一種基于歷史CPI數(shù)據(jù)的近程雜波抵制方法

朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·信號(hào)/數(shù)據(jù)處理·

一種基于歷史CPI數(shù)據(jù)的近程雜波抵制方法

朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

文中對空時(shí)二維自適應(yīng)處理(STAP)技術(shù)進(jìn)行了基本原理性的論述，指出近程非均勻雜波由于樣本不足導(dǎo)致STAP效果嚴(yán)重下降。針對機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)低重復(fù)頻率數(shù)據(jù)中近程雜波難抑制的問題，根據(jù)機(jī)載平臺(tái)在相鄰相干積累時(shí)間(CPI)內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離短，雷達(dá)波束覆蓋區(qū)域基本相同的特點(diǎn)，提出了一種利用前一CPI數(shù)據(jù)作為輔助知識(shí)抑制當(dāng)前幀數(shù)據(jù)近程雜波的方法，算法根據(jù)歷史CPI數(shù)據(jù)引入引起樣本增加的特點(diǎn)，對近程非均勻雜波區(qū)進(jìn)行精細(xì)分段處理，提升非均勻雜波抑制能力，改善非均勻雜波區(qū)的目標(biāo)信雜噪比，文中對算法的原理進(jìn)行了描述并通過實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的性能。

相控陣?yán)走_(dá)；近程雜波；空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理

0 引 言

機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)由于對低空突防目標(biāo)的有效檢測和目標(biāo)檢測的覆蓋范圍比地基雷達(dá)要大得多，增加了預(yù)警時(shí)間，得到越來越多的重視。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)主要是下視工作，復(fù)雜的地理環(huán)境使雷達(dá)工作在多變的雜波環(huán)境中，由于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性使得雜波擴(kuò)展，特點(diǎn)是俯仰近程雜波以回波強(qiáng)、非均勻、樣本少等特點(diǎn)成為雜波抑制中的難點(diǎn)。

為了有效檢測雜波區(qū)目標(biāo)，減少雷達(dá)的盲區(qū)范圍，必須研究有效的雜波抑制方法。利用天線的超低副瓣來抑制副瓣雜波是最直接的方法，然而，由于目前雷達(dá)平臺(tái)資源和生產(chǎn)工藝水平嚴(yán)重受限，超低副瓣天線難以實(shí)現(xiàn)，因此，需要在信號(hào)處理中采用一定的濾波算法來抑制高副瓣引起的強(qiáng)雜波譜。由于機(jī)載雷達(dá)的地物雜波呈現(xiàn)為空時(shí)二維耦合譜特性，因此，要想達(dá)到較好的濾波效果，雜波抑制應(yīng)該在空間和時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合處理；并且由于機(jī)載平臺(tái)的地面環(huán)境的快速變化性，濾波器應(yīng)該根據(jù)雜波環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)，以達(dá)到最佳的濾波效果。

最早的雜波抑制方法有時(shí)間平均雜波相干機(jī)載雷達(dá)及其相關(guān)方法[1]、自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法[2-3]和相位中心偏置天線方法[4-5]，這些方法由于只考慮兩個(gè)時(shí)間取樣，存在雜波對消器分辨不良的問題。Brennan等[6]在1973年提出了利用空時(shí)二維取樣進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)自適應(yīng)處理的方法，隨后又將最優(yōu)處理器應(yīng)用到機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)中[7]。研究證明，空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)可以有效地補(bǔ)償機(jī)載雷達(dá)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，并獲得理想的雜波抑制性能，同時(shí)，對有源干擾也可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抑制。然而在脈沖級(jí)進(jìn)行空-時(shí)全自適應(yīng)處理所需的運(yùn)算量極大，嚴(yán)重地限制了算法在工程中的應(yīng)用，隨后降維STAP技術(shù)成為了研究的一個(gè)焦點(diǎn)，大量降秩和降維方法的出現(xiàn)為STAP工程化應(yīng)用可供了可實(shí)現(xiàn)的途徑[8-12]。

抑制近程雜波最直接的目的是為了提高雜波的距離平穩(wěn)性從而提高STAP性能，而最終的目的是提高目標(biāo)信號(hào)的信雜噪比(SCNR)。解決近程雜波距離非平穩(wěn)性的方法，目前主要有三種：一是利用陣列天線俯仰維的自由度做空間濾波[13-14]，但是目前的非自適應(yīng)空域?yàn)V波方法對陣元誤差比較敏感，自適應(yīng)的空域?yàn)V波難以獲取樣本，且計(jì)算比較繁瑣；二是多普勒譜和空間譜的補(bǔ)償，這對存在距離模糊的中高重頻機(jī)載雷達(dá)來說，無法兼顧各次模糊距離[15-16]；三是利用俯仰空域自由度、方位空域自由度和脈沖維的時(shí)間自由度同時(shí)做三維STAP處理[17]，這種算法也存在獨(dú)立同分布的自適應(yīng)樣本難以獲得的問題。

本文針對機(jī)載雷達(dá)的特點(diǎn)，利用短時(shí)間載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離短、副瓣雜波覆蓋區(qū)域基本無變化的特點(diǎn)，提出了一種新的雜波抑制方法，利用低脈沖重復(fù)頻率(LPRF)實(shí)測數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行了驗(yàn)證并與傳統(tǒng)STAP技術(shù)進(jìn)行了對比分析。

1 算法描述

1.1 STAP算法原理

空時(shí)二維自適應(yīng)信號(hào)處理是針對雷達(dá)接收的回波信號(hào)進(jìn)行空間和時(shí)間上的二維濾波處理。其實(shí)質(zhì)是將一維空域?yàn)V波技術(shù)推廣到時(shí)間和空間二維域中。

STAP技術(shù)的關(guān)鍵，一方面在于兩維濾波處理，另一方面在濾波權(quán)系數(shù)是自適應(yīng)計(jì)算得到的，可以根據(jù)雷達(dá)回波特性自適應(yīng)地形成與雜波和干擾相匹配的自適應(yīng)權(quán)矢量來做濾波處理，其原理如圖1所示。

圖1 STAP原理圖

利用最優(yōu)接收技術(shù)，建立自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計(jì)算的數(shù)目模型，其原理為：保持主波束方向的信號(hào)增益不變，同時(shí)使雜波、干擾和噪聲的功率達(dá)到最小。計(jì)算自適應(yīng)權(quán)系數(shù)的準(zhǔn)則如下

(1)

式中：R為根據(jù)雷達(dá)接收數(shù)據(jù)xi估計(jì)的協(xié)方差矩陣；S為導(dǎo)向矢量；R表達(dá)式為

(2)

考慮有限樣本的獨(dú)立性和遍歷特性，協(xié)方差矩陣的計(jì)算可以簡化為

(3)

式中：N為數(shù)據(jù)樣本的總數(shù)量；H表示共軛轉(zhuǎn)置；S是目標(biāo)空域?qū)蚴噶縎s與目標(biāo)時(shí)域?qū)蚴噶縎t的Kronecher積

S=Ss?St

(4)

Ss與St的表達(dá)式因STAP算法的不同而異。對方程組(1)求解得到的最優(yōu)權(quán)矢量解為

Wopt=μR-1S

(5)

式中：μ為對自適應(yīng)權(quán)進(jìn)行歸一化所用的系數(shù)值

(6)

若由雷達(dá)接收數(shù)據(jù)向量xi組成的數(shù)據(jù)矩陣為X，則STAP最終的濾波輸出為

(7)

利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差矩陣的估計(jì)

(8)

1.2 新算法流程

利用雷達(dá)系統(tǒng)的全部天線陣元和相參積累脈沖做STAP處理，稱為全空時(shí)自適應(yīng)處理。全空時(shí)自適應(yīng)處理為理論上的最優(yōu)處理，但是，一方面，難以獲得足夠數(shù)量的估計(jì)協(xié)方差矩陣所用的訓(xùn)練樣本；另一方面，計(jì)算自適應(yīng)濾波權(quán)矢量所需要的計(jì)算能力一般雷達(dá)的信號(hào)處理機(jī)難以滿足。因此，工程應(yīng)用中大多采用各種準(zhǔn)最優(yōu)的算法。關(guān)于STAP的準(zhǔn)最優(yōu)處理算法大致分為降維和降秩兩類，其中子陣級(jí)距離-多普勒域STAP處理由于計(jì)算量小被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)現(xiàn)。

對每個(gè)子陣進(jìn)行快速傅里葉變換處理后，對每個(gè)頻率門進(jìn)行自適應(yīng)STAP處理，計(jì)算自適應(yīng)權(quán)矢量Wopt的方法與空時(shí)全自適應(yīng)處理相同，即為單多普勒通道空時(shí)自適應(yīng)處理(1DT-STAP)，設(shè)有N個(gè)子陣，每個(gè)子陣FFT后有M個(gè)多普勒門，wij表示第j個(gè)子陣的第i個(gè)多普勒門的加權(quán)敘述，1DT-STAP處理流程如圖2所示。

圖2 子陣級(jí)1DT STAP處理示意圖

STAP有效的前提是能夠?qū)﹄s波或干擾背景的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，這一點(diǎn)是通過對接收的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性估計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上屬于最大似然估計(jì)。因此，要獲得理想的性能，需要滿足兩個(gè)必要條件：其一是要求被處理的信號(hào)在時(shí)間和空間上是均勻、平穩(wěn)的；其二是要有足夠多的滿足獨(dú)立同分布條件的樣本。對機(jī)載預(yù)警雷達(dá)而言，雜波背景的非均勻、非平穩(wěn)問題非常突出，不僅滿足獨(dú)立同分布條件的可用于雜波統(tǒng)計(jì)特性估計(jì)的樣本數(shù)非常有限，而且這些樣本還常常和奇異樣本混在一起難以區(qū)分，從而使自適應(yīng)處理的性能大大下降，而近程雜波是機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中最常見的非均勻雜波。

本文算法以1DT-STAP為基礎(chǔ)，利用雷達(dá)回波前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助處理。由于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)平臺(tái)飛行速度較慢，近似認(rèn)為相鄰兩幀時(shí)間內(nèi)近程雜波的所處地形環(huán)境無明顯變化(相鄰40ms～50ms時(shí)間內(nèi)，載機(jī)運(yùn)動(dòng)距離只有幾米，3dB波束寬度7°，兩幀方位間隔1.5°)。由于歷史數(shù)據(jù)的引入，相當(dāng)于對當(dāng)前幀數(shù)據(jù)STAP協(xié)方差矩陣估計(jì)的樣本數(shù)增加。因此，可以對當(dāng)前數(shù)據(jù)的近程非均勻雜波進(jìn)行更精細(xì)的分段處理，提升非均勻雜波的抑制能力。算法流程如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

本文所提算法利用LPRF實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析(LPRF數(shù)據(jù)按距離門截取了近程雜波區(qū)域的1 000個(gè)門)，新方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非均勻雜波區(qū)分段數(shù)目是傳統(tǒng)STAP方法的2倍(傳統(tǒng)STAP對每個(gè)多普勒門按距離分4段，新方法分8段)，并將處理結(jié)果與傳統(tǒng)STAP方法進(jìn)行對比，統(tǒng)計(jì)了目標(biāo)SCNR的改善程度，結(jié)果如圖4所示，其中標(biāo)出的點(diǎn)為經(jīng)過驗(yàn)證的真實(shí)目標(biāo)。

圖4 近程雜波抑制結(jié)果對比圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提算法比傳統(tǒng)STAP方法在近程雜波抑制后，目標(biāo)的SCNR從傳統(tǒng)STAP的18.2dB提升到新算法的21.7dB，改善3.5dB。

3 結(jié)束語

本文針對機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)LPRF數(shù)據(jù)近程非均勻雜波抑制難的問題，利用機(jī)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)相鄰CPI內(nèi)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)短、雷達(dá)波束覆蓋區(qū)域基本相同的特點(diǎn)，進(jìn)行了合理的假設(shè)，將前一幀數(shù)據(jù)作為輔助知識(shí)引入當(dāng)前數(shù)據(jù)的處理中，提升非均勻雜波的抑制能力改善該雜波區(qū)目標(biāo)的SCNR，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文所提新算法比傳統(tǒng)STAP在近程雜波抑制后目標(biāo)SCNR改善3.5dB，充分證明了本文算法的有效性。

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朱張勤 男，1982年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)電訊總體技術(shù)。

鄭萬青 男，1981年生，碩士，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)電訊總體技術(shù)與技術(shù)管理。

A Novel Algorithm Based on CPI data for Restaining the Short-range Clutter

ZHU Zhangqin，ZHENG Wanqing

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

Essential principles of space time adaptive processing (STAP) technology are discussed, then for the short range clutter, the effect of STAP declined heavily due to the short of sample is pointed out in this paper. To confront the non-homogeneous clutter of low pulse repetition frequency (LPRF) data, which is difficult to be restrained in the airborne phase-scan radar, a novel algorithm, which is based on the airborne platform moving short range and the areas covered by radar beam almost same, is proposed in this paper. In the new algorithm, the last coherent processing interval (CPI) data are used as the aided knowledge to suppress the clutter of current CPI data. Due to the last CPI data introduced, the number of samples is increased, by which the current CPI data can be piecewise processed more finely, to improve the effect of clutter suppression and the target signal-to-clutter-plus-noise ratio (SCNR). The principle of the new algorithm is introduced firstly, and then experiments by the measured radar data demonstrate the impression of the method.

phase-scan radar; short-range clutter; space time adaptive processing

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.007

朱張勤 Email：zzqin@mail.ustc.edu.cn

2015-04-22

2015-07-24

TN

A

1004-7859(2015)09-0029-04