趙　軍,沈明威，朱岱寅，趙建洋

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000；3.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211000；4.淮陰工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

一種改進(jìn)的機(jī)載雙基雷達(dá)多普勒頻移算法

趙軍1,2,沈明威3，朱岱寅1，趙建洋4

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000；3.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211000；4.淮陰工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

摘要：機(jī)載雙基雷達(dá)由于載機(jī)之間的相對運(yùn)動，造成其雜波分布隨距離變化而變化，直接導(dǎo)致雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)不準(zhǔn)確，進(jìn)而使得空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)的雜波抑制和動目標(biāo)檢測性能下降.提出一種雜波非均勻補(bǔ)償技術(shù)，該方法先采用多普勒頻移預(yù)處理，使得主波束方向上的雜波譜重合，然后通過對多個(gè)空間角方向上的歸一化多普勒頻率進(jìn)行補(bǔ)償，使各距離單元的雜波譜保持一致.仿真結(jié)果表明該方法能有效改善機(jī)載雙基雷達(dá)的雜波非均勻情況，性能明顯優(yōu)于原有算法.

關(guān)鍵詞：機(jī)載雙基雷達(dá)；多普勒頻移；雜波抑制；空時(shí)自適應(yīng)處理

0引言

機(jī)載雙基地雷達(dá)將發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分別置于相隔一定距離的兩個(gè)獨(dú)立載機(jī)平臺上，一般采用“遠(yuǎn)發(fā)近收”的工作模式，將發(fā)射機(jī)布置在遠(yuǎn)離戰(zhàn)場的后方區(qū)域，保證發(fā)射機(jī)的安全，而將處于靜默狀態(tài)的接收機(jī)安裝在無人機(jī)上并部署于前線空域或密切關(guān)注區(qū)域，與單基雷達(dá)相比，不僅提高了雷達(dá)自身的生存能力，而且對隱身目標(biāo)的探測具有獨(dú)特優(yōu)勢，因此，對機(jī)載雙基雷達(dá)的研究受到了廣泛的重視[1-2].雙基雷達(dá)系統(tǒng)最大的難題是如何對付比單基情況下更加復(fù)雜、嚴(yán)重的地面雜波干擾，進(jìn)而檢測出“淹沒”在其中的低速運(yùn)動目標(biāo).空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)(Space Time Adaptive Processing, STAP)同時(shí)聯(lián)合時(shí)域和空域進(jìn)行二維自適應(yīng)濾波，可以有效濾除地面雜波干擾，提高機(jī)載雷達(dá)對地面動目標(biāo)的檢測能力[3-4].STAP技術(shù)要求雜波是廣義平穩(wěn)(均勻)的，否則將導(dǎo)致雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)不準(zhǔn)確，影響系統(tǒng)的雜波抑制性能和動目標(biāo)檢測能力，因此，將STAP技術(shù)引入機(jī)載雙基雷達(dá)的雜波抑制，關(guān)鍵要解決機(jī)載雙基雷達(dá)雜波在距離向分布的非均勻問題.

針對機(jī)載雷達(dá)雜波分布在距離向非均勻問題，國內(nèi)外的研究成果主要有四類.①局域處理類.如三通道聯(lián)合自適應(yīng)處理(3DT)法，局域聯(lián)合處理法(JDL)等[5-6]，該方法通過降維處理減小處理器的維數(shù)，從而達(dá)到減少訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的目的，但訓(xùn)練樣本數(shù)目減少與雜波協(xié)方差矩陣精確的矛盾導(dǎo)致這類方法性能較差.②雜波補(bǔ)償類算法.如多普勒頻移(DW)法[7]，角度-多普勒補(bǔ)償(ADC)法[8]，該類技術(shù)通過平移，使訓(xùn)練單元和待檢測單元的雜波譜在某一點(diǎn)重合，通過提高雜波譜的“相似性”以減少非均勻程度.但雜波非均勻是在整個(gè)空時(shí)平面內(nèi)的，盡管在某一點(diǎn)重合，在其余方向上的雜波非均勻依然存在.③內(nèi)插變換類方法.主要包括空時(shí)內(nèi)插法和聯(lián)合空時(shí)內(nèi)插(STINT)法[9-10]，該類方法把各訓(xùn)練單元的雜波數(shù)據(jù)變換到待檢測單元的雜波子空間，從而達(dá)到消除雜波分布非均勻的目的，該方法計(jì)算變換矩陣的運(yùn)算量與雜波自由度成正比，所需的運(yùn)算量巨大.(4)權(quán)值擴(kuò)展類算法.主要包括基于導(dǎo)數(shù)更新(DBU)法及其改進(jìn)算法[11-12]，該類方法的假設(shè)前提是權(quán)矢量為距離單元數(shù)的線性函數(shù)，通過對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，降低雜波非均勻的程度，但該方法所需訓(xùn)練樣本數(shù)目需增加一倍.

筆者研究了機(jī)載雙基雷達(dá)雜波抑制和動目標(biāo)檢測問題，提出了一種改進(jìn)的雜波非均勻補(bǔ)償技術(shù)，該方法先通過多普勒頻移預(yù)處理，使各距離單元的雜波在波束指向中心重合，消除在主波束方向的非均勻，然后采用多空間角補(bǔ)償?shù)姆椒?，使得?xùn)練樣本和待檢測樣本的雜波在多個(gè)方向上一致，減小在旁瓣方向的雜波非均勻.仿真結(jié)果表明了該算法的有效性.

1機(jī)載雙基雷達(dá)雜波特性

機(jī)載雙基雷達(dá)幾何配置如圖1所示，以接收機(jī)在地面的投影為空間直角坐標(biāo)系中心，建立空間坐標(biāo)系.圖中HT，HR分別表示發(fā)射平臺TX和接收平臺RX的載機(jī)飛行高度;vT，vR分別表示發(fā)射、接收平臺的飛行速度;L為雙基地的基線長度;αT，αR分別表示發(fā)射、接收平臺載機(jī)飛行方向相對于基線的方位角;φT和φR分別表示地面雜波散射單元P相對于發(fā)射、接收平臺仰俯角;ψT，ψR分別表示地面雜波射單元相對于發(fā)射、接收平臺載機(jī)飛行方向的空間錐角;θT和θR分別表示發(fā)射、接受天線波束指向相對于基線方向的方位角；RT和RR分別表示發(fā)射、接收平臺到雜波散射單元的距離，收發(fā)距離之和即為雙基探測距離RS，空間中所有到發(fā)射平臺TX和接收平臺RX距離之和相等的點(diǎn)的集合構(gòu)成一等距離橢球體.

接收回波信號的多普勒頻率為

(1)

式中：λ為雷達(dá)工作波長；接收錐角和發(fā)射錐角的余弦滿足

(2)

根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系，經(jīng)整理可以得到

(3)

由式(3)可以看出，其它參數(shù)確定條件下，可將多普勒頻率fd表示成關(guān)于空間錐角cosψR的函數(shù)，進(jìn)而建立歸一化多普勒頻率2fd/fr與cosψR的對應(yīng)關(guān)系.筆者選取6種典型幾何配置進(jìn)行仿真，如圖2所示.圖中左邊為接收載機(jī)，右邊為發(fā)射載機(jī)，且飛行方向與基線夾角均為45°的整倍數(shù).分別取雙基距離和分別為153 km，253 km和353 km，得到6種典型幾何配置條件下，雜波譜在2fd/fr～cosψR平面內(nèi)的空時(shí)分布如圖3所示.

由圖3可以看出，不同幾何配置條件下，雙基機(jī)載雷達(dá)雜波譜的空時(shí)分布都隨距離和的變化而變化，不同距離單元雜波譜的空時(shí)分布不同，即雜波在距離向是非均勻的.單基地正側(cè)視配置條件下，由于雜波在距離向是均勻的，因此可以用距離平均代替統(tǒng)計(jì)平均.雙基雷達(dá)雜波不滿足獨(dú)立同分布條件，直接平均將導(dǎo)致雜波譜在空時(shí)二維平面上嚴(yán)重?cái)U(kuò)散，直接影響雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)的準(zhǔn)確性，為確保估計(jì)的有效性，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均之前，需要采用必要的補(bǔ)償技術(shù).

2多普勒頻移預(yù)處理

假定待檢測單元為第0單元，它對應(yīng)的仰俯角為φR,0，從待檢測單元兩側(cè)各取L個(gè)距離單元的回波數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，各單元對應(yīng)的仰俯角分別為φR,l，l=-L,…，-1,1,…，L.

定義歸一化的多普勒頻率

(4)

固定接收天線主波束指向的空間錐角為cosψR，根據(jù)公式(3)得到第l個(gè)訓(xùn)練單元與第0個(gè)參考單元的歸一化多普勒頻率之差

(5)

第l訓(xùn)練單元DW法的補(bǔ)償因子

TDW,l=Tt,l?IN,

(6)

其中

(7)

IN是N×N階單位矩陣.

將補(bǔ)償因子作用于第l個(gè)單元的樣本數(shù)據(jù)Xl，得到經(jīng)DW法補(bǔ)償后的訓(xùn)練樣本

(8)

DW算法的原理如圖4所示.

經(jīng)過多普勒補(bǔ)償預(yù)處理后，訓(xùn)練單元雜波譜和待檢測單元的雜波譜在主波束方向一致，減小了雜波分布的離散程度.由圖3可以看出，機(jī)載雙基雷達(dá)的雜波非均勻是全方位的，多普勒補(bǔ)償預(yù)處理消除了主波束方向的雜波非均勻，但在旁瓣方向的雜波非均勻依舊存在,為此，提出一種改進(jìn)的多普勒頻移法.

3改進(jìn)的多普勒頻移法

對第l個(gè)單元進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，第p個(gè)空間錐角方向，第l個(gè)單元與第0個(gè)單元的歸一化多普勒頻率之差

(9)

對于所有P個(gè)空間角方向，第l個(gè)單元的補(bǔ)償因子

(10)

經(jīng)多空間角方向補(bǔ)償后的樣本矩陣

(11)

式中“⊙”表示Hadmard內(nèi)積.

4仿真研究

假定機(jī)載雙基雷達(dá)天線陣元數(shù)N=8，相干處理脈沖數(shù)K=8，基線距離L=100 km，雙基距離和RS=253 km，發(fā)射載機(jī)和接收載機(jī)平臺高度分別為8 km和6 km，發(fā)射、接收載機(jī)飛行速度均為140 m/s，雷達(dá)工作波長λ=0.23 m，陣元間距為波長的二分之一，脈沖重復(fù)頻率fr=2 234 Hz，單元輸入雜噪比為50 dB，不考慮距離模糊問題.MDW法中，補(bǔ)償通道數(shù)P=8.為減小訓(xùn)練樣本數(shù)目，對各算法補(bǔ)償或擴(kuò)展后的雜波協(xié)方差矩陣用3DT法進(jìn)行降維處理，其中DW法、ADC法、STINT法訓(xùn)練樣本數(shù)為48，DBU和EDBU法訓(xùn)練樣本數(shù)為96，得到機(jī)載雙基雷達(dá)距離依賴性補(bǔ)償算法的改善因子和雜波譜比較如圖6和7所示，OPT代表假定雜波協(xié)方差矩陣已知，SMI表示各距離單元雜波數(shù)據(jù)直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，未經(jīng)任何補(bǔ)償處理.

由于機(jī)載雙基雷達(dá)的各距離單元雜波譜空時(shí)分布不重合，3DT法未經(jīng)任何補(bǔ)償處理，直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均將導(dǎo)致雜波譜展寬嚴(yán)重.經(jīng)DW法補(bǔ)償處理后，各距離單元雜波在主波束方向重合，在該方向的雜波非均勻程度得到明顯改善，雜波譜變“窄”，而且其它方向上，雜波譜改善不明顯，如圖7(e).MDW法由于在多個(gè)空間角方向上對雜波譜的非均勻進(jìn)行了補(bǔ)償，各方向雜波譜的離散程度都得到明顯改善，因此在整個(gè)空時(shí)平面內(nèi)，雜波譜都明顯變窄，其改善因子無論在主波束方向，還是旁瓣方向都比3DT有明顯提高，也優(yōu)于DW法，如圖7(b)，其平均改善因子比DW法好約4.42 dB，也優(yōu)于DBU法、STINT等其它典型補(bǔ)償類算法，見圖6.

5結(jié)論

筆者研究了機(jī)載雙基雷達(dá)的雜波抑制問題，提出了一種改進(jìn)的多普勒頻移方法以改善雙基雷達(dá)雜波的非均勻程度，與原有方法相比，該方法在多個(gè)空間角方向上使訓(xùn)練單元和待檢測單元的雜波譜保持一致，性能有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的補(bǔ)償類方法，具有工程應(yīng)用價(jià)值.

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An Improved Doppler Warping for Airborne Bistatic Radar

ZHAO Jun1,2, SHEN Ming-wei3, ZHU Dai-yin1, ZHAO Jian-yang4

(1.College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2.The First Aeronautical Institute of Air force, Xinyang 464000, China; 3.College of Computer & Information,Hohai University, Nanjing 211100, China; 4.College of Computer, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China)

Abstract:The clutter distribution of airborne bistatic radar varie with ranges due to the relative motion between the transmiter and the receiver and the covariance matrix estimation is no longer accuate, so that the statistical STAP methods degrade. In this paper, a new clutter compensation algorithm for airborne bistatic radar is proposed. This method involves first a pre-processing with Doppler warping method to bring the clutter spcctra together in the deriction of main beam and subquently Doppler compensation of different range gates in the direction of multiple space angels. Simulation results show the proposed method can reduce the clutter nonhomogeneity of bistatic radar effectively and is spuerior to the traditional compensation methods.

Key words:airborne bistatic radar； doppler warping； clutter suppression； space time adaptive processing

中圖分類號：TN951

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.017

文章編號:1671-6833(2015)02-0075-05

作者簡介:趙軍(1974-)，男，河南新蔡人，南京航空航天大學(xué)博士后，研究方向?yàn)榭諘r(shí)自適應(yīng)信號處理.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201459；61301210)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012408；BK20130815)

收稿日期:2014-10-09；

修訂日期：2014-12-10