（信号与信息处理专业论文）机载雷达杂波抑制的stap方法研究.pdf

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dc l u t t e rs p e c t r u mo fa i r b o r n er a d a r , i n c l u d ed i s l r i b u t i o no f r a n g e - d o p p l e rs p e c t r t u na n dd i s t r i b u t i o no fa n g l e d o p p l e rs p e c l r u r n t h e n , w en o to n l y d i s c u s sy a g ia n dp a t t e r no fv a g la n t en n aa r r a y , b u ta l s og i v ei t sp a t t e r nf o r m u l aa n d s i m u l a t e df i g u r e s s c o n d l y , t h ep r i c i p l e so ff u l lr a n ks t a pa n dr e d u c e d r a n ks t a pa l e i l l u s t r a t e d b a s e d0 1 1t h i s ，w ei n v e s t i g a t es e v e r a lr e d u c e d - r a n ks t a pm e t h o d s ，a n d a n a l y s et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nd e t a i l f i n a l l y , t h ec l u t t e r s u p p r e s s i o n m e t h o d so f 唧- b a n da r ee x p l o r e di nd e p t h i nt h ec a s eo fl o wp l u s er e a p t i n g f r e q u e n c yd a 饥w et a k ef r e q u e n c ys h i f tc o m p e n s a t i n g - s t a pm e t h o dt os u p p r e s sc l u t t e r , i nt h ee a s eo fm i d d l e p l u s er e a p t i n gf r e q u e n c yd a 饥w et a k en o n - u n i f o r m i t y s u b s e c t i o n - s t a pm e t h o dt os u p p r e s sc l u t t e r t h es i m u l a t e dr e s u l t sv a l i d a t eg o o d c l u t t e r s u p p r e s s i o np e r f o r m a n c ec a nb eo b t a i n e d ，m o r e o v e r , b o t ho ft h e mh a v es o m e i i 】：c e r f b r e r i c e s u p p r e s s i o np e r f o r r m n c e k e y w o r d s ： a i r b o r n er a d a r s p a c e - t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i n g c l u t t e r s u p p r e s s i o n y a g ia n t e n n a u h f - b a n d 目录 v 目录 摘要i a b s t r a c t 第章绪论1 1 1 研究背景及其意义1 1 2 研究历史与现状3 1 3 本文的研究内容4 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵方向特性。7 2 1 引言7 2 2 机载雷达的二维杂波谱分布7 2 2 1 杂波谱的距离多普勒分布8 2 2 2 杂波谱的角度多普勒分布。l o 2 3 八木天线的结构和工作原理1 2 2 3 1 八木天线结构。1 2 2 3 2 八木天线工作原理。1 3 2 4 八木天线阵方向图分析1 4 2 4 1 八木天线阵方向图的计算公式1 4 2 4 2 八木天线阵方向图的仿真结果及分析1 5 2 5 小结17 第三章空时自适应处理原理和方法1 9 3 1 引言1 9 3 2s t a p 处理原理1 9 3 2 1 全空时s t a p 处理原理1 9 3 2 2 降维s t a j p 处理原理2 l 3 3 几种s 1 ：f 心降维方法2 3 3 3 1 多普勒滤波后空时联合处理方法( m d t 方法) 2 4 3 3 2m t i 级联s t a p 方法2 6 3 3 3 和差波束法一2 7 3 3 4 频移补偿级联s 1 = a p 方法。2 9 3 4 小结3 0 第四章唧波段杂波抑制方法的性能研究。 4 1 引言31 4 2 低重频数据杂波抑制情况分析31 4 2 1 系统参数设置一3 l 4 2 2 杂波抑制方法3 2 4 2 3 仿真处理结果3 2 4 2 4 分析与结论3 6 4 - 3 中等重频数据杂波抑制情况分析3 7 v i 目录 4 3 1 系统参数设置3 7 4 。3 2 杂波抑制方法j 3 8 4 3 3 仿真处理结果3 8 4 3 4 分析与结论。4 l 4 4 杂波抑制方法的抗干扰能力分析4 2 4 4 1 低重频数据情况下的抗干扰能力分析4 2 4 4 2 中等重频数据情况下的抗干扰能力分析4 4 4 4 3 分析与结论4 5 4 5 ，j 、结4 6 第五章工作总结和展望4 7 5 1 工作总结4 7 5 2 课题展望4 7 致谢4 9 参敬献5 1 第一章绪论 第一章绪论 1 i 研究背景及其意义 雷达的传统功能是对目标进行探测和定位，它具有全天时、全天候和远距离 探测的能力。现代战争是以高技术信息战，电子战为中心的战争，对战争动态信 息的实时监测和处理成为关系到战争胜败的重要因素，高技术武器的信息化、智 能化发展趋势对自动目标识别的需求是显而易见的，因此，对来袭目标的有效探 测和预警在军事领域中占据重要技术地位。 众所周知，雷达是通过发射电磁信号，再从接收信号中检测目标回波来探测 目标的 2 0 i 。在接收信号中，不但有目标回波，也会有干扰信号( 如广播电磁干扰、 人为干扰和工业干扰) 、杂波信号( 如由地面、海面和气象环境等散射产生的) 以 及噪声( 如接收机热噪声) 等。所以，雷达目标探测是在十分复杂的环境背景下 进行的，雷达需要通过信号处理来检测目标，并提取目标的各种有用信息，如运 动速度、角度、距离、目标性质和形状等。通过数据处理可进一步完成雷达目标 的点迹和航迹处理，以及目标信息的显示等。 受地球的曲率和电磁波直线传播的影响，地面雷达不可避免地存在低空盲区。 为了有效克服地面雷达中存在的遮挡问题，这就要求雷达具有发现超低空或远程 低空飞行目标的能力，以便及早做出预警报警和采取相应措施。尽管人们研制了 地面低空补盲雷达，但低空盲区问题仍难以完全解决，解决这个问题的办法就是 把雷达架高。例如，架到山上( 受地形的限制) ，架到飞机上( 即预警机) ，架到 飞艇、气球或卫星上( 即艇载、球载或星载雷达) 。这种安装在高空载机上的雷达 称为机载雷达，以飞机为平台的机载雷达具有快速进出战场、灵活机动的优势， 显著地增大了雷达的威力。另外，机载雷达除了用于担任远程预警的机载预警 ( a i r b o r n ee a ( 1 yw a r n i n g , a e w ) 雷达，还有用于执行攻击任务的机载火控雷达等。 后来人们发现，预警机及其预警雷达可以较好地解决低空盲区问题，所以当今世 界上许多国家都在努力研制或力图购买预警机。 机载雷达安装在飞机运动平台上，其可视范围远远大于地面雷达，具有发现 超低空飞行目标和地面运动目标的能力，但是其下视工作时，地面杂波的影响十 分严重，般远强于地面目标回波，由于雷达平台运动，将引起地杂波的多普勒 频移和杂波谱展宽。传统的机载雷达地杂波抑制方法采用多普勒一维自适应滤波， 即利用杂波回波和目标信号回波在多普勒频域上的差别对杂波进行抑制，但对于 低速运动目标，由于目标多普勒频率和杂波多普勒频率非常接近，其杂波抑制能 2 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 力严重下降。杂波抑制是机载雷达下视工作时的关键问题。除了采用超低副瓣天 线、偏置相位中心天线d p c a t 2 3 , 4 0 j ( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e ra n t e n n a ，d p c a ) 等传统杂 波抑制技术，能够有效提高相控阵机载雷达杂波抑制能力和运动目标检测性能的 空时自适应处理( s p a c e t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i n g ，s t a p ) 技术也受到了广泛关注。 目前，随着战场环境的日益恶化，采用传统技术的机载雷达越来越难以满足 现代战争的要求。空时二维自适应处理( s t a p ) 技术可以有效地提高机载雷达的地 杂波抑制能力，有望成为机载雷达杂波抑制的必要技术。早期的s t a p 技术主要应 用在机载相控阵雷达体制中，随着技术的发展，在星载雷达以及舰载雷达等领域 也受到了广泛的关注。虽然机载雷达的地杂波在一维的多普勒域呈现多普勒扩散， 但由于它的空时耦合性，杂波在空时二维平面内仍分布在有限的支撑区域内，空 时二维平面的其它部分仍为空阔区。s t a p 技术利用空时二维数据改善系统的二维 响应，它能够自适应地补偿系统误差的影响，形成与杂波匹配的斜凹口，能有效 地抑制地杂波，大大改善系统的检测性能。 理论上全空时自适应( s t a p ) 方法可以实现最优处理，但是在实际的应用中， 其自适应处理的维数往往达到几千，甚至上万，对如此高阶的协方差矩阵求逆， 计算量和设备量惊人，无法实时实现。而且在雷达中实现s t a p 时，要采用相邻的 距离门样本数据估计杂波噪声协方差矩阵，其性能最优的前提条件是具有足够的 与待检测样本数据独立同分布的训练样本数据( 至少需要处理器维数数目两倍的 训练样本数据) ，如此多的满足独立同分布的训练样本在机载雷达杂波环境中很难 得到。在非均匀环境下，由于缺乏足够的与待检测样本数据独立同分布的训练样 本，常规统计s t a p 方法性能急剧下降。雷达回波数据中的非均匀现象暖7 j 可划分 为3 种：第一种为由于地形地貌起伏引起的杂波非均匀；第二种为由阵列天线面 与平台运动方向不一致以及多站结构引起的与距离相关的杂波谱结构；第三种为 由目标信号及脉冲式干扰引起的回波数据非均匀。 对于不同的杂波非均匀现象，目前提出的s t a p 方法虽然取得了一定的效果， 但也存在一些不足。文献【3 】总结了非均匀环境下机载相控阵雷达的s t a p 方法， 其中较为典型的方法为距离相关性补偿方法，其主要用来解决非正侧视雷达杂波， 特别是由距离相关性( 这里的距离相关性作为一种特殊的剧烈非均匀现象) 引起 的近程杂波非均匀问题，主要以b o r s a r i 等的多普勒频移( d o p p l e rw a r p i n g , d w ) 法 f 5 ，引、l a p i e r r e 等的尺度转换法眠1 2 l 和z a r m a n 等的导数更新法( d e r i v a t i v eb a s e d u p d a f i n 岛d b u ) 1 4 , 9 1 等为代表。d w 法和尺度变换法同属于杂波谱搬移法，区别在于： 前者根据杂波的空时耦合关系得到各距离单元杂波的多普勒频率，将待补偿单元 杂波沿多普勒频率方向平移到对应参考单元杂波多普勒频率位置，属于多普勒一 维搬移；后者则根据杂波的空时耦合关系作波束多普勒二维搬移，将待补偿单元 杂波搬移到对应参考单元位置，实现复杂。此外，d w 法可以用于存在阵列误差和 第一章绪论 多普勒模糊的情况，但不能用于存在距离模糊的情况，当雷达天线阵面法线偏离 速度方向角度较小时，性能较好，当偏离角较大( 如前视阵) 时，性能改善不明 显。尺度变换法只能用于无阵列误差、无多普勒模糊和无距离模糊的情况，否则 无法实现。d b u 法实现简单，但补偿性能较差。 为了推动s t a p 技术的实用化、工程化，许多雷达专家致力于降维s t a p 和非 均匀非平稳环境下杂波抑制的研究。在降维s t a p 方面的研究工作主要从两个角度 出发：固定结构降维处理和自适应降秩处理。而在非均匀非平稳环境下，则需要 重点研究对训练样本要求低或者几乎不要训练样本情况下的s t a p 方法。一旦这些 问题得到解决，将大大推进s t a p 技术在工程中的应用。 1 2 研究历史与现状 s t a p 方法最早于2 0 世纪七八十年代针对机载雷达杂波抑制提出【1 2 7 】，随后 2 0 世纪九十年代至今，s t a p 已成为雷达信号处理的前沿研究热点。其基本原理还 是自适应滤波，但是涉及空域和时域二维采样数据，相比一维时域数据量成倍增 加，且自适应权值的计算量巨大，为满足实时处理及杂波相关矩阵估计对空时采叫， 样数据的要求，人们提出了许多降维处理方法1 3 s , 4 1 】和快速自适应算法，并取得了 很大的进展。 从八十年代起，德国的r k l e m m 博士对降维s t a p 进行了开拓性的理论研究鼬 阢1 0 j m 3 , 1 4 , 15 】。通过对杂波特性进行深入细致的分析，发现了正侧视阵机载雷达数据 所具有的空时等效性，发现空时协方差矩阵的大特征值的个数不超过n + k - 1 个， 其中n 为阵元数，k 为脉冲数。这说明用于抑制杂波的全空时s t a p 的确存在降 维的可能性，在此基础上，他提出了辅助通道法( a u x i l i a r yc h a n n e lr e c i v e r , a c r ) t 7 3 ， 降维处理的维数由n k 降到n + k - l 。所处理的二维波束沿杂波脊分布，由于形成 了多波束，其运算量和设备量都很大。1 9 9 3 年廖桂生等提出了简化辅助通道法【嘲， 其性能与k l e m m 的a c r 方法接近，但该方法所用的辅助通道数目却大大减少。 研究表明辅助通道降维处理在没有幅度相位误差的情况下，性能最接近最优的全 维s t a p 处理，但它对杂波起伏和阵元误差很敏感，随着杂波起伏的增强和阵元误 差的增大主瓣杂波谱宽也会逐渐展宽，s t a p 性能会变差。 由于阵列几何布阵中阵元位置很难精确测量，因而存在阵元位置误差，而各 个阵元响应的不一致性和通道的不一致性又造成阵元间存在幅度相位误差。文献 【2 1 】中分析了阵元幅度相位误差对杂波二维空时谱的影响，如阵元误差导致列子阵 方向图的不一致，使得理想情况的“脊背型”杂波谱加宽并沿空域方向渗透，大 大增加了杂波自由度。在时空采样中，现有的技术能够实现很高的时间采样精确 4 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 度，形成副瓣很低的多普勒滤波器。但空域采样的误差则难以消除，这也是相控 阵天线难以获得超低副瓣电平的原因。基于这种考虑，2 0 世纪九十年代初，保铮 教授等提出了先多普勒滤波后空时自适应处理的时一空二维自适应方法【l6 2 2 1 ，这种 方法的基本思想是首先将每个空域通道进行深加权的多普勒滤波器组预处理，将 在整个空时域分布的杂波局域化为类似于窄带空间干扰的窄谱杂波，接着再对其 中一个或者相邻的若干个多普勒通道输出的数据做自适应处理，从而将窄谱杂波 抑制。如果只采用一个多普勒通道进行处理，即仅仅采用目标所在的多普勒通道 参与处理，则称为1 d t 方法f 2 3 l 或f a ( f a c t o r e da p p r o p a c h , f a ) 方法【1 9 1 ，除目标所在 通道外，可以增加与主瓣杂波同侧的一个临近的多普勒通道并将其一起作为处理 数据【1 7 】，当然运算量允许的话，还可以用与它相邻的多个多普勒通道的输出一起 作空时联合域的自适应滤波，称为m d t 方法( i n 指的是时域多普勒通道数，通常 取奇数3 、5 等) 或e f a ( e x t e n d e df a c t o r e da p p r p a c h , e f a ) 方法【l9 】。考虑到工程实 现问题，可以取3 个多普勒通道一起参与空时自适应处理，这样在主杂波区和副 瓣杂波区均能获得较好的性能，这种方法称为3 d t 方法。研究表明3 d t 方法不仅 适用于正侧视阵，也适合于斜侧视阵。 这一时期对s t a p 方法的研究成为热点，但由于没有实测数据的支持，最初 的研究仅限于理论阶段，为了进一步研究s t a p 的实用价值，从九十年代开始， 美国相继进行了m o u n t a i nt o p 3 4 j 计划和m u l t i c h a n n e l a i r b o r n er a d a r m e a s u r e m e n t s ( m c a r m ) 3 5 , 3 7 】计划，实际录取了大量正侧面阵机载雷达数据或等 效于平台运动的雷达数据。这两项实验工程极大的推动了s t a p 的发展，随后对 有源干扰抑制、奇异样本检测等方面的研究成为s t a p 研究的新一轮热点问题。 经过三十多年的探索与研究，s t a p 技术如今己成为一种具有较为坚实理论基 础的实用新技术。目前有关s t a p 处理的文献已有5 0 0 多篇，尤其是k l e m m 的专 著2 4 1 ，王永良的专著 2 6 1 及g u e r c i 的专著 2 5 1 等对s t a p 技术的基础理论作了较为完 整的论述。纵观s t a p 技术这三十多年来的发展历程，其主要关键技术问题为算法 运算量问题、误差问题、非均匀杂波问题及实时实现问题。针对这些技术难题雷 达专家们展开了大量的工作，并且取得了较大的突破，使s t a p 技术应用对象由最 初的机载预警雷达扩展到机载远程战场侦察雷达、机载火控雷达、天基雷达和星 载雷达等诸多领域。但是，对于不同的应用对象和实际环境，s t a p 技术在理论和 实际工程中还有许多问题需进一步研究。 1 3 本文的研究内容 本论文共分为五章内容，第一章为绪论，第二章详细介绍了机载雷达的二维 第一章绪论 杂波谱和八木天线及八木天线阵的方向特性。第三章论述了空时自适应处理原理 和方法。第四章研究了u h f 波段数据杂波抑制方法的性能。第五章为工作总结和 展望。 第二章首先分析了机载雷达的二维杂波谱，包括杂波谱的距离多普勒分布与 杂波谱的角度多普勒分布。研究表明对于正侧视阵，杂波谱的分布与距离无关， 但对于非正侧视阵，杂波谱呈现出距离非平稳的特性，但随着距离的变远，这种 非平稳性逐渐趋于平缓。接着讨论了八木天线的结构和工作原理，并进一步分析 了八木天线阵的方向图，并且给出了其计算公式和仿真结果。 第三章首先阐述了s t a p 的原理，分为两部分内容：全空时s t a p 原理和降维 s t a p 原理，接着给出了几种降维s t a p 方法，包括多普勒滤波后空时联合处理方 法( m d t 方法) 、m t i 级联s t a p 方法、和差波束法及频移补偿级联s t a p 方法， 并简单分析了各方法的优缺点。 第四章重点研究了u h f 波段数据杂波抑制方法的性能。对于低重频数据，由 于其发生了多普勒模糊，没有发生距离模糊，提出用频移补偿级联s t a p 方法实现 紊 杂波抑制；对于中等重频数据，提出用非均匀分段的s t a p 方法进行杂波抑制。并 且分析了上述两种方法的抗干扰性能，仿真结果验证了他们均具有很好的杂波抑 制效果与抗干扰能力。 一 第五章对本论文的工作进行了总结和概括，并对此课题做了展望。 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵的方向特性 7 第二章 机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵方向特性 2 1 引言 文献 2 7 1 q b 介绍了传统的地基雷达利用雷达回波信号的多普勒频率信息，即对 雷达回波脉冲序列( 时域采样信号) 进行一维的多普勒滤波处理，便可以将静止 的地杂波与运动的目标分离开，从而得到有用的目标信息( 如速度、位置等) 。然 而，对于将雷达搬到高空运动平台上的机载雷达，在其下视工作中，静止的地杂 波相对于雷达也是运动的，会产生多普勒频率，且其多普勒频率就是由运动平台 速度矢量在杂波回波方向上的分量引起的，因此，来自不同方向的地杂波其多普 勒频率是不相同的，雷达按其天线方向图接收的全方位地杂波多普勒谱被严重展 宽，并覆盖了运动目标的多普勒频率。从多普勒域来看，运动目标回波与杂波回 波混叠在一起，此时，传统的时域一维多普勒滤波处理方法将不能有效地分离出 运动目标与静止的地杂波；从空域的波达方向来看，同样存在运动目标与静止的 地杂波混叠在一起的问题，仅从空域滤波( 波束形成) 也无法将目标从杂波背景 中分离出来。如何有效地抑制这种因平台运动使多普勒展宽的地杂波，提高强杂 波背景下，弱动目标的检测能力，是运动平台雷达实现动目标检测的关键问题。 为了克服这种强杂波环境，从中提取目标有用信息，人们提出了各种各样的 杂波抑制方法。在讨论这些方法之前，我们先对机载雷达下视情况的地杂波谱分 布特性进行分析。 另外，在e - 2 c 及类似的雷达系统中，雷达阵面为八木天线阵，每个阵元实际 上是一个八木天线。八木天线又称引向天线【2 8 ，2 9 3 0 1 ，它是由日本人八木和宇田在 1 9 2 6 年研制成功的，广泛应用于米波及分米波波段的通讯、雷达、电视及其它无 线电技术设备中。它的优点是结构与馈电简单，制作与维修方便，体积小，重量 轻，转动灵活；天线效率很高，增益可达1 5 d b ，可用它作为阵元组成八木天线阵 以获取更高的增益。本章节主要介绍机载雷达的二维杂波谱分布和八木天线及八 木天线阵的方向特性。 2 2 机载雷达的二维杂波谱分布 机载雷达下视工作时，天线波束照射区内地面散射体的回波通过天线进入接 收机，形成地杂波。由于机载雷达与地面杂波之间存在相对运动，使得回波有一 8 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 定的多普勒频移，在波束照射区内，各个杂波散射体的回波具有不同的多普勒频 移，幅度按天线双程方向图加权，就构成了机载雷达的地杂波谱。典型的机载雷 达理想杂波回波的多普勒频谱如图2 1 所示，它由主瓣杂波、高度线杂波、旁瓣杂 波谱及目标回波频谱构成p 7 , 4 4 。 图2 1 机载雷达理想杂波回波的多普勒频谱图 2 2 1 杂波谱的距离多普勒分布 如图2 2 所示，假设载机作匀速直线飞行，速度向量为y ，飞行高度为日，雷 达波长为九，天线阵面与载机飞行速度夹角为口，地杂波散射体相对于天线轴向的 高低角、方位角和锥角分别为伊、0 和、i ，。则该地杂波散射体的多普勒频率以为： 厶= 等c o s ( o + a ) c o s q , ， ，、 ( 2 1 ) = z olc o s c o s 口一c o s ( p - - c o s 2 s i nc z ，t 厂 式中，厶= 三 为最大多普勒频率。 i t , 脉冲多普勒( p d ) 雷达的信号处理通常是按照距离门来作多普勒谱分析的， 其杂波抑制性能主要依赖于杂波的距离多普勒分布特性。在非正侧视阵面情况下， 即使同一锥角，其多普勒频率厶也是随斜距r 变化的，这与正侧视阵面情况不同。 本小节主要分析石随尺的分布情况。 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵的方向特性 9 图2 2 大线1 5 孚夕l j 与尕汲散射体阴儿伺夭糸 假设波束指向一定，即e o s 弘= c 为常数，在不考虑地球半径的情况下，式( 2 - 1 ) 可写为如下形式： 五= f 谢( c o s w c o s c t - 腼咖_ 仁2 ， 上式即为杂波的距离多普勒关系式，其中，s i n 矿= 等，r 主。 辎 对于前视阵，即口= 一9 0 。，此时杂波的距离多普勒关系式为： 石= 厶正f i p 3 ， 对于斜视阵，若口= 6 0 。，此时杂波的距离多普勒关系式为： 兀= 厶b 杪一孚腼 p 4 ，一 对于正侧视阵，即口= 0 。，此时杂波的距离多普勒关系式为： 五= 厶c o s g ( 2 - 5 ) 图2 3 分别给出了不同锥角( 3 0 。，4 5 。，6 0 。，9 0 。，1 6 0 。) 下，上述三 种不同阵面情况下的杂波距离多普勒关系曲线。从图中可知，正侧视阵中杂波的 多普勒频率不随斜距r 的变化而变化，多个回波具有相同的多普勒频率，杂波分 布呈现出距离平稳性；而非正侧视阵的杂波多普勒频率随斜距r 的变化而变化， 在一定距离( 3 0 k m ) 范围以内，变化较快，随着距离的变远，这种变化才逐渐趋 于平缓。这说明非正侧视阵的杂波分布具有距离非平稳性。 1 0 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 c a ) 前视阵杂波距离多普勒图( b ) 斜视阵( 口：6 0 。) 杂波距离多普勒图 ( c ) 正侧视阵杂波距离多普勒图 图2 3 三种阵面的杂波距离多普勒图 2 2 2 杂波谱的角度多普勒分布 对于空时二维处理情况，控制时域滤波的权系数相当于改变其多普勒兀响应 特性，而控制空域等效线阵的权系数相当于改变其锥角余弦c o s v 的波束响应。因 此，若从空时二维滤波的角度研究二维杂波谱，可取2 石f , ( 代表归一化频率) 和c o s 缈 ( 代表角度) 作为角度多普勒图的两维坐标，其中f 为脉冲重复频率。由 此，式( 2 1 ) 可改写为如下形式： ( 老) 2 ( 等) 2 + c 毋y s 口砉等c 唧= c 。s 2 沁n 2 口c 2 固 假设固定c o s 缈= c 为常数( 斜距r 一定) ，上式即为杂波的角度多普勒关系式。 对于前视阵情况，口= 一9 0 。，则此时杂波的角度多普勒关系式为： c o s 2 缈 + 三半：1( 2 7 ) c o s 矽 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵的方向特性 1 1 对于斜视阵情况，如口= 6 0 。，则此时杂波的角度多普勒关系式为： 3 c o s 2 c o + 竺：1( 2 8 ) c o s 口 对于正侧视阵情况，口= 0 。，则此时杂波的角度多普勒关系式为： 孕一孕c o s t = 0 ( 2 - 9 ) ) fjr 图2 4 给出了不同距离处( r 为1 0 k i n 、1 2k m 、2 0k m 、4 0k m 、7 0k m 、1 0 0k m ) ， 上述三种阵面情况下杂波的角度多普勒关系曲线，各图中均没有多普勒模糊( 中 等重频情况) 。 ( a ) 前视阵杂波角度多普勒谱( b ) 斜视阵( 口= 6 0 ) 杂波角度多普勒谱 ；： ( c ) 正侧视阵杂波角度多普勒谱 图2 4 各种阵面的杂波角度多普勒图 从图2 4 可以看到，前视阵面时，二维杂波谱为正椭圆的一半( 如图2 4 ( a ) 中所示) ，椭圆的大小与斜距尺有关( 即与高低角缈有关) 。斜侧视阵面时，二维杂 波谱为斜椭圆的一半( 如图2 4 ( b ) 中所示) ，其大小同样受斜距尺影响( 即受高 低角缈影响) 。另外，对于前视阵和斜侧视阵，二维杂波谱在近距离处变化较快， 随着距离的变远，这种变化趋于平缓，说明非正侧视面下的杂波谱具有距离非平 1 2 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 稳性。正侧视阵面时，二维杂波谱是一条斜率为f , 2 厶，的直线( 如图2 4 ( c ) 中 所示) ，与高低角够无关。这是最适合做二维滤波的理想情况，只要沿图2 4 ( c ) 中的杂波谱线形成深凹口的二维滤波，它将适用于所有不同斜距尺的杂波。 需要说明一点，在这里分析杂波谱的特性时，我们已经假设地杂波处于理想 静止状态，且载机匀速飞行，这种情况下，杂波谱宽度无限窄，所以其在二维平 面里呈现直线或曲线。若考虑天线阵元和通道误差、地杂波内部起伏、载机机身 影响等实际因素，杂波谱将展宽而呈带状。 2 3 八木天线的结构和工作原理 八木天线是一种广泛应用于米波及分米波波段通讯、雷达、电视及其它无线 电技术设备中的端射式天线。它有很好的方向性，较偶极子天线有较高的增益。 用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置，更 可以与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络，这种优势是从直立天线上 得不到的。 2 3 1 八木天线结构 八木天线的结构及外观如图2 5 、图2 6 所示。 图2 5 八木天线结构图图2 6 八木天线外观 由图2 5 可以看出，八木天线由一个有源振予、一个反射器及若干个引向器构 成。反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在同一个平面内且互相平行， 它们的中心都固定在一根金属杆上。有源振子馈电点必须与金属杆绝缘，无源振 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵的方向特性 1 3 子与金属杆短路连接。由于金属杆与各振子垂直，金属杆上不产生感应电流，也 不参与辐射。八木天线的最大辐射方向与有源振子指向引向器的方向相同，所以 它是一种引向天线。 典型的八木天线应该由三对振子组成，整个结构呈“王 字形。与馈线相连 的是有源振子，或称为主振子，居三对振子之中，“王”字的中间一横。比有源振 子稍长一点的是反射器，它在有源振子的一侧，其作用是削弱从这个方向传来的 电波或从本天线发射出去的电波；比有源振子略短的是引向器，它位于有源振子 的另一侧，它的作用是增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。 通常情况下，- - n a 木天线可以有多个引向器，但每根引向器长度都要比其相邻 的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多，方向性越尖锐、增益越高，但 实际上超过四、五个引向器之后，这种“好处”增加就不太明显了，而体积大、 重量增加、成本加大、对材料强度要求提高等问题却逐渐突出。 2 3 2 八木天线工作原理 由2 3 1 节介绍可知：八木天线是一种线性端射式天线，它由一个有源的半波 振子，一个( 或几个) 反射器以及一个( 或几个) 引向器组成。其中引向器和反 射器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。由于有源振子上加有高频 电动势，在八木天线周围空间内产生电磁场，使得无源振子中产生感应电动势以 i 及对应的高频电流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。由于存在无源振子，根 筝 据互感原理，有源振子上也产生相应的感应电流，所以有源振子的总电流是激励 电流和感应电流之和。当反射器的长度、引向器的长度以及它们到有源振子的距 离选得适当时，反射器和有源振子所产生的电磁场在某个方向( 反射器的一边) 上相抵消，在相反方向( 引向器一边，主辐射方向) 上同相叠加，这样天线就具 有了单向辐射特性，使天线可以在引向器方向上形成较尖锐的辐射波束。八木天 线的单元越多，方向性越强。但单元过多时，易导致工作频带变窄，整个天线尺 寸也将偏大。 1 4 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 2 4 八木天线阵方向图分析 2 4 1 八木天线阵方向图的计算公式 z r 5j 氐匀 ，略笃 钮剖有 乡 引向器 z 馥 7 赞 7k 珥 最大辐射方f l ， 少 ，2 a 个、 、3匕 ； z1 ：、 7 f 、 、 r1t 、 图2 7 八木天线坐标图 八木天线的方向图可利用行波端射阵原理得出。参照图2 7 ，在分析中可假设 所有振子的长度、直径、间距都相同，再根据阻抗关系求出每个振子上的电流幅 度和相位差，代入天线阵的方向函数公式即可。根据天线阵理论可求出八木天线 的方向函数，即 。 厂( 秒，矽) = 彳( 秒) 枣六( 秒，矽) ( 2 1 0 ) 式中彳( 目) 为原方向图函数。因为半波振子的方向函数差异不大，可以假设各单元 的方向函数相同，即 石( 9 ) c o s ( t z 宰，木c o s ( 秒) ) 一c o s ( t z 木0 s i n ( o ) ( 2 - 1 1 ) 阵因子正( 秒，) 决定于各单元的间距与电流比，即 胛卅= 矧luim,ii=l2 纱l ( 2 - 1 2 ) ii - 脚 i i 式中，口= 2 木p i 2 为波束矢量，为各振子总长度的一半，疗为振子个数，ii 耐i 为 第i 个振子的波腹电流，屈为第i 个振子与第一个振子电流相位差， 仍= ( 层一厦) 一口 ( 珥一吐) s i n o 宰s i n 。 归一化的方向图函数为： 第二章机载雷达的杂波谱和八木天线及其天线阵的方向特性 1 5 删，= 半= 书( 2 - 1 3 ) 式中z 为方向函数的最大值，z = f q r 2 ，x 2 ) 。 天线方向图分为h 面方向图和e 面方向图，在这里我 f l # - 要讨论e 面方向图 即矽= x 2 时的天线方向图为： 胛州2 ) _ c o s ( 扩h 0 s ( 纠- c o s ( 矿圳s i n ( 矿陲i 爿抄。i ( 2 - 1 4 ) 式中仍。= ( 履一及) 一口毒( z 一么) * s i n 0 ， 同理，可以得到由1 6 个八木天线构成的八木天线阵的总方向图巧( 矽) 为： 巧( 秒) = f ( 秒) 木互 ) ( 2 1 5 ) 式中f ( o ) 为八木天线e 面方向图， 1 5 磊( 乡) = q e 叫口( 2 - 1 6 ) n = 0 为1 6 元等距线阵方向因子，口= 2 木p i 允为波束矢量。d 为阵元间距，劬为加权 系数。 2 4 2 八木天线阵方向图的仿真结果及分析 为了研究八木天线方向图，在这里，我们简单的假设第f 个振子的波腹电流与 第二个振子的波腹电流比为s i n 0 ，第f 个振子与第一个振子电流相位差为0 。下 面我们主要研究参数与参数d 对八木天线方向图的影响，并给出仿真图形如下。 单个八术天线e 面h - 向图n = 1 6单个八木天线e 面方向圈n = - g 图2 8n - - 9 取不同振子间距时 的单个八木天线方向图 图2 9n = 1 6 取不同振子间距时 的单个八木天线方向图 1 6 机载雷达杂波抑制的s t a p 方法研究 图2 1 0d = 0 2 5 * 2 取不同振子数的 单个八木天线方向图 图2 1 ld ：0 2 5 * 2 取不同振子数的 单个八木天线方向图 图2 8 给出了振子数为9 ，振子间距不同时的单个八木天线方向图，可以看到， 在一定范围内随着振子间距的变大，方向图主瓣变窄且第- - n 瓣电平变小。图2 9 给出了振子数为1 6 ，振子间距不同时的单个八木天线方向图，可知，在一定范围 内随着振子间距的变大，方向图主瓣变窄且第- n 瓣电平变小，但当振子间距大 于波长时会出现栅瓣。图2 1 0 给出了振子间距为o 2 5 倍波长时不同振子数的单个 八木天线方向图，可以看到，随着振子数的增加，方向图主瓣变窄且副瓣电平下 降。图2 1 1 给出了振子间距为0 4 倍的波长时不同振子数的单个八木天线方向图， 可以看到，随着振子数的增加，方向图主瓣变窄且旁瓣增益下降。比较图2 8 、图 2 9 、图2 1