基于多普勒三通道聯(lián)合處理的空時自適應(yīng)單脈沖測角方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)單脈沖測角領(lǐng)域，具體涉及一種基于多普勒三通道聯(lián)合處理的空 時自適應(yīng)單脈沖測角方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載雷達(dá)下視工作，地雜波嚴(yán)重導(dǎo)致多普勒展寬，使得運動目標(biāo)容易被雜波淹沒， 影響雷達(dá)目標(biāo)探測性能。1973年Brennan等提出利用空時二維自適應(yīng)信號處理（STAP)來 抑制雜波。STAP進(jìn)行空時二維濾波，通過待檢測單元（CUT)鄰近距離單元選取訓(xùn)練樣本， 自適應(yīng)計算濾波器的權(quán)值，已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，并被認(rèn)為是機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)同時 抑制雜波的強大工具。雖然應(yīng)用STAP技術(shù)可以提高目標(biāo)檢測性能，但是無法估計出目標(biāo)角 度。Nickel提出的自適應(yīng)單脈沖技術(shù)是一種高精度角度估計方法，且該方法可以推廣至空 時二維。STAP在空時兩維空間實現(xiàn)自適應(yīng)雜波抑制和動目標(biāo)信號的相干積累，理論上可以 實現(xiàn)最優(yōu)處理，但是全維處理所需要的運算量驚人，假設(shè)空域和時域采樣數(shù)分別為N和K， 得到的自適應(yīng)權(quán)值需要對NKXNK維雜波相關(guān)矩陣進(jìn)行估計和求逆，其運算量為0 (NK)3,實 時處理在軟硬件上都存在巨大的困難。降維STAP，通過對全維數(shù)據(jù)的線性變換將問題的求 解降至低維空間，可實現(xiàn)系統(tǒng)自由度的降低。多普勒三通道聯(lián)合處理（3DT)是適合工程應(yīng) 用的后多普勒降維STAP技術(shù)。但是在多普勒分辨率較低的情況下，僅用空域的自適應(yīng)單脈 沖存在較大的測角誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于多普勒三通道聯(lián)合處理的空時自適 應(yīng)單脈沖測角方法，解決了多通道機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)通道較少，多普勒分辨率較低，測角誤差大 的問題。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：
[0005] 基于多普勒三通道聯(lián)合處理的空時自適應(yīng)單脈沖測角方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1、獲取雷達(dá)陣列天線各接收通道信號，并根據(jù)如下公式對第k個檢測多普勒 單元做空時域的聯(lián)合處理：
[0007] T=Tt^Ts.,
[0008] 其中，！^為空域降維矩陣，為NXN階的單位矩陣，Tt為時域降維矩陣，
[0010] 其中，/l、//4、/',分別為第k_l，第k，和第k+1個多普勒單元歸一化的中 心多普勒頻率；
[0011] 步驟2、根據(jù)如下公式獲取第k個待檢測多普勒單元的接收數(shù)據(jù)zT=THz，最優(yōu)權(quán) 矢量Wt:
[0012] wr =i^V，其中，St=TV上標(biāo)H表示復(fù)共輒轉(zhuǎn)置，S為目標(biāo)空時導(dǎo)引矢量，Rt由 相鄰距離單元作為樣本進(jìn)行極大似然估計獲得，估計值美為：
[0013]
其中xTl=ThX1代表第i個樣本Xi經(jīng)降維處理后的輸出，L為樣 本個數(shù)；
[0014] 步驟3、計算和波束自適應(yīng)權(quán)值、空域差波束自適應(yīng)權(quán)值、空域和波束自適應(yīng)權(quán)值， 設(shè)定h= 0 ;
[0015] 步驟4、根據(jù)如下公式計算目標(biāo)方位空間頻率u的估計值目標(biāo)歸一化多普勒頻 率V的估計值f:
[0017] 其中，u。=sin0。為目標(biāo)方位空間頻率初始值，0。為發(fā)射天線方位指向角， A==Zrff為目標(biāo)歸一化多普勒頻率初始值；ru為空域差波束與和波束的單脈沖比，yu為 ru的偏移量修正值，r￥為時域差波束與和波束的單脈沖比，y￥為rv的偏移量修正值；
為空時自適應(yīng)單脈沖比的斜率矩陣；
[0018] 步驟 5、令，v〇..=f>h=h+1 ;
[0019] 步驟6、判斷h是否小于m，如果是，重復(fù)執(zhí)行步驟4至步驟5,否則，執(zhí)行步驟7,m 為大于1的整數(shù)；
[0020] 步驟7、根據(jù)如下公式計算目標(biāo)方位空間角0的估計值I
[0021] §= arc sin ：? ；
[0022] 步驟8、令0: = #,獲取目標(biāo)方位空間角。
[0023] 所述步驟6中的m等于2。
[0024] 所述和波束自適應(yīng)權(quán)值、空域差波束自適應(yīng)權(quán)值、空域和波束自適應(yīng)權(quán)值計算公 式分別如下：
[0025] Wy-RySq^?dciyii-Ryu?dci^v-v
矢量，對角矩陣DN=diag(Jii[0I…N-l])，DK=diag(2Jii[0I…K-1])，N為雷達(dá)陣 列天線列數(shù)，K為次相干處理間隔內(nèi)脈沖數(shù)。
[0027] 所述任一個雷達(dá)信號多普勒單元的信號模型為：
[0028] z=sb+n
[0029] 其中，z表示檢測單元陣列輸出矢量，b表示目標(biāo)的復(fù)包絡(luò)，n表示雜波加噪聲；s 為目標(biāo)空時導(dǎo)引矢量：
[0030] S = S10Ss
[0031] 其中，為直積：
分別對應(yīng)時域?qū)?引矢量和空域?qū)б噶浚蠘?biāo)T表示轉(zhuǎn)置。
[0032] 所述步驟4中rv、y v、ru、y。與C中各元素的計算公式分別為：
[0038] 其中：％ =心|B=%>V=V。為波束中心處經(jīng)過3DT算法降秩后的空時導(dǎo)向矢量。
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0040] 1、當(dāng)多普勒分辨率較差時，可獲得比常規(guī)空域自適應(yīng)單脈沖更高的測角精度。
[0041] 2、收斂速度快，運算量小，易于工程實施。
【附圖說明】
[0042] 圖1為基于多普勒三通道聯(lián)合處理的空時自適應(yīng)單脈沖測角方法流程圖。
[0043] 圖2為3DT-AM算法目標(biāo)角度估計隨迭代次數(shù)變化曲線。
[0044] 圖3為3DT-AM與3DT-STAM算法目標(biāo)角度估計結(jié)果。
[0045] 圖4為3DT-STAM算法估計的目標(biāo)歸一化多普勒頻率。
[0046] 圖5為3DT-AM與3DT-STAM方法下目標(biāo)角度估計RMSE隨SNCR變化曲線。
[0047] 圖6為不同脈沖數(shù)下3DT-STAM算法目標(biāo)角度估計RMSE隨SCNR變化曲線。
【具體實施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0049] 機(jī)載雷達(dá)下視工作，地雜波嚴(yán)重導(dǎo)致多普勒展寬，使得運動目標(biāo)容易被雜波淹沒， 影響雷達(dá)目探測性能。1973年Brennan等提出利用空時二維自適應(yīng)信號處理（STAP)來抑 制雜波。STAP進(jìn)行空時二維濾波，通過待檢測單元（CUT)鄰近距離單元選取訓(xùn)練樣本，自適 應(yīng)計算濾波器的權(quán)值，已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，并被認(rèn)為是機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)同時抑制 雜波的強大工具。雖然應(yīng)用STAP技術(shù)可以提高目標(biāo)檢測性能，但是無法估計出目標(biāo)角度。 Nickel提出的自適應(yīng)單脈沖技術(shù)是一種高精度角度估計方法，且該方法可以推廣至空時二 維。STAP在空時兩維空間實現(xiàn)自適應(yīng)雜波抑制和動目標(biāo)信號的相干積累，理論上可以實現(xiàn) 最優(yōu)處理，但是全維處理所需要的運算量驚人，假設(shè)空域和時域采樣數(shù)分別為N和K，得到 的自適應(yīng)權(quán)值需要對NKXNK維雜波相關(guān)矩陣進(jìn)行估計和求逆，其運算量為O(NK)3,實時處 理在軟硬件上都存在巨大的困難。降維STAP，通過對全維數(shù)據(jù)的線性變換將問題的求解降 至低維空間，可實現(xiàn)系統(tǒng)自由度的降低。多普勒三通道聯(lián)合自適應(yīng)處理是適合工程應(yīng)用的 后多普勒降維STAP技術(shù)。但是在多普勒分辨率較低的情況下，僅用空域的自適應(yīng)單脈沖存 在較大的測角誤差。
[0050] 假設(shè)雷達(dá)陣列天線有N列，各陣元天線各項同性，一次相干處理間隔內(nèi)脈沖數(shù)為 K，則其檢測單元的雷達(dá)信號多普勒單元信號模型可表示成如下形式：
[0051] z=sb+n
[0052] 式中，z表示檢測單元陣列輸出矢量，b表示目標(biāo)的復(fù)包絡(luò)，n表示雜波加噪聲；s 為目標(biāo)空時導(dǎo)引矢量：假設(shè)雜波加噪聲n服從均值為0,協(xié)方差為R的高斯分布，雜波、噪聲 和目標(biāo)互不相關(guān)。
[0053] 3DT算法首先將各個通道接收信號通過快速傅里葉變換（FFT)由時域變換到多普 勒域，然后聯(lián)合待檢測目標(biāo)所在多普勒單元極其兩側(cè)相鄰多普勒單元進(jìn)行自適應(yīng)處理。對 于第k個檢測多普勒單元，取左側(cè)第k-1個多普勒單元和右側(cè)第k+1個多普勒單元作為輔 助通道，做空時域的聯(lián)合自適應(yīng)處理，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)置與降維用矩陣T來實現(xiàn)；其中T是一系列 空域與時域?qū)蚴噶縆ronecker直積構(gòu)成的降維轉(zhuǎn)置矩陣，定義為：
[0055] 其中發(fā)為Kronecker直積，！^為空域降維矩陣，由于3DT算法空域并未降維，因此TsSNXN階的單位矩陣，Tt為時域降維矩陣：
[0057] 上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置。Zfel分別為第k-1，第k，和第k+1個多普勒單元 歸一化的中心多普勒頻率。
[0058] 經(jīng)過T降維后，第k個待檢測多普勒單元的接收數(shù)據(jù)，目標(biāo)導(dǎo)向矢量和雜波加干擾 噪聲協(xié)方差矩陣分別為Zt=THz，St=THs，Rt=TRTH，上標(biāo)H表示復(fù)共輒轉(zhuǎn)置。
[0059] 因此，3DT算法中第k個待檢測多普勒單元的最優(yōu)權(quán)矢量為
[0060] Wj=
[0061] 由于雜噪特性未知，實際應(yīng)用中Rt由相鄰距離單元作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行極大似然估
[0062]其中xTl= ThX1代表第i個樣本xi經(jīng)降維矩陣T進(jìn)行降維處理后的輸出，L為樣 本個數(shù)，保證估計精度，樣本需要與待檢測單元雜噪分量在統(tǒng)計上滿足獨立同分布條件，可 取L = 6N個獨立同分布訓(xùn)練樣本。
[0063] 為進(jìn)一步確定目標(biāo)方位信息，傳統(tǒng)的空域自適應(yīng)單脈沖可用于目標(biāo)測角（這里將 基于3DT空域自適應(yīng)單脈沖簡稱為3DT-AM算法）。廣義單脈沖測角公式為
[0064]Il=U0 +cA{rn ~jLl}
[0065] 其中6為目