基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雷達(dá)雜波抑制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法。該基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法包括以下步驟：步驟1，利用機(jī)載雷達(dá)的非正側(cè)視陣天線發(fā)射脈沖信號，并接收對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，機(jī)載雷達(dá)接收到對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為四維回波數(shù)據(jù)；根據(jù)所述四維回波數(shù)據(jù)，估計每個列子陣的幅相誤差矢量；步驟2，根據(jù)第m個列子陣的幅相誤差矢量，得出第m個列子陣第l個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)；利用第m個列子陣第1個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)至第m個列子陣第L個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)組成第m個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)；利用第1個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)至第M個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)組成機(jī)載雷達(dá)雜波抑制后數(shù)據(jù)。
【專利說明】基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)雜波抑制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法，具體來說就是一種利用俯仰向自由度濾除近程雜波的方法。這種方法主要用于解決存在陣元幅相誤差情況下的機(jī)載雷達(dá)非正側(cè)視陣近程雜波非平穩(wěn)性問題，能夠有效地濾除近程雜波，從而增強(qiáng)雜波的距離平穩(wěn)性，使后續(xù)的空時二維自適應(yīng)處理性能得到很大地改善。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)載雷達(dá)下視工作時，對于正側(cè)視陣天線，雜波多普勒頻率幾乎不隨距離的變化而擴(kuò)展，此時雜波在距離上滿足平穩(wěn)性。因此在空時自適應(yīng)處理過程中，可以從相鄰距離單元獲得足夠的訓(xùn)練樣本用于估計協(xié)方差矩陣，這種雜波抑制方法在雷達(dá)信號處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。然而為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對來自各個方向的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全方位的掃描覆蓋，通常需要多個天線聯(lián)合工作，當(dāng)放置的天線軸線方向與載機(jī)飛行速度方向夾角不為零時，我們稱該天線為非正側(cè)視陣天線。對于非正側(cè)視陣天線，雜波的距離多普勒譜線呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，即雜波的多普勒頻率隨距離劇烈變化。這種距離依賴性主要決定于第O次模糊距離，或者說是近程雜波。
[0003]由于非正側(cè)視陣近程雜波呈現(xiàn)很強(qiáng)的非平穩(wěn)性，且非平穩(wěn)性程度隨著天線軸線與載機(jī)速度方向夾角的增大而增強(qiáng)。然而在相控陣天線體統(tǒng)中，超低副瓣天線技術(shù)在現(xiàn)有雷達(dá)技術(shù)條件下很難實(shí)現(xiàn)，因此近程雜波的功率值通常很強(qiáng)。這種情況下對于近程雜波區(qū)域滿足獨(dú)立同分布的距離單元數(shù)目就十分有限而不再滿足Brennan準(zhǔn)則關(guān)于訓(xùn)練樣本數(shù)目的要求，造成雜波的STAP (Space-Time Adaptive Processing空時自適應(yīng)處理)處理性能下降，因此STAP技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。為了緩解非正側(cè)陣引起的距離非平穩(wěn)特性，多普勒補(bǔ)償首先引起了雷達(dá)工作者的注意，該方法的基本思想是對不同距離的雜波進(jìn)行不同的多普勒補(bǔ)償，使不同距離的主雜波中心頻率趨于一致。具體實(shí)現(xiàn)只需要對每個距離的脈沖時間數(shù)據(jù)乘上相應(yīng)的線性相位，處理結(jié)構(gòu)簡單、有效，但是其只對主雜波中心進(jìn)行了補(bǔ)償，對旁瓣雜波的補(bǔ)償則不是十分理想，且只適用于沒有距離模糊的情況。之后的角度多普勒補(bǔ)償、配準(zhǔn)補(bǔ)償、積分更新方法等都在一定程度上對近程雜波的非平穩(wěn)性具有一定的緩和作用，但當(dāng)雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率較高導(dǎo)致距離模糊的情況下，它們的應(yīng)用就受到了限制。
[0004]對存在距離模糊情況下的機(jī)載非正側(cè)視陣?yán)走_(dá)近程雜波進(jìn)行抑制，可以利用陣列天線的俯仰自由度并將其與方位、時域聯(lián)合起來構(gòu)成三維空時自適應(yīng)處理。這種方法能夠有效地抑制雜波，但不可避免的造成計算量過大的問題，同時由于系統(tǒng)自由度很高，所以需要的獨(dú)立同分布樣本數(shù)目也要增大，這在實(shí)際中往往是不能滿足的。傳統(tǒng)的空時二維自適應(yīng)處理尚且需要進(jìn)行降維處理，如何對三維的自適應(yīng)處理方法進(jìn)行降維處理是其能否得到應(yīng)用的關(guān)鍵。針對上述問題一種首先利用俯仰自由度進(jìn)行俯仰預(yù)濾波的方法被提出，稱之為俯仰預(yù)濾波方法。該俯仰預(yù)濾波方法能夠?qū)⒔邮盏娜S雜波數(shù)據(jù)在不做自適應(yīng)處理的前提下進(jìn)行加權(quán)列子陣合成轉(zhuǎn)換為二維數(shù)據(jù)，并且在轉(zhuǎn)換過程中將近程雜波抑制掉。具體實(shí)現(xiàn)過程為:在近程雜波對應(yīng)的俯仰角處采用固定約束置零，同時保持主波束方向雜波增益保持不變。該方法是在理想雜波情況下提出的，即僅適用于不存在陣元幅相誤差的情況下，也就是說其對存在雷達(dá)系統(tǒng)誤差時近程雜波的抑制方法是不穩(wěn)健的。
[0005]提出合理的誤差校正算法成為解決近程雜波抑制算法穩(wěn)健性的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的陣列誤差校正方法包括有源校正方法和自校正方法。有源校正需要輔助信源的波達(dá)方向精確已知，一旦輔助信源的方向出現(xiàn)偏差，就會帶來較大的誤差，自校正方法可以不需要精確已知輔助信源的方向，而是通過在線完成實(shí)際波達(dá)方向估計，校正精度較高，但其計算量往往很大，難于工程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明由于雷達(dá)參數(shù)先驗(yàn)已知，波達(dá)方向可以通過計算精確已知，因此采用有源校正的方法進(jìn)行誤差校正。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對非正側(cè)視陣近程雜波非平穩(wěn)性而使傳統(tǒng)空時二維自適應(yīng)處理性能下降的問題，提出基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法。本發(fā)明首先對陣元幅相誤差進(jìn)行校正，然后將校正后的雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行俯仰濾波處理，從而使STAP處理雜波的抑制性能得到了很大地改善。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法包括以下步驟:步驟1，所述機(jī)載雷達(dá)上設(shè)置有非正側(cè)視陣天線，所述非正側(cè)視陣天線由M個列子陣組成，每個列子陣為由N個陣元組成的均勻線陣，M和N均為自然數(shù)，每個列子陣的陣元間距為d，任意兩個相鄰的列子陣之間的間距為d ；
[0009]利用機(jī)載雷達(dá)的非正側(cè)視陣天線發(fā)射脈沖信號，并接收對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，機(jī)載雷達(dá)接收到對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為四維回波數(shù)據(jù)；根據(jù)所述四維回波數(shù)據(jù)，估計每個列子陣的幅相誤差矢量；
[0010]步驟2，根據(jù)第m個列子陣的幅相誤差矢量，得出第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)文.Yx/,(W，/)，m取I至M，I取I至L，P為機(jī)載雷達(dá)的非正側(cè)視陣天線發(fā)射的脈沖數(shù)，L表示機(jī)載雷達(dá)的距離單元個數(shù)；利用第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)至第m個列子陣第L個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)組成第m個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)利用第I個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)文Λ.Χ_ΡΧΖ(1)至第M個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)Xivxpxi (M)組成機(jī)載雷達(dá)雜波抑制后數(shù)據(jù)XA,xMxPxi。
[0011]本發(fā)明的特點(diǎn)和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0012]所述步驟I的具體子步驟為:
[0013](1.1)第I個距離單元對應(yīng)雜波的距離模糊次數(shù)為Nri次，則第il次距離模糊雜波相對于非正側(cè)視陣天線的俯仰角為奶I，釣，則奶i的俯仰導(dǎo)向矢量表示為:
[0014]

【權(quán)利要求】
1.基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法，其特征在于，所述機(jī)載雷達(dá)上設(shè)置有非正側(cè)視陣天線，所述非正側(cè)視陣天線由M個列子陣組成，每個列子陣為由N個陣元組成的均勻線陣，M和N均為自然數(shù)，每個列子陣的陣元間距為d，任意兩個相鄰的列子陣之間的間距為d ； 所述基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法包括以下步驟: 步驟1，利用機(jī)載雷達(dá)的非正側(cè)視陣天線發(fā)射脈沖信號，并接收對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，機(jī)載雷達(dá)接收到對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為四維回波數(shù)據(jù)；根據(jù)所述四維回波數(shù)據(jù)，估計每個列子陣的幅相誤差矢量； 步驟2，根據(jù)第m個列子陣的幅相誤差矢量，得出第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)文、,;<,,(所,/)，m取I至M，I取I至L，P為機(jī)載雷達(dá)的非正側(cè)視陣天線發(fā)射的脈沖數(shù)，L表示機(jī)載雷達(dá)的距離單元個數(shù)；利用第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)至第m個列子陣第L個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)組成第m個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)Xivxpxt(W);利用第I個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)tyVxFxi(l)至第M個列子陣雜波抑制后數(shù)據(jù)^νχΡχΛΜ)組成機(jī)載雷達(dá)雜波抑制后數(shù)據(jù)文VxMxPxi。
2.如權(quán)利要求1所述的基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法，其特征在于，所述步驟I的具體子步驟為: (1.1)第I個距離單元對應(yīng)雜波的距離模糊次數(shù)為Nri次，則第il次距離模糊雜波相對于非正側(cè)視陣天線的俯仰角為灼I，灼 >...>%.,，則灼的俯仰導(dǎo)向矢量表示為:
其中，T表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，λ為機(jī)載雷達(dá)發(fā)射信號的波長； 利用bm (φ,)至\ {φΝ?)組成第m個列子陣的俯仰導(dǎo)向矩陣Bm:
(1.2)對第m個列子陣的俯仰導(dǎo)向矩陣Bm進(jìn)行特征分解，在第m個列子陣的俯仰導(dǎo)向矩陣Bm的所有特征值中，選取K個最大的特征值，K〈Nri ;利用選取的K個最大的特征值對應(yīng)的特征矢量構(gòu)成第m個列子陣的陣列流形矩陣Am，
Am — [aml，am2，...，amK]; 其中，aml至a-分別表示選取的K個最大的特征值對應(yīng)的特征矢量； (1.3)機(jī)載雷達(dá)接收到對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)表示為四維回波數(shù)據(jù)XNXMXPXy在所述四維回波數(shù)據(jù)\XMXPM中，抽取出與第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的二維數(shù)據(jù)Xnxp (m，I)，然后得出二維數(shù)據(jù)XNXP(m，I)的俯仰協(xié)方差矩陣Rml:
Rmi = (XNxp(m, I)Xhnxp(m, I))/P
其中，H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置； (1.4)對Rml進(jìn)行特征分解，在Rml的所有特征值中選取N-K個最小的特征值，利用選取的N-K個最小的特征值對應(yīng)的特征矢量構(gòu)成噪聲子空間Un ； 構(gòu)造代價函數(shù)Jni,代價函數(shù)Jni的表達(dá)式為:
其中，H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，k’為自然數(shù)且k’取I至K, amk，= diag(amk，)，amk，表示子步驟(1.3)中選取的第k’個特征值對應(yīng)的特征矢量，diag(amk，)表示以amk，中的每個元素作為主對角線元素而構(gòu)成的對角矩陣； 令
,，則代價函數(shù)Jm表示為: 然后建立如下二次約束優(yōu)化問題:
其中，八為待求解的第m個列子陣的幅相誤差矢量；f是一個NX I維的列矢量，f的第一個元素為I，其余元素均為O ; 通過求解所述二次約束優(yōu)化問題，估計出第m個列子陣的幅相誤差矢量δ m。
3.如權(quán)利要求2所述的基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法，其特征在于，在子步驟(1.4)中，運(yùn)用拉格朗日乘子法求解所述二次約束優(yōu)化問題，所述求解出的第m個列子陣的幅相誤差矢量、為..c Ω
其中，τ表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置,上標(biāo)-1表示矩陣的逆。
4.如權(quán)利要求1所述的基于陣元幅相誤差校正的機(jī)載雷達(dá)雜波抑制方法，其特征在于，在步驟2中，得出第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)文的過程包括以下子步驟: 首先得出第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的近程雜波導(dǎo)向矢量alml和第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的程雜波導(dǎo)向矢量a2ml ；
其中，τ表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，λ為機(jī)載雷達(dá)發(fā)射信號的波長，奶表示第O次距離模糊對應(yīng)的俯仰角，舍表不機(jī)載雷達(dá)發(fā)射信號時的主波束指向；然后根據(jù)以下公式，得出第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的帶誤差補(bǔ)償?shù)慕屉s波導(dǎo)向矢量和第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的帶誤差補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程雜波導(dǎo)向矢量^lml:
其中，Θ表示Hadamard積；δ m為第m個列子陣的幅相誤差矢量； 根據(jù)以下公式構(gòu)造出第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的俯仰濾波權(quán)矢量M
其中，H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；在所述四維回波數(shù)據(jù)ΧΝΧΜΧΡ>α中，抽取出與第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的二維數(shù)據(jù)XNXP(m，I)，根據(jù)第m個列子陣第I個距離單元對應(yīng)的俯仰濾波權(quán)矢量W ,得出第m個列子陣第I個距離單元雜波抑制后數(shù)據(jù)為:^jvxp(^ O=W^XivxpCm,/) ο
【文檔編號】G01S7/36GK104076337SQ201410317099
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】王彤, 崔偉芳, 吳建新, 陳華彬 申請人:西安電子科技大學(xué)