中，f_c为载频，s_t为宽带目标峰值点的归一化时域导向矢量

步骤3，计算搜索目标的峰值分布情况，使用对应的目标峰值提取窗WIN对所述宽带回波数据X进行提取和重组，得到重组训练回波数据；

步骤4，使用所述重组后的回波数据Y计算重组宽带信号的最优自适应权矢量W，使用所述最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出z_l；

步骤5，对所述重组后的回波数据Y中所有的距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，重复子步骤2.2，继续速度维搜索；完成速度维搜索后，重复子步骤2.1，完成角度维搜索；最终，目标的角度、速度二维搜索完成，得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z。

2.根据权利要求1所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，子步骤2.1中，所述波束半功率宽度△θ为：

其中，d＝λ/2为阵元间距，λ为载波波长，ψ₀为主波束指向；

所述目标相对天线的入射锥角ψ的搜索范围ψ∈[ψ_min,ψ_max]中：ψ_min＝ψ₀-△θ/2，ψ_max＝ψ₀+△θ/2；

设ψ₀≥90°，所述目标在阵元间的距离走动范围Q_N,min～Q_N,max中：

则目标相对天线的入射锥角ψ需满足条件为：

解得目标走动Q个距离单元的入射锥角范围为ψ∈[ψ_1,Q,ψ_2,Q]；

计算角度搜索间隔△ψ，当Q_N,min＝Q_N,max时，角度搜索间隔△ψ＝△θ为波束宽度，即只需对角度ψ₀方向进行目标搜索；当Q_N,max≠Q_N,min时，角度搜索间隔需满足△ψ<min(|ψ_1,Q-ψ_2,Q|)。

3.根据权利要求2所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，在子步骤2.2中，所述感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围v∈[v_min,v_max]中：

v_min＝v_r-v_t，v_max＝v_r+v_t

设v_min≥0且cosψ≥0，则所述目标走动距离单元的个数的范围[Q_min,Q_max]中：

在感兴趣目标与载机的相对径向速度的范围v∈[v_min,v_max]内，若已知目标走动Q个距离单元，则目标与载机径向速度需满足条件：

解得目标走动Q个距离单元的速度范围为v∈[v_1,Q,v_2,Q]。

4.根据权利要求3所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，在子步骤2.2中，所述速度搜索间隔△v应满足以下两个条件：

a)当目标在脉冲间走动任意Q个距离单元时，其中Q∈[Q_min,Q_max]，搜索速度范围为v_1,Q～v_2,Q，因此，速度搜索间隔应小于最小速度搜索范围，即满足

△v<min(|v_1,Q-v_2,Q|)

b)由于相干积累时间决定了多普勒分辨率△B＝1/MT_r，多普勒分辨率也会影响速度搜索间隔，因此，速度搜索间隔还应满足

5.根据权利要求1所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，步骤3具体包含以下子步骤：

子步骤3.1，计算搜索目标的峰值分布情况，已知第n个阵元第m个脉冲目标的距离走动量为△l_n,m，则N个阵元M个脉冲目标峰值的距离走动量矩阵L为：

其中△l_1,1＝0，假设第1个阵元第1个脉冲目标峰值点所在的第l号距离单元为参考距离单元，相对参考距离单元，当round(△l_n,m)＝-q时，第n个阵元第m个脉冲目标峰值点向后走动了q个距离单元，其中0≤q≤Q-1；因此，求解在第l+q号距离单元的各阵元各脉冲目标峰值点的分布情况需满足方程

round(L)＝-q

子步骤3.2，使用矩形窗win_q+1提取第l+q号距离单元N×M维数据切片中的目标数据

X′_q+1＝win_q+1⊙X_l+q

其中，X_l+q为第l+q号距离单元的N×M维宽带回波数据，win_q+1为第l+q号距离单元的目标峰值提取窗，可以表示为

win_q+1＝[round(L)＝-q]_N×M

当round(△l_n,m)＝-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝1，当round(△l_n,m)≠-q时，提取窗win_q+1(n,m)＝0；

子步骤3.3，重复子步骤3.2，对第l号距离单元至第l+Q-1号距离单元的原始回波数据进行目标峰值提取，然后将从Q个距离单元提取出来的目标峰值数据组合到一起：

目标峰值提取窗WIN为N×M×Q维矩阵

WIN(:,:,q+1)＝win_q+1

重组后的回波数据Y可以表示为

Y＝[y₁ … y_l … y_L′]_NM×L′

其中L′＝L-Q+1；y_l表示第l号距离单元的NM×1维重组数据矢量，可以表示为

6.根据权利要求5所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，步骤4具体为：

根据LCMV准则，可得优化方程为

其中，

表示NM×NM维的重组宽带杂波加噪声协方差矩阵；

解得目标入射锥角为ψ，相对径向速度为v时的重组宽带信号的最优自适应权矢量W：

最后，使用最优自适应权矢量W在距离维进行目标搜索，得到自适应加权处理后的宽带信号输出为

z_l＝W^Hy_l。

7.根据权利要求1所述的宽带机载相控阵雷达的直接空时自适应处理方法，其特征在于，步骤5具体为：

对所述重组后的回波数据Y中每个距离单元进行目标搜索，完成所有距离单元的目标搜索后，对当前搜索角度ψ和搜索速度v进行判断，若：ψ+△ψ>ψ_max且v+△v>v_max，则直接输出搜索角度为ψ、搜索速度为v时STAP处理后的宽带信号；否则，当ψ+△ψ>ψ_max，v+△v≤v_max，则令搜索速度v增加一个速度间隔△v重复子步骤2.2继续速度维搜索，即v′＝v+△v；完成速度维搜索后，当ψ+△ψ≤ψ_max，v+△v>v_max，则令搜索角度ψ增加一个角度间隔△ψ重复子步骤2.1继续角度维搜索，即ψ′＝ψ+△ψ，最终得到各角度、各速度、各距离的直接空时自适应输出宽带信号z；其中，ψ_max为目标相对天线的入射锥角ψ的最大值；v_max为感兴趣目标与载机的相对径向速度的最大值。

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