CN106342236B - 基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法属于雷达信号处理技术，涉及对基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法的改进。其特征在于，杂波抑制的步骤如下：雷达回波信号接收；主杂波多普勒中心频率估计；多普勒频率频移补偿；加权傅立叶变换；和差波束相邻多普勒通道联合自适应滤波处理。本发明能提高现有机载PD雷达慢速目标的检测能力，同时，能降低系统复杂性和系统成本，并能减弱雷达杂波随距离变化的非平稳性，进一步提高近距离慢速运动目标检测能力。

Description

基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术，涉及对基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法的改进。

背景技术

机载脉冲多普勒(PD)雷达下视工作时，目标信号常常淹没在很强的地杂波中，强地杂波使机载雷达系统对地面运动目标的检测性能严重下降。目前，机载雷达信号处理方法常采用动目标检测(MTD)技术，MTD技术是采用多普勒滤波器组对强杂波背景中的动目标进行检测，MTD技术中的滤波器设计通常是快速傅立叶变换得到的，工程实现中作为一种准最佳滤波器而被广泛应用。考虑到机载PD雷达的天线多为前向阵或斜侧阵，雷达工作波长短，下视时低脉冲重复频率工作，这些特点使机载雷达的地杂波在距离上非均匀，频率上多重模糊，主瓣杂波多普勒频率分布在很宽的频率范围内。在这种情况下，MTD处理作为单通道机载雷达信号处理的常用技术，其存在的主要问题是：加权滤波处理使多普勒谱在满足低副瓣时主瓣展宽，多普勒频率落在主杂波多普勒频带内的地面慢速目标难以检测。

单通道机载雷达杂波抑制方法还包括动目标指示(MTI)技术，MTI技术的特点是时域滤波器长度较短、凹口宽，主杂波抑制效果好但不利于慢速目标检测，如三脉冲对消器将抑制慢速运动的目标。

空时二维自适应(STAP)处理是抑制地杂波提高慢速目标检测性能的有效手段，但是该方法需要增加多个雷达接收通道，大大增加了系统复杂性，提高了系统成本。为了解决该问题，王宏等人提出了基于和差波束的降维STAP处理方法，并在机载雷达正侧阵条件下取得好的杂波抑制效果和慢速目标检测性能。但是，在机载雷达阵前向或斜侧阵情况下，由于杂波特性随距离而改变，杂波呈现非平稳性，该方法直接应用于机载雷达近距离慢速目标检测时难以获得好的效果。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法，该方法能提高现有机载PD雷达慢速目标的检测能力，同时，能降低系统复杂性和系统成本，并能减弱雷达杂波随距离变化的非平稳性，进一步提高近距离慢速运动目标检测能力。

本发明的技术方案是：基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法，其特征在于，杂波抑制的步骤如下：

1、基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法，其特征在于，杂波抑制的步骤如下：

1.1、雷达回波信号接收；利用机载雷达的和路及差路接收雷达回波信号数据；

1.2、主杂波多普勒中心频率估计；利用和路接收的时域数据进行主杂波多普勒中心频率估计，主杂波多普勒中心频率估计公式如下：

$\frac{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[X_{\mathrm{\Σ}}\left(n\right){X_{\mathrm{\Σ}}}^{*}(n-1)\]}{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[|X_{\mathrm{\Σ}}(n-1){|}^2\]}={\mathrm{re}}^{j\mathrm{\Φ}},n=2,3......N---\left(1\right)$

${\hat{f}}_d=(\mathrm{\Φ}/2\mathrm{\π})\·f_r---\left(2\right)$

式(1)中，X_∑为雷达和路数据，n为雷达1个相参处理周期内接收到的第n个脉冲，N为雷达1个相参处理周期内接收到的脉冲数，r为基于最小输出功率准则输出权值的模，Φ为基于最小输出功率准则输出权值的相位，

式(2)中，f_r为雷达脉冲重复频率，为估计的主杂波多普勒中心频率；

1.3、多普勒频率频移补偿；利用估计得到的主杂波多普勒中心频率，对和路、差路时域数据分别进行多普勒频率频移补偿，补偿公式如下：

Y＝[X(1) X(2)…X(N)]*W (3)

式(3)中，X为雷达和路或差路数据，Y为杂波谱频移补偿后的和路或差路数据，w代表频率旋转因子序列，w的表达式如下：

1.4、加权傅立叶变换；采用加权快速傅立叶变换将雷达和路、差路频移补偿后的数据变换到频域，分至各个多普勒通道；

1.5、和差波束相邻多普勒通道联合自适应滤波处理；分别提取和路以及差路多普勒滤波后的数据进行相邻多普勒通道联合自适应处理，完成对雷达回波的杂波抑制。

本发明的优点是：本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明利用机载PD雷达现有的和差接收通道，不增加天线接收通道设备，不改变原雷达信号处理框架，设备实现简单，成本低廉。

2、本发明相比机载PD雷达常规MTD杂波抑制技术，具有更好的主瓣杂波抑制能力。利用和差双通道数据对消主瓣杂波，从而提高慢动目标的检测性能，常规MTD方法只能抑制旁瓣杂波。

3、本发明相比机载PD雷达MTI杂波抑制技术，滤波器凹口窄，可大大提高最小可检测目标速度。

4、本发明相比机载预警雷达的多通道STAP杂波抑制处理技术，设备要求复杂度低，通道校正简单，运算量低，稳健性好，易于工程实现。

5、本发明相比机载预警雷达的和差通道降维STAP杂波抑制处理技术，增加了主杂波多普勒中心频率估计和杂波谱频移补偿预处理，使杂波分布面积大大减少，降低了机载雷达地杂波随距离变化的非均匀性，提高了近距离慢速目标检测性能，使该方法更具稳健性。

附图说明

图1是本发明的处理流程图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法，其特征在于，杂波抑制的步骤如下：

参见图1。

1、雷达回波信号接收；利用机载雷达的和路及差路接收雷达回波信号数据；

该单元数据存贮精度、采样率同原系统。

2、主杂波多普勒中心频率估计；利用和路接收的时域数据进行主杂波多普勒中心频率估计，主杂波多普勒中心频率估计公式如下：

$\frac{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[X_{\mathrm{\Σ}}\left(n\right){X_{\mathrm{\Σ}}}^{*}(n-1)\]}{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[|X_{\mathrm{\Σ}}(n-1){|}^2\]}={\mathrm{re}}^{j\mathrm{\Φ}},n=2,3......N---\left(1\right)$

${\hat{f}}_d=(\mathrm{\Φ}/2\mathrm{\π})\·f_r---\left(2\right)$

式(1)中，X_∑为雷达和路数据，n为雷达1个相参处理周期内接收到的第n个脉冲，N为雷达1个相参处理周期内接收到的脉冲数，r为基于最小输出功率准则输出权值的模，Φ为基于最小输出功率准则输出权值的相位，

式(2)中，f_r为雷达脉冲重复频率，为估计的主杂波多普勒中心频率；

机载雷达回波信号的主杂波中心频率随距离变化将影响到杂波数据的非均匀性，各距离单元主瓣杂波的多普勒中心频率应该由公式估计得到。为了更加准确估计出多普勒中心频率随距离变化关系，可采用相邻距离单元输出的多普勒中心频率取均值作为最终估计值。

3、多普勒频率频移补偿；利用估计得到的主杂波多普勒中心频率，对和路、差路时域数据分别进行多普勒频率频移补偿，补偿公式如下：

Y＝[X(1) X(2)…X(N)]*W (3)

式(3)中，X为雷达和路或差路数据，Y为杂波谱频移补偿后的和路或差路数据，w代表频率旋转因子序列，w的表达式如下：

频移的原则是使不同距离的主瓣杂波频率基本相同，该线性变换运算量较小。通过对不同距离的数据实施不同的频移变换，将不同距离的杂波谱对齐，杂波能量在距离-多普勒频率二维平面内集中，杂波分布面积大大减少，使得杂波数据的非平稳性大大减弱，自适应处理可以获得估计协方差矩阵所需的足够多的距离门样本数。

4、加权傅立叶变换；采用加权快速傅立叶变换将雷达和路、差路频移补偿后的数据变换到频域，分至各个多普勒通道；

采用加权傅立叶变换，可将杂波局域化实现预滤波处理。傅立叶加窗函数可选择：海明权、契比雪夫权、泰勒权等。

5、和差波束相邻多普勒通道联合自适应滤波处理；分别提取和路以及差路多普勒滤波后的数据进行相邻多普勒通道联合自适应处理，完成对雷达回波的杂波抑制。

该相邻多普勒通道联合自适应滤波过程可参考专著《空时自适应信号处理》中“M-CAP”算法，其中M代表相邻的多普勒通道数，通常按对称的原则，将目标的多普勒通道作为中间通道，在中间通道两侧放置若干个辅助通道，所以M通常取3，5等奇数。如果杂波分布均匀，M通常取3，如果杂波非均匀严重，M可以增加。联合自适应滤波计算最优权值中参与协方差估计的距离门数是有限制的，通常，要求参与协方差矩阵估计的杂波样本满足独立同分布的条件，杂波样本数不少于2～3倍的系统自由度。

实施例

本发明可应用于采用机载PD雷达对地面目标进行探测，机载雷达下视状态发射相参脉冲串，由和路、差路进行接收。下面给出一组试飞数据的杂波抑制过程：

某X波段机载火控雷达，载机高度3412m，载机地速90m/s，天线波束宽度3.5°，天线波束指向方位角11.5°，俯仰角-2.3°，雷达参数LPRF，相参脉冲数64个，采样率2MHz，距离门宽度37.5米，已知目标多普勒频率195.3Hz，目标距离25.275Km，采用该方法处理距离载机25Km～30Km的雷达回波数据段。首先，采用多普勒中心频率估计的主杂波中心频率分别为：25Km主杂波多普勒中心频率355Hz，27.5Km主杂波多普勒中心频率375Hz，30Km主杂波多普勒中心频率390Hz；其次，经过杂波谱频移补偿后，目标多普勒频率-170.8Hz；然后采用海明加权傅立叶变换，将杂波局域化；最后，对该数据段进行相邻多普勒通道联合自适应滤波处理，其中，参数M取3，协方差估计样本数取18。采用本发明方法目标输出信杂比37.43dB，采用常规海明加权MTD方法目标输出信杂比34.35dB。

本发明方法经大量试飞数据仿真验证，具有很好的主瓣杂波和旁瓣杂波自适应抑制能力，能有效提高慢速目标检测性能，相比常规MTD处理对慢速运动目标信杂比改善约3dB～6dB。

Claims (1)

1.基于和差波束的机载雷达杂波抑制方法，其特征在于，杂波抑制的步骤如下：

1.1、雷达回波信号接收；利用机载雷达的和路及差路接收雷达回波信号数据；

1.2、主杂波多普勒中心频率估计；利用和路接收的时域数据进行主杂波多普勒中心频率估计，主杂波多普勒中心频率估计公式如下：

$\frac{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[X_{\Σ}\left(n\right){X_{\Σ}}^{*}(n-1)\]}{\underset{n=2}{\overset{N}{\Σ}}\[|X_{\Σ}(n-1){|}^2\]}={\mathrm{re}}^{j\mathrm{\Φ}},n=2,\mathrm{3......}N---\left(1\right)$

${\hat{f}}_d=(\mathrm{\Φ}/2\mathrm{\π})\·f_r---\left(2\right)$

式(1)中，X_∑为雷达和路数据，n为雷达1个相参处理周期内接收到的第n个脉冲，N为雷达1个相参处理周期内接收到的脉冲数，r为基于最小输出功率准则输出权值的模，Φ为基于最小输出功率准则输出权值的相位，

式(2)中，f_r为雷达脉冲重复频率，为估计的主杂波多普勒中心频率；

1.3、多普勒频率频移补偿；利用估计得到的主杂波多普勒中心频率，对和路、差路时域数据分别进行多普勒频率频移补偿，补偿公式如下：

Y＝[X(1) X(2)…X (N)]*W (3)

式(3)中，X为雷达和路或差路数据，Y为杂波谱频移补偿后的和路或差路数据，w代表频率旋转因子序列，w的表达式如下：

1.4、加权傅立叶变换；采用加权快速傅立叶变换将雷达和路、差路频移补偿后的数据变换到频域，分至各个多普勒通道；

1.5、和差波束相邻多普勒通道联合自适应滤波处理；分别提取和路以及差路多普勒滤波后的数据进行相邻多普勒通道联合自适应处理，完成对雷达回波的杂波抑制。