基于先驗道路信息的雜波抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雷達(dá)雜波抑制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其具體步驟為：根據(jù)先驗道路信息得到雷達(dá)主波束內(nèi)公路所在的以及計算對應(yīng)車輛所在距離多普勒單元的集合RDroad和RDvehicle，對于某待處理單元，剔除若干保護(hù)單元后從待處理單元附近挑選原始訓(xùn)練樣本，從原始訓(xùn)練樣本集合中根據(jù)樣本數(shù)據(jù)與集合RDroad和RDvehicle分別對應(yīng)的空域?qū)蚴噶康钠ヅ涑潭扰袛鄻颖臼欠癖卉囕v污染，剔除被車輛目標(biāo)污染的訓(xùn)練樣本，用剩余的訓(xùn)練樣本估計待處理單元的雜波協(xié)方差矩陣，并對待處理單元進(jìn)行STAP。
【專利說明】基于先驗道路信息的雜波抑制方法

【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】，特別涉及基于先驗道路信息的雜波抑制方 法，涉及非均勻雜波環(huán)境背景下的雜波抑制，具體是一種基于先驗道路信息的雜波抑制方 法，用于解決在道路密集環(huán)境中車輛信號對空時自適應(yīng)處理的影響，改善雜波抑制性能。

【背景技術(shù)】
[0002] 在空時自適應(yīng)處理（Space time adaptive processing，STAP)計算自適應(yīng)權(quán)值 時需要雜波的協(xié)方差矩陣，該雜波的協(xié)方差矩陣通常是未知的，需要通過訓(xùn)練樣本估計得 至IJ。為了估計雜波的協(xié)方差矩陣，通常選擇待處理單元附近的距離采樣數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本。 例如，如果需要U個訓(xùn)練樣本（U為大于1的偶數(shù)），那么在檢測單元前后（為了防止目標(biāo) 自相消和目標(biāo)信號在距離維的擴(kuò)展，需要剔除待處理單元及其附近的若干保護(hù)單元）各選 擇U/2個訓(xùn)練樣本來估計雜波的協(xié)方差矩陣。此時，我們假設(shè)這種使用滑窗方法挑選出的 訓(xùn)練樣本能夠代表待處理單元的雜波。然而，在非均勻雜波環(huán)境中，這種假設(shè)是不成立的。 在服從高斯分布的雜波環(huán)境中，為了保證所估計的雜波協(xié)方差矩陣的性能，訓(xùn)練樣本的數(shù) 量要大于系統(tǒng)自由度的2倍。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和距離分辨率可以得知，采樣數(shù)據(jù)所跨越 的地面長度可長達(dá)數(shù)百米甚至數(shù)千米。雷達(dá)實際工作環(huán)境中存在的離散雜波點、功率非均 勻性以及海陸交界等地形差異使得不同距離門的雜波具有不同的統(tǒng)計特性，用如上方法選 出的訓(xùn)練樣本與待處理單元的雜波統(tǒng)計特性并不一定相同，由此估計的雜波協(xié)方差矩陣與 待處理單元的實際的雜波協(xié)方差矩陣存在偏差，此時空時自適應(yīng)處理抑制雜波的性能會下 降；當(dāng)訓(xùn)練樣本中含有目標(biāo)信號時，所估計的雜波協(xié)方差矩陣中包含目標(biāo)信號（稱為奇異 樣本），由此得到自適應(yīng)權(quán)值進(jìn)行STAP時會造成目標(biāo)相消，引起漏警。
[0003] 為了改善非均勻雜波環(huán)境中STAP的性能，在估計雜波協(xié)方差矩陣的時候，必須剔 除被目標(biāo)信號污染的訓(xùn)練樣本。由于含有目標(biāo)信號的樣本的統(tǒng)計特性與僅含有雜波加噪聲 的樣本的統(tǒng)計特性是不一樣的，我們一般用非均勻檢測器剔除奇異樣本。一些學(xué)者提出了 基于廣義內(nèi)積（GIP)的樣本挑選方法。在雜波協(xié)方差矩陣精確已知的情況下廣義內(nèi)積法可 以檢測出奇異樣本并剔除。然而，當(dāng)訓(xùn)練樣本中包含很強的奇異樣本時，GIP方法的性能會 嚴(yán)重下降，此外，當(dāng)訓(xùn)練樣本中的奇異樣本很多的時候，GIP方法檢測并剔除奇異樣本的性 能也會嚴(yán)重下降。為此有人提出了一種改進(jìn)的GIP算法，該算法首先通過雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)等 先驗信息計算理論的雜波協(xié)方差矩陣，然后用該理論協(xié)方差矩陣替換GIP中估計的雜波協(xié) 方差矩陣，可以在一定程度上增加 GIP的穩(wěn)健性。然而，在雜波模型或者慣導(dǎo)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情 況下，該方法所估計的理論協(xié)方差矩陣與實際協(xié)方差矩陣存在偏差，這會在一定程度上降 低GIP挑選訓(xùn)練樣本的性能。還有一些學(xué)者提出了基于先驗知識的STAP方法，并證明了先 驗知識在STAP中的價值?；谥R的空時自適應(yīng)處理用已有的雷達(dá)數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、跟蹤 反饋和道路信息等來輔助空時自適應(yīng)信號處理，可以改善STAP的性能。對于道路信息來 說，道路上存在車輛，車輛的運動會引起多普勒的變化，主波束照射區(qū)域內(nèi)道路上的車輛有 可能與目標(biāo)具有相同的多普勒頻率，如果用含有這種車輛回波的訓(xùn)練樣本來估計雜波協(xié)方 差矩陣，就相當(dāng)于在協(xié)方差矩陣中加入了目標(biāo)信號分量，STAP時會造成目標(biāo)相消，降低實際 目標(biāo)的功率，因此，在挑選訓(xùn)練樣本估計雜波協(xié)方差矩陣時需要剔除這種被主波束內(nèi)車輛 污染的訓(xùn)練樣本。有人提出將所有包含道路的距離單元剔除，可以在一定程度上改進(jìn)STAP 性能，然而這種方法在道路密集的環(huán)境中會剔除大量訓(xùn)練樣本，從而導(dǎo)致STAP的訓(xùn)練樣本 不夠而使其性能下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出基于先驗道路信息的雜波抑制方法，本發(fā)明可以剔除被主 波束內(nèi)車輛污染的訓(xùn)練樣本解決在道路密集環(huán)境中車輛信號對空時自適應(yīng)處理的影響，同 時避免大量剔除訓(xùn)練樣本，改善雜波抑制性能。
[0005] 為實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：針對含有多個陣元的等間距線陣?yán)?達(dá)為例進(jìn)行分析，首先根據(jù)雷達(dá)構(gòu)型、慣導(dǎo)信息及道路網(wǎng)信息計算雷達(dá)主波束內(nèi)道路所在 的距離-多普勒單元；然后根據(jù)道路相對于雷達(dá)的角度和車輛的速度范圍計算出道路上 車輛相對于雷達(dá)的徑向速度范圍，從而得到可能存在車輛的距離-多普勒單元；接著，對于 某待處理單元，在其相同多普勒通道中挑選與其臨近的距離單元（剔除保護(hù)單元）作為原 始訓(xùn)練樣本，根據(jù)原始訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)矢量與雜波導(dǎo)向矢量及道路導(dǎo)向矢量的匹配程度判斷 其是否為車輛，從而剔除被車輛目標(biāo)信號污染的原始訓(xùn)練樣本；最后，用挑選出的訓(xùn)練樣 本計算自適應(yīng)權(quán)值進(jìn)行基于知識輔助的空時自適應(yīng)處理（knowledge-aided Space time adaptive processing, KASTAP)〇
[0006] 本發(fā)明的步驟為：
[0007] 步驟1，利用機(jī)載雷達(dá)向道路發(fā)送脈沖信號，利用機(jī)載雷達(dá)上正側(cè)視的均勻線陣接 收Μ個脈沖的回波數(shù)據(jù)，所述均勻線陣的陣元數(shù)為Ν，陣元間距為d ;將機(jī)載雷達(dá)在第1個距 離門所接收到的Μ個脈沖回波數(shù)據(jù)表示為矩陣1取1至L，L表示機(jī)載雷達(dá)的距離門個 數(shù)；
[0008] 步驟2,對矩陣&作傅立葉變換，得到得出陣元多普勒域數(shù)據(jù)矩陣文，得出第m個 多普勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量

【權(quán)利要求】
1. 基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，利用機(jī)載雷達(dá)向道路發(fā)送脈沖信號，利用機(jī)載雷達(dá)上正側(cè)視的均勻線陣接收Μ 個脈沖的回波數(shù)據(jù)，所述均勻線陣的陣元數(shù)為Ν，陣元間距為d ;將機(jī)載雷達(dá)在第1個距離門 所接收到的Μ個脈沖回波數(shù)據(jù)表示為矩陣&，1取1至L，L表示機(jī)載雷達(dá)的距離門個數(shù)； 步驟2,對矩陣&作傅立葉變換，得到得出陣元多普勒域數(shù)據(jù)矩陣：
，得出第m個多普 勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量--Α",爾=1，2,…表示由元多普勒域數(shù)據(jù)矩陣
第m行 的所有元素組成的NX 1維的矢量；得出機(jī)載雷達(dá)3dB波束寬度內(nèi)的道路的回波信號進(jìn)行多 普勒偏移后的距離-多普勒二維坐標(biāo)的集合RDvehiele，將集合RDvehiele中每個元素對應(yīng)的多 普勒通道序號的集合記為集合A，將集合A中每個元素對應(yīng)的多普勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量 作為對應(yīng)的一個訓(xùn)練樣本，將所有的訓(xùn)練樣本組合成訓(xùn)練樣本集合；得出機(jī)載雷達(dá)的每個 多普勒通道中地面靜止散射點的空域?qū)蚴噶俊⒁约皺C(jī)載雷達(dá)的每個多普勒通道的車輛所 在道路的回波信號對應(yīng)的空域?qū)蚴噶浚? 步驟3,設(shè)m' e A，蘭
吋，將機(jī)載雷達(dá)第m'個多普勒通道 的回波數(shù)據(jù)矢量從步驟2得出的訓(xùn)練樣本集合中剔除，asc;(m'）表示機(jī)載雷達(dá)的第m'個 多普勒通道中地面靜止散射點的空域?qū)蚴噶?，表示第m'個多普勒通道的車輛所 在道路的回波信號對應(yīng)的空域?qū)蚴噶浚唬āぃ│П硎径蛎坠曹椃?，Y為設(shè)定的大于0的調(diào) 解系數(shù)，I · I表示取模值；當(dāng)
吋，在步驟2得出的訓(xùn)練樣本集 合中保留機(jī)載雷達(dá)第m'個多普勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量 步驟4,根據(jù)步驟3得出的訓(xùn)練樣本集合中的訓(xùn)練樣本，求得對應(yīng)的自適應(yīng)權(quán)矢量w_， 然后，根據(jù)自適應(yīng)權(quán)矢量對機(jī)載雷達(dá)接收的回波信號進(jìn)行空時自適應(yīng)處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，在步驟1中， 矩陣&為：&= PiS+Q+隊，其中，Pl表示第1個距離門的目標(biāo)幅度，S表示目標(biāo)信號的空 時導(dǎo)向矢量，Q表示第1個距離門的雜波信號，隊表示第1個距離門的噪聲信號； 得出目標(biāo)信號的空時導(dǎo)向矢量S的表達(dá)式，
，其中，?表示 Kronecker積，（·）τ表示轉(zhuǎn)置運算符，表示目標(biāo)歸一化多普勒頻率，
表示目標(biāo)信 號的時域?qū)蚴噶?，υ表示目?biāo)歸一化空間頻率，a(u)表示目標(biāo)信號的時域?qū)蚴噶?；? 1個距離門的雜波信號Q為：其中隊為距離模糊次數(shù)，N。為每個
距離門劃分的雜波散射點的個數(shù)，aikl表示第i次距離模糊在第1個距離門的第k個雜波塊 對應(yīng)的空域?qū)蚴噶浚琤ikl表示第i次距離模糊在第1個距離門的第k個雜波塊對應(yīng)的時 域?qū)蚴噶?，P ikl表示第i次距離模糊在第1個距離門的第k個雜波塊對應(yīng)的和回波復(fù)幅 度。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，在步驟2中， 將矩陣&通過MX Μ維的傅立葉變換矩陣F轉(zhuǎn)換到陣元多普勒域，得出陣元多普勒域數(shù)據(jù) 矩陣
.，即重/=
;然后，得出第m個多普勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量^^ m= 1，2,…，M; %",=
:表示由元多普勒域數(shù)據(jù)矩陣
第m行的所有元素組成的NX 1維的矢 量。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，在步驟2中， 得出訓(xùn)練樣本集合的過程為：將機(jī)載雷達(dá)照射區(qū)域內(nèi)的道路的回波信號轉(zhuǎn)換到距離-多普 勒域，得出機(jī)載雷達(dá)3dB波束寬度內(nèi)的道路的回波信號對應(yīng)的距離-多普勒二維坐標(biāo)的集 合，將機(jī)載雷達(dá)3dB波束寬度內(nèi)的道路的回波信號對應(yīng)的距離-多普勒二維坐標(biāo)的集合記 為RD Mad，機(jī)載雷達(dá)3dB波束寬度內(nèi)的每個地面散射點對應(yīng)的距離-多普勒二維坐標(biāo)包括： 對應(yīng)散射點的距離門序號和對應(yīng)散射點的歸一化多普勒頻率；得出機(jī)載雷達(dá)3dB波束寬度 內(nèi)的道路的回波信號進(jìn)行多普勒偏移后的距離-多普勒二維坐標(biāo)的集合RD vehic;le ;將集合 RDTChi&中每個元素對應(yīng)的多普勒通道序號的集合記為集合A，將集合A中每個元素對應(yīng)的 多普勒通道的回波數(shù)據(jù)矢量作為對應(yīng)的一個訓(xùn)練樣本，將所有訓(xùn)練樣本組合成訓(xùn)練樣本集 合。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，在步驟2中， 機(jī)載雷達(dá)的第m個多普勒通道中地面靜止散射點的空域?qū)蚴噶縜 s。為：
其中，m = 1，2,…，M，Μ表示機(jī)載雷達(dá)接收回波數(shù)據(jù)的脈沖數(shù)；f；為機(jī)載雷達(dá)發(fā)射信號 的脈沖重復(fù)頻率，v為載機(jī)速度，d為所述均勻線陣的陣元間距，N為所述均勻線陣的陣元 數(shù)； 在步驟2中，機(jī)載雷達(dá)第m個多普勒通道的車輛所在道路的回波信號對應(yīng)的空域?qū)? 矢量asr為：
6. 如權(quán)利要求1所述的基于先驗道路信息的雜波抑制方法，其特征在于，所述步驟4的 具體子步驟為：根據(jù)步驟3得出的訓(xùn)練樣本集合中的訓(xùn)練樣本，求得目標(biāo)信號所在距離門 的雜波協(xié)方差矩陣Rsub，然后計算出自適應(yīng)權(quán)矢量
，其中，μ表示已 知的歸一化系數(shù)，a〇)表示目標(biāo)信號的時域?qū)蚴噶?，上?biāo)-1表示求逆。
【文檔編號】G01S7/36GK104297735SQ201410571382
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】王彤, 王志林, 吳建新, 吳億峰, 李春海 申請人:西安電子科技大學(xué)