一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法

1.本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法。


背景技术：

2.机载雷达由于检测盲区小、检测范围大等诸多优点而备受青睐，但载机处于下视工作，因此会面临成片海杂波的干扰。受载机平台运动影响，海杂波通常具有空时耦合特性，并且相比于地杂波，受复杂海面环境影响的海杂波具有运动时变性、时空相关性强、平均功率大的特点，导致目标信号被淹没在强杂波中，严重影响海面目标检测的性能。因此，寻找简单高效的海杂波抑制方法一直是机载雷达研究领域的重点问题。
3.在针对具有空时耦合特性的机载雷达杂波抑制问题中，基于线性约束最小方差准则(lcmv)的空时全维的自适应处理方法也称作最优stap，可以通过空时二维处理有效滤除杂波，但由于计算量庞大以及在复杂的海况环境下也难以获取该方法所要求的独立同分布样本，因此该方法难以真正应用于在实际工程中。
4.针对最优stap方法的问题，通过降低自适应处理的自由度进而减少运算量的降维stap方法受到广泛关注。经典的降维stap方法包括辅助通道法(acr)、因子化(fa)算法、扩展因子化(efa)算法和局域联合(jdl)算法等，这些算法在理想情况下可以获得优越的滤波性能。通常情况下，若想获得较好的杂波抑制效果，需要满足自适应处理的自由度大于杂波自由度这一条件；然而实际情况中，杂波起伏和阵元误差的存在会导致杂波功率谱发生扩散，使得海杂波的自由度大幅提升。因此，受限于计算量的降维stap方法难以拥有充足的自由度去处理海杂波，使得杂波抑制性能大幅下降。
5.近年来，本领域技术人员发现合理地利用辅助知识可以有效地改善动目标检测性能，提出了一些基于辅助知识的预滤波方法，如非自适应的两维两脉冲杂波对消(tdpc)算法。非自适应的两维两脉冲杂波对消算法通过分析相邻脉冲间杂波的关系，利用载机获取的先验信息例如载机速度、偏航角、雷达参数等设计对消器。该对消器在海面环境简单并且先验信息充足准确时，可沿着杂波分布迹线形成深凹口滤除大部分海杂波；此外，该对消器还可作为预滤波算法，有效提升降维stap算法和传统空时级联(mti)算法的性能。但是，设计该对消器时需要大量的辅助知识，如海面散射单元的径向速度，该速度与海面的风速有关，而实际情况中海面环境往往是复杂的，通过载机测量的风速可能存在准确性不足的情况，这会严重影响tdpc算法对海杂波的抑制效果。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，应用于机载雷达，包括：
8.在一个相干处理时间cpi内发射k个脉冲，并利用天线对扫描范围内设置的l个距离环进行空时二维采样，得到包含海杂波的回波数据；
9.基于所述回波数据建立目标优化函数；
10.对相邻距离环的回波数据进行时域滑窗平均估计，得到相关矩阵的估计值，并根据所述相关矩阵的估计值以及所述目标优化函数计算得到自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值；
11.基于所述自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器；
12.利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y。
13.在本发明的一个实施例中，所述目标优化函数为：
[0014][0015]
式中，x
p
(k)表示第k+1次脉冲前的p次脉冲的回波数据，x(k+1)表示第k+1次脉冲回波数据，e表示数学期望运算，d表示自适应脉冲对消器的系数矩阵。
[0016]
在本发明的一个实施例中，按照如下公式计算所述相关矩阵的估计值
[0017][0018]
式中，x
l
(k)表示第l个距离环上的第k个脉冲回波数据。
[0019]
在本发明的一个实施例中，所述自适应脉冲对消器系数矩阵d的估计值为：
[0020][0021]
式中，和为所述矩阵r中的元素，
[0022]
在本发明的一个实施例中，基于所述自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器：
[0023][0024]
其中，载机携带m行n列的矩形面阵，in表示维度为n
×
n的单位矩阵，p∈c
n(k-p)
×
nk
，c表示复数域。
[0025]
在本发明的一个实施例中，所述预滤波后的数据为：
[0026]
y＝px；
[0027]
其中，所述预滤波后的数据y包含目标信号、噪声信号以及残存的海杂波。
[0028]
在本发明的一个实施例中，利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y的步骤之后，还包括：
[0029]
利用降维stap算法进一步滤除所述预滤波后的数据y中残存的海杂波。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0031]
(1)本发明实施例提供一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，无需依赖于辅助知识，而是充分利用真实的海杂波数据特性设计自适应脉冲对消器，使得对消后残存的海杂波功率最小，考虑了噪声的影响，实现了对海杂波的有效滤除。
[0032]
(2)本发明通过对相邻距离单元内的回波数据进行时域滑窗平均估计得到计算滤波器系数矩阵所需的相关矩阵，提高了复杂环境下方法的稳健性。
[0033]
(3)现有技术如tdpc算法在抑制海杂波时，仅采用相邻脉冲来对消海杂波，而本发明则是采用多脉冲对消的形式，通过增加对消杂波的脉冲数，极大的提高了算法抑制海杂波时的性能。
[0034]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例提供的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法的一种流程图；
[0036]
图2a是本发明实施例提供的预滤波前海杂波的三维功率谱示意图；
[0037]
图2b是本发明实施例提供的预滤波前海杂波的二维功率谱示意图；
[0038]
图3a是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的一种三维功率谱示意图；
[0039]
图3b是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的一种二维功率谱示意图；
[0040]
图4a是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的另一种三维功率谱示意图；
[0041]
图4b是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的另一种二维功率谱示意图；
[0042]
图5是本发明实施例提供的预滤波处理前后fa算法、efa算法、常规mti算法的改善因子对比图；
[0043]
图6是本发明实施例提供的tdpc和适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法级联降维stap算法的改善因子对比图。
具体实施方式
[0044]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0045]
图1是本发明实施例提供的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法的一种流程图。如图1所示，本发明实施例提供一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，应用于机载雷达，包括：
[0046]
s1、在一个相干处理时间cpi内发射k个脉冲，并利用天线对扫描范围内设置的l个距离环进行空时二维采样，得到包含海杂波的回波数据；
[0047]
s2、基于回波数据建立目标优化函数；
[0048]
s3、对相邻距离环的回波数据进行时域滑窗平均估计，得到相关矩阵的估计值，并根据相关矩阵的估计值以及目标优化函数计算得到自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值；
[0049]
s4、基于自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器；
[0050]
s5、利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y。
[0051]
本实施例中，载机携带m行n列的矩形面阵，雷达在一个cpi(coherent processing interval，相干处理时间)内发射k个脉冲，然后利用天线对扫描范围内设置的l个距离环进
行空时二维采样。通常在接收端将矩形面阵按列合成为一个n元等效线阵，因此得到的采样结果构成回波矩阵x∈c
nk
×
l
，其中，c表示复数域，天线在第k次脉冲上接收到回波信号为x(k)。
[0052]
上述步骤s2中，所述目标优化函数为：
[0053][0054]
式中，x
p
(k)表示第k+1次脉冲前的p次脉冲的回波数据，也就是说，p为对消杂波的脉冲数，x(k+1)表示第k+1次脉冲回波数据，e表示数学期望运算，d表示自适应脉冲对消器的系数矩阵。
[0055]
应当理解，本实施例中基于目标优化函数求解出自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值之后，利用该估计值生成预滤波器，进一步利用预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，因此，在构建目标优化函数时将对消处理后残存的海杂波的功率最小化：
[0056][0057]
其中，tr[
·
]表示矩阵的迹，[
·
]h表示共轭转置，r
p,k
＝e[x
p
(k)x
ph
(k)]，r
p,k+1
＝e[x
p
(k)xh(k+1)]，r
k+1,p
＝e[x(k+1)x
ph
(k)]，r
k+1,k+1
＝e[x(k+1)xh(k+1)]，e[
·
]表示数学期望运算。
[0058]
f(d)各项相关函数均可通过计算成为已知量，因此求解自适应多脉冲对消器的系数矩阵等同于求解一元二次方程f(d)的最小值问题。令解得：
[0059]
d＝r
k+1,prp,p-1
；
[0060]
式中，[
·
]-1
表示矩阵求逆运算，r
p,k+1
表示x(k+1)与x(k+1)之前的p次脉冲回波数据x
p
(k)的相关矩阵，r
p,p
表示x
p
(k)的自相关矩阵。需要说明的是，在具体应用时可通过对相邻距离环的回波数据进行时域滑窗平均估计值和来代替。
[0061]
进一步地，计算相关矩阵r的估计值为：
[0062][0063]
由于因此可以计算得到和x
l
(k)表示第l个距离环上的第k个脉冲回波数据。
[0064]
那么d的最大似然估计值为：
[0065]
可选地，上述步骤s3中，基于自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器：
[0066][0067]
其中，in表示维度为n
×
n的单位矩阵，p∈c
n(k-p)
×
nk
，c表示复数域。利用预滤波器p对一个cpi内的回波数据进行对消，预滤波后的数据为：
[0068]
y＝px；
[0069]
其中，预滤波后的数据y包含目标信号、噪声信号以及残存的海杂波。
[0070]
可选地，利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y的步骤之后，还包括：
[0071]
利用降维stap算法进一步滤除预滤波后的数据y中残存的海杂波。
[0072]
本实施例中，利用降维stap算法滤除残存的海杂波后，数据w表示预滤波后降维stap算法的最优权矢量。
[0073]
下面，通过仿真实验对适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法做进一步说明。
[0074]
具体地，以机载系统携带的天线阵列是10行10列的矩形面阵为例，行、列阵元的间距均为d＝0.1m，接收时天线阵列等效成10个阵元的列阵；载机飞行速度v
fly
＝100m/s，飞行高度h＝8km，偏航角为0
°
；最近的距离环与天线阵列的斜距为50km，一个距离环内按照等方位角间隔划分300个海杂波散射单元。雷达的脉冲重复频率为fr＝2000hz，工作波长λ＝0.2m，脉冲数k＝16；杂噪比(cnr)为60db；海面环境为二级海况，海面风速4.5m/s，空间相关距离6.5m，添加空域锥角和归一化多普勒频率分别为90
°
和0.5的目标信号，信噪比为0db。
[0075]
第一方面，对自适应脉冲对消前后海杂波的海杂波功率谱进行仿真。
[0076]
图2a是本发明实施例提供的预滤波前海杂波的三维功率谱示意图，图2b是本发明实施例提供的预滤波前海杂波的二维功率谱示意图。图3a是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的一种三维功率谱示意图，图3b是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的一种二维功率谱示意图，对消杂波脉冲数p＝2，图4a是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的另一种三维功率谱示意图，图4b是本发明实施例提供的预滤波后海杂波的另一种二维功率谱示意图，对消杂波脉冲数p＝5。可以看到，自适应预滤波器能够沿着海杂波的功率谱分布轨迹形成凹口，滤除掉大部分海杂波；此外观察不同对消脉冲数p的滤波后的海杂波功率谱，可以看到，随着p增加，主瓣杂波区内残存的海杂波的功率越来越小，信号的功率损失也逐渐减少，atdpc算法对海杂波抑制的性能逐渐提升。
[0077]
第二方面，对自适应脉冲对消器级联经典杂波抑制算法的改善因子进行仿真。
[0078]
图5是本发明实施例提供的预滤波处理前后fa算法、efa算法、常规mti算法的改善因子对比图，其中，用于对消杂波的脉冲数为2，atdpc+fa、atdpc+efa和atdpc+mti分别表示本发明提供的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法级联fa、efa和常规mti算法。如图5所示，atdpc作为预滤波算法级联不同杂波抑制算法时，对于传统算法的性能都有不同
程度的改善。对于atdpc+fa算法与atdpc+conv.mti算法，在主瓣杂波区大部分多普勒频率上的改善因子都比级联之前高出30db以上；对于性能十分接近最优stap算法的efa算法，atdpc+efa算法的改善因子的提升效果相对较低，在主瓣杂波区，大部分多普勒频率点上的改善因子提升10db左右。
[0079]
第三方面，对两维两脉冲对消tdpc算法和atdpc算法级联降维stap算法的改善因子进行仿真对比，其中，设定载机偏航角为0
°
，同时用于对消杂波的脉冲数为2。
[0080]
图6是本发明实施例提供的tdpc和适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法级联降维stap算法的改善因子对比图。如图6所示，atdpc级联fa算法与efa算法的改善因子均高于tdpc算法级联fa算法和efa算法，其中atdpc级联fa算法的主瓣杂波区的改善因子比tdpc级联fa算法的改善因子高出近20db；即采用atdpc算法对海杂波预滤波时的性能优于tdpc算法对海杂波预滤波的性能。
[0081]
综合实验结果，可以看到，atdpc算法可以在不需要辅助知识的情况下，沿着杂波分布迹线滤除海杂波，同时还可作为预滤波算法，显著改善传统杂波抑制算法在用于海杂波抑制时的性能。
[0082]
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
[0083]
(1)本发明实施例提供一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，无需依赖于辅助知识，而是充分利用真实的海杂波数据特性设计自适应脉冲对消器，使得对消后残存的海杂波功率最小，考虑了噪声的影响，实现了对海杂波的有效滤除。
[0084]
(2)本发明通过对相邻距离单元内的回波数据进行时域滑窗平均估计得到计算滤波器系数矩阵所需的相关矩阵，提高了复杂环境下方法的稳健性。
[0085]
(3)现有技术如tdpc算法在抑制海杂波时，仅采用相邻脉冲来对消海杂波，而本发明则是采用多脉冲对消的形式，通过增加对消杂波的脉冲数，极大的提高了算法抑制海杂波时的性能。
[0086]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0087]
参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0088]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，应用于机载雷达，包括：在一个相干处理时间cpi内发射k个脉冲，并利用天线对扫描范围内设置的l个距离环进行空时二维采样，得到包含海杂波的回波数据；基于所述回波数据建立目标优化函数；对相邻距离环的回波数据进行时域滑窗平均估计，得到相关矩阵的估计值，并根据所述相关矩阵的估计值以及所述目标优化函数计算得到自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值；基于所述自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器；利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y。2.根据权利要求1所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，所述目标优化函数为：式中，x
p
(k)表示第k+1次脉冲前的p次脉冲的回波数据，x(k+1)表示第k+1次脉冲回波数据，e表示数学期望运算，d表示自适应脉冲对消器的系数矩阵。3.根据权利要求2所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，按照如下公式计算所述相关矩阵的估计值照如下公式计算所述相关矩阵的估计值式中，x
l
(k)表示第l个距离环上的第k个脉冲回波数据。4.根据权利要求3所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，所述自适应脉冲对消器系数矩阵d的估计值为：式中，和为所述矩阵中的元素，5.根据权利要求4所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，基于所述自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器：其中，载机携带m行n列的矩形面阵，i
n
表示维度为n
×
n的单位矩阵，p∈c
n(k-p)
×
nk
，c表示复数域。6.根据权利要求5所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，所
述预滤波后的数据为：y＝px；其中，所述预滤波后的数据y包含目标信号、噪声信号以及残存的海杂波。7.根据权利要求1所述的适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，其特征在于，利用该预滤波器对一个cpi内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据y的步骤之后，还包括：利用降维stap算法进一步滤除所述预滤波后的数据y中残存的海杂波。

技术总结
本发明公开了一种适用于机载雷达海杂波的自适应预滤波方法，应用于机载雷达，包括：在一个CPI内发射K个脉冲，并利用天线对L个距离环进行空时二维采样，得到回波数据；基于回波数据建立目标优化函数；对相邻距离环的回波数据进行时域滑窗平均估计，得到相关矩阵的估计值，并根据相关矩阵的估计值以及目标优化函数计算得到自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值；基于自适应脉冲对消器系数矩阵的估计值生成预滤波器；利用该预滤波器对一个CPI内的回波数据进行对消，得到预滤波后的数据。本发明不仅提高了抑制海杂波时的性能，通过对相邻距离单元内的回波数据进行时域滑窗平均估计得到相关矩阵估计值以计算滤波器系数矩阵，也提高了复杂环境下方法的稳健性。了复杂环境下方法的稳健性。了复杂环境下方法的稳健性。


技术研发人员：冯大政 屈先钊
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/10/15