機載非正側陣雷達降維STAP性能仿真

靳 璐,姚 力

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在機載雷達天線陣列的安裝中,有時為了擴展雷達的覆蓋范圍,天線陣列采取與載機平臺飛行方向有一定的側向角度安裝,這種陣列結構被稱為非正側陣,也稱為斜視陣[1-3]。與正側視陣相比,非正側陣雷達的探測范圍可以覆蓋飛機前方、兩側、后方和下方的目標,具有全方位的探測能力。此外,非正側陣雷達還可以實現多波束掃描、多模式探測和多目標跟蹤等功能,具有更高的靈活性和多功能性。機載非正側陣雷達的雜波分布與正側陣雷達不同,空時二維雜波譜隨距離的變化而變化,即在距離維是非均勻的,不能直接由鄰近距離單元估計雜波協方差矩陣[4-7]。因此,研究機載非正側陣雷達的地雜波分布和抑制方法是雷達領域中的一個重要研究方向。

在傳統的空時自適應處理(STAP)算法中,雷達接收到的信號是多維的,需要進行高維信號處理。然而,在實際應用中,高維信號處理需要更高的計算資源和時間,而且可能會導致數據維度災難問題。因此,為了解決這些問題,降維STAP應運而生。降維STAP是一種信號處理算法,它通過在空域和時間域中降低數據的維度來提高雷達目標檢測和跟蹤的性能[8-9]。

針對降維STAP的研究,胡進峰等人[10]提出一種基于稀疏降維的STAP方法,該方法可以提高雜波抑制性能;王萬林等人[11]提出一種三維先時后空自適應處理的準最優技術,并進行了仿真;姜暉等人[12]提出一種雜波譜補償的降維方法,該方法采用導數更新法級聯多級維納濾波器減少運算量。上述方法均從不同角度研究了降維STAP的性能,但缺乏系統的與STAP處理的對比研究。

針對上述研究的不足,本文首先建立了機載非正側陣雷達的雜波模型,對不同側視角下的雜波分布進行仿真,在此基礎上建立了機載雷達降維STAP處理的數學模型,最后通過數據仿真研究了機載非正側陣雷達降維STAP性能。

1 機載非正側陣雷達雜波建模

為了便于分析,機載雷達的天線選取如圖1所示的線陣。假設雷達載機平臺以速度v沿平行于地面的方向勻速飛行,高度為H,雷達波長為λ,天線軸線與平臺運動速度方向的夾角為θp。在1個相參脈沖間隔(CPI)期間,雷達以恒定脈沖重復頻率fr發射P個相參脈沖。

圖1 機載預警雷達幾何模型

假設地面散射體到雷達的距離為R,其對應的俯仰角為φ,方位角為θa,則該散射體回波的多普勒頻率為[13]:

(1)

對式(1)進行移項處理可以得到:

cos2φsin2θp

(2)

根據上述模型,對非正側視陣雷達雜波進行仿真,圖2為θp分別為0°、30°、60°和90°下雜波功率譜的空時三維分布。

圖2 雜波功率譜的空時三維分布

由圖2可以看出,機載雷達雜波功率譜的空時三維分布與雷達的側視角有關系。當機載雷達處于正側視陣列(側視角0°)情況下,雜波功率譜的空時三維分布呈現為一條固定斜率的直線分布;當θp取值在0°～90°之間變化時,機載雷達雜波功率譜的空時三維分布呈現為橢圓環分布;當θp為90°時,機載雷達雜波功率譜的空時三維分布呈現為圓環分布。

2 機載雷達降維STAP建模

降維STAP可以在滿足最優處理需求的同時降低對訓練樣本的要求和運算量,通過選取部分訓練樣本進行訓練,得到用于處理待檢測距離單元的采樣數據。降維STAP處理首先對接收的訓練樣本進行前向濾波;處理后的數據送入預處理模塊,預處理的目的主要是通過目標角度和多普勒角度選擇,降低訓練樣本數據和待檢測距離單元數據的處理維度;最后應用雜波協方差矩陣估計得到的權矢量處理待檢測距離單元的數據,并將處理結果送入門限檢測提取目標信號[14-15],降維STAP處理算法流程如圖3所示。

圖3 降維STAP處理算法流程

(3)

(4)

降維空時自適應處理的目的仍是抑制除目標之外的其他雜波信號,同時保證目標信號能量不變,因此需要滿足代價函數:

(5)

由拉格朗日乘子法可以得到D×1維降維最優權矢量的解為:

(6)

因此,可以得到最終的輸出為:

(7)

與全維STAP處理相比,降維STAP需要的訓練樣本數少,可以大大減少運算量,實現實時處理,而且對雜波分布偏差不敏感。目前已有很多降維算法被提出,本文主要研究常用的陣元-脈沖域降維。根據上述模型,對非正側視陣雷達的自適應方向圖進行仿真,圖4為θp分別為0°、30°、60°和90°下降維STAP的自適應方向圖。

圖4 降維STAP的自適應方向圖

由圖4可以看出,機載降維STAP的自適應方向圖與雷達的側視角有關系,當機載雷達處于正側視陣列(側視角0°)情況下,降維STAP的自適應方向圖沿對角形成零陷;當θp取值在0°～90°之間變化時,降維STAP的自適應方向圖形成橢圓環的零陷;當θp=90°時,機載雷達降維STAP的自適應方向圖形成圓環的零陷,通過形成的零陷從而實現對雜波的濾除。

3 機載非正側陣雷達降維STAP性能數值仿真

根據上面描述的理論模型進行仿真,其中參數選擇為:天線陣元數目為20、相參脈沖數為16、目標功率為0 dB、目標位于角度30°、多普勒頻率為120 Hz、距離單元為130、雜波功率為55 dB、熱噪聲功率為0 dB。分別對傳統波束形成、最優STAP處理和降維STAP處理在側視角為30°、60°下的目標檢測性能進行仿真。

圖5為θp=30°時,傳統波束形成、最優STAP處理和降維STAP處理的目標檢測仿真輸出。

圖5 θp=30°時不同處理方法的目標檢測輸出

由圖5可以看出,對于θp=30°的非正側陣,在強雜波背景下,經傳統波束形成處理后的目標仍被雜波掩蓋,無法檢測出目標;而經最優STAP處理和降維STAP處理后的目標可以被檢測出,功率分別為16.38 dB和16.24 dB。

圖6為θp=45°時,傳統波束形成、最優STAP處理和降維STAP處理的目標檢測仿真輸出。

圖6 θp=45°時不同處理方法的目標檢測輸出

由圖6可以看出,對于θp=45°的非正側陣,在強雜波背景下,經傳統波束形成處理后目標仍被雜波掩蓋,無法檢測出目標;而經最優STAP處理和降維STAP處理后目標可以被檢測出,功率分別為16.32 dB和16.23 dB。

圖7為θp=60°時,傳統波束形成、最優STAP處理和降維STAP處理的目標檢測仿真輸出。

圖7 θp=60°時不同處理方法的目標檢測輸出

由圖7可以看出,對于θp=60°的非正側陣,在強雜波背景下,經傳統波束形成處理后目標仍被雜波掩蓋,無法檢測出目標;而經最優STAP處理和降維STAP處理后目標可以被檢測出,功率分別為16.27 dB和16.25 dB。

因此,通過上述仿真可以得到,在強雜波背景下,降維STAP處理可以通過選取部分訓練樣本獲得與最優STAP處理近似的目標檢測性能。

4 結束語

本文針對機載非正側陣雷達的降維STAP性能開展了仿真研究,首先建立了機載非正側陣雷達的雜波模型,對不同側視角下的雜波分布進行仿真,在此基礎上建立了機載雷達降維STAP處理的數學模型,最后通過數據仿真研究了機載非正側陣雷達降維STAP性能。仿真結果表明:在強雜波背景下,降維STAP處理可以通過選取部分訓練樣本獲得與最優STAP處理近似的目標檢測性能。