（信号与信息处理专业论文）机载雷达空时自适应信号处理方法研究.pdf

摘要 摘要 空时自适应处理技术( s p a c e t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i l l g ，s t a p ) 能够有效的抑制 杂波，改善机载相控阵雷达检测目标的性能。国内外学者在过去3 0 多年中在s 1 = a p 的研究方面取得了很多重要的成果。计算自适应权值的协方差矩阵难以估计和协 方差矩阵计算涉及的巨大的计算量和实现复杂度使得全空时自适应处理难以应用 到实际中。全空时自适应处理具有良好的性能但是难以实用化，这使得人们转向 研究空时降维d u c e d i j l 】【，r r ) 处理算法，从而产生了很多可以实用的空时降维 处理算法。本论文首先介绍了s ，i = a p 原理和降维处理的原理及几种降维处理算法， 然后对线阵和面阵的非均匀划分进行了研究，提出了用于划分面阵的两种方法， 这两种划分方法的有效性通过仿真实验得到了验证。随后本论文从杂波距离多普 勒谱，角度多普勒谱和杂波自由度三方面对机载雷达系统的杂波特性进行了分析 研究，针对机载雷达系统的杂波在近程距离呈现出快速变化这一特征，本论文提 出了用分段处理来剔除估计协方差矩阵的样本中的非平稳距离单元样本，然后对 其分段方法做了改进，并通过仿真实验验证了本论文所提出的方法，此方法可以 有效抑制主瓣附近杂波和解决近程杂波快变性引起的非平稳性。 关键字：空时二维自适应处理子阵划分非平稳杂波杂波抑制机载雷达 a b s t r a c t a bs t r a c t w 地位a b i l 姆o fs u p p r e s s i n gc 1 毗e re 虢c t i v e l ya n d 妇p r o 血g 也ed e t e c t i o n p e r f o 眦a n c eo fa 趟) o m ep 厦粥e dr a d a r 印a t l y ，t h et e c h i l i q u eo fs p a c e - t i 玎1 ca d a p 西e p r o c e s s i i l g ( s t a p ) h a sb e e nr e s e a r c h i 甜f o rr n o r cm a i i3 0y e a r sa th o m ea 1 1 da b r o a d n l c 0 p 劬瑚瞳“lr a 】n l ( s t a ph 弱n o tf 0 咖【da n ya p p l i c a t i o ni i lt l l er e a lw o d df ；竹瓶h u g e c o m p u t a t i o nl o a d ，i t sg r e a t 逾l p l e m e n t m i o nc o m p l e x 吼a r l dm ed i 街c u l 够t 0o b t a i l l e n o u 曲s a m p l e st 0e s t h 】：1 a t e 也ec o v a r i a l l c em a 行i ) 【b e c a u s eo fn o n h o 瑚d g e n e o u s c h a r a c t 耐s t i c so ft l l e 曲b o n l er a d a rc l u t t e r t h eg o o dp e r f o m a l l c ea n dt 1 1 ed i 伍c u n yt 0 i l n p l e m e n to f 也eo p t i 姗】m 矗mr a | 呔s 1 ：a pg i v et 1 1 eb i i t l lt 0t h er e d u c e d - r 锄k ( 肼p a l g o r i t l l n l s ，m a l l yo fw h i c hc 锄b el l s e di nr e a lt i l n ep r o c e s s i i l g t w om e t h o d sa r e p r o p o s e do f 跚m gs u b 锄l y sf 0 r 廿1 ep r o c e s so f 蛐r e c e i v e d 仔o ml 鹕ep l a n a r a r r a _ y s ，、加也廿1 e i rv a l i ds i i i l u l a t i o nr e s u l t sc o i l l p a r c d 、析t ht h a to ft h ee q j 础n o i s ep o w e r l n e m o da n d ，斌rt h e 砌d u c t i o no f t h et h e o r yo f 也eo p t i m 瑚af b l l r a n ks t a p 姐d 也e r e d u c e d r a l l ks r i 时a i l ds e v e r a lr e d u c e d r a l l ks t a pa l g o r i m m sa n dm er e s e a r c ho f 静0 u p i n gs u b a r r a y so fb o 也l i i l ea n dp l a n a ra r r a y s t h ec h a r a c 把r i s ：t i c so f 也ea i r b o m e r a d a rc 1 眦e ra r er e s e a r c h e d 盘o mt l l ev a r i a t i o no ft ：h ed o p p l e r s p e c t m m 、城t 1 1t ：b e 船n g e s ， m ev a r i a t i o no f 也ed o p p l e rs p e c t n l m 讹也ea n 出e s ，a n d 也ec l u ：t t e rd e g r e e so f 盘e e d o m am e t l l o da n da ni m p r 0 v e do n ea r ep r o p o s e dt 0c h o o s et h e 仃2 l i n m gs a m p l e s w k c ha r e 砌e p e n d e 矾ya n di d e n t i c a l l yd i 矧b u t e d ( i i d ) f o re s t i m a 血l gm ec o v 撕a i l c e m a 伍x t h cc o m p u t e rs i m u l a t i o nv a l i 眦e s 也em e t h o d sp r o p o s e d ，a i l ds h o 、v st 1 1 a t 也e c l u t t e r1 1 e a rt 1 1 em a i n b e 锄c a nb es u p p r e s s e da 1 1 dt l l ep r o b l e mo ft ：h en o n h o m o 舀m e o u s c _ i 掰a c t e ro ft 1 1 ea i r b o m ec 1 1 】曲e rc a u s e db yt t l eq u ic ：kv a r i a t i o no fc l u t t e rw i 廿l 也er a n g e i n1 1 e a rr a i n g ec a i lb es o l v e d k e y w o r d s ：s p a c e t i m ea d a p t 如ep m c e s s i n g( s 1 a p )s u b - a r r a ys y n t h 鹤i s n o 咖勘n a r yc i u 慨r c l u t t e rs u p p 懈s i 蛆越r b o m er a d 盯 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：一塑墨竖高一 本人承担一切相关责任。 日期呈2 丝2 ：兰呈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：! 望墨坠丕日期兰2 全丕兰：兰墨 导师签名：显盛日期星1 2 仝：呈：塑导师签名：立趟日期星1 2 仝：呈：堡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 机载雷达是现代战场最重要的传感器之一。由于以飞机作为平台，使其对低 飞目标的可视距离比地基雷达远的多，并且可以灵活、快速地部署在所需要的地 方担任警戒，指挥等重要任务，因此受到广泛的重视。此类雷达系统的优越性已 在很多文献上得到反映，也为现代局部战争所证实。这类雷达做下视工作时，地 杂波不仅强大，而且由于不同方向的地杂波对于机载的速度各异，从而使杂波谱 大大扩展，杂波呈现出很强的时空耦合性，从而严重的影响了检测性能。有效地 抑制地杂波是机载雷达下视工作的难题，而且也是必须解决的问题。 随着军事技术的发展和战场环境的复杂化，采用超低副瓣天线和偏置天线相 位中心( d p c a ) u j 等传统技术的机载雷达越来越难以满足现代战场的要求。目标在 现代战场上常常是大纵深、全方位、多批次、全高度的。可以无惯性捷变的相控 阵天线由于可以满足现代战场得到越来越多的人的重视。许多国家的新一代的机 载预警雷达或下一代的机载火控雷达均采用了相控阵体制。在这一新的体制下， 可以采用空时自适应处理( s t a p ) 技术获得更高的检测性能。 由于机载雷达的地物杂波空时之间是耦合的，当载机的速度向量一定，某处 地杂波的多普勒频率与它相对于载机的方向和载机的速度向量的夹角余弦成正 比，杂波通常在空时二维平面内成斜线或椭圆分布。s t a p 利用空时二维数据改变 系统的二维响应，能够补偿系统误差的影响，形成与杂波匹配的斜凹口，可以有 效地改善系统的检测性能。 1 9 7 3 年l e b r e 姗，j d m a l l 甜和i s r e e d 首次提出了空时二维自适应处理 的概念【2 】。国内外对s r a p 的研究已经开展了3 0 多年，最初的研究仅局限于理论， 主要研究空时最佳检测理论和杂波特性。由于计算量和设备的代价太大，全空时 处理虽然性能优越但是无法在工程上得以实现。后来为了使s ，r f 廿走向实用化，研 究重点转向降维s t a p 处理，人们的这方面做了大量的研究工作，产生了各种各样 的降维处理算法。为了推动s t a p 的发展，美国相继进行了m o u n t a i nt o p 计划和 m u m c h a n n e l 越r b o m er 矗d a rm e a s u r e h l e l 她( m c a 鼬旧计划，获得了大量的实测数 据。在此基础上，降维处理、有源干扰抑制、奇异样本检测等成为新的研究热点。 s t a p 已经成功地应用机载雷达体系中，并且可以达到较好的杂波抑制效果。现在 s t a p 研究重点已转向进一步完善降维s t a p 处理方法，大面阵的降维处理研究， 和更加复杂的双基雷达算法的研究。 2 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 1 2 研究历史和现状 空时二维自适应处理技术是空域自适应技术的延伸和发展。二十世纪六十年 代末，l c v a n ，a 抛，s p ：a p p l e b a u m 及b w i d r o w 等人提出了阵列自适应处理的 基本思想f 3 ，4 5 ，6 1 ，其初衷是用来抑制空域干扰，由此产生了阵列信号处理这一新的 领域。1 9 7 3 年l e b r e 皿a n ，j d m 越1 e t t 和i s r e e d 首次提出了空时自适应处理的概 念，将阵列信号自适应处理的基本原理由阵元信号推广到脉冲和阵元采样的二维 数据中，并指出二维联合空时处理能够获得比通常空时级联处理更好的性能。但 是进行全空时的s 1 = a p 的设备量和计算量十分大，在当时无法实现，此后人们开始 寻找可以实现实时处理的部分自适应处理方法。 从2 0 世纪8 0 年代起，r e m m 对杂波特性进行深入研列7 一，发现空时协方 差矩阵的大特征值的个数不超过n 蚺0 1 个( 其中n 为阵元数，k 为时域脉冲数) 。 他在此基础上提出了辅助通道法( a u x i l i a r yc h a l l l l e lr e c e i v e a c r ) 【9 】，将处理器的维 数由n k 降到了n k + 1 维。这种方法在没有误差的情况下，处理器的性能可以接 近最优的全空时处理；但当有幅度和相位误差时，杂波谱沿空域展宽使得杂波维 数增大，处理性能明显下降，从而限制了a c r 在实际中应用。从2 0 世纪8 0 年代 开始越来越多的人对s 1 ：a p 理论进行了深入的研究。从9 0 年代开始，美国相继实 施了m o u 玎t a 访t o p 和m l d t i c h 锄n e l 触b o m e 董沲i a rm e a s l l r e m e n ：t s ( 1 虹c 削r c ) 计划【1 o ， 1 1 j ，实际录取了大量正侧面阵机载雷达的实测数据。这两批数据使得很多算法得到 了验证，也使得s t a p 的研究得到了极大的推动。 从8 0 年代开始，西安电子科技大学雷达信号国家重点实验室追踪国际研究动 态，对这一问题开展了研究f 1 2 ，1 3 ，1 4 1 5 1 。保铮教授领导的研究小组于1 9 9 1 年提出了 一种先时后空自适应级联处理( 称为1 d t s a p 或t $ a ) 。研究表明，n 1 d t - s a p 方法 不仅适用于正侧面正，也适用于斜侧面阵，具有良好的容错能力，整体性能比较 好。1 9 9 4 年h o n g w 等人提出了局域联合处理的算法( j o nd o m a i n l o c a l i z e d j d l ) 【1 6 1 。j i ) l 算法同样受幅相误差的影响较大，使用较多的波束虽然可 以补偿部分误差的影响，但是增加过大的辅助波束将使得处理变得复杂。 除了正侧面阵外，人们还对斜侧阵，非矩形阵进行了研究。r e m m 比较了 正侧面阵和前向阵杂波谱的特点，指出了前向阵存在的困难【1 7 1 ，他还针对圆形阵 面分析了空域子阵的结构对s t a p 的影响。随c h a r d o n 和h a ：y w a r d 在对前向阵的 s t a p 进行讨论之后，提出了在主杂波区利用近似的线性关系进行d p c a 处型1 8 】； 西安电子科技大学研究了侧面阵的特点，并提出了杂波抑制的方案设想【1 3 ，1 6 ，1 9 1 。 以上介绍的工作基本反映了人们在降维s t a p 方面所做的努力。s t a p 能有效 的改善机载相控阵雷达检测目标的性能，这一点使得人们对其投入了大量的研究， 特别是在获得了实测数据后研究重点从理论研究转到工程实现技术上。虽然这项 第一章绪论 3 技术在理论上已渐趋成熟，实际问题也不断的得到解决，但是有些问题还需要进 一步的完善。 1 3 本文研究内容 全文共分五章，本章( 第一章) 为绪论，第二章介绍了空时自适应处理和降 维s t a p 的原理以及几种实用的降维s t a p 方法。第三章研究了大型面阵的降维 s t a p 方法。第四章研究了空时自适应处理在非均匀环境下存在的问题及其解决方 法。第五章是工作总结和展望。 第二章介绍了空时自适应处理的原理和降维s t a p 的原理，以及几种降维处理 算法。本章对前人所提出的降维s t a j p 原理和算法所进行的研究，为后面的大型面 阵降维方法的研究和用s t a p 方法抑制杂波提供了基础。 第三章首先研究了线阵在划分子阵时存在的问题以及现存的算法，然后通过 对面阵的均匀邻接子阵划分存在的问题进行分析研究后，提出了两种划分子阵的 方法。这两种方法和等噪声功率法有相同的性能，不仅可以有效的克服栅瓣，而 且在干扰方向形成了很深的凹口，可以很好的消除杂波。 第四章首先从杂波距离多普勒谱，角度多普勒谱和杂波自由度三方面对机载 雷达系统的杂波特性进行了深入的分析研究，针对机载雷达系统的杂波在近程距 离呈现出快变特性这一特征，本论文提出了用分段选取样本来剔除估计协方差矩 阵的样本中的非平稳距离单元样本，然后对其分段方法做了改进。本论文提出的 方法可以有效抑制主瓣附近杂波和解决近程杂波快变性引起的非平稳性。最后通 过仿真实验验证了该方法的有效性。 第五章首先对论文的工作做了总结，然后对本论文的不足之处做了分析，并 提出了两种解决思路。 第二章空时二维自适应处理基本原理 第二章空时二维自适应处理基本原理 2 1 引言 s 1 ，虽然是机载雷达抑制地杂波的有效方法，但是全空时s t a p 系统的自由 度数目很大，不仅难以获得足够的用于估计协方差矩阵的独立同分布数据样本， 而且高阶矩阵求逆所带来的运算量和精度问题都使得全空时s t a p 在实际中难以 实现。全空时自适应处理的难以应用迫使人们将研究重点转向降维s t a p 处理，如 何有效的进行降维就成了一个值得研究的问题。 降维方法分为自适应降维方法和固定降维方法。自适应降维方法运算量大和 性能对杂波数据特性的敏感性使其处于理论研究阶段。固定降维方法比较容易应 用于工程，所以出现了很多降维方法。 本章简单介绍s t a p 处理原理，再分别在没有干扰和有干扰的情况下介绍几种 比较常用的降维方法。 2 2 空时自适应的原理 空时自适应处理方法是利用目标、杂波在角度多普勒二维平面上分布的差异 来抑制杂波，同时使目标信号得到足够的增益，而基于s t a j p 的杂波滤除方法需要 有足够的满足独立同分布( i i d ) 的训练样本来估计杂波的协方差矩阵【2 0 1 。 全空时自适应信号处理原理框架图如图2 1 所示【2 1 ，2 2 ，2 3 ，刎： 图2 1 全空时自适应信号处理的原理框图 输出 结果 6 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 假设雷达天线是由个阵元组成的线阵，一个相干处理间隔内雷达发送k 个 连续的脉冲，因此天线接收的数据为一组足的快拍。故雷达接收的数据较直观 的表示方式如下： x 1 = x l 。i l ： j j ： x n 1 l = 【x l j x h x 硒】 ( 2 1 ) 其中 = 1 n ，尼= 1 k ，j 是第玎个阵元，第尼个脉冲，在第z 个快拍的接收数据， 是所有阵元在第后个脉冲时接收的数据。在对数据的处理过程中都是将数据作 为向量来处理，因此处理器接收到的空时采样信号可以表示成一( 般1 ) 维的矢 量，如下式( 2 2 ) 所示： 曷= 【掣1 r 七，r k ，r ( 2 2 ) 此处五为数据矢量，在h o ( 没有目标的情况下，只有杂波和内部热噪声) 和h 1 ( 既有目标信号，又有杂波和噪声) 假设下，五可以表示成如下简单的形式： 一 f 6 s + c + n 墨假设 k 1c + n 凰假甚 ( 2 - 3 ) 其中6 为目标回波复幅度；c ，n 分别为杂波和噪声矢量；s 为归一化信号空时 导向矢量，即s ：1 叁了，s 。的表达式如下： s l h s l i s ( y ，以) = s 。( 缈) o s ，( 力) s m = t 唧万和y 卜唧刀要c 如s 沙汀 g 川 l s ，( 兀) = 【1e x p ( 歹石厶) e x p ( ，万( m 一1 ) 厶) r 式中。代表k r o n e c k e r 积，s ，缈) 和s 。( 力) 分别为目标信号的空间导向矢量和时间 导向矢量：d 为阵元间距，咒为发射电磁波的波长； 对式( 2 1 ) 表示的全部数据x 做全空时滤波，设其权矢量为w ，则滤波器输出 为 y = w 爿x( 2 5 ) 其中w 是自适应权矢量，即约束方向为甄和d o p p l e r 频率为厶的某一个检测单元 的增益。使式( 2 1 ) 式的n m 个数据加权和均方最小，即以下最优方程： 斛； 恻； 懈擘? 铀 f f j ； 啦； 哪；锄 第二章空时二维自适应处理基本原理 7 j 嘶n e l w 日x 1 2 ，( 2 6 )i妒、- v ， 【s f w 日s ( 沙。，厶) = l ， 杂波的协方差矩阵为：r = e ( ) 醚) ，但是在实际计算中r 使用其估计值交代 替。通常食由下式计算得到：食= x ，x 芦，其中三为距离门数。 式( 2 - 6 ) 的解为：w 0 = r 川s ( ，石) 。 ( 2 7 ) 式中= 1 ( s 日食- 1 s ) 为归一化复常数。 滤波器自适应输出为 y = 繁。 ( 2 - 8 ) 表示系统检测性能的改善因子【2 3 】( 输出端信杂噪比与输入端信杂噪比之比) 表示如下： 。邛：黑：睦挲掣- ( s s ) ( 吣+ 1 ) 以 跚h r x 、7 “ 。 ：腆：骘单 ( 2 _ 1 0 ) ”脚 ) e q y l 2 ) 、7 姗= 是= 嵩 。一+ ( c 恐+ 1 ) 、7 其中蠢为输入杂波功率，蠢为输入噪声功率，跚为输入信杂噪比，为 输出信杂噪比。 从实际应用的角度来看，s 卫蛆方法的应用主要需考虑以下几点因素：1 ) 要有 足够多的与目标无关的训练样本来估计杂波的协方差矩阵；2 ) 要考虑权矢量计算时 的计算量问题。而s 1 ：a p 处理的计算量主要是协方差矩阵的估计和求逆，因此人们 开始考虑用降维方法来降低计算量。 降维处理可以在二维数据域直接进行，也可以在其傅氏变换域( 子阵或波束 域、多普勒域) 中进行，由此可以简单的将s 1 = a p 降维域分为四类：阵元脉冲、 阵元一多普勒、子阵( 波束) 一脉冲、子阵( 波束) 一脉冲。在降维结构中，空域通 道可以采用波束、子阵、阵元的任意组合，时域自由度可以选择脉冲、多普勒的 任意组合。 在进行降维处理时，无论如何降维，只要是线性变换，总可以写成矩阵变换 的形式。设一个n k q 的降维矩阵b ，其中n k 和q 分别为降维前后数据的维数。 降维前数据矢量和信号引导矢量间存在如下关系： 8 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 fx ，= b 厅x 【s ，= b 何s 降维后的杂波协方差矩阵为： r x = e 【x ，x ，】= b r x b lij a 降维s t a p 处理即求解如下最优化问题： l 咖e lw ，且r x ，w ，i j矿 f 。 【豇w y s ，= l 最优权矢量为： w j = 从r s ， 式中从= 1 髑，日r s ，) 改善因子为： = 器- ( s r h r 拗吣+ 1 ) 畦孙，冗 一 ”、 7 7 4 2 3 降维方法 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 空时二维信号处理降维方法可以在阵元- 脉冲域、阵元多普勒域、波束一脉冲 域、波束一多普勒域四大域进行。由于不同的信号处理域也相应的产生了多种不同 的降维方法。常见的降维方法在文献【2 4 ，2 5 1 中已经详细介绍过了，这里不再重复， 本节只是简单介绍后面两章要用到的空时联合处理方法( r n d t ) 和几种常用到的方 法。 2 3 1 空时联合处理( 1 1 1 d t ) n 1 d t - s t a p 方法的思想是：先对每个空域通道用多普勒滤波器预滤波，将全 时空分布的杂波局域化为窄带定向有源干扰，接着再对其中若干个多普勒通道的 输出作自适应处理，从而将杂波滤掉。如果仅仅是目标所在多普勒通道参与处理， 称这种方法为1 d t s t a p ；如果除目标所在通道外，还用相邻n 卜1 个通道的输出一 起做空时联合域的自适应、滤波，称这种方法为m d i t i s t a p 。 下面我们以3 d t s a p 法为例，对其原理加以介绍，图2 2 为m d t s t a p 原理 框图。 第二章空时二维自适应处理基本原理 9 图2 2 m d t l s t a p 原理框图 如图2 2 所示，各子阵输出经过时域预处理( 对脉冲做f f t ) 后第k 个多普勒 滤波器输出的阵列数据矢量为： x i = 【，x 2 k ，x 眦】r( 2 1 7 ) 再取第( k 1 ) 和第( k + 1 ) 通道的数据构成时空数据矢量为： b i = ( x i 7 ，x t 一，x m r ) r( 2 1 8 ) 杂波协方差矩阵为：r 。= 印。b 。日】 根据线性约束最小方差准则，求如下优化问题的解 j 馏吖r t w 【s j w ：s o = 1 其中s 。为空时二维归一化导向矢量。最优解为： w i 哪= r - j s o 其中( s 。1 r - 1 s 。) 为归一化系数，s o2 击，导向矢量s 为 s = 【s ；( 虬) ，群( 虬) ，g s ；( 虬矿 g 为待检测通道的目标信号在f 临近通道的归一化增益。 改善因子为 m ) = 器( 嗽伽2 其中，c 艘为杂噪比，c r 2 为噪声功率。 2 3 2 滑窗法 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 滑窗法的主要思想是：先对必个脉冲进行长度为( m k + 1 ) 的滑窗，得到k 组 数据，再对每个空域通道k 组数据用多普勒滤波器预滤波，将全时空分布的杂波 局域化为窄带定向有源干扰，接着再对其中一个多普勒通道的输出作自适应处理， 1 0 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 从而将杂波滤掉。 下面以k = 3 ，三组数据为例，对其原理加以介绍，图2 3 为w c 6 法原理框 图。 l2ww f m e m 图2 3w a r d 法原理框图 如图2 3 所示，先对必个脉冲进行长度为必一2 的滑窗，得到三组数据x l ，x 2 ， x 3 。对这三组数据进行d f t 时域预处理后的数据矢量x ，k 和x 可以表示成 x = q ro w 睹) 1x l ( 2 2 3 ) y 22 吼。眠yx 2 ( 2 2 4 ) y 3 ；o o w k ) r x ，( 2 2 5 ) 由上面采样数据构成空时数据矢量为 b = 隅r ，y 2 r ，x r ) r ( 2 2 6 ) 杂波协方差矩阵为 r i = e 【】m 肌 ( 2 - 2 7 ) 根据线性约束最小方差准则，可以计算得到第七个多普勒频率通道的自适应权 w r 睹为 w 二= 【s 胃r t q s r lr t 。s( 2 - 2 8 ) 其中 s = ( s ，r ( ) ，岛s ，r ( ) ，9 2 s ，r ( ) ) r( 2 2 9 ) 改善因子为 i ( 妨：盟掣掣+ 1 ) 口： ( 2 3 0 ) w r t 毗 、 r 一7 式中，c 懈为杂噪比，矿为噪声功率。 2 3 3 局域联合 局域联合处理( j d l ) 方法是由h w 如g 和l c a i 提出的，并结合了广义似然比检 测，构成了所谓的m l g l r 空时二维处理器。其主要思想：首先将空时二维数据 第二章空时二维自适应处理基本原理 经二维傅立叶变换，变换到角度- 多普勒域，然后再选择感兴趣的局域( 一般是主杂 波附近的角度和多普勒通道) ，并根据某个准则进行自适应处理，从而将杂波滤除。 局域联合处理方法的机构实现框图和方法原理图分别如图2 4 和图2 5 所示。 j 每：囊教菇? ：i ? 霭 - lz l i 眦 p 。釜鲻凶若撑一。一捌 i 积丰波束和主波柬左每拥邻的m 少空卿波羲 - lz l 卜- 鼹蛇域磷嚏1 “，。| t 。 f7 取检测通道和其左右相邻的k 个通道 ? - lz i 书，h t ： 陟_ i “：适淼一。“一，譬 。 ：二； 图2 4m l 方法的结构实现框图 图2 5j d l l 方法原理示意图 如图2 4 所示，空时二维接收数据经二维d f t 变换后，输出的某个角度一多普 勒单元( f ，歹) ，可以表示为： m 矽= ( 氓ow f ) 爿x( 2 3 1 ) 则经二维d f ，i i 变换后的二次数据构成的协方差矩阵可以表示为： r y = ( 眠p 眠) 月r x ( 眠o ) ( 2 3 2 ) 式中w 0 和w ；分别是第i 个波束与第j 个多普勒通道的权矢量。 然后，根据最小功率输出准则实施自适应滤波处理，可得主波束指向为， 第，个多普勒通道的二维最优权矢量为： w = r ；1 s ( 2 3 3 ) 其中，为常数，s 为二维导向矢量。此处我们介绍的是3 3 的局域联合自适应处 理方法，所以其二维导向矢量是9 9 维的，如下式( 2 3 4 ) 所示： s = 形p w 二o w ( ，一1 ) 毗p w ( ，+ 1 ) w ( j - 1 ) o w ( 1 - 1 ) ow ( j 1 ) w ( f - 1 ) ow ( ，“) w ( m ) o w ； w ( m ) p w ( - 1 ) w ( f + 1 ) ow ( j + 1 ) ( 2 3 4 ) 1 2 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 2 3 4 时空级联处理方法 空时级联处理方法的原理是【2 4 ，2 6 ，2 8 j ：首先，对每个通道进行运动目标显示( 三 脉冲相消m t i ) 处理以消除主杂波，再级联时域滤波：其次，在每个多普勒通道 输出之后加一多波束形成器，并且选用那些输出功率较大的波束作为辅助波束； 最后，根据线性约束最小方差准则进行自适应处理。空时级联处理方法的机构实 现框图和方法原理图分别如图2 6 和图2 7 所示。 l2n - ln 军掣军军 南l 。岛l函苫 il厂一厂 i 波束形成和波束选择器 1i2 n l 主波 丑 五+ 。= = 氐= k 若各阵元噪声功率都等于仃2 ，则k = c r 2 ，k 等于干扰信号数j 。于是r ：1 可以分解为： r ：1 = 、w + 专v w ( 3 4 ) i = 1 k 了i 置七+ l 式中v 为第i 个特征矢量，将上式带入原始线阵的最优自适应权w a = 从r ：1 s 。中 得： w a = 争 i n 一喜互茅x w 】s a ( 3 - 5 ) 矢量组隅，v 2 ，v ，v k 】构成了干扰的信号子空间，最优权矢量w 是导向矢量 s 。在干扰信号子空间的正交补上的投影。如果各阵元噪声功率不一致，则k j ，此 第三章非均匀邻接子阵的研究 1 7 时与噪声对应的部分特征值矢量也被当作干扰信号加入到干扰信号子空间中，需 要消耗额外的系统自由度来滤除它们，从而导致性能下降。所以许志勇等璐2 1 人提 出了子阵划分的一个原则就是使各个子阵输出的噪声功率相等。 等噪声功率法的思想是：将n 个阵元组成的幅度锥削线阵划分成m 个( m 3 时，效果增加的不是很明显，在理想情况下，行数多要好一 些，但是实际情况，= 3 比z = 2 没有什么明显的改善，所以通常z = 2 。以下就是 针对这种简单的划分方式提出的两种划分方法。 方法一： 先进行列合成，然后使新合成后的阵面的方向图的主瓣的值与最大旁瓣的值 的差值最大化来划分阵面( 划分方式可以用遗传算法来搜索) 。理论依据：由上文 可知，进行列合成不但提高了杂噪比，而且使得干扰和噪声的特征值之间差异增 大了，从而减少了噪声特征值对应的特征向量被误当作干扰信号的可能性，所以 不考虑噪声的特征矢量对后续自适应的影响，而是应该使其它的性能最大化，此 处就是使其主副瓣的差值尽可能大。从后面的本方法仿真结果和等噪声功率法结 果的比较可以看出本方法要稍好于等噪声功率法。 方法二： 在合成子阵时，导向矢量指向信号方向，并且用同时满足以下三个条件来优 化阵面： ( 1 ) 使合成后的每个子阵的杂波功率积累最大； ( 2 ) 使所有子阵上的功率的增幅差异最小； ( 3 ) 使合成后的所有子阵上的噪声积累量相差最小，比如，= 1 时，我们用方 差来优化式( 3 1 3 ) 中龟。这些变量在本实验中是用方差来优化的。( 1 ) 和( 2 ) 是为了提高杂噪比，以便尽可能找出淹没在噪声特征值里面的杂波特征值，从而 可以更好的对消杂波。( 3 ) 是从等噪声功率的思想出发，以便尽可能的避免噪声 特征值对应的特征矢量进入干扰信号空间影响s t a p 效果。如果需要，也可以在数 据上处理，根据合成后子阵的噪声功率之间的关系加上一个基于合成后的阵元上 面的噪声功率值的相应对角阵，调整噪声每个阵元的输出噪声功率。这种方法可 以比较好的消除杂波和干扰。 3 3 2 仿真结果分析 对合成后的子阵进行处理时，本节用第二章中介绍过的( 文献n 2 1 ) 3 d t s t a p 方法来处理合成后的信号，在划分阵面时用本章所提的方法一做仿真实验。 此仿真数据中的干扰在多普勒频率上是白化的，在距离上也无法区分，只知 道是来自某一空间角度，也就是说本实验加的干扰只能在空间通过自适应来对消， 机载雷达空时自适应信号处理方法研究 强度是5 0 d b 。噪声为高斯白噪声，其功率为仃2 。图3 2 3 5 是用1 2 1 1 2 的矩形平 面阵来做实验的。 图3 2 和图3 3 是用本章所提出的方法一把阵面非均匀划分为1 1 6 和2 8 后 的某个多普勒通道响应图( 以相应的均匀划分方式为参照) ，从图可以看出用本文 1 6 号多普勒通道方向图八个干扰4 0 号多普勒通道方向图八个干扰 苣 隶 姗 督 4 0 2 0 交。 求 丽2 0 唇 - 4 0 蜘 电0 一均匀 非均 幸干扰 02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 锥角( 度) 锥角( 度) 图3 2 用方法一把阵面划分为2 8 的阵面的多普勒通道的空间响应图( 均匀2 8 作为参考) 1 6 号多普勒通道方向图八个干扰4 0 号多普勒通道方向图八个干扰 4 0 2 0 = 70 i 式 求 丽。2 0 督 4 0 - 6 0 - 均匀 l i 薹l 非均冬 i 勰 睾干扰 n 臻 煎 酽 fj l女 未 j 0 簦 一j 一： 一 诋 8 热 锹 麓i 7墅 1p l i j l - i 。 dd o2 04 06 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 即1 即02 04 06 0 即1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 锥角( 度)锥角( 度) 图3 3 用方法一把阵面划分为1 1 6 的阵面的多普勒通道的空间响应图( 均匀1 1 6 作为参考) 所提出的方法一划分得到的阵面的多普勒响应图，一是克服了栅瓣效应而且主副 瓣间的差值达到3 0 d b 以上，二是在干扰方向形成了很深的凹口。 图3 4 是本章所提出的方法一把阵面非均匀划分为l 1 6 和2 8 后的某多普 勒通道响应的对比图，从图中可以看出，在多个干扰的情况下，用本章所提出的 方法一把阵列划分为两行比划分为一行效果要好，一是前者的旁瓣要比后者的低 很多，二是前者的主瓣要比后者的好。经过实验，我们得出划分成两行是比较好 第三章非均匀邻接子阵的研究 的，因为实际情况下当行数大于二时，其效果并没多大改善。 图3 5 是本章所提出的方法一与等噪声功率法在相同参数下处理同一阵面的 仿真数据后某多普勒通道相应图的对比图。从图可得，等噪声功率法得到响应图 旁瓣电平要高一些，而且主瓣附近要差一些。虽然等噪声功率法在有些干扰方向 凹口深些，但是在同时考虑到杂波抑制方面时，它的效果要差一点。实际中，在 干扰凹口达到一定程度时就主要看对杂波的抑制效果。 1 6 号多普勒通道方向图八个干扰4 0 号多普勒通道方向图八个干扰 叵 日，即俯仰角9 较小，五随着r 的 变化比较缓慢；若只值与日值的差别不大，即俯仰角缈较大，力随着兄的变化比 较快。系统参数如表4 1 所示。按照式( 4 1 3 ) 计