机载阵列雷达抑制非均匀杂波的STAP方法研究

摘要

空时自适应处理(STAP)技术可以有效地抑制机载雷达地杂波和有源干扰,改善地面动目标检测(GMTD)性能,其处理性能的优劣与杂波干扰协方差矩阵估计的准确性有直接关系。当接收的雷达回波样本不满足独立同分布(iid)特性时,通过统计方法获得的杂波协方差矩阵存在偏差,导致STAP的杂波抑制性能严重下降。如何使得STAP方法在非均匀杂波环境下取得好的杂波抑制性能是本文开展研究的目的。本文的主要工作包括以下几个方面:
　　 1.第二章首先对不同阵面摆放结构下的单基机载雷达杂波进行了建模,分析了与其对应的杂波分布特性,然后对STAP进行杂波抑制的基本原理进行了介绍,最后针对杂波呈现非均匀分布的两种情况进行了说明,一种是由实际环境导致的杂波功率非均匀特性:另一种是由机载雷达天线阵面摆放方式所带来的杂波非均匀特性。
　　 2.第三章研究了杂波功率非均匀情况下的直接数据域杂波抑制方法。针对直接数据域(DDD)方法中空时子孔径平滑来获取iid样本存在空时孔径损失的问题,将多级维纳滤波器(MWF)引入到直接数据域方法的求解过程里,提出了一种在直接数据域方法后级联多级维纳滤波器的方法。通过对MCARM数据的处理结果验证了该方法在较小空时孔径损失的条件下能够获得较直接处理好的杂波抑制性能。针对实际中距离脉冲压缩加窗函数处理后会导致目标信息扩展现象,提出了一种联合距离的三维直接数据域方法。该方法将目标周边距离单元的数据联合起来,充分利用目标距离向上的信息,在空域上能够对孤立干扰形成深的凹口,提高了对目标导向矢量幅相误差的稳健性。通过MCARM数据处理验证了该方法的有效性。
　　 3.第四章研究了由于天线阵面摆放方式导致的杂波非均匀问题,考虑无距离模糊的情况。针对空间角频移方法将参考距离单元的杂波谱旁瓣谱抬高,导致动目标检测性能下降的缺点,提出了一种改进的空间角频移方法。该方法首先对各个距离单元回波进行多普勒频率补偿,然后再进行空间角频移。仿真实验结果表明该方法在旁瓣区比空间角频移方法有性能改善。另外针对导数更新(DBU)方法计算量大的缺点,提出了一种可以直接对前视阵雷达接收的回波数据协方差矩阵进行修正的降维DBU方法。该方法利用矩阵分块求逆定理求出修正矩阵,然后利用已有的3DT-STAP方法进行杂波抑制,不但减少了计算负担而且降低了对独立同分布(ⅡD)样本数目的要求,并且在性能上接近原来的DBU最优处理方法。通过实验结果表明该方法在回波存在误差条件下仍然能达到与最优处理接近的性能。
　　 4.第五章研究了因天线阵面放置导致的杂波非均匀性问题,考虑存在距离模糊情况。针对接收阵列没有俯仰自由度,不能直接对模糊的近程杂波进行抑制的问题,根据机载非正侧视阵雷达的杂波谱分布具有一定的先验信息特性,提出了一种基于空时插值的机载非正侧视阵雷达近程杂波抑制方法。该方法首先利用距离采样估计出近程模糊距离门的俯仰角,然后将模糊的近程杂波向远程模糊距离门进行空时插值,并且增加了对待检测方向地面运动目标的保护约束。通过对仿真雷达回波的处理结果验证了该方法的有效性。特别地对于机载前视阵雷达,由于其杂波多普勒.方位分布在空间上呈现对称性,基于这一现象,提出了一种向待检测距离段中间距离单元空域导向矢量空间投影的近程杂波抑制方法,通过对仿真雷达回波的处理结果验证了该方法的有效性。
　　 5.第六章研究存在非理想因素条件下稳健的非均匀杂波抑制问题。针对接收阵列具有俯仰自由度的前提下,提出了一种对雷达载机平台高度误差稳健的俯仰预滤波方法。该方法首先根据不同距离门斜距计算出近程距离门对应的俯仰角,然后增加与其临近的距离门俯仰角来辅助进行近程杂波抑制,当存在载机平台高度估计误差时,该方法能够获得较单点预滤波稳健的杂波抑制性能,仿真实验结果验证了该方法的有效性。
　　 6.第七章研究了机载双基雷达STAP方法。建立了各种构型的机载双基雷达信号模型,并对其地杂波分布特性进行了分析。由于实际中两载机通常不再一个平面上,针对当两载机之间存在高度差时,产生的垂直基线对不同构型机载双基雷达的地杂波分布影响进行了分析。针对机载双基雷达回波的距离非均匀特性提出了一种基于导数更新的杂波补偿方法,该方法以接收载机主瓣方向的接收斜距与俯仰角为DBU更新变量,能够有效地实现对杂波距离依赖性的补偿,提高机载双基雷达STAP杂波抑制性能,仿真实验验证了所提出方法的有效性。