（信号与信息处理专业论文）机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究.pdf

摘要 摘要 杂波抑制是机载雷达下视工作时的关键问题 根据机载雷达杂波的空时二维 耦合特性 提出的空时二维自适应处理技术能够有效提高机载相控阵雷达地杂波 的抑制能力和动目标的检测性能 起初 人们研究的重点是全空时域最佳检测理 论和机载雷达杂波特性两方面 虽然 全空时处理性能优越 但是其计算量和实 现复杂度令人难以接受 并且难以获得估计协方差矩阵所需要的足够多的样本数 随后研究工作的重点放在了对降维s t a p 算法的研究上 目的是解决s t a p 在工程 上实时实现的问题 目前 对降维s t a p 算法的研究 取得了很大的成果 随着空 时二维自适应处理的进一步发展 杂波二维分布随距离变化的非平稳杂波抑制问 题得到了研究人员的广泛关注 本文对降维空时二维自适应处理算法和非平稳杂 波抑制算法做了一些工作 概括如下 本文首先介绍了空时二维自适应处理的原理及其两类实现结构 并对降维原 理作了简单的描述 其次 对机载雷达的杂波特性进行了详细的分析 尤其是对 杂波三维特性的分析 为后续提出新的俯仰滤波算法打下了基础 针对f a 方法与e f a 方法两种常用的降维空时二维自适应处理方法 本文首 次给出了这两种方法在多普勒清晰区 即噪声区 改善因子的解析表达式 并从 理论上分析了二者改善因子的性能差别 同时对这两种方法的改善因子随加窗深 度的变化关系以及随样本数的变化关系进行了仿真分析 这些理论分析和仿真结 果表明时域滤波器加窗是e f a 方法在多普勒清晰区的性能优越于f a 方法的原因 由于非平稳杂波的存在 严重影响了常规空时二维自适应处理杂波抑制性能 针对非平稳杂波抑制问题 通过把自适应阵列方向图控制技术应用到俯仰滤波算 法中 提出了二次约束俯仰自适应滤波算法 相对于常规自适应俯仰滤波算法 此方法大大减少了由俯仰滤波造成的远程目标信号的损失 根据填充脉冲回波数 据和有效脉冲回波数据具有相同空域结构的特点 提出了基于填充脉冲的俯仰滤 波算法 并给出了算法的两种实现结构 仿真结果显示此俯仰滤波算法不但杂波 的抑制效果好而且性能稳健 关键字 机载雷达空时二维自适应处理降维非平稳杂波抑制俯仰滤波 i i 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t c l u t t e rs u p p r e s s i o ni sc r i t i c a lt oa i r b o r n ee a r l yw a r n i n gs u r v e i l l a n c er a d a r s b a s e d o nc h a r a c t e r i s t i c s d i s t r i b u t i n gi nt h es p a c e t i m ed o m a i n o fg r o u n dc l u t t e ro fa i r b o r n e r 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 s t a p i sp r o p o s e d w h i c h c a l ls u p p r e s sg r o u n d c l u t t e re f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fm o v i n gt a r g e tg r e a t l y i n t h eb e g i n n i n g t h ef o c u si so nt h et h e o r yo fo p t i m u mf u l ld i m e n s i o ns p a c et i m ea d a p t i v e d e t e c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i r b o r n er a d a rc l u t t e r a l t h o u g hf u l ld i m e n s i o ns t a p e x h i b i t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t h ec o m p u t a t i o n l o a da n dt h ei m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t yo ff u l l ys t a pa r et o oe x p e n s i v e t ob ea c c e p t e da n di ti sr e a l l yv e r yd i f f i c u l t t oo b t a i ne n o u g hs e c o n d a yd a t at oe s t i m a t et h ec o v a r i a n c em a t r i x t h e r e b y t h ef o c u so f s u c c e s s i v er e s e a r c hi sc o n c e n t r a t e do nr e d u c e d d i m e n s i o n a la l g o r i t h m s o n c et h e s o l u t i o ni so b t a i n e d t h ep r o g r e s st oi m p l e m e n ts t a pi ne n g i n e e r i n g w i l lb ea c c e l e r a t e d g r e a t l y n o w m a n yr e d u c e d d i m e n s i o n a la l g o r i t h m s h a v eb e e np r o p o s e d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs t a p n o n s t a t i o n a r y c l u t t e r s u p p r e s s i o na l g o r i t h m s a r ew i d e l y i n v e s t i g a t e d t h er e d u c e d d i m e n s i o n a la l g o r i t h m sa n dn o n s t a t i o n a r yc l u t t e rs u p p r e s s i o n a l g o r i t h m sa r ew i d e l yc o n c e r n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h e y a r es u m m a r i z e da s f o l l o w s f i r s t l y t h ef u n d a m e n ta n dt w op r a c t i c a la r c h i t e c t u r e so fs t a p a r ed i s c u s s e da n dt h e f u n d a m e n to fr e d u c e d d i m e n s i o n a ls t a p i sd e s c r i b e d s i m p l y s e c o n d l y t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc l u t t e ro fa i r b o r n er a d a r s a r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y e s p e c i a l l yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e d i m e n s i o n a lc l u t t e r w h i c hi s t h ef o u n d a t i o no fs u c c e s s i v e p r o p o s e df i l t e r i n gi ne l e v a t i o n t h ef a c t o r e da p p r o a c h f a a n dt h ee x t e n d e df a c t o r e da p p r o a c h e f a a r et w o c o m m o n l yu s e dr e d u c e d d i m e n s i o n a l s t a pa l g o r i t h m s i nt h i sp a p e r a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n so fi h ei m p r o v e m e n tf a c t o r i f i nt h ed o p p l e r c l a r i t yr e g i o n i e n o i s e r e g i o n f o rb o t ht l l ef a a n dt h ee f aa r ep r e s e n t e da n dt h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s e s o ft h ef aa n dt h ee f aa r ea l s om a d e i na d d i t i o n f o re a c ho ft h et w om e t h o d s t h e v a r i a t i o no ft h ei fv e r s u st h ed e g r e eo ft a p e ra sw e l la st h ev a r i a t i o no ft h ei fv e r s u s s a m p l en u m b e ri si n v e s t i g a t e db yu s i n gs i m u l a t i o n s t h e s et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c e a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h et a p e ri nt h et i m ef i l t e ri s i u s tt h er e a s o nw h yt h ee f am e t h o do u t p e r f o r m sm e f a m e t h o di nt h ed o p p l e r c l a r i t y r e g i o n i v 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 t h eo p t i m u mp e r f o r m a n c eo fr e g u l a rs t a pa l g o r i t h m sw i l lw o r s e n s e r i o u s l y a c c o r d i n gt on o n s t a t i o n a r yc l u t t e r c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e mo fr a n g e d e p e n d e n tc l u t t e r s u p p r e s s i o n q u a d r a t i cb e a m p a t t e r nc o n s t r a i n t se l e v a t i o nf i l t e r i n gm e t h o db a s e do n p a t t e r nc o n t r o li na d a p t i v ea r r a y si sd e v e l o p e d c o m p a r e dt or e g u l a re l e v a t i o nf i l t e r i n g m e t h o d s l o n g r a n g es i g n a ll o s s w h i c hm a d eb ye l e v a t i o nf i l t e r i n g c a nb ed i s t i n c t l y r e d u c e db yt h em e t h o d c o n s i d e r i n gc l u t t e rf i l lp u l s e sr e t u r n sa n dc l u t t e rs t e a d ys t a t e p u l s e sr e t u r n sb e i n gi d e n t i c a l an e wa l g o r i t h mo ff i l t e r i n gi ne l e v a t i o nb a s e do nt h ef i r s t c l u t t e rf i l lp u l s e sr e t u r n si sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e a r r a n g ec l u t t e r i sg r e a t l ys u p p r e s s e db yt h i sm e t h o da n dt h ep e r f o r m a n c eo fc l u t t e rs u p p r e s s i o ni sn o t a f f e c t e db ye r r o r s k e yw 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 s t a p r e d u c e d d i m e n s i o na l g o r i t h m s n o n s t a t i o n a r yc l u t t e rs u p p r e s s i o n f i l t e r i n g i ne l e v a t i o n 目录 v 目录 摘要 i a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 1 研究背景及其意义 1 1 2 研究历史与现状 2 1 3 本文的主要工作 5 第二章s t a p 基本原理及降维原理 2 1 机载雷达空间几何 7 2 2 空时二维自适应处理原理分析 8 2 2 1 空时二维自适应处理基本原理 8 2 2 2 空时自适应杂波抑制机理 1o 2 2 3 广义旁瓣对消器 1 1 2 3 空时二维自适应处理降维原理 1 2 2 4 本章小结 15 第三章机载雷达杂波特性研究 1 7 3 1 机载雷达信号模型 17 3 2 机载雷达杂波空间多普勒特性 1 9 3 2 1 等值多普勒频率 2 0 3 2 2 多普勒方位杂波轨迹 2 1 3 2 3 距离多普勒特性 2 4 3 3 机载雷达杂波三维特性 2 5 3 4 本章小结 2 8 第四章空时降维方法研究 3 l 4 1 降维方法分析 31 4 1 1 特征对消法 3 l 4 1 2j d l 降维方法 3 2 4 1 3 s t a p 降维方法 3 3 v i 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 4 2e f a 方法噪声区性能研究 3 5 4 2 1e f a 方法的原理 3 5 4 2 2 噪声区e f a 性能理论分析 3 6 4 2 3 多普勒清晰区e f a 性能仿真分析 4 0 4 3 仿真分析 4 3 4 4 本章小结 4 6 第五章俯仰滤波算法研究 4 7 5 1 俯仰滤波算法 4 7 5 1 1 固定俯仰滤波权值法 4 7 5 1 2 二次约束俯仰方向图法 4 8 5 2 基于填充脉冲俯仰滤波算法 5 0 5 2 1 以自适应降维结构方式实现 5 2 5 2 2 以固定结构降维方式实现 5 4 5 3 仿真分析 5 5 5 3 1 无阵元幅相误差 5 5 5 3 2 有阵元幅相误差 5 9 5 4 本章小结 6 3 第六章结束语 6 5 6 1 本文工作总结 6 5 6 2 研究内容展望 6 6 致谢 6 7 参考文献 6 9 研究成果 7 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 预警机以其独特的作战特点 活动区域前出 活动位置相对固定 战区活动 时间长以及贯穿战斗过程始终 任务种类繁多 被各国军方视为能够左右战场态 势的战略性武器 机载脉冲多普勒雷达是其最重要的组成部分 相对于地基雷达 预警机雷达对低空 低速目标的有效探测距离要远得多 同时预警机的部署灵活 快捷 因此 对机载预警雷达及其相关技术的研究 一直是各国军事研发领域的 重中之重 机载雷达虽然具有地基雷达无法比拟的优势 但也面临一些问题 机载雷达 常常处于下视工作状态 受地杂波的影响非常严重 地杂波分布范围广 强度大 在一些地形复杂 如丘陵 山区等 的环境中 杂波强度可达6 0 一 9 0 d b 同时由 于不同方位的地杂波相对于载机的速度各异 使杂波谱大大的展宽 目标常常淹 没在杂波中 严重影响了机载雷达的目标检测能力 此外 随着现代军事电子技 术的迅猛发展 机载雷达面临的实际电磁环境存在着各种形式的干扰 严重影响 了机载雷达对目标的检测和跟踪能力 面对如此恶劣的电磁环境 只有不断地采 用新技术才能最大限度的发挥机载雷达的优势 为了检测远距离弱小目标 首先必须解决机载雷达杂波抑制问题 杂波抑制 能力与雷达天线的副瓣电平直接相关 杂波抑制可采用超低副瓣天线来抑制 例 如美国e 3 a 预警机的肭p y 1 机载雷达的裂缝平面天线阵 其副瓣电平可达 5 0 d b 通常具有超低副瓣天线的机载雷达都采用机械扫描方式工作 无法同时实 现多波束 难以满足日益增长的军事需求 相控阵雷达具有波束捷变 包括波束 空间位置捷变及波束方向图捷变 能力等独特优点 因此可以满足对高性能雷达 系统日益增长的需求 诸如多目标跟踪 远作用距离 高数据率 自适应抗干扰 快速识别目标 高可靠性以及同时完成目标搜索 识别 捕获和跟踪等多种功能 但在相控阵体制下 机载雷达很难使众多天线单元保持一致 超低副瓣天线工程 实现困难 以目前的技术和工艺水平 对相控阵天线提出超低副瓣的要求是不现 实的 可以肯定的说 在很长一段时间内 对地物杂波的抑制只有通过天线和信 号处理共同完成 因此在寻找抑制地物杂波的新的机载雷达信号处理技术显得尤 为重要 空时二维自适应处理 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 技术正是在这 种情况下应运而生的 它可以有效提高机载相控阵雷达杂波抑制能力和抗干扰能 2 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 力 空时自适应信号处理采用空间和时间两维自由度实现自适应杂波抑制和运动 目标信号的相干积累 它能够在空时二维平面内杂波位置处形成深凹口 同时在 所需的目标位置处保持固定增益 理论上全空时自适应处理方法可以实现最优处 理 但在实际的应用中 全空时自适应处理至少存在以下两方面问题 一是自适 应处理的维数往往达到几千 甚至上万 对如此高维的协方差矩阵求逆 不仅计 算量和设备量惊人 而且求解的数值精度也很难保证 二是需要通过统计平均来 估计协方差矩阵 估计协方差矩阵所需要的独立同分布的训练样本数至少是处理 器维数数目的两倍 这一点在实际机载雷达杂波环境中是很难满足的 为了推动s t a p 的工程化进程 研究人员在降维s t a p 方面进行了大量的研究 提出了许多实用的s t a p 降维算法 发表了大量的文章 根据降维矩阵是否与数据 的特征结构有关 降维算法可以分为两类 固定结构降维算法和自适应降维算法 虽然降维处理算法可以大大减少自适应处理对样本数的要求 但在很多情况下它 仍然很难解决非均匀 非平稳环境下样本的选取问题 如非正侧阵机载雷达的空 时二维杂波谱随距离变化 这时很难得到大量满足独立同分布要求的训练样本数 据 此外 在诸如城市地区和水陆交界等非均匀环境下 杂波统计特性随距离变 化快 同样很难得到大量的满足独立同分布要求的训练样本数据 因此 需要研 究非均匀 非平稳情况下杂波抑制的有效方法 一旦降维问题和非均匀 非平稳 杂波抑制问题得到了有效的解决 必将大大推进s t a p 工程化的进程 这也是开展 本文工作的目的 1 2 研究历史与现状 6 0 年代末到7 0 年代初 l c v a n a t t a s ea 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 l 一 随之诞生了阵列信号处理理论 在协方差矩阵和 目标信号均确知的条件下 b r e n n a n 和r e e d 于1 9 7 3 年首先将阵列信号处理的基本原 理推广到由脉冲和阵元采样的两维场中 提出了s t a p 的概念和理论p j 随之又提 出了与最大似然率 m l 检测等效的基于最大输出信噪比准则的最优s t a p 处理器 f 6 说明二维联合处理比通常的空时级联处理性能要好得多 但是进行全空时自适 应处理 其设备量和运算量均十分惊人 在目前硬件条件下很难实时实现 而且 用来估计协方差矩阵所需要的足够多的独立同分布的训练样本数据也很难得到 文献 7 指出要使s t a p 输出信杂噪比损失小于3 d b 相对于协方差矩阵已知的情况 在均匀高斯杂波环境中 用来估计协方差矩阵的距离单元样本数上应大于等于 2 m 3 其中m 是协方差矩阵维数 为了空时自适应处理的工程化应用 需要降低 空时自适应处理的计算量和对独立同分布样本的要求 于是研究人员开始寻找能 够实时实现的准最优的固定结构降维处理方法和自适应降维处理方法 第一章绪论 3 自八十年代初至今 德国的r k l e m m 博士等人对此做了大量的开拓性理论研 究 8 2 4 j 首先 r k l e m m 对杂波特性进行了分析 8 9 发现空时协方差矩阵显著大 特征值的个数不超过n k 1 个 为阵元数 肋时域脉冲数 说明杂波子空间的 维数不是很大 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 e i v e r a c r o o 将处理维数由朋潍降至 i j n k i 维 所处理的二维波束沿杂波脊分布 迸一步 研究发现 a c i 澍幅相误差极为敏感 在不考虑幅相误差时其杂波抑制性能接近 最佳 但是在有幅相误差时 由于杂波谱沿空域扩展 导致处理器性能出现较大 下降 实际系统中不可避免地存在幅相误差 限制了a c r 的实际应用 不过r k l e m m 所做的工作对日后开展降维s t a p 研究具有一定的启发意义 进入九十年代后 国内外对降维s t a p 的研究逐渐展开 时间维有脉冲和多普 勒两个变换域 空间维有阵元和波束两个变换域 它们相互交叉组合可以构成四 个二维坐标系 每个二维空间中都有花样繁多的降维s t a p 方案提出 文献 2 5 2 6 1 对 上述的方案进行了分类 评价及相互间的关系进行了论述 这里不再赘述 下面 只谈及几个对本文工作影响较大的典型降维s t a p 方法 美国的h w a n g 教授等人把广义似然率检测 g l r 1 2 7 技术应用于s t a p 于1 9 9 4 年发表了名为联合域局部广义似然率检测 j d l g l r 的降维s t a p 方法 1 2 8 该方法将空时二维辅助波束选在围绕待检测目标的矩形区域内 所有的二维 波束均产自二维可分离的离散傅里叶变换 空域维有三个固定的付氏基窄波束 主波束及其两边相邻波束 即天线提供给信号处理的硬数据通道只有三个 因而 在显著减少s t a p 处理量的同时 又大大降低了整个机载雷达系统的硬件设备量和 复杂度 1 9 9 6 年 他们用通常单脉冲雷达都会具有的和差通道及一些保护通道取 代j d l g l r 中的三个相邻波束作为空域数据通道 提出了 a s t a p 方法 2 钆3 0 1 该方法对主瓣区杂波具有很强的抑制能力 此外 该方法不但没有增加雷达系统 的空域数据通道数量 而且还使得无论是采用相控阵天线还是连续孔径天线的单 脉冲机载雷达都可以从中获取性能改善的好处 1 9 9 1 年 西安电子科技大学电子工程研究所a e w 雷达研究小组提出了一种 先时后空自适应级联处理器 称为二维c a p o n 法 p 1 1 其基本思想是先进行多普勒滤 波预处理 在时域抑制大量的杂波 剩余的杂波由后续的空域自适应处理来完成 该方法在多普勒通带杂波的空域锥角区形成方向图零陷 从而有效地滤除局部锥 角区的杂波 同时 该方法对空域阵元随机误差有较强的补偿能力 其性能是准 最优的 实现并不复杂 文献 3 2 l 从利于工程实现的角度出发 提出了二维子阵c a p o n 法 但该方法在运算量降低的同时对误差的鲁棒性也有所降低 文献 3 3 提出了在 空域使用多个波束的方法 减少了系统自由度 该方法在空域波束取全时 其实 质上等效于二维c a p o n 法 然而 这几种方法由于在主杂波区域使用了动目标显 示 m t i 技术 加上杂波自由度的增加 导致性能在主杂波区较差 而且 这几种 莓矍 棼 4 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 方法均需要实现超低旁瓣的窄带多普勒滤波 这就要求有很高的时域脉冲采样数 k 当k 不大时 其杂波抑制性能将受到限制 不久 该小组提出了在2 3 个相邻 多普勒通道内进行局域空时二维联合自适应处理的改进方案m d t s a p 法 3 4 4 0 其 中m 是指局域二维处理时所用的相邻多普勒通道数 而二维c a p o n 法则是m l 时 的特例 该改进方案在待测多普勒通道附近能沿杂波谱形成斜的二维杂波抑制凹 口 从而可以大大提高主瓣杂波区附近的改善因子 但在旁瓣杂波区 二维c a p o n 法的性能已经很好 进一步提高的潜力不大 而m d t s a p 法的运算量和设备量却 增加很多 顺便提一下 就在同一时期 国外也不约而同地有类似的研究成果发 表 在文献 4 1 1 中m d t s a p 被称作f a s t a p 垅 1 时 和e f a s t a p m i 时 在自适应降维处理方面 h a i m o v i c h 等人对空时杂波的特征结构进行了分析 提出了特征相消法 e i g e n c a n c e l e r h 2 1 该方法将权矢量约束在噪声子空间内 由于 杂波子空间理论上与噪声子空间正交 从而使得大部分杂波分量被对消掉 该方 法和所有基于特征空间的方法一样 都存在着如何有效地估计杂波子空间维数的 问题 1 9 9 7 年g o l d s t e i n 1 r e e d 在基于广义旁瓣相消 g s c 的基础上提出了根据互谱 c s m 来选择特征子空间的方法 4 3 郴l 该方法能保证降维处理引起的信杂噪比损失 最小 c s m 法提供了g s c 结构上特征空间内所有降维处理方法的性能上界 特征 相消法和互谱法要求对协方差矩阵进行完整的特征值分解 相对于全空时自适应 处理来讲 其总的运算量并未降低 因而只具有理论意义 1 9 9 8 年g o l d s t e i n 和r e e d 提出借助于一系列的变换矩阵对维纳滤波器进行分解 将对矢量权的求解分解成 若干个标量权求解的过程 4 6 5 2 利用多级维纳滤波器 m w f 可以直接进行降维 这是一种新型的滤波器结构 m 岍能够直接用于空时数据 在滤波时并不进行协 方差矩阵的估计 大大降低了运算量 文献 5 3 提出了一种空时可分离自适应杂波 抑制方法 它利用低阶近似把空时二维自适应权的n x k 个未知参数的求解转化为 n k 1 个未知参数的求解 大大降低了空时处理所需的样本数和计算复杂度 在非均匀 非平稳杂波抑制方面 主要的研究方向是非正侧阵雷达的杂波抑 制 对于非正侧阵雷达 存在着一种特殊的非平稳现象 谱移动现象 3 4 5 6 1 由于 谱移动现象的存在使得用其它距离门训练出的自适应权矢量不能有效对消待检测 距离单元的杂波 造成常规s t a p 性能的下降 不过这种谱移动可以根据阵面与速 度向量的夹角预见的1 3 4 儿m 近年来 国内外针对由非正侧阵的谱移动现象展开了广泛的研究 文献 57 j 和文 献 5 8 同时提出了一种多普勒补偿方法 它对不同距离的杂波进行不同的多普勒补 偿 使不同距离的主杂波中心多普勒趋于一致 该方法只需要对每个距离的脉冲 时间数据乘上相应的线性相位 处理结构非常简单 也很有效 实质上 该方法 也可以在频域实现 但是该方法只对主杂波中心进行了补偿 对旁瓣杂波的补偿 则不是十分理想 而且该方法只适用于没有距离模糊的情况 由于上述诸多原因 第一章绪论 5 使得该方法的工程实践受到了限制 文献 5 9 j 提出了一种尺度变换的方法 它将不 同距离的杂波谱通过不同的二维尺度变换成相同的杂波谱 实现主瓣杂波和旁瓣 杂波的同时补偿 但该方法需要二维插值处理 不仅计算量很大 而且在阵元数 和脉冲数比较少的情况下的插值性能会很差 同时在有阵元幅相误差以及通道响 应误差的情况下该方法的性能也不够理想 同样 该方法也只适用于没有距离模 糊的情况 三维s t a p 方法 6 0 舶 采用方位 俯仰和脉冲域进行三维自适应处理 在 样本数足够的条件下它能够有效解决距离模糊杂波抑制问题 但实际情况下三维 自适应处理所需的独立同分布样本数很难满足 而且运算量很大不利于此算法的 实时实现 此外 国外的研究人员把此问题的研究重点放在了首先获取一些先验 知识 进而辅助提高空时处理抑制非平稳杂波的性能上来 此类方法被称为基于 知识的空时二维自适应处理 6 7 2 近年来 国内也开始对此问题开展了相关研究 u 3 7 5 1 但实际情况是 先验知识如何合理有效地使用仍是一个难题 由于上述方 法均需用其它距离门的样本估计杂波协方差矩阵 但非正侧阵存在谱移动现象 不同距离门的杂波位置不同 难以从其它距离门选取出足够多的均匀样本估计协 方差矩阵 所示上述方法并不能从根本上解决非正侧阵的非平稳杂波抑制问题 s a r k a r 等人提出的直接数据域法 d d d 玲8 2 只使用待检测距离门的数据来获取训 练样本并估计其中的杂波 因此对非均匀杂波有很好的抑制作用 但当待检测单 元数据中包含真实的目标信号时 所有训练样本中都会包含目标信号 对估计该 单元的杂波来说 这些训练样本中的目标信号构成了干扰目标 后来他们改进了 直接数据域算法的目标信号滤除处理 提出了一个彻底的直接数据域方案 7 8 i s 2 1 并对实测杂波数据进行了分析 该方案中 非均匀杂波抑制不需要其它距离门的 样本 从而消除了距离非均匀性对s t a p 算法的影响 但此时要求有足够大的空域 和时域自由度以获取训练样本 1 3 本文的主要工作 目前 空时二维自适应处理在工程上已得到了初步应用 本文就空时处理在 工程应用中遇到的降维处理和非均匀 非平稳杂波抑制问题 给出了自己的看法 全文共分为六章 各章的主要内容简介如下 第一章绪论首先讲述了本文研究的背景及其意义 接着对空时处理的发展历 史及其在工程中遇到的困难 以及国内外为克服困难所采用的新技术 新算法进 行了简略的描述 最后对本文的主要内容进行了总结 第二章主要讲述了空时二维自适应处理的原理及其为了实时处理数据所采取 的降维处理原理 首先给出了机载雷达空间几何并对本文用到的参数给出了说明 接着在对空时处理原理简介的基础上 分析了空时处理的两种实现结构 最后介 懑 劈 葛 6 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 绍了利于空时处理工程实现的降维原理 第三章在介绍机载雷达信号模型的基础上 从分析杂波的空间多普勒二维特 性入手 详细介绍了平面阵机载雷达杂波的三维特性 对于非正侧阵的情况 俯 仰空间频率在方位多普勒平面内的投影随距离单元变化 说明要想取得理想的杂 波抑制效果 s t a p 形成的杂波抑制凹口的形状和位置必须随着距离变化 第四章在分析几种比较常用降维方法的基础上 找到了固定结构降维方法中 相对于f a 方法 e f a 方法在噪声区性能优越的原因 首先给出了多普勒清晰区 e f a 方法和f a 方法改善因子的解析表达式 发现时域加窗提高了e f a 方法的性 能 最后从理论和仿真试验两个方面验证了上述结论的正确性 第五章针对俯仰滤除随距离快变的近程杂波的算法进行了分析 首先介绍了 固定俯仰滤波权值法 接着把阵列信号静态方向图保型技术应用到俯仰方向图的 保型上 改进了直接俯仰自适应算法 大大减少了目标信号的相消 最后 针对 同一波位同一c p i 填充脉冲回波数据和有效脉冲回波数据具有相同的空域结构的 特点 提出了基于填充脉冲的俯仰滤波级联2 d s t a p 方法 仿真试验显示此方法 不但杂波的抑制效果好而且性能稳健 第六章对全文内容进行了总结 对空时处理未来的发展进行了展望 给出了 个有待进一步研究的方向 第二章s t a p 基本原理及降维原理 7 第二章s t a p 基本原理及降维原理 2 1 机载雷达空间几何 机载预警雷达为了实现3 6 0 0 方位搜索 一种方式是采用机扫天线 如 美国 现役的e 3 a 预警机 另一种方式是采用有源相控阵天线 一般为平面阵 也有共 形阵 由几副天线共同完成 如 瑞典的 m e t r oi i 以色列的 r i n g 以及美国的 e 一9 a 等 两种较为典型的架设天线的方式为 一是长方形架设 即在机身的两 侧分别安置两副天线 即正侧阵 机头和机尾各安置一副天线 即前视阵和后视 阵 两副正侧阵分别完成1 2 0 0 方位扫描 前视阵和后视阵分别完成6 0 0 方位扫描 另一种采用所谓的 三角形阵 其特点是仅使用3 副天线 每副完成1 2 0 0 方位扫 描 n 天线均属非正侧阵的情况 以等边三角形方式安放于机背上 繇 a 均匀线阵几何 b 雷达平台几何 图2 1 机载雷达空间几何布局 上图是机载雷达空间几何布局 图口以简图的形式给出了均匀正侧线阵的几 何布局 即雷达平台的运动方向与天线阵列轴向平行 图中 表示天线阵列单元 每个阵列单元均具有发射和接受信号的功能 且它们以间距d 等间隔排列 则阵 列单元的位置矢量d n d l 其中n 0 l n 1 图b 是雷达平台的空间几何布局 为了后面章节叙述的方便 这里首先对图中出现的参数给出说明 不失一般性 本论文中假设雷达平台沿x 轴方向运动 进一步定义在水平面内杂波散射体与雷达 阵面轴向的夹角为方位角秒 杂波散射体与雷达平台连线与杂波所在水平面的夹角 为俯仰角缈 杂波散射体与雷达阵面轴向的夹角为锥角 雷达平台速度矢量是y 8 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 雷达阵面轴向与速度矢量的夹角是口 雷达工作波长是旯 p 是地面杂波散射体 局是杂波散射体斜距 心是杂波散射体的地面距离 用方位角变量秒和俯仰角变 量p 描述的杂波散射体尸的单位方向矢量为 正 口 矽 c o s 秒 口 s i n 汐i s i n 口 口 s i n 毋 s i n 啦 2 1 上式中 i 多 主分别表示各自坐标轴向的单位矢量 2 2 空时二维自适应处理原理分析 b r e n n a n r e e d 等学者于1 9 7 3 年将一维空域滤波技术推广到时间与空间二维 域中 提出了自适应雷达理论 5 并在高斯杂波背景加确知信号的模型下 根据似 然比检测理论导出了 种空时二维自适应处理器 即 最优处理器 本节重点对 最 优处理器 的原理及其两种实现结构进行描述 2 2 1 空时二维自适应处理基本原理 空 域 采 样 2 慢时间采样 l 一一 母 哪攀 p 一 奴旦岛 母 哑攀 兰屿 图2 2 空时二维自适应处理简化框图 图2 2 是空时二维白适应处理的简化框图 其原理是将自适应天线 空域 处理 和自适应多普勒 时域 处理的好处协同地结合起来 用以改善m t i 雷达的性能 如图所示 天线是 个单元的相控阵天线 其值通常由雷达方位分辨率确定 每 个单元有处理k 个脉冲的抽头延迟线 其值通常有杂波抑制的性能确定 抽头之 间的尽1 个时延都等于脉冲重复间隔 k 个脉冲构成一个相干处理间隔 c p i 在 每一个距离分辨单元 有n x k 个输出通过恰当的算法处理产生权值 即最大 化信噪比所必须的n x k 个自适应权重 从数学的角度对图2 2 所示的空时二维自适应处理原理的解释为 第二章s t a p 基本原理及降维原理 9 w m 2 嵋r 石 y 似r 2 2 上式中 w 是肷 1 维的最优处理器权矢量 是空时二维权系数 其中 n 1 2 3 n k 1 2 k 根据线性约束最小方差准则 l c m v 该处理器 可以描述为如下的数学优化问题 fm i nw r w ew s 乏咖l q 3 上式的物理意义是保证系统对目标信号的增益不变的前提下使系统输出的杂波加 噪声功率剩余最小 其中 r e x x 是n k x n k 维的空时协方差矩阵 s 嵋 w 是归一化空间频率心 归一化d o p p l e r 频率w 的空时信号导向矢量 s 嵋 w s 嵋 o s w 2 4 上式中 s w j 1 e 以9q e 肛1 r s t i s e j w 9 4 9 e 足一1 m r 其中 s 比 是目标信号的空间导向矢量 s w 是目标信号的时间导向矢量 应用 l a g r a n g e 乘子法求解式 2 3 可得空时二维自适应处理的最优权矢量w 叫 一 r 1 s 嵋 w w o p t 2 s n w 土w t 二 r s 匕w 一 w t 2 6 从上式可以看出 最优权矢量由杂波协方差逆矩阵和空时信号导向矢量两部 分组成 第一部分相当于对杂波进行白化 后一部分相当于对目标信号进行匹配 滤波 其实质上是广义的维纳最优匹配滤波器 这种 最优处理器 也被称为 直 接形式处理器 d f p 其后续的检测公式可以描述为 q 印 1 w 名x l 三铂 2 7 矾 上式中 r 是检测门限 儡表示有目标存在 风表示无目标存在 l o 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 图2 3s t a p 雷达功能框图 上图是s t a p 雷达功能框图 其工作流程是 一个相干脉冲序列通过阵列天线 发射 相应的回波序列也进入天线 通过一个预波束形成器网络 回波信号被放 大 下混频并数字化 利用独立同分布样本数据估计空时协方差矩阵进而训练空 时滤波权值 过滤接收到的回波信号 以对消雷达回波中的杂波分量 然后将剩 余信号加噪声的混合物与空时匹配滤波器匹配 由于目标多普勒频率未知 实质 上 它是一个和多普勒滤波器组串联的波束形成器 多普勒滤波器组的输出信号 用于设计将与探测门限进行比较的检验函数 通常 选用多普勒滤波器组输出信 号幅值平方的最大值作为比较门限 s t a p 技术包括在 自适应 和 杂波抑制 两个 方框内 2 2 2 空时自适应杂波抑制机理 由于杂波加噪声的空时协方差矩阵r 是正定h e r m i t e 阵 对其进行特征分解 并求逆可得 口 1 k11 r 1 艺i i v 7 i p l v v 2 8 7 o 上式中 盯2 是高斯白噪声信号方差 丑 v 是空时协方差矩阵r 的第f 个特征值及 其所对应的特征矢量 p 为显著大特征值个数 把 2 8 式代入 2 6 式可以把最优权矢量分为两部分 w 喇 专s c 比m 一善p 吼 仁9 上式中 q2 c 吉一去 v s 比 w 由上式可以看出 最优权矢量w o p t 是矢量组 s 比 嵋 v v v p 的线性组合 且最优权矢量可以分解为两部分 第二章s t a p 基本原理及降维原理 w o p t w q w 2 1 0 上式中 w 是静态权矢量 w 是属于杂波子空间o 的自适应权矢量 即 w 口 o v lv 2 v p 显然 如果没有杂波 或有源干扰 则w o p t w q 说 明最优权矢量就是静态权矢量 同时也说明最佳阵元利用了无用噪声和干扰方向 谱的不均匀性 由于最优权矢量w o p t 处于杂波子空间o 的正交补空间内 即 w 哪 所以通过这种方式得到的权矢量可以对杂波进行抑制 2 2 3 广义旁瓣对消器 l j g r i f f i t h s 等提出了实现全自适应处理的另一种形式 广义旁瓣相消器 g s c i s 3 其实现结构如下图所示 图2 4 广义务瓣相消器 上图中 c 是n k x p 维的信号阻塞矩阵 且满足c 7 s 嵋 w 0 w 是尸维 自适应权矢量 自适应权矢量w 可以通过求解如下无约束的最优化问题得到 m w i y w 叮一c n w 爿r w 口一c n w 2 1 1 则 w c h c 1 c 恕w 2 1 2 m 一1 r 上式中 m c r c 是辅助通道的互相关矩阵 r c 了r w 是主通道与辅助通道 的互相关矢量 广义旁瓣相消器 g s c 的基本思想是 利用已知的期望信号方向信息吧阵列接 受信号变换为两个支路 其中上面的支路经期望信号方向的空间匹配滤波器后得 到参考信号 此参考信号中含有期望信号和干扰 且变换后期望信号满足无失真 响应约束 而下面的支路通过列满秩阻塞矩阵c 阻塞掉期望信号 即下面的支路只含有 干扰信号 显然上下支路中的干扰信号是相关的 对变换后的信号进行维纳滤波 则上下支 路中的干扰信号可自适应抵消 上支路中的期望信号则被无失真地输出 实质上 图2 4 广义旁瓣相消器与图2 2 在p n k 一1 条件下 具有相同的稳 态性能 2 1 0 式在广义旁瓣相消器结构下的形式是 1 2 机载雷达杂波抑制的降维方法和俯仰滤波方法研究 w o p t2w q c n w n 上式中 当p 肷一l 时 图2 4 即为部分空时维自适应处理 2 3 空时二维自适应处理降维原理 2 1 3 全空时二维自适应处理如果空时协方差矩阵r 精确已知 那么全空时二维自 适应处理可以取得最好的杂波抑制效果 但实际中空时协方差矩阵r 只能通过估 计得到 空时协方差矩阵r 的最