周 延,馮大政,朱國輝

(西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

雙基地機載雷達雜波預(yù)濾波方法

周 延,馮大政,朱國輝

(西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

針對雙基地機載雷達空時自適應(yīng)處理難以有效抑制雜波檢測目標(biāo)的問題,提出了一種雙基地機載雷達雜波預(yù)濾波方法.該方法考慮了實際中載機速度的估計與真實速度的誤差,利用雷達系統(tǒng)參數(shù)、載機平臺速度等信息設(shè)計雜波預(yù)濾波器抑制大部分雜波,剩余的少量雜波可由發(fā)展成熟的空時自適應(yīng)處理算法進行抑制,進而提高空時自適應(yīng)處理算法的動目標(biāo)檢測能力.計算機仿真實驗表明,該方法能有效地對幾種典型幾何配置下的雙基地機載雷達雜波進行抑制,降低了雜波自由度,后續(xù)級聯(lián)進一步改善了空時自適應(yīng)處理算法的動目標(biāo)檢測性能.

雙基地機載雷達;空時自適應(yīng)處理;降維;雜波抑制

近年來,雙基地雷達因其具有抗隱身、抗反輻射導(dǎo)彈、抗綜合電子干擾和抗超低空突防的“四抗”優(yōu)勢,得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-2].而由于雙基地雷達復(fù)雜的幾何配置及基地之間收發(fā)分置關(guān)系,導(dǎo)致了雜波回波的多普勒頻率和雜波距離之間相關(guān)性的增強,即雜波回波的距離非平穩(wěn)性[3-7].已經(jīng)發(fā)展成熟并且已經(jīng)應(yīng)用于實踐中的空時自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)[8-9]是一種在空域和時域聯(lián)合抑制雜波并且檢測動目標(biāo)的方法,很多學(xué)者已經(jīng)將其應(yīng)用在了雙基地機載雷達中[10-12],但是由于雙基地機載雷達雜波非均勻性的增強,單純地將STAP方法應(yīng)用于雙基地機載雷達很難取得滿意的效果.經(jīng)典的降維STAP算法,如輔助通道法(Auxiliary Channel Receiver,ACR)、局域化處理方法(Joint Domain Localized,JDL)和因子法(Factored Approach,FA)等可大大降低自適應(yīng)處理所需要的均勻訓(xùn)練樣本數(shù)量,而性能與最優(yōu)的STAP方法相差不多,但在實際中陣列誤差不可避免,都需要增加自由度改善性能,引起訓(xùn)練樣本增高和計算量增加的問題.

合理地利用雷達系統(tǒng)參數(shù)和先驗知識可有效改善動目標(biāo)的檢測性能,筆者基于已知的雷達系統(tǒng)參數(shù),提出了一種雙基地機載雷達雜波抑制方法.該方法考慮了實際中載機速度的估計與真實速度的誤差,利用雷達參數(shù)、載機平臺速度等信息設(shè)計雜波預(yù)濾波器抑制大部分雜波,剩余的少量雜波可由發(fā)展成熟的降維空時自適應(yīng)處理方法進行抑制,進而提高STAP算法的動目標(biāo)檢測能力.計算機仿真實驗表明,該方法能有效地對幾種典型幾何配置下的雙基地機載雷達雜波進行抑制,降低了雜波自由度,后續(xù)級聯(lián)進一步改善了降維STAP算法的動目標(biāo)檢測性能.

1 信號模型

任意幾何配置下的雙基地機載雷達系統(tǒng)如圖1所示,發(fā)射平臺和接收平臺的連線為雙基地基線,記其長度為L.以雙基地基線在地面的投影為Y軸、接收平臺和地面的垂直連線為Z軸建立三維坐標(biāo)系. vT和vR分別是發(fā)射平臺和接收平臺的載機速度,θFT和θFR是為發(fā)射和接收平臺天線指向相對于基線的方位角,φT和φR是地面散射單元相對于發(fā)射和接收平臺的俯仰角,δT和δR是發(fā)射和接收平臺載機飛行方向相對于基線方向的方位角,hT和hR是發(fā)射和接收平臺的高度,Rs為雙基地探測距離和,Rs=RT+ RR,而RT和RR分別為地面雜波散射點分別到發(fā)射平臺和接收平臺的距離.

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系,接收平臺接收的地面雜波散射點反射的回波多普勒頻率為[3]

圖1 雙基地機載雷達系統(tǒng)

其中,ψT和ψR是地面雜波散射點相對于接收平臺和發(fā)射平臺飛行指向的錐角,它與方位角和俯仰角有如下關(guān)系:

假設(shè)雷達天線為均勻線陣結(jié)構(gòu),或者是面陣經(jīng)微波合成的等效線陣結(jié)構(gòu),陣元數(shù)為N,一個相干處理間隔(Coherent Processing Interval,CPI)內(nèi)的脈沖數(shù)為K.記cn,k(l)為第l個距離環(huán)上第n個接收陣元接收的第k個發(fā)射脈沖返回的雜波數(shù)據(jù)[8],即

其中,Nc為一個距離單元內(nèi)劃分的雜波散射單元的個數(shù),而

設(shè)N根天線的第k次的接收回波為

其中,

其中,符號diag(·)表示對角化向量,矩陣F(k)和S分別包含了一個距離環(huán)內(nèi)所有方向雜波回波的多普勒和空域相位,而向量ak則包含了一個距離環(huán)內(nèi)所有方向雜波回波的幅度.

2 雙基地機載雷達雜波抑制方法

假設(shè)雜波回波在一個CPI內(nèi)的起伏非常緩慢,即ak=ak+1,則N根天線第k+1次的接收回波為

比較F(k)和F(k+1),可知

在復(fù)雜的載機平臺飛行環(huán)境中,接收平臺和發(fā)射平臺的載機速度估計會存在誤差,因此可設(shè)計一系數(shù)矩陣D,使得相鄰脈沖間的雜波數(shù)據(jù)之差的能量在速度誤差范圍內(nèi)積分最小,即

其中,[·]H表示共軛轉(zhuǎn)置,tr(·)表示矩陣的跡.令式(12)關(guān)于D的梯度為零,可求的閉式解為

對一個CPI內(nèi)的回波進行雜波抑制,則有

3 預(yù)濾波降維STAP方法

節(jié)2提出的雜波抑制方法可作為雜波預(yù)濾波器使用,后續(xù)處理可以級聯(lián)降維空時自適應(yīng)處理方法.這里將以因子法(Factored Approach,FA)為例,說明雙基地機載雷達雜波預(yù)濾波方法級聯(lián)降維空時自適應(yīng)處理方法的應(yīng)用.

將系統(tǒng)在1個CPI內(nèi)所有N個陣元接收的數(shù)據(jù)排成一個列向量,其表達式為

定義目標(biāo)導(dǎo)向矢量為

其中,st為目標(biāo)信號的時域?qū)蚴噶?ss為目標(biāo)信號的空域?qū)蚴噶?雜波預(yù)濾波器可以寫成一個預(yù)濾波矩陣的形式,定義雜波預(yù)濾波矩陣為

其中,IN∈CN×N,為單位矩陣.經(jīng)過預(yù)濾波后的數(shù)據(jù)矢量和導(dǎo)向矢量可表示為

需要注意的是,經(jīng)過預(yù)濾波后的信號由原來的NK維變?yōu)榱薔(K-1)維,即經(jīng)過預(yù)濾波后的數(shù)據(jù)在脈沖維上減少了一維,這是因為其中有一個脈沖用于雜波對消.假設(shè)fk為待檢測通道多普勒頻率,則多普勒濾波器向量fk=[1,exp(j2πfk),…,exp(j2π(K-2)fk)]T,降維矩陣TFA=fk?IN.對預(yù)濾波后的數(shù)據(jù)和導(dǎo)向矢量進行降維處理,得到

得到預(yù)濾波后因子法的權(quán)矢量為

4 仿真實驗

進行以下的仿真實驗來驗證文中算法的性能.實驗中采用8×8的平面陣.一個相干處理間隔內(nèi)的脈沖數(shù)K=16,發(fā)射脈沖重復(fù)頻率fr=2 000 Hz.發(fā)射載機和接收載機高度均為hT=hR=1 km,飛行速度均為90 m/s,陣元間距d=0.1 m,發(fā)射波長λ=0.2 m.沿著方位角將一個距離單元等間隔地劃分為300個雜波散射單元.雜噪比(CNR)為60dB.動目標(biāo)的多普勒頻率fdt=0.1fr,信噪比(SNR)為10dB,雜波相對帶寬Br=0.01.分別仿真了δT=0°,δR=0°和δT=90°,δR=-90°兩種典型雙基地幾何配置情況下雜波對消前后的功率譜(空時二維Capon譜).

由于實際中不能準(zhǔn)確知道載機的飛行速度,可假設(shè)估計的接收和發(fā)射的載機平臺運動速度誤差為5 m/s,即載機平臺運動速度在85～95 m/s之間.圖2(a)和圖2(b)為δT=0°,δR=0°的雙基地幾何配置下使用預(yù)濾波器抑制雜波前后的空時二維雜波功率的變化.從圖2(a)可以看出,在角度-多普勒平面上空時二維雜波功率沿一條曲線分布,主雜波區(qū)功率高出非雜波區(qū)約50 d B,高出信號功率約20dB.圖2(b)表明經(jīng)過空時兩維雜波預(yù)濾波后,大部分的雜波能量被濾除,而目標(biāo)信號的信噪比仍為10dB.經(jīng)過預(yù)濾波后,目標(biāo)能量比雜波主瓣區(qū)能量高出約10dB.這說明在δT=0°,δR=0°的雙基地幾何配置下,文中所提的雜波抑制方法能夠有效地沿雜波跡形成凹口對雜波進行濾除,而對目標(biāo)信號沒有影響,這為后續(xù)的動目標(biāo)信號的相干積累和檢測提供了方便.圖3和圖4給出了偏航角δT=90°,δR=-90°和δT=60°,δR=-60°的雙基地幾何配置下,使用預(yù)濾波器抑制雜波前后的空時二維雜波功率的變化.從圖3(a)可以看出,在角度-多普勒平面上,這種情況下的空時二維雜波功率呈一個封閉的“8”字曲線,而圖4中的空時二維雜波功率呈一個不規(guī)則的雞蛋形狀曲線,主雜波區(qū)功率高出非雜波區(qū)約50 d B.圖3(b)和圖4(b)均表明,經(jīng)過預(yù)濾波后,雜波能量得到了抑制,而目標(biāo)信號幾乎不受影響.

圖2 預(yù)濾波處理前后雜波功率譜的空時二維分布(δT=0°,δR=0°)

圖3 預(yù)濾波處理前后雜波功率譜的空時二維分布(δT=90°,δR=-90°)

圖4 預(yù)濾波處理前后雜波功率譜的空時二維分布(δT=60°,δR=-60°)

圖5給出了預(yù)濾波前后雜波協(xié)方差矩陣的特征值分布圖,選取預(yù)濾波前和預(yù)濾波后的前100個大特征值比較.由圖5可見,經(jīng)過預(yù)濾波處理后,雜波協(xié)方差矩陣的大特征值由35降低到了20.雜波自由度的顯著降低將很有利于后續(xù)空時算法性能的提高.

圖6比較了因子法和擴展因子法(Extend Factored Approach,EFA)以及預(yù)濾波后級聯(lián)因子法和擴展因子法的改善因子曲線.預(yù)濾波+FA和預(yù)濾波+EFA分別表示預(yù)濾波后級聯(lián)因子法和擴展因子法.從圖6可以看出,經(jīng)過雜波預(yù)濾波后,兩種算法的性能都不同程度地好于預(yù)濾波之前的.在圖6(a)的歸一化多普勒頻率fd=0 Hz的主雜波區(qū)中,因子法和擴展因子法在級聯(lián)雜波預(yù)濾波器后分別有11.5 d B和0.8dB的改善;而在fd=0.5 Hz的旁瓣雜波區(qū),它們在級聯(lián)雜波預(yù)濾波器后分別有5.2 d B和1.1dB的改善.而在δT=90°,δR=-90°的雙基地幾何配置下,預(yù)濾波之后的FA和EFA算法的改善因子在主雜波區(qū)的凹陷更深,它們在非主雜波區(qū)的改善因子較原方法也有一定的提升.在這兩種方法中,因子法改善因子的提高尤為明顯,而擴展因子法改善因子的提高不是很明顯,這是因為在均勻樣本充足的情況下,擴展因子法已基本接近最優(yōu).此外這兩種方法在主雜波區(qū)的改善將有利于低速目標(biāo)的檢測.

圖5 預(yù)濾波處理前后雜波協(xié)方差矩陣的特征值分布(δT=0°,δR=0°)

5 結(jié)束語

圖6 預(yù)濾波前后的STAP算法改善因子曲線

提出了一種能大幅降低雜波自由度的雙基地機載雷達雜波抑制方法,該方法考慮到了實際中載機平臺的速度誤差,利用雙基地機載雷達的幾何配置信息及雷達工作參數(shù),設(shè)計濾波器系數(shù)矩陣以對消雜波,具有無收斂過程應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點.通過理論分析和實驗仿真證明,筆者所提的算法在兩種典型雙基地幾何配置情況下都能很好地抑制雜波,這減輕了后續(xù)降維自適應(yīng)處理的負(fù)擔(dān),為提高動目標(biāo)檢測性能奠定了良好的基礎(chǔ).

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(編輯:齊淑娟)

Clutter pre-filtered method applied in bistatic airborne radar

ZHOU Yan,FENG Dazheng,ZHU Guohui

(National Key Lab.of Radar Signal Processing,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In order to solving the problem of ineffective clutter suppression and target detection of spacetime adaptive processing(STAP)in bistatic airborne radar,a clutter pre-filtering method applied in the bistatic airborne radar that takes advantage of radar operating parameters,platform velocity and so on is proposed.The velocity error of the airborne platform is also considered.Most of the clutter can be filtered so that the residual clutter can be completely suppressed by the well-developed STAP algorithm.Computer simulation results show that this method is effectively workable to several classical geometric configurations of bistatic airborne radar.The moving target detectability of the following STAP algorithm is also enhanced after this pre-filter.

bistatic airborne radar;space-time adaptive processing(STAP);dimension-reduced;clutter suppression

TN957.51

A

1001-2400(2015)05-0068-07

2014-05-20< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2014-12-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271293)

周 延(1988-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:yanzhou@stu.xidian.edu.cn.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20141223.0946.012.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.05.012