專利名稱：空時二維多波束自適應信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及信號處理領域中的一種空時二維多波束自適應信號處理方法，特別適用于采用相控陣天線的機載監(jiān)視雷達的信號處理系統(tǒng)。
空時二維自適應信號處理近年來已成為機載監(jiān)視雷達領域的一個重要的研究方向，是新一代機載監(jiān)視雷達實現(xiàn)從雜波與干擾背景中檢測目標的關鍵技術。機載雷達由于載機的運動，地面反射的不同方面的回波相對于載機的速度各異，從而導致雜波譜大大展寬。一般機載雷達接收的地雜波是空時耦合的，這就決定了雜波抑制必須是空時二維濾波問題?？諘r二維自適應處理可以有效地補償機載雷達的平臺運動效應，并獲得理想的雜波抑制性能；同時，空時二維自適應處理對于一些影響信號處理的因素，如近場散射、陣元激勵誤差以及離散的有源干擾等，也可以實現(xiàn)自適應地補償。由于眾多的空域和時域單元數(shù)，使得實際進行最優(yōu)自適應處理是不現(xiàn)實的，一是運算量與設備量無法承受，二是實際進行自適應處理的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣也難以構成。
因此，空時二維自適應信號處理的研究主要是尋求接近最優(yōu)處理性能的實際實現(xiàn)方法，即研究降維或降秩處理的方法，目前的降維處理方法主要是在陣元-脈沖域、波束-脈沖域、多普勒-陣元域和波束-多普勒域等四大域進行處理。而基于陣元-脈沖域、波束-脈沖域、多普勒-陣元域的處理方法由于其空域或時域是全空間，這些方法的系統(tǒng)自由度仍然很大，所進行的降維是有限的；基于波束-多普勒域的降維處理方法在無誤差的理想雷達系統(tǒng)中系統(tǒng)自由度較低，而在實際有誤差(特別是陣元級誤差)的系統(tǒng)中，其自由度仍較大。系統(tǒng)自由度的大小直接影響系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度，特別是對于非均勻雜波環(huán)境及非正側面陣雷達，系統(tǒng)自由度的大小直接影響數(shù)據(jù)采樣長度及決定了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術中的不足之處而一種在波束域和多普勒域分別采取降維，并聯(lián)合處理的適于非均勻雜波環(huán)境的、低自由度系統(tǒng)的空時二維自適應處理方法。并本發(fā)明具有穩(wěn)健性強、低速目標檢測性能好、工程實現(xiàn)方便、能同時兼顧抗有源干擾等特點。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，本發(fā)明的方法包括以下技術措施(1)采用可分離加權的矩形平面相控陣天線，接收時每一列作微波合成，成為一等距線陣；(2)對空域和時域的雜波數(shù)據(jù)進行降維，減少運算量；(3)根據(jù)線性約束最小輸出功率準則，對雜波數(shù)據(jù)進行自適應處理；其特征在于還包括以下技術措施步驟(1)使用Bulter波束形成器降低空域維數(shù)；(2)使用離散傅里葉變換降低時域維數(shù)；(3)自適應處理的最優(yōu)自適應權由下列公式計算W(j)=(THLRXTL)-1THLRXS(ωsi)本發(fā)明的目的還可以通過以下技術措施達到(1)使用Bulter波束形成器降低空域維數(shù)的技術措施步驟用波束形成器形成少于天線陣列數(shù)目的多個波束，即主波束及與其相鄰的波束。
(2)使用離散傅里葉變換降低時域維數(shù)的技術措施步驟用離散傅里葉變換形成低于實際脈沖采磁數(shù)的多個多普勒通道，即檢測通道及與其相鄰的多普勒通道。
(3)對雜波數(shù)據(jù)進行自適應處理的技術措施步驟僅對主波束的多個相鄰多普勒通道和檢測通道的多個相鄰波束輸出的雜波構成協(xié)方差矩陣，得到相應波束和通道的自適應權值，進行自適應處理。
本發(fā)明相比背景技術的如下優(yōu)點(1)本發(fā)明同時組合空域和時域的相鄰多個波束來共同實現(xiàn)二維雜波對消，實質屬于相鄰多波束對消有源干擾的推廣，同時能抗有源干擾，適合電子戰(zhàn)環(huán)境。
(2)本發(fā)明利用相控雷達陣一般形成多波束工作及脈沖多普勒體制通過多普勒通道檢測目標的特點，實現(xiàn)上直接利用現(xiàn)有波束與多普勒通道，且系統(tǒng)自由度低，因此實現(xiàn)復雜度低，工程實現(xiàn)簡單，可實現(xiàn)性強。
(3)本發(fā)明不依賴天線陣列的安放形式，特別適合于非均勻雜波環(huán)境，因此本發(fā)明的穩(wěn)健性好。
(4)本發(fā)明方法具有推廣應用價值。
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是本發(fā)明的實施例電原理方框圖，圖2是本發(fā)明的實施例的結構框圖。
參照圖1，本發(fā)明的實施例由天線陣列及列子陣波束合成1、模/數(shù)轉換2、波束控制器3、數(shù)字波束形成器4、離散傅里葉變換5、自適應加權6、自適應處理7組成。其中實施例列子陣波束合成1由16個并接的列子陣波束合成1-1至1-16構成，每個列子陣波束合成1-1至1-16串接1個模/數(shù)轉換2-1至2-16，離散傅里葉變換5由10個并接的離散傅里葉變換5-1至5-10構成，其中離散傅里葉變換5-1串接5個自適應加權6-1至6-5，其余離散傅里葉變換5-2至5-10每個串接1個自適應加權6-6至6-14。圖2的橫坐標為時域，縱坐標為空域，Ⅰ區(qū)為主瓣雜波區(qū)，Ⅱ區(qū)為多普勒通帶雜波區(qū)。
實施本發(fā)明方法的原理如下空時自適應處理最主要的是求得自適應權值，需要計算雜波協(xié)方差矩陣R。實際系統(tǒng)的協(xié)方差矩陣是估計得到的，即先在檢測系統(tǒng)的鄰近單元測得L個二維數(shù)據(jù)矢量樣本Vi(i=1,2,…,L)，再按下式計算R的估計值R^:R^=1LΣi=1LViViH]]>。然后可得自適應權值W=μR^-1S,]]>其中μ為常數(shù)，S為導向矢量。鄰近參考單元的選擇必須滿足獨立同分布的條件，同時，為了使由不滿足條件引起的性能損失限制在3dB內(nèi)，要求L取2～3倍的系統(tǒng)自由度。如果系統(tǒng)自由度取得太大，將造成采樣數(shù)據(jù)的距離范圍太大，以至于齊次高斯雜波會嚴重違背其假設值。所以必須嚴格控制系統(tǒng)自由度，特別是在非均勻雜波的環(huán)境中。這一要求對于機載雷達環(huán)境而言實質上是十分苛刻的。最好的方法是采用降維處理方法。降維處理方法的采樣要求為降維系統(tǒng)自由度的二至三倍，因而當選擇較小的低維空間處理時，其采樣要求是較低的，很適合于嚴重的非均勻雜波環(huán)境。非常規(guī)的電子干擾壞境嚴重地破壞了獨立同分布的假設，如果依賴的距離范圍較大，其自適應性能將有較大的損失。
在降維處理時，使用Bulter波束形成器4將空域從陣元域變換到波束域，其雜波自由度由陣元數(shù)N減少到波束數(shù)p。離散傅里葉變換5將時域從脈沖域變到多普勒域，其雜波自由度由脈沖采樣數(shù)K減少到多普勒通道數(shù)q。N和K分別表示空域的列子陣陣元數(shù)與時域的脈沖采樣數(shù)，實施例中N為16,K為32。p和q分別表示對應于檢測通道的輔助波束數(shù)和主通道的相鄰通道數(shù)。實施例中p選為9,q選為5，離散傅里葉變換5-2至5-10為9個輔助波束的離散傅里葉變換，離散傅里葉變換5-1為主波束的離散傅里葉變換，其輸出除檢測通道直接送到自適應處理7外，與檢測通道相鄰的5個多普勒通道分別送至自適應加權6-1至6-5。離散傅里葉變換5-2至5-10中對應檢測通道的輸出送到自適應加權6-6至6-14。
經(jīng)過空域和時域的變換，雜波由空時二維的全空間變換到子空間，其自由度從N×K維變換到p×q維，但仍無法滿足實時處理的要求，因而僅由主波束的多個相鄰多普勒通道和檢測通道的多個相鄰波束輸出的雜波構成協(xié)方差矩陣，并根據(jù)線性約束最小輸出功率準則對相應的輸出進行自適應加權6，此時系統(tǒng)的自由度為p+q維，實施例中自適應加權6-1至6-5為主波束的5個相鄰多普勒通道輸出的加權，自適應加權6-6至6-14為檢測通道的9個相鄰波束輸出的加權。當使用一定的低旁瓣空域波束與時域“波束”之后，主要剩余雜波為主瓣雜波區(qū)(Ⅰ區(qū))和多普勒通帶雜波區(qū)(Ⅱ區(qū))。Ⅰ區(qū)的雜波可通過時域的q個相鄰波束有效對消，Ⅱ區(qū)可通過空域的p個相鄰波束實現(xiàn)相消處理。由于時域誤差很小，一般取幾個“波束”即可，實施例中q=5。而空域的誤差影響較大，一般Ⅱ區(qū)雜波沿縱向有所擴展，需要用較多的波束來對消。
本發(fā)明的自適應處理器的最優(yōu)自適應權由下式計算W(j)=(THLRXTL)-1THLRXS(ωsi) (1)其中RX為雜波協(xié)方差矩陣，TL為降維變換矩陣，RX=E[V(X)V(X)H]，實際計算時用
代替。TL可以表示為TL=[SS(ωSi)⊗ST(ωt1)]T...[SS(ωSi)⊗ST(ωtq)]T[SS(ωS1)⊗ST(ωtj)]T...[SS(ωSP)⊗ST(ωtj)]TT-----(2)]]>其中，ωsi(i=1,2,…,p)與ωtj(j=1,2,…,q)分別表示對應于第i個空域波束與第j個時域“波束”的歸一化角頻率，是Kronecher積，p和q分別表示對應于檢測通道的輔助波束數(shù)和主通道的相鄰通道數(shù)。Ss(ωsi)是空域導向矢量，ST(ωtj)是時域導向矢量，分別為ST(ωSi)=[w1,w2ejωSi,···,wNej(N-1)ωsi]T------(3)]]>ST(ωtj)=[h1,h2ejωtj,···,hkej(k-1)ωtj]T---(4)]]>其中{wn,n=1,2,…,N}及{hk,k=1,2,…,K}分別為空域和時域靜態(tài)加權系數(shù)。
本發(fā)明實施例中天線陣列及列子陣波束合成1用16個列子陣波束合成將平面相控陣合成為一16單元的等效線陣來接收地面和目標反射回來的雜波和信號，經(jīng)模/數(shù)轉換2送到數(shù)字波束形成器4，數(shù)字波束形成器4將16個單元的雜波信號變換成1個主波束和9個相鄰的輔助波束，送至離散傅里葉變換5，經(jīng)離散傅里葉變換5形成主通道和5個相鄰的多普勒通道，由主波束的多個相鄰多普勒通道和檢測通道的多個相鄰波束輸出的雜波構成協(xié)方差矩陣，根據(jù)線性約束最小輸出功率準則求得自適應權值，并對相應的輸出進行自適應加權6。
天線陣列及列子陣波束合成1將相控陣的面陣合成為線陣接收，降低系統(tǒng)雜波自由度。波束控制器3的作用是根據(jù)目標信號的方位產(chǎn)生波束控制信號，控制數(shù)字波束形成器4產(chǎn)生與目標信號方位對應的主波束和相鄰的輔助波束。模/數(shù)轉換2的作用是將天線列子陣送來的模擬信號轉換為數(shù)字信號后供數(shù)字波束形成器4產(chǎn)生多波束。
數(shù)字波束形成器4和離散傅里葉變換5對空域和時域信號進行變換，形成空域多波束和時域多通道，降低處理維數(shù)。自適應處理7對主波束輸出的多個相鄰的多普勒通道和檢測通道的多個相鄰波束輸出的雜波構成協(xié)方差矩陣進行自適應處理，求取自適應權值，并對自適應加權6后的輸出進行求和。
權利要求
1．一種空時二維多波束自適應信號處理方法，包括以下技術措施(1)采用可分離加權的矩形平面相控陣天線，接收時每一列作微波合成，成為一等距線陣；(2)對空域和時域的雜波數(shù)據(jù)進行降維，減少運算量；(3)根據(jù)線性約束最小輸出功率準則，對雜波數(shù)據(jù)進行自適應處理；其特征在于還包括以下技術措施步驟(1)使用Bulter波束形成器降低空域維數(shù)；(2)使用離散傅里葉變換降低時域維數(shù)；(3)自適應處理的最優(yōu)自適應權由下列公式計算W(j)=(THLRXTL)-1THLRXS(ωsi)
2．根據(jù)權利要求1所述的基于相控陣天線的空時二維多波束自適應信號處理方法，其特征在于使用Bulter波束形成器降低空域維數(shù)的技術措施步驟用波束形成器形成少于天線陣列數(shù)目的多個波束，即主波束及與其相鄰的波束。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的基于相控陣天線的空時二維多波束自適應信號處理方法，其特征在于使用離散傅里葉變換降低時域維數(shù)的技術措施步驟用離散傅里葉變換形成低于實際脈沖采樣數(shù)的多個多普勒通道，即檢測通道及與其相鄰的多普勒通道。
4．根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于相控陣天線的空時二維多波束自適應信號處理方法，其特征在于對雜波數(shù)據(jù)進行自適應處理的技術措施步驟僅對主波束的多個相鄰多普勒通道和檢測通道的多個相鄰波束輸出的雜波構成協(xié)方差矩陣，得到相應波束和通道的自適應權值，進行自適應處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空時二維多波束自適應信號處理方法,根據(jù)機載相控陣雷達所接收的地雜波的特點,即雜波功率譜在空域和時域兩維平面內(nèi)沿對角線為長軸的半橢圓脊背型分布,當使用一定的低旁瓣空域波束與時域“波束”之后,主要剩余雜波為主瓣雜波和主多普勒通帶雜波。首先使用Bulter波束形成器,同時形成多個波束,其次,在主波束和相鄰波束之后再級聯(lián)多普勒濾波器,最后,根據(jù)線性約束最小輸出功率準則對主波束輸出的多個相鄰的多普勒通道和檢測通道的多個相鄰的波束進行自適應處理。并具有系統(tǒng)自由度低、穩(wěn)健性強、低速目標檢測性能好、工程實現(xiàn)方便、能同時兼顧抗有源干擾等特點,具有推廣應用價值。
文檔編號G01S13/00GK1218185SQ9812170
公開日1999年6月2日 申請日期1998年12月14日 優(yōu)先權日1998年12月14日
發(fā)明者王永良, 彭應寧, 吳志文 申請人:中國人民解放軍空軍雷達學院