CN116430348A - 一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法 - Google Patents

一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法 Download PDF

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CN116430348A CN202310699997.3A CN202310699997A CN116430348A CN 116430348 A CN116430348 A CN 116430348A CN 202310699997 A CN202310699997 A CN 202310699997A CN 116430348 A CN116430348 A CN 116430348A
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Abstract

本发明属于机载雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法。本发明利用初相捷变脉冲串波形作为发射信号，与常规波形相比具有一定的距离选通特性，在复杂电磁环境中可获得更多的信号处理自由度；通过特征分解构建杂波子空间，相比于采样协方差矩阵求逆算法在训练样本数不足的情况下，对于通道间失真与非均匀杂波具有更好的鲁棒性；基于交替投影法更新自适应权矢量，可在信噪比损失与常规波形STAP处理相当的情况下，实现解距离模糊并进一步改善非均匀杂波的抑制效果。

Description

一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法
技术领域
本发明属于机载雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法。
背景技术
1973年，Brennan等人针对机载雷达杂波抑制问题，首次提出了空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)的概念。经过几十年的探索和研究，STAP技术已经成为雷达领域的研究热点之一，并已发展为一门具有坚实理论基础的实用新技术。当前机载雷达采用的发射波形多为参数固定的常规波形，基于常规波形的STAP技术，在独立同分布的训练样本数充足的情况下，可以准确估计杂波协方差矩阵实现对杂波的有效抑制。但实际场景中由于存在地面起伏、地物遮挡、杂波内在运动与孤立干扰等因素的影响，造成杂波非均匀性增加，导致独立同分布的训练样本数难以满足对杂波协方差矩阵准确估计的需求，致使STAP的结果出现杂波剩余。且常规波形由于参数固定将导致接收回波出现距离模糊和杂波折叠，造成远距低速弱目标需要与折叠的剩余杂波竞争，严重影响雷达探测能力。针对杂波的非均匀性，研究人员提出了功率非均匀检测法、非均匀检测器、稀疏恢复STAP等方法。但功率非均匀检测法主要针对杂波功率非均匀的情况，无法解决运动目标干扰或孤立干扰的影响。非均匀检测器则要求估计的协方差矩阵与待检测单元的协方差矩阵一致，否则将会造成较大信杂噪比损失。稀疏恢复类的方法对信噪比要求较高，并且大多数方法都存在网格失配的问题。
综上，由于杂波非均匀性造成的剩余杂波折叠是当前影响机载雷达探测性能的主要原因。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足即为改善机载雷达在非均匀杂波场景下的目标探测性能，提出一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，该方法利用初相捷变脉冲串波形的距离选通特性，通过交替投影更新自适应权矢量，相比常规波形，该方法可以解距离模糊，并进一步改善非均匀杂波的抑制效果。
本发明的技术解决方案是：
一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，所述初相捷变脉冲串波形
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的表达式如式（1）所示：
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为光速，初相捷变脉冲串波形的距离选通性能是指选通本距离段回波，抑制其他距离段回波的能力；
该方法的步骤包括：
步骤1，对初相捷变脉冲串波形下的杂波进行子空间估计，得到杂波子空间，进行杂波子空间估计的方法为：
设测试单元为第
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（9）
当无目标先验信息的情况下，可以依次构建各距离段、多普勒频率、方位频率的子空间，通过遍历的方式检测场景中的目标。
步骤3，基于交替投影法计算自适应权矢量，具体方法为：
首先，利用步骤1所得的杂波子空间
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步骤4，利用步骤3得到的自适应权矢量与初相捷变脉冲串波形的回波做内积，得到基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理结果。
有益效果
本发明利用初相捷变脉冲串波形作为发射信号，与常规波形相比具有一定的距离选通特性，在复杂电磁环境中可获得更多的信号处理自由度；通过特征分解构建杂波子空间，相比于采样协方差矩阵求逆算法在训练样本数不足的情况下，对于通道间失真与非均匀杂波具有更好的鲁棒性；基于交替投影法更新自适应权矢量，可在信噪比损失与常规波形STAP处理相当的情况下，实现解距离模糊并进一步改善非均匀杂波的抑制效果。
附图说明
图1a为线性调频脉冲串波形模糊函数的三维视图；
图1b为线性调频脉冲串波形模糊函数的距离-幅度投影图；
图2a为初相捷变脉冲串波形模糊函数的三维视图；
图2b为初相捷变脉冲串波形模糊函数的距离-幅度投影图；
图3a为基于线性调频脉冲串波形理想情况下机载雷达仿真回波数据STAP处理结果；
图3b为图3a的距离-幅度投影图；
图3c为基于初相捷变脉冲串波形理想情况下机载雷达仿真回波数据的空时自适应信号处理结果；
图3d为图3c的距离-幅度投影图；
图4a为基于线性调频脉冲串波形杂波非均匀情况下机载雷达仿真回波数据STAP处理结果；
图4b为图4a的距离-幅度投影图；
图4c为基于初相捷变脉冲串波形杂波非均匀情况下机载雷达仿真回波数据的空时自适应信号处理结果；
图4d为图4c的距离-幅度投影图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明
实施例
当前机载雷达多为窄带脉冲多普勒雷达体制，发射波形大多选用参数固定的常规波形，如线性调频脉冲串波形。由图1a、图1b可知，参数固定的线性调频脉冲串波形各距离段间的回波是完全模糊的，这也是造成杂波非均匀情况下剩余杂波折叠的根本原因。
初相捷变脉冲串波形
Figure SMS_68
的表达式如式（1）所示，
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（1）
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为光速。由图2a、图2b可知，初相捷变脉冲串波形具有大约17 dB左右的距离选通性能。距离选通性能是指选通本距离段回波，抑制其他距离段回波的能力。
基于初相捷变脉冲串波形的距离选通性能，本发明的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法的流程，具体包括以下步骤：
步骤1，对初相捷变脉冲串波形下的杂波进行子空间估计，得到杂波子空间，进行杂波子空间估计的方法为：
设测试单元为第
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距离段脉间调制相位组成的对角阵，如式（9）所示，
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（9）
当无目标先验信息的情况下，可以依次构建各距离段、多普勒频率、方位频率的子空间，通过遍历的方式检测场景中的目标。
步骤3，基于交替投影法计算自适应权矢量，具体方法为：
首先，利用步骤1所得的杂波子空间
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如式（12）所示：
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为对角加载量，一般取背景噪声的5-10 dB，/>
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为矩阵求逆运算。
步骤4，利用步骤3得到的自适应权矢量与初相捷变脉冲串波形的回波做内积，得到基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理结果。
对得到的处理结果的解距离模糊和改善非均匀杂波的抑制效果进行验证和说明：
为测试算法性能，首先对理想情况下的机载雷达探测场景进行仿真，其中理想情况是相对非均匀杂波场景提出的，即场景中不存在非均匀杂波。仿真中采用正侧视天线布局，设置雷达的不模糊测距范围为75km，两个远距低速点目标的距离和速度分别为183.75km、60m/s；270km、-40m/s，即分别位于第3距离段和第4距离段，其中速度正、负号分别代表目标远离或朝向雷达方向，目标信噪比约为15dB；仿真机载雷达杂波的速度分布范围约为-100m/s至100m/s，距离分布范围约为9km至300km，杂噪比约为60dB。图3a、图3b为基于线性调频脉冲串波形STAP处理的仿真结果，由图3a、图3b可知STAP可对杂波实现有效抑制，但目标距离存在模糊；图3c、图3d为本发明方法处理的仿真结果，由图3c、图3d可知本发明方法在对杂波有效抑制的同时可以实现对目标的无模糊测距。
其次对存在非均匀杂波的机载雷达探测场景进行仿真，仿真参数与上述仿真一致，但回波中加入场景快速变化和孤立干扰产生的非均匀杂波，图4a、图4b为基于线性调频脉冲串波形STAP处理的仿真结果，由图4a和图4b可见由于杂波非均匀导致STAP处理后存在杂波剩余，无法对目标进行有效检测；图4c、图4d为本发明方法处理的仿真结果，由图4c和图4d可见本发明方法可基于初相捷变脉冲串波形的距离选通性能，抑制杂波剩余对远距目标的影响，改善非均匀杂波的抑制效果，实现对目标的有效检测。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于该方法的步骤包括：
步骤1，对初相捷变脉冲串波形下的杂波进行子空间估计，得到杂波子空间；
步骤2，构建初相捷变脉冲串波形下的目标子空间；
步骤3，利用步骤1所得的杂波子空间构建杂波投影矩阵，利用步骤2所得的目标子空间构建目标投影矩阵；
步骤4，根据步骤3构建的杂波投影矩阵和目标投影矩阵，计算自适应权矢量；
步骤5，利用步骤4得到的自适应权矢量与初相捷变脉冲串波形的回波做内积，得到基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述初相捷变脉冲串波形
Figure QLYQS_1
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3.根据权利要求1或2所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
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为：
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为共轭转置运算；
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做特征分解，得到的结果为：
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为：
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。
4.根据权利要求3所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述步骤2中，构建的目标子空间
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为：
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为第/>
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距离段脉间调制相位组成的对角阵，表达式为：
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为目标的方位频率，/>
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为克罗内克积，/>
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为转置运算。
5.根据权利要求4所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述距离段的定义为：
一个脉冲重复周期
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对应的距离范围/>
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为一个距离段，即/>
Figure QLYQS_53
，其中/>
Figure QLYQS_54
为光速。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
当无目标先验信息的情况下，依次构建各距离段、多普勒频率、方位频率的子空间，通过遍历的方式检测场景中的目标。
7.根据权利要求6所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述步骤3中，利用步骤1所得的杂波子空间
Figure QLYQS_55
构建杂波投影矩阵/>
Figure QLYQS_56
，利用步骤2所得的目标子空间/>
Figure QLYQS_57
构建目标投影矩阵/>
Figure QLYQS_58
如下：
Figure QLYQS_59
，
Figure QLYQS_60
。
8.根据权利要求7所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述步骤4中，基于交替投影法计算自适应权矢量。
9.根据权利要求8所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述步骤4中，自适应权矢量
Figure QLYQS_61
的表达式为：
Figure QLYQS_62
其中，
Figure QLYQS_63
，/>
Figure QLYQS_64
为单位阵，/>
Figure QLYQS_65
为对角加载量，/>
Figure QLYQS_66
为矩阵求逆运算。
10.根据权利要求9所述的一种基于初相捷变脉冲串波形的空时自适应信号处理方法，其特征在于：
所述
Figure QLYQS_67
的取值为背景噪声的5-10 dB。
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US20110187584A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Man-On Pun Method for Suppressing Clutter in Space-Time Adaptive Processing Systems
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