CN114779198B - 共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法 - Google Patents

共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，包括，步骤1：对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理；步骤2：对步骤1处理后的数据进行空时滑窗处理；步骤3：针对步骤2处理后的数据，估计得到待检测距离单元的四维空时杂波谱；步骤4：将步骤3的估计结果映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率；步骤5：利用步骤4的映射结果，以最大不模糊距离单元对应的四维网格作为参考点，进行近程杂波补偿处理；步骤6：利用步骤5的处理结果，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵；步骤7：根据步骤6的估计结果形成空时自适应权值，完成杂波抑制。

Description

共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，更具体地，涉及一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法。
背景技术
共形阵天线可提供与载机外形相一致的空气动力外形，既不增加载机的RCS又不影响其气动性能，同时还可以产生相对更大的有效孔径和更小的载机负荷。因此共形阵机载雷达是未来机载预警雷达的重要发展方向之一。但是共形阵天线通常具有非线性性，该特性一方面导致其天线方向图性能变差；另一方面导致杂波非平稳，使得满足I.I.D.条件的训练样本数不足，形成的STAP滤波器与真实待检测单元的回波数据不匹配，杂波抑制性能下降。
现有共形阵机载雷达非平稳杂波抑制方法包括：（1）减少训练样本类，即降维STAP方法，该类方法通过减少训练样本需求来降低非平稳性的影响；（2）权值调整类，主要指导数更新法（DBU），该类方法假设空时自适应权值与距离之间服从线性关系，同时对训练样本数的需求加倍；（3）杂波补偿类，该类方法在空域一维或者空时二维平面上进行杂波补偿，补偿精度较差且存在目标搬移问题。此外，距离模糊情况下的RBC方法将不模糊距离单元和模糊距离单元分别补偿到对应的参考距离单元，非平稳杂波补偿精度较高，但是对机载雷达系统参数具有强的依赖性。
因此，急需发明一种有效的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，以提高共形阵机载雷达对运动目标的检测性能。
发明内容
为此，本发明提供一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，用以克服现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，包括如下步骤，
步骤1：对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理；
步骤2：对步骤1处理后的数据进行空时滑窗处理；
步骤3：针对步骤2处理后的数据，估计得到待检测距离单元的四维空时杂波谱；
步骤4：将步骤3的估计结果映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率；
步骤5：利用步骤4的映射结果，以最大不模糊距离单元对应的四维网格作为参考点，进行近程杂波补偿处理；
步骤6：利用步骤5的处理结果，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵；
步骤7：根据步骤6的估计结果形成空时自适应权值，完成杂波抑制；
设定所述共形阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K。
进一步地，所述步骤1中虚拟均匀线阵变换处理操作为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别表示共形阵和虚拟均匀线阵对应的第l个距离单元的空域采样信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示取共轭转置，变换矩阵T l 的表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示伪逆操作，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的空域导向矢量，N a表示约束方位角度数，N r表示距离模糊次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的第i r个距离单元第i a个杂波块的空域导向矢量。
进一步地，在所述步骤2中，为确保滑窗后的协方差矩阵是满秩的，需要满足滑窗后的样本数大于空时子孔径积。
进一步地，在所述步骤3中，通过空时滑窗后的数据估计得到的第l个距离单元回波对应的四维空时杂波谱为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（5）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示空时滑窗后子孔径级空时导向矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示取共轭转置，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示通过空时滑窗后的数据估计得到的杂波协方差矩阵，其表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（6）
Q表示空时滑窗后的样本数，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示第q个空时滑窗样本。
进一步地，在所述步骤4中，通过虚拟均匀线阵各网格的空时频率计算出对应的方位角和俯仰角，再将其功率
Figure DEST_PATH_IMAGE019
映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
进一步地，在所述步骤5中，近程非平稳杂波补偿操作为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（7）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示滑窗后的空时子孔径积，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示最大不模糊距离单元对应的四维网格，即参考点位置，S 1表示近程非平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为8o~90o；S 2表示远程平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为0o~8o；N I 表示单个距离环内划分的网格数目。
进一步地，在所述步骤6中，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中L表示补偿后的平稳训练样本数目，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示经过步骤5补偿后的第l个距离单元样本。
进一步地，在所述步骤7中，形成的第l个距离单元第k个多普勒通道的空时自适应权值为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（9）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示共形阵空时二维导向矢量，经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（10）
其中X l 表示第l个距离单元的回波信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明通过提供一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，首先对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理；其次对变换后的数据进行空时滑窗处理，估计得到待检测距离单元的四维空时杂波谱；再次将估计结果映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率，并以最大不模糊距离单元对应的四维网格作为参考点，进行近程杂波补偿处理；最后基于估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵形成空时自适应权值，完成杂波抑制，提高了共形阵机载雷达在非平稳杂波环境下的运动目标检测性能；
（2）本发明通过在空时四维域进行非平稳杂波补偿处理，在实现近程非平稳杂波补偿的同时，不会对目标信号造成搬移；
（3）本发明通过将所有近程区域的数据进行补偿，克服了系统参数对补偿方法性能的影响，具有强的稳健性。
附图说明
图1为本发明所述共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法的结构框图；
图2为本发明所述共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1-2所示，本发明通过提供一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理；
设定所述共形阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K；
虚拟均匀线阵变换单元对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理，表达式为
Figure 438DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中
Figure 647320DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 752679DEST_PATH_IMAGE003
分别表示共形阵和虚拟均匀线阵对应的第l个距离单元的空域采样信号，
Figure 436601DEST_PATH_IMAGE004
表示取共轭转置，变换矩阵T l 的表达式为
Figure 823982DEST_PATH_IMAGE005
（2）
Figure 946659DEST_PATH_IMAGE006
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（4）
Figure 703263DEST_PATH_IMAGE008
表示伪逆操作，
Figure 558086DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 196878DEST_PATH_IMAGE010
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的空域导向矢量，N a表示约束方位角度数，N r表示距离模糊次数，
Figure 857666DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 875301DEST_PATH_IMAGE012
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的第i r个距离单元第i a个杂波块的空域导向矢量。
步骤2：对步骤1处理后的数据进行空时滑窗处理；
空时滑窗处理单元对步骤1处理后的数据进行空时滑窗处理；为确保滑窗后的协方差矩阵是满秩的，需要满足滑窗后的样本数大于空时子孔径积。
步骤3：针对步骤2处理后的数据，估计得到待检测距离单元的四维空时杂波谱；
四维空时杂波谱估计单元通过空时滑窗后的数据估计得到的第l个距离单元回波对应的四维空时杂波谱为
Figure 556818DEST_PATH_IMAGE013
（5）
其中
Figure 27113DEST_PATH_IMAGE014
表示空时滑窗后子孔径级空时导向矢量，
Figure 318024DEST_PATH_IMAGE015
表示取共轭转置，
Figure 190165DEST_PATH_IMAGE016
表示通过空时滑窗后的数据估计得到的杂波协方差矩阵，其表达式为
Figure 714687DEST_PATH_IMAGE017
（6）
Q表示空时滑窗后的样本数，
Figure 62492DEST_PATH_IMAGE018
表示第q个空时滑窗样本。
步骤4：将步骤3的估计结果映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率；
功率映射单元通过虚拟均匀线阵各网格的空时频率计算出对应的方位角和俯仰角，再将其功率
Figure DEST_PATH_IMAGE031
映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。
步骤5：利用步骤4的映射结果，以最大不模糊距离单元对应的四维网格作为参考点，进行近程杂波补偿处理；
非平稳杂波补偿单元中近程非平稳杂波补偿操作为
Figure 861821DEST_PATH_IMAGE021
（7）
其中
Figure 588468DEST_PATH_IMAGE022
表示滑窗后的空时子孔径积，
Figure 611788DEST_PATH_IMAGE023
表示最大不模糊距离单元对应的四维网格，即参考点位置，S 1表示近程非平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为8o~90o；S 2表示远程平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为0o~8o；N I 表示单个距离环内划分的网格数目。
步骤6：利用步骤5的处理结果，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵；
杂波协方差矩阵估计单元估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵为
Figure 56676DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中L表示补偿后的平稳训练样本数目，
Figure 862958DEST_PATH_IMAGE025
表示经过步骤5补偿后的第l个距离单元样本。
步骤7：根据步骤6的估计结果形成空时自适应权值，完成杂波抑制；
杂波抑制单元中第l个距离单元第k个多普勒通道的空时自适应权值为
Figure 601369DEST_PATH_IMAGE026
（9）
其中
Figure 139798DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 462195DEST_PATH_IMAGE028
表示共形阵空时二维导向矢量，经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure 806588DEST_PATH_IMAGE029
（10）
其中X l 表示第l个距离单元的回波信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：对共形阵机载雷达回波数据进行虚拟均匀线阵变换处理；
步骤2：对步骤1处理后的数据进行空时滑窗处理；
步骤3：针对步骤2处理后的数据，估计得到待检测距离单元的四维空时杂波谱；
步骤4：将步骤3的估计结果映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率；
步骤5：利用步骤4的映射结果，以最大不模糊距离单元对应的四维网格作为参考点，进行近程杂波补偿处理；
步骤6：利用步骤5的处理结果，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵；
步骤7：根据步骤6的估计结果形成空时自适应权值，完成杂波抑制；
设定所述共形阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K。
2.根据权利要求1所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，所述步骤1中虚拟均匀线阵变换处理操作为
Figure 231172DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中
Figure 303033DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 680925DEST_PATH_IMAGE003
分别表示共形阵和虚拟均匀线阵对应的第l个距离单元的空域采样信号，
Figure 885598DEST_PATH_IMAGE004
表示取共轭转置，变换矩阵T l 的表达式为
Figure 145678DEST_PATH_IMAGE005
（2）
Figure 506383DEST_PATH_IMAGE006
（3）
Figure 535519DEST_PATH_IMAGE007
（4）
Figure 838324DEST_PATH_IMAGE008
表示伪逆操作，
Figure 320121DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 484518DEST_PATH_IMAGE010
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的空域导向矢量，N a表示约束方位角度数，N r表示距离模糊次数，
Figure 774685DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 248391DEST_PATH_IMAGE012
分别表示共形阵和变换后的虚拟均匀线阵对应的第i r个距离单元第i a个杂波块的空域导向矢量。
3.根据权利要求1所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤2中，为确保滑窗后的协方差矩阵是满秩的，需要满足滑窗后的样本数大于空时子孔径积。
4.根据权利要求1所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤3中，通过空时滑窗后的数据估计得到的第l个距离单元回波对应的四维空时杂波谱为
Figure 968217DEST_PATH_IMAGE013
（5）
其中
Figure 919992DEST_PATH_IMAGE014
表示空时滑窗后子孔径级空时导向矢量，
Figure 189300DEST_PATH_IMAGE015
表示取共轭转置，
Figure 833907DEST_PATH_IMAGE016
表示通过空时滑窗后的数据估计得到的杂波协方差矩阵，其表达式为
Figure 493559DEST_PATH_IMAGE017
（6）
Q表示空时滑窗后的样本数，
Figure 265337DEST_PATH_IMAGE018
表示第q个空时滑窗样本。
5.根据权利要求4所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤4中，通过虚拟均匀线阵各网格的空时频率计算出对应的方位角和俯仰角，再将其功率
Figure 61255DEST_PATH_IMAGE019
映射为具有相同方位角和俯仰角的共形阵四维网格上的功率
Figure 142343DEST_PATH_IMAGE020
。
6.根据权利要求5所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤5中，近程非平稳杂波补偿操作为
Figure 289291DEST_PATH_IMAGE021
（7）
其中
Figure 114027DEST_PATH_IMAGE022
表示滑窗后的空时子孔径积，
Figure 30031DEST_PATH_IMAGE023
表示最大不模糊距离单元对应的四维网格，即参考点位置，S 1表示近程非平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为8o~90o；S 2表示远程平稳杂波对应的距离单元集，对应的俯仰角范围为0o~8o；N I 表示单个距离环内划分的网格数目。
7.根据权利要求1所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤6中，估计得到待检测距离单元的杂波协方差矩阵为
Figure 16441DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中L表示补偿后的平稳训练样本数目，
Figure 650685DEST_PATH_IMAGE025
表示经过步骤5补偿后的第l个距离单元样本。
8.根据权利要求1所述的共形阵机载雷达空时杂波谱自适应补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤7中，形成的第l个距离单元第k个多普勒通道的空时自适应权值为
Figure 764266DEST_PATH_IMAGE026
（9）
其中
Figure 800355DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 957667DEST_PATH_IMAGE028
表示共形阵空时二维导向矢量，经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure 79206DEST_PATH_IMAGE029
（10）
其中X l 表示第l个距离单元的回波信号。
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