專利名稱：基于非均勻空間立體陣列分布式sar的雜波抑制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雜波抑制方法。
背景技術：
雜波抑制是GMTI(地面動目標檢測)技術的一個關鍵性環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的STAP(空時自適應處理)技術在雜波抑制方面應用較廣，它具有很好的雜波對消性能，但傳統(tǒng)的基于均勻線陣的2D-STAP技術都是假定雜波環(huán)境是均勻的，它要求訓練樣本和待檢測樣本中的干擾是獨立同分布的，這樣才能使用其它距離門的樣本來準確估計待檢測距離門中干擾的統(tǒng)計特性，實現(xiàn)對雜波等干擾的有效抑制。
然而，雷達面臨的實際雜波環(huán)境常常是非均勻的，而傳統(tǒng)的STAP方法無法對隨俯仰角變化的非均勻雜波進行有效地抑制；同時，傳統(tǒng)的STAP方法只能應用于均勻直線陣列，當若線陣中陣元過多時，該方法的計算量會增加，可靠性也會降低，且陣元幅相誤差不可避免，這會成為制約一維處理性能的重要因素。由于存在陣元幅相誤差時，各列子陣俯仰方向圖是俯仰角的函數(shù)，即各列子陣俯仰方向圖不再一致，而一維采樣僅控制多普勒域與方位域，而無法控制各列子陣俯仰角，因而也就無法避免這種由于列子陣俯仰角不一致造成的影響。
PhillipM.Corbell,MichaelA.Temple,andToddB.Hale.Forward-LookingPlanarArray3D-STAPUsingSpaceTimeIlluminationPatterns(STIP).In1-4244-0309-X/06/2006IEEE,602-606，這篇文章給出了基于均勻面陣的3D-STAP技術，但是只是解決針對基于均勻面陣的雜波抑制，而不能解決針對基于均勻空間陣列的雜波抑制，而且該文中的雜波抑制技術仍然存在如掃描區(qū)域受限、雜波模型建立復雜、陣列流形限制嚴格等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的STAP方法只適合于均勻直線陣列或均勻面陣的雜波抑制，而不適用于非均勻空間陣列的雜波抑制的問題，提供了一種基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法。
基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，它的具體過程如下 步驟一、根據(jù)非均勻分布式SAR的實際空間分布，建立一個基于X-Y-Z坐標系的非均勻空間立體陣列流形； 步驟二、利用基于俯仰維劃分的二次陣列插值信號重構(gòu)方法，對步驟一建立的非均勻空間立體陣列流形進行信號重構(gòu)，獲得均勻空間立體陣列流形； 步驟三、根據(jù)步驟二獲得的均勻空間立體陣列流形，計算并獲得雜波的各維多普勒頻率，進而獲得所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型； 步驟四、根據(jù)所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型、各維多普勒頻率及全空時自適應處理方法，構(gòu)建全空時自適應濾波器，進而對SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制。
本發(fā)明適用于非均勻空間陣列的雜波抑制領域，特別適用于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制，能夠?qū)ζ溥M行有效地雜波抑制。
圖1為非均勻空間立體陣列流形的示意圖；圖2為均勻空間立體陣列流形的示意圖；圖3是均勻空間立體陣列流形在X-Y坐標面的投影圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，它的具體過程如下 步驟一、根據(jù)非均勻分布式SAR的實際空間分布，建立一個基于X-Y-Z坐標系的非均勻空間立體陣列流形； 步驟二、利用基于俯仰維劃分的二次陣列插值信號重構(gòu)方法，對步驟一建立的非均勻空間立體陣列流形進行信號重構(gòu)，獲得均勻空間立體陣列流形； 步驟三、根據(jù)步驟二獲得的均勻空間立體陣列流形，計算并獲得雜波的各維多普勒頻率，進而獲得所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型； 步驟四、根據(jù)所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型、各維多普勒頻率及全空時自適應處理方法，構(gòu)建全空時自適應濾波器，進而對SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制。
其中，SAR為英文SyntheticApertureRadar的縮寫，指合成孔徑雷達。
本發(fā)明針對分布式SAR地面動目標檢測中面臨的問題，通過信號處理中的信號重構(gòu)技術，對非均勻空間立體陣列流形進行信號重構(gòu)，使其信號形式重構(gòu)為空間立體均勻陣列的信號形式，以適用于STAP(空時自適應處理)方法對雜波進行抑制，圖1是非均勻空間立體陣列流形的示意圖，信號重構(gòu)后新的陣列構(gòu)形如圖2所示，由圖中可見此時的陣列構(gòu)形成空間立體均勻陣列，相應的其雜波信號也被重構(gòu)為均勻雜波信號；然后，將得到的均勻空間立體陣列雜波信號，作為雜波抑制的基本對象，通過Y軸方向上的各個子面陣進行3D-STAP對雜波進行抑制，從而實現(xiàn)非均勻空間立體陣列的分布式SAR雜波抑制。
步驟二所述內(nèi)容的具體過程為 步驟二一、對步驟一中所述非均勻空間立體陣列流形中的所有陣元，按照就近原則，將所述所有陣元劃分到L個平行于X-Y坐標面的平面中，獲得L個平行于X-Y坐標面的不均勻平面子陣列；其中，L為正整數(shù)，且L由所述非均勻空間立體陣列流形中的所有陣元在Z向分布的疏密程度決定； 步驟二二、分別對步驟二一獲得的L個不均勻平面子陣列中的每一個平面子陣列進行插值，獲得L個平行于X-Y坐標面的均勻平面子陣列； 步驟二三、根據(jù)由所述L個均勻平面子陣列構(gòu)成的空間立體陣列流形，獲得M個平行于X-Z坐標面的不均勻平面子陣列，然后對該M個不均勻平面子陣列的每一個不均勻平面子陣列再次進行插值，分別獲得M個平行于X-Z坐標面的均勻平面子陣列； 步驟二四、根據(jù)步驟二三獲得的M個均勻平面子陣列，獲得均勻空間立體陣列流形。
在本實施方式中，所述所有陣元在空間上呈現(xiàn)不均勻分布，即所述所有陣元中，每兩個陣元間的距離不全相同。
圖1中，有27個陣元不均勻地分布在X-Y-Z空間中，即它們彼此間隔各不相同。實施步驟二一，可將實心圓圈代表的陣元劃分到α1平面中去，將空心圓圈代表的陣元劃分到α2平面中去，將方塊代表的陣元劃分到α3平面中去，然后，分別在α1、α2和α3平面內(nèi)進行平面陣插值，將陣列插值成為三個3×3的均勻面陣；然后，在與X-Z坐標面平行的平面β1、β2和β3中進行2次插值，將陣列插值為3×3×3的均勻空間立體陣列，如圖2所示。本方法相當于在將空間立體陣列分割成若干個平行與X-Y坐標面的平面后，進行兩次平面陣插值，從而得到一個均勻分布的空間立體陣列，以適應3D-STAP技術進行雜波抑制。
步驟三所述內(nèi)容的具體過程為 步驟三一、令步驟二四獲得的均勻空間立體陣列流形的平行于X-Z坐標面的一個平面子陣列作為基準面子陣，然后根據(jù)步驟二獲得的均勻空間立體陣列流形計算獲得雜波的各維多普勒頻率； 步驟三二、根據(jù)該基準面子陣的雜波模型以及步驟三一獲得的雜波的各維多普勒頻率，獲得該均勻空間立體陣列流形的其余所有平面子陣列的雜波模型；其中，所述其余所有平面子陣列均與X-Z坐標面平行； 步驟三三、由所述基準面子陣的雜波模型以及步驟三二獲得的其余所有平面子陣列的雜波模型，獲得整個均勻空間立體陣列流形的雜波模型。
其中，步驟三二中的基準面子陣的雜波模型，是由背景技術中提到的《Forward-LookingPlanarArray3D-STAPUsingSpaceTimeIlluminationPatterns》這篇文獻中的方法得到的。
步驟三一中所述的各維多普勒頻率包括時間多普勒頻率fd、空間方位向普勒頻率fa和空間俯仰向多普勒頻率fe，且所述空間方位向即X向，所述空間俯仰向即Z向； 且
，
，
； 其中，Va是非均勻分布式SAR的陣列飛行速度，fr是采樣脈沖的重復頻率，θj為第j個平面子陣列在X-Y坐標面的投影相對于選定雜波單元的方位角，且j=1，2，…，M，所述選定雜波單元為等距離雜波環(huán)上的任意一個雜波單元，φ為基準面子陣相對于選定雜波單元的俯仰角，λ為發(fā)射信號波長，且有
， 上式中，dy是相鄰兩個平面子陣列的間距，h為均勻空間立體陣列流形的中心陣元距離地面的高度，θ為基準面子陣相對于雜波單元的方位角。
如圖2所示的空間立體陣列中，對于每一個平行于X-Z坐標面的平面子陣列，分別對其向X-Y平面投影，如圖3所示，投影后可得到多個平行于X軸的直線陣，如直線陣A1、A2和A0，P1、P2和P0分別為直線陣A1、A2和A0上的一個陣元，且P1、P2和P0均位于Y軸上，H0為等距離雜波環(huán)上的一個雜波單元，其中直線陣A0位于基準面子陣上(圖3中，直線陣A0位于X軸上)。其中，dy是相鄰平面子陣列之間的間隔，陣元P0到雜波單元H0的斜距R在X軸的投影和Y軸上的投影分別為RX和RY，基準面子陣相對于雜波單元的方位角為θ，即θ為雜波單元H0和陣元P0所在直線與X軸的夾角；其他平面子陣列Pi相對于雜波單元H0的方位角為則為θi，其中i為平面子陣列的序數(shù)。此外，結(jié)合陣列距地面的高度，還可以得到各平面子陣列對同一雜波單元的俯仰角。
步驟三三中所述的整個均勻空間立體陣列流形的雜波模型用其發(fā)射方向圖表示為
其中，所述均勻空間立體陣列流形包含的陣元個數(shù)為N×M×L，且L表示所述均勻空間立體陣列流形包含的平行于X-Y坐標面的平面子陣列的個數(shù)，N為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的行子陣的個數(shù)，M為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的列子陣的個數(shù)，且所述行子陣平行于X軸，所述列子陣平行于Y軸；Il為所述平行于X-Y坐標面的平面子陣列對應的子陣權，In為所述行子陣對應的子陣權，Im為所述列子陣對應的子陣權；φ0、θ0分別為雜波單元相對于基準面子陣的俯仰角和方位角。
步驟四所述內(nèi)容的具體過程為 步驟四一、由所述雜波的各維多普勒頻率，獲得各維傅立葉導向矢量，進而獲得空時三維傅立葉導向矢量S_3D； 步驟四二、由步驟三獲得的所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型，計算獲得雜波空時二維協(xié)方差矩陣R； 步驟四三、根據(jù)全空時自適應處理方法要求的信雜噪比最大準則，獲得全空時自適應濾波器的最佳權矢量Wopt； 步驟四四、根據(jù)所述空時三維傅立葉導向矢量S_3D、雜波空時二維協(xié)方差矩陣R以及全空時自適應濾波器的最佳權矢量Wopt，構(gòu)建全空時自適應濾波器，進而對SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制。
步驟四中所述的SAR實際接收的空時采樣信號表示為
，其中m=1，2，…，M；
表示第m個平面子陣列的空時采樣數(shù)據(jù)； 其中，n=1，2，…，N；l=1，2，…，L；k=1，2，…，K；
表示位于第m個平面子陣列的(X=n，Z=l)處的陣元的第k個脈沖的采樣數(shù)據(jù)，且
，
則表示位于第m個平面子陣列的(X=n，Z=l)處的陣元的第k個脈沖對第b個等距離雜波環(huán)的采樣數(shù)據(jù)；N為每個平行于Y-Z坐標面的平面子陣列中的列子陣的個數(shù)，L為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的行子陣的個數(shù)，K為時域采樣數(shù)，且所述行子陣平行于X軸，所述列子陣平行于Y軸。
在步驟四一中，所述各維多普勒頻率，包括時間多普勒頻率fd、空間方位向普勒頻率fa和空間俯仰向多普勒頻率fe，且所述空間方位向即X向，所述空間俯仰向即Z向； 所述各維傅立葉導向矢量，包括空域方位向傅立葉導向矢量p、時域傅立葉導向矢量q和空域俯仰向傅立葉導向矢量Fe，且所述空域方位向傅立葉導向矢量p的表達式為 p=[1，exp(i2πfa)，exp(i4πfa)，…，exp(i2π(N-1)fa)]T； 所述時域傅立葉導向矢量q的表達式為 q=[1，exp(i2πfd)，exp(i4πfd)，…，exp(i2π(K-1)fd)]T； 所述空域俯仰向傅立葉導向矢量Fe的表達式為 Fe=[1，exp(i2πfe，exp(i4πfe，…，exp(i2π(M-1)fe)]T； 所述空時三維傅立葉導向矢量S_3D的表達式為 S_3D=S
Fe， 其中，S_3D為NKM×1維，S是空時二維傅立葉導向矢量，且S等于p和q的Kronecker積，即S=p
q，S為NK×1維。
在步驟四三中，所述全空時自適應濾波器的最佳權矢量
，其中，
為非零的歸一化復常數(shù)。
在步驟四四中，所述全空時自適應濾波器對所述SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制時利用的公式為
， 其中，
為SAR實際接收的空時采樣信號，
為所述全空時自適應濾波器對所述SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制后的輸出信號。
權利要求
1.基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于它的具體過程如下
步驟一、根據(jù)非均勻分布式SAR的實際空間分布，建立一個基于X-Y-Z坐標系的非均勻空間立體陣列流形；
步驟二、利用基于俯仰維劃分的二次陣列插值信號重構(gòu)方法，對步驟一建立的非均勻空間立體陣列流形進行信號重構(gòu)，獲得均勻空間立體陣列流形；
步驟三、根據(jù)步驟二獲得的均勻空間立體陣列流形，計算并獲得雜波的各維多普勒頻率，進而獲得所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型；
步驟四、根據(jù)所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型、各維多普勒頻率及全空時自適應處理方法，構(gòu)建全空時自適應濾波器，進而對SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟二所述內(nèi)容的具體過程為
步驟二一、對步驟一中所述非均勻空間立體陣列流形中的所有陣元，按照就近原則，將所述所有陣元劃分到L個平行于X-Y坐標面的平面中，獲得L個平行于X-Y坐標面的不均勻平面子陣列；其中，L為正整數(shù)，且L由所述非均勻空間立體陣列流形中的所有陣元在Z向分布的疏密程度決定；
步驟二二、分別對步驟二一獲得的L個不均勻平面子陣列中的每一個平面子陣列進行插值，獲得L個平行于X-Y坐標面的均勻平面子陣列；
步驟二三、根據(jù)由所述L個均勻平面子陣列構(gòu)成的空間立體陣列流形，獲得M個平行于X-Z坐標面的不均勻平面子陣列，然后對該M個不均勻平面子陣列的每一個不均勻平面子陣列再次進行插值，分別獲得M個平行于X-Z坐標面的均勻平面子陣列；
步驟二四、根據(jù)步驟二三獲得的M個均勻平面子陣列，獲得均勻空間立體陣列流形。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟三所述內(nèi)容的具體過程為
步驟三一、令步驟二四獲得的均勻空間立體陣列流形的平行于X-Z坐標面的一個平面子陣列作為基準面子陣，然后根據(jù)步驟二獲得的均勻空間立體陣列流形計算獲得雜波的各維多普勒頻率；
步驟三二、根據(jù)該基準面子陣的雜波模型以及步驟三一獲得的雜波的各維多普勒頻率，獲得該均勻空間立體陣列流形的其余所有平面子陣列的雜波模型；其中，所述其余所有平面子陣列均與X-Z坐標面平行；
步驟三三、由所述基準面子陣的雜波模型以及步驟三二獲得的其余所有平面子陣列的雜波模型，獲得整個均勻空間立體陣列流形的雜波模型。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟三一中所述的各維多普勒頻率包括時間多普勒頻率fd、空間方位向普勒頻率fa和空間俯仰向多普勒頻率fe，且所述空間方位向即X向，所述空間俯仰向即Z向；
且
，
，
；
其中，Va是非均勻分布式SAR的陣列飛行速度，fr是采樣脈沖的重復頻率，θj為第j個平面子陣列在X-Y坐標面的投影相對于選定雜波單元的方位角，且j=1，2，…，M，所述選定雜波單元為等距離雜波環(huán)上的任意一個雜波單元，φ為基準面子陣相對于選定雜波單元的俯仰角，λ為發(fā)射信號波長，且有
，
上式中，dy是相鄰兩個平面子陣列的間距，h為均勻空間立體陣列流形的中心陣元距離地面的高度，θ為基準面子陣相對于雜波單元的方位角。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟三三中所述的整個均勻空間立體陣列流形的雜波模型用其發(fā)射方向圖表示為
其中，所述均勻空間立體陣列流形包含的陣元個數(shù)為N×M×L，且L表示所述均勻空間立體陣列流形包含的平行于X-Y坐標面的平面子陣列的個數(shù)，N為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的行子陣的個數(shù)，M為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的列子陣的個數(shù)，且所述行子陣平行于X軸，所述列子陣平行于Y軸；Il為所述平行于X-Y坐標面的平面子陣列對應的子陣權，In為所述行子陣對應的子陣權，Im為所述列子陣對應的子陣權；φ0、θ0分別為雜波單元相對于基準面子陣的俯仰角和方位角。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟四所述內(nèi)容的具體過程為
步驟四一、由所述雜波的各維多普勒頻率，獲得各維傅立葉導向矢量，進而獲得空時三維傅立葉導向矢量S_3D；
步驟四二、由步驟三獲得的所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型，計算獲得雜波空時二維協(xié)方差矩陣R；
步驟四三、根據(jù)全空時自適應處理方法要求的信雜噪比最大準則，獲得全空時自適應濾波器的最佳權矢量Wopt；
步驟四四、根據(jù)所述空時三維傅立葉導向矢量S_3D、雜波空時二維協(xié)方差矩陣R以及全空時自適應濾波器的最佳權矢量Wopt，構(gòu)建全空時自適應濾波器，進而對SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于步驟四中所述的SAR實際接收的空時采樣信號表示為
，其中m=1，2，…，M；
表示第m個平面子陣列的空時采樣數(shù)據(jù)；
其中，n=1，2，…，N；l=1，2，…，L；k=1，2，…，K；
表示位于第m個平面子陣列的(X=n，Z=l)處的陣元的第k個脈沖的采樣數(shù)據(jù)，且
，
則表示位于第m個平面子陣列的(X=n，Z=l)處的陣元的第k個脈沖對第b個等距離雜波環(huán)的采樣數(shù)據(jù)；N為每個平行于Y-Z坐標面的平面子陣列中的列子陣的個數(shù)，L為每個平行于X-Y坐標面的平面子陣列中的行子陣的個數(shù)，K為時域采樣數(shù)，且所述行子陣平行于X軸，所述列子陣平行于Y軸。
8.根據(jù)權利要求6所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于在步驟四一中，所述各維多普勒頻率，包括時間多普勒頻率fd、空間方位向普勒頻率fa和空間俯仰向多普勒頻率fe，且所述空間方位向即X向，所述空間俯仰向即Z向；
所述各維傅立葉導向矢量，包括空域方位向傅立葉導向矢量p、時域傅立葉導向矢量q和空域俯仰向傅立葉導向矢量Fe，且所述空域方位向傅立葉導向矢量p的表達式為
p=[1，exp(i2πfa)，exp(i4πfa)，…，exp(i2π(N-1)fa)]T；
所述時域傅立葉導向矢量q的表達式為
q=[1，exp(i2πfd)，exp(i4πfd)，…，exp(i2π(K-1)fd)]T；
所述空域俯仰向傅立葉導向矢量Fe的表達式為
Fe=[1，exp(i2πfe，exp(i4πfe，…，exp(i2π(M-1)fe)]T；
所述空時三維傅立葉導向矢量S_3D的表達式為
S_3D=S
Fe，
其中，S_3D為NKM×1維，S是空時二維傅立葉導向矢量，且S等于p和q的Kronecker積，即S=p
q，S為NK×1維。
9.根據(jù)權利要求6所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于在步驟四三中，所述全空時自適應濾波器的最佳權矢量
，其中，
為非零的歸一化復常數(shù)。
10.根據(jù)權利要求6所述的基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，其特征在于在步驟四四中，所述全空時自適應濾波器對所述SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制時利用的公式為
，
其中，
為SAR實際接收的空時采樣信號，
為所述全空時自適應濾波器對所述SAR實際接收的空時采樣信號進行雜波抑制后的輸出信號。
全文摘要
基于非均勻空間立體陣列分布式SAR的雜波抑制方法，它涉及一種雜波抑制方法，它解決了現(xiàn)有的STAP方法只適合于均勻直線陣列或均勻面陣的雜波抑制，而不適用于非均勻空間陣列的雜波抑制的問題。本發(fā)明首先建立一個非均勻空間立體陣列流形，然后對其進行信號重構(gòu)，獲得均勻空間立體陣列流形，再根據(jù)均勻空間立體陣列流形，計算并獲得雜波的各維多普勒頻率，進而獲得基于所述均勻空間立體陣列流形的雜波模型；根據(jù)所述雜波模型、各維多普勒頻率及全空時自適應處理方法，構(gòu)建全空時自適應濾波器，實現(xiàn)對SAR實際接收的空時采樣信號的雜波抑制。本發(fā)明克服了已有技術的不足，可用于SAR地面動目標檢測技術中的雜波抑制領域。
文檔編號G01S13/90GK101813765SQ20101015367
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者劉梅, 張雷, 林超, 陳錦海, 張生杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學