CN114779199A - 端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法 - Google Patents

端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法 Download PDF

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CN114779199A CN202210432661.6A CN202210432661A CN114779199A CN 114779199 A CN114779199 A CN 114779199A CN 202210432661 A CN202210432661 A CN 202210432661A CN 114779199 A CN114779199 A CN 114779199A
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熊元燚
王永良
柳成荫
陈威
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Abstract

本发明公开了一种端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，包括，步骤1：构造互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波数据；步骤2：对步骤1构造的数据进行空时滑窗处理，并估计其峰值功率；步骤3：将步骤2估计的峰值功率与当前时刻的峰值功率进行比较处理；步骤4：利用步骤3的处理结果计算得到归一化阻抗矩阵；步骤5：利用步骤4的处理结果，对空域导向矢量失配进行补偿；步骤6：利用步骤4的处理结果，构造杂波协方差矩阵；步骤7：根据步骤6的处理结果形成空时自适应权值，并针对步骤5的结果进行杂波抑制处理。

Description

端射阵机载雷达自适应互耦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，涉及一种端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法。
背景技术
端射阵天线是指最大辐射方向指向阵列排布轴向的一类天线，因其具有独特的低剖面特性和强定向辐射特性，所以在机载预警雷达远距离探测领域具有广阔的应用前景，近年来受到广泛关注。由于端射阵在最大辐射方向的方向系数不再与等效口径尺寸成正比，这便有效地解决了传统侧射阵天线由于大阵列口径尺寸而导致风阻较大的问题，因而特别适合应用于要求小风阻、低安装高度的平台，尤其是各种高速移动载体如飞机、战车等。例如美国研发的E-737“楔尾”预警机，便是采用端射阵天线进行前后向补盲。
在理想情况下我们通常假设天线各阵元为点源，而在实际情况下阵元有一定的物理尺寸，此时互耦效应不可避免。互耦效应是阵列天线固有的重要特性之一，它改变了孤立单元应该有的电流分布，不但对天线阵列的增益、方向图、波束宽度等参数产生一定的影响，而且还会影响到阵列天线发射信号和接收信号的幅度和相位。当阵列的结构和组成阵列的天线单元确定后，无论馈以何种信号序列，即无论该阵列工作在侧射阵状态还是端射阵状态，其阻抗矩阵都是相同的。唯一的区别是侧射激励下各阶耦合间存在一种近似相抵的关系，而端射激励下各阶耦合则是同相叠加的关系。因此端射阵互耦效应更加明显。
现有解决机载雷达互耦问题的方法主要有两种，一是假设归一化阻抗矩阵已知，在此基础上形成互耦补偿矩阵实现对互耦效应的有效补偿；二是基于实时测量得到的空域导向矢量形成空时自适应权值，实现存在互耦情况下的杂波抑制和目标有效检测。但是上述两种方法均假设互耦效应引起的归一化阻抗矩阵已知，而在实际工程中互耦效应会随时间的变化而变化，通常无法实时精确已知。此外，基于杂波协方差矩阵重构的互耦效应补偿方法没有考虑距离模糊的影响。
因此，急需发明一种有效的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，以提高端射阵机载雷达对运动目标的检测性能。
发明内容
为此，本发明提供一种端射阵机载雷达自适应互耦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，本发明提供一种端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，包括如下步骤，
步骤1：构造互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波数据；
步骤2：对步骤1构造的数据进行空时滑窗处理，并估计其峰值功率；
步骤3：将步骤2估计的峰值功率与当前时刻的峰值功率进行比较处理；
步骤4：利用步骤3的处理结果计算得到归一化阻抗矩阵；
步骤5：利用步骤4的处理结果，对空域导向矢量失配进行补偿；
步骤6：利用步骤4的处理结果，构造杂波协方差矩阵；
步骤7：根据步骤6的处理结果形成空时自适应权值，并针对步骤5的结果进行杂波抑制处理；
设定所述端射阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K，搜索步长分别为
Figure 475932DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 771784DEST_PATH_IMAGE002
，判决门限为
Figure 930233DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地，所述步骤1中第q次搜索时
Figure 907417DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 100501DEST_PATH_IMAGE005
，则此时的归一化阻抗矩阵为
Figure 301675DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure 947420DEST_PATH_IMAGE007
（2）
其中随时间变化的互耦误差矢量为
Figure 462715DEST_PATH_IMAGE008
（3）
Figure 979147DEST_PATH_IMAGE009
（4）
Figure 820064DEST_PATH_IMAGE010
表示矩阵转置操作，j表示虚数单位，
Figure 685862DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 67165DEST_PATH_IMAGE012
分别表示幅度误差和相位误差，其中幅度误差服从高斯分布，相位误差服从均匀分布，即
Figure 438104DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 184343DEST_PATH_IMAGE014
；Z ij （i=1,2,...,M; j=1,2,...,M）表示第i个阵元和第j个阵元之间由互耦引起的互阻抗，Z ii 表示第i个天线阵元的自阻抗；
Figure 7942DEST_PATH_IMAGE015
表示相距n-1个列间距的两列的第i个阵元和第j个阵元之间的互阻抗，
Figure 396198DEST_PATH_IMAGE016
表示每个端口所接阻抗已知的固定负载；
则第q次搜索得到的存在互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波信号为
Figure 621643DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中I K 表示维数为K×K的单位矩阵，
Figure 604030DEST_PATH_IMAGE018
表示第q次搜索对应的归一化阻抗矩阵，
Figure 914926DEST_PATH_IMAGE019
表示Kronecker积，
Figure 841294DEST_PATH_IMAGE020
表示矩阵求逆操作，
Figure 921245DEST_PATH_IMAGE021
表示仅考虑互耦对幅度影响情况下的杂波回波信号，其表达式为
Figure 337183DEST_PATH_IMAGE022
（6）
Figure 135375DEST_PATH_IMAGE023
表示Hadamard乘积，
Figure 865433DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 799891DEST_PATH_IMAGE025
分别表示第l个距离单元第i个杂波块的时域导向矢量和空域导向矢量，N c表示杂波块的数目，N r表示模糊距离数，
Figure 324413DEST_PATH_IMAGE026
表示考虑互耦后的第q次搜索得到的第l个距离单元第i个杂波块回波幅度组成的列矢量。
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，同时在空时平面上搜索得到峰值功率
Figure 609901DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步地，在所述步骤3中，判断
Figure 674809DEST_PATH_IMAGE028
的大小，其中
Figure 729353DEST_PATH_IMAGE029
表示当前时刻回波数据通过滑窗处理后估计得到的在空时平面上的峰值功率，
Figure 690356DEST_PATH_IMAGE030
表示步骤2搜索得到的峰值功率；若
Figure 934911DEST_PATH_IMAGE031
，则停止搜索，否则进行第q+1次搜索，直至满足要求为止，最终搜索到
Figure 6772DEST_PATH_IMAGE032
。
进一步地，在所述步骤4中，利用步骤3的搜索结果以及各子阵内的阵元间距和子阵间距的关系，由式（1）和式（2）计算得到最终的归一化阻抗矩阵
Figure 978139DEST_PATH_IMAGE033
。
进一步地，在所述步骤5中，形成的互耦补偿矩阵为
Figure 844464DEST_PATH_IMAGE034
（7）
其中补偿后的回波信号为
Figure 104544DEST_PATH_IMAGE035
（8）
其中
Figure 448938DEST_PATH_IMAGE036
（9）
Figure 478074DEST_PATH_IMAGE037
表示存在互耦时的目标回波幅度组成的列矢量，
Figure 515300DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 59413DEST_PATH_IMAGE039
分别表示目标信号的时域导向矢量和空域导向矢量，
Figure 473077DEST_PATH_IMAGE040
分别表示目标的多普勒频率和空间频率，X n表示噪声信号。
进一步地，在所述步骤6中，构造的杂波协方差矩阵为
Figure 91140DEST_PATH_IMAGE041
（10）
其中
Figure 564847DEST_PATH_IMAGE042
表示由归一化阻抗矩阵
Figure 533940DEST_PATH_IMAGE043
得到的第l个距离单元第i个杂波块的回波幅度组成的列矢量。
进一步地，在所述步骤7中，形成的空时自适应权值为
Figure 285383DEST_PATH_IMAGE044
（11）
其中
Figure 289111DEST_PATH_IMAGE045
（12）
Figure 402561DEST_PATH_IMAGE046
表示噪声功率；
经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure 858950DEST_PATH_IMAGE047
（13）
Figure 614416DEST_PATH_IMAGE048
表示经过步骤5补偿后的回波信号。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端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，首先通过回波数据自适应迭代估计端射面阵的归一化阻抗矩阵，其次利用互耦补偿矩阵对互耦导致的空域导向矢量失配进行补偿，再次利用估计得到的归一化阻抗矩阵和系统参数构造杂波协方差矩阵，最后形成空时自适应权值，进行杂波抑制处理，提高了端射阵机载雷达在互耦误差情况下的运动目标检测性能；
（2）本发明以空时平面上的峰值功率值作为参考，通过自适应迭代方式估计互耦参数，峰值功率值同时包含了回波幅度和相位信息；
（3）本发明对互耦导致的空域导向矢量失配现象进行了补偿；
（4）本发明对于互耦导致的回波功率失配和端射阵特有的杂波非平稳分布现象，通过构造杂波协方差矩阵的方式进行了有效解决。
附图说明
图1为本发明所述端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法的结构框图；
图2为本发明所述端射阵机载雷达自适应互耦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端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：构造互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波数据；
预设互耦误差参数单元设定端射阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K，搜索步长分别为
Figure 269388DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 84898DEST_PATH_IMAGE002
，判决门限为
Figure 28583DEST_PATH_IMAGE003
；第q次搜索时
Figure 322161DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 34902DEST_PATH_IMAGE005
，则此时的归一化阻抗矩阵为
Figure 755733DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure 186715DEST_PATH_IMAGE007
（2）
其中随时间变化的互耦误差矢量为
Figure 283984DEST_PATH_IMAGE008
（3）
Figure 851231DEST_PATH_IMAGE009
（4）
Figure 8543DEST_PATH_IMAGE010
表示矩阵转置操作，j表示虚数单位，
Figure 918032DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 350150DEST_PATH_IMAGE012
分别表示幅度误差和相位误差，其中幅度误差服从高斯分布，相位误差服从均匀分布，即
Figure 37483DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 365696DEST_PATH_IMAGE014
；Z ij （i=1,2,...,M; j=1,2,...,M）表示第i个阵元和第j个阵元之间由互耦引起的互阻抗，Z ii 表示第i个天线阵元的自阻抗；
Figure 505691DEST_PATH_IMAGE015
表示相距n-1个列间距的两列的第i个阵元和第j个阵元之间的互阻抗，
Figure 944762DEST_PATH_IMAGE016
表示每个端口所接阻抗已知的固定负载；
则第q次搜索得到的存在互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波信号为
Figure 486602DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中I K 表示维数为K×K的单位矩阵，
Figure 985716DEST_PATH_IMAGE018
表示第q次搜索对应的归一化阻抗矩阵，
Figure 613007DEST_PATH_IMAGE019
表示Kronecker积，
Figure 590190DEST_PATH_IMAGE020
表示矩阵求逆操作，
Figure 48853DEST_PATH_IMAGE021
表示仅考虑互耦对幅度影响情况下的杂波回波信号，其表达式为
Figure 718869DEST_PATH_IMAGE022
（6）
Figure 833456DEST_PATH_IMAGE023
表示Hadamard乘积，
Figure 614330DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 868112DEST_PATH_IMAGE025
分别表示第l个距离单元第i个杂波块的时域导向矢量和空域导向矢量，N c表示杂波块的数目，N r表示模糊距离数，
Figure 709029DEST_PATH_IMAGE026
表示考虑互耦后的第q次搜索得到的第l个距离单元第i个杂波块回波幅度组成的列矢量；
步骤2：对步骤1构造的数据进行空时滑窗处理，并估计其峰值功率；
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，同时在空时平面上搜索得到峰值功率
Figure 310912DEST_PATH_IMAGE051
。
步骤3：将步骤2估计的峰值功率与当前时刻的峰值功率进行比较处理；
峰值功率比较单元判断
Figure 895477DEST_PATH_IMAGE052
的大小，其中
Figure 266416DEST_PATH_IMAGE029
表示当前时刻回波数据通过滑窗处理后估计得到的在空时平面上的峰值功率，
Figure 278234DEST_PATH_IMAGE030
表示步骤2搜索得到的峰值功率；若
Figure 898571DEST_PATH_IMAGE053
，则停止搜索，否则进行第q+1次搜索，直至满足要求为止，最终搜索到
Figure 286827DEST_PATH_IMAGE054
。
步骤4：利用步骤3的处理结果计算得到归一化阻抗矩阵；
归一化阻抗矩阵计算单元利用步骤3的搜索结果以及各子阵内的阵元间距和子阵间距的关系，由式（1）和式（2）计算得到最终的归一化阻抗矩阵
Figure 512272DEST_PATH_IMAGE033
。
步骤5：利用步骤4的处理结果，对空域导向矢量失配进行补偿；
空时导向矢量失配补偿单元形成的互耦补偿矩阵为
Figure 694992DEST_PATH_IMAGE034
（7）
其中补偿后的回波信号为
Figure 271467DEST_PATH_IMAGE035
（8）
其中
Figure 932255DEST_PATH_IMAGE036
（9）
Figure 808944DEST_PATH_IMAGE055
表示存在互耦时的目标回波幅度组成的列矢量，
Figure 162565DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 963687DEST_PATH_IMAGE039
分别表示目标信号的时域导向矢量和空域导向矢量，
Figure 428166DEST_PATH_IMAGE040
分别表示目标的多普勒频率和空间频率，X n表示噪声信号。
步骤6：利用步骤4的处理结果，构造杂波协方差矩阵；
杂波协方差矩阵构造单元中构造的杂波协方差矩阵为
Figure 628203DEST_PATH_IMAGE056
（10）
其中
Figure 418305DEST_PATH_IMAGE042
表示由归一化阻抗矩阵
Figure 234951DEST_PATH_IMAGE043
得到的第l个距离单元第i个杂波块的回波幅度组成的列矢量。
步骤7：根据步骤6的处理结果形成空时自适应权值，并针对步骤5的结果进行杂波抑制处理；
杂波抑制处理单元形成的空时自适应权值为
Figure 768700DEST_PATH_IMAGE044
（11）
其中
Figure 823244DEST_PATH_IMAGE045
（12）
Figure 253088DEST_PATH_IMAGE046
表示噪声功率；
经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure 25872DEST_PATH_IMAGE047
（13）
Figure 97733DEST_PATH_IMAGE048
表示经过步骤5补偿后的回波信号。
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)

1.一种端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：构造互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波数据；
步骤2：对步骤1构造的数据进行空时滑窗处理，并估计其峰值功率；
步骤3：将步骤2估计的峰值功率与当前时刻的峰值功率进行比较处理；
步骤4：利用步骤3的处理结果计算得到归一化阻抗矩阵；
步骤5：利用步骤4的处理结果，对空域导向矢量失配进行补偿；
步骤6：利用步骤4的处理结果，构造杂波协方差矩阵；
步骤7：根据步骤6的处理结果形成空时自适应权值，并针对步骤5的结果进行杂波抑制处理；
设定所述端射阵机载雷达接收阵元数为N，相干处理脉冲数为K，搜索步长分别为
Figure 256542DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 501579DEST_PATH_IMAGE002
，判决门限为
Figure 546895DEST_PATH_IMAGE003
。
2.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，所述步骤1中第q次搜索时
Figure 473263DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 615531DEST_PATH_IMAGE005
，则此时的归一化阻抗矩阵为
Figure 969152DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure 501765DEST_PATH_IMAGE007
（2）
其中随时间变化的互耦误差矢量为
Figure 28561DEST_PATH_IMAGE008
（3）
Figure 963019DEST_PATH_IMAGE009
（4）
Figure 487541DEST_PATH_IMAGE010
表示矩阵转置操作，j表示虚数单位，
Figure 572697DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 575288DEST_PATH_IMAGE012
分别表示幅度误差和相位误差，其中幅度误差服从高斯分布，相位误差服从均匀分布，即
Figure 426569DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 387572DEST_PATH_IMAGE014
；Z ij （i=1,2,...,M; j=1,2,...,M）表示第i个阵元和第j个阵元之间由互耦引起的互阻抗，Z ii 表示第i个天线阵元的自阻抗；
Figure 894776DEST_PATH_IMAGE015
表示相距n-1个列间距的两列的第i个阵元和第j个阵元之间的互阻抗，
Figure 497796DEST_PATH_IMAGE016
表示每个端口所接阻抗已知的固定负载；
则第q次搜索得到的存在互耦情况下的端射阵机载雷达杂波回波信号为
Figure 406846DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中I K 表示维数为K×K的单位矩阵，
Figure 804330DEST_PATH_IMAGE018
表示第q次搜索对应的归一化阻抗矩阵，
Figure 861147DEST_PATH_IMAGE019
表示Kronecker积，
Figure 205541DEST_PATH_IMAGE020
表示矩阵求逆操作，
Figure 234677DEST_PATH_IMAGE021
表示仅考虑互耦对幅度影响情况下的杂波回波信号，其表达式为
Figure 161368DEST_PATH_IMAGE022
（6）
Figure 377586DEST_PATH_IMAGE023
表示Hadamard乘积，
Figure 587987DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 206051DEST_PATH_IMAGE025
分别表示第l个距离单元第i个杂波块的时域导向矢量和空域导向矢量，N c表示杂波块的数目，N r表示模糊距离数，
Figure 476495DEST_PATH_IMAGE026
表示考虑互耦后的第q次搜索得到的第l个距离单元第i个杂波块回波幅度组成的列矢量。
3.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦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，同时在空时平面上搜索得到峰值功率
Figure 180009DEST_PATH_IMAGE027
。
4.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤3中，判断
Figure 131784DEST_PATH_IMAGE028
的大小，其中
Figure 135512DEST_PATH_IMAGE029
表示当前时刻回波数据通过滑窗处理后估计得到的在空时平面上的峰值功率，
Figure 780120DEST_PATH_IMAGE030
表示步骤2搜索得到的峰值功率；若
Figure 236509DEST_PATH_IMAGE031
，则停止搜索，否则进行第q+1次搜索，直至满足要求为止，最终搜索到
Figure 788713DEST_PATH_IMAGE032
。
5.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤4中，利用步骤3的搜索结果以及各子阵内的阵元间距和子阵间距的关系，由式（1）和式（2）计算得到最终的归一化阻抗矩阵
Figure 584631DEST_PATH_IMAGE033
。
6.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤5中，形成的互耦补偿矩阵为
Figure 400140DEST_PATH_IMAGE034
（7）
其中补偿后的回波信号为
Figure 346755DEST_PATH_IMAGE035
（8）
其中
Figure 702650DEST_PATH_IMAGE036
（9）
Figure 415391DEST_PATH_IMAGE037
表示存在互耦时的目标回波幅度组成的列矢量，
Figure 136223DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 567204DEST_PATH_IMAGE039
分别表示目标信号的时域导向矢量和空域导向矢量，
Figure 664473DEST_PATH_IMAGE040
分别表示目标的多普勒频率和空间频率，X n表示噪声信号。
7.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤6中，构造的杂波协方差矩阵为
Figure 497300DEST_PATH_IMAGE041
（10）
其中
Figure 389032DEST_PATH_IMAGE042
表示由归一化阻抗矩阵
Figure 307310DEST_PATH_IMAGE043
得到的第l个距离单元第i个杂波块的回波幅度组成的列矢量。
8.根据权利要求1或2所述的端射阵机载雷达自适应互耦补偿与杂波抑制方法，其特征在于，在所述步骤7中，形成的空时自适应权值为
Figure 208270DEST_PATH_IMAGE044
（11）
其中
Figure 364445DEST_PATH_IMAGE045
（12）
Figure 692658DEST_PATH_IMAGE046
表示噪声功率；
经过杂波抑制处理后的输出信号为
Figure 98231DEST_PATH_IMAGE047
（13）
Figure 802882DEST_PATH_IMAGE048
表示经过步骤5补偿后的回波信号。
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