空时二维多波束自适应信号处理方法

摘要

本发明公开了一种空时二维多波束自适应信号处理方法,根据机载相控阵雷达所接收的地杂波的特点,即杂波功率谱在空域和时域两维平面内沿对角线为长轴的半椭圆脊背型分布,当使用一定的低旁瓣空域波束与时域“波束”之后,主要剩余杂波为主瓣杂波和主多普勒通带杂波。首先使用Bulter波束形成器,同时形成多个波束,其次,在主波束和相邻波束之后再级联多普勒滤波器,最后,根据线性约束最小输出功率准则对主波束输出的多个相邻的多普勒通道和检测通道的多个相邻的波束进行自适应处理。并具有系统自由度低、稳健性强、低速目标检测性能好、工程实现方便、能同时兼顾抗有源干扰等特点,具有推广应用价值。

说明书

本发明涉及信号处理领域中的一种空时二维多波束自适应信号处理方法，特别适用于采用相控阵天线的机载监视雷达的信号处理系统。

空时二维自适应信号处理近年来已成为机载监视雷达领域的一个重要的研究方向，是新一代机载监视雷达实现从杂波与干扰背景中检测目标的关键技术。机载雷达由于载机的运动，地面反射的不同方面的回波相对于载机的速度各异，从而导致杂波谱大大展宽。一般机载雷达接收的地杂波是空时耦合的，这就决定了杂波抑制必须是空时二维滤波问题。空时二维自适应处理可以有效地补偿机载雷达的平台运动效应，并获得理想的杂波抑制性能；同时，空时二维自适应处理对于一些影响信号处理的因素，如近场散射、阵元激励误差以及离散的有源干扰等，也可以实现自适应地补偿。由于众多的空域和时域单元数，使得实际进行最优自适应处理是不现实的，一是运算量与设备量无法承受，二是实际进行自适应处理的数据协方差矩阵也难以构成。

因此，空时二维自适应信号处理的研究主要是寻求接近最优处理性能的实际实现方法，即研究降维或降秩处理的方法，目前的降维处理方法主要是在阵元-脉冲域、波束-脉冲域、多普勒-阵元域和波束-多普勒域等四大域进行处理。而基于阵元-脉冲域、波束-脉冲域、多普勒-阵元域的处理方法由于其空域或时域是全空间，这些方法的系统自由度仍然很大，所进行的降维是有限的；基于波束-多普勒域的降维处理方法在无误差的理想雷达系统中系统自由度较低，而在实际有误差(特别是阵元级误差)的系统中，其自由度仍较大。系统自由度的大小直接影响系统的实现复杂度，特别是对于非均匀杂波环境及非正侧面阵雷达，系统自由度的大小直接影响数据采样长度及决定了系统的可实现性。

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而一种在波束域和多普勒域分别采取降维，并联合处理的适于非均匀杂波环境的、低自由度系统的空时二维自适应处理方法。并本发明具有稳健性强、低速目标检测性能好、工程实现方便、能同时兼顾抗有源干扰等特点。

本发明的目的是这样实现的，本发明的方法包括以下技术措施：

(1)采用可分离加权的矩形平面相控阵天线，接收时每一列作微波

   合成，成为一等距线阵；

(2)对空域和时域的杂波数据进行降维，减少运算量；

(3)根据线性约束最小输出功率准则，对杂波数据进行自适应处

   理；

其特征在于还包括以下技术措施步骤：

(1)使用Bulter波束形成器降低空域维数；

(2)使用离散傅里叶变换降低时域维数；

(3)自适应处理的最优自适应权由下列公式计算：

                 W(j)=(T^H_LR_XT_L)^-1T^H_LR_XS(ω_si)

本发明的目的还可以通过以下技术措施达到：

(1)使用Bulter波束形成器降低空域维数的技术措施步骤：用波束

   形成器形成少于天线阵列数目的多个波束，即主波束及与其相

   邻的波束。

(2)使用离散傅里叶变换降低时域维数的技术措施步骤：用离散傅

   里叶变换形成低于实际脉冲采磁数的多个多普勒通道，即检测

   通道及与其相邻的多普勒通道。

(3)对杂波数据进行自适应处理的技术措施步骤：仅对主波束的多

   个相邻多普勒通道和检测通道的多个相邻波束输出的杂波构成

   协方差矩阵，得到相应波束和通道的自适应权值，进行自适应

   处理。

本发明相比背景技术的如下优点：

(1)本发明同时组合空域和时域的相邻多个波束来共同实现二维杂

   波对消，实质属于相邻多波束对消有源干扰的推广，同时能抗

   有源干扰，适合电子战环境。

(2)本发明利用相控雷达阵一般形成多波束工作及脉冲多普勒体制

   通过多普勒通道检测目标的特点，实现上直接利用现有波束与

   多普勒通道，且系统自由度低，因此实现复杂度低，工程实现

   简单，可实现性强。

(3)本发明不依赖天线阵列的安放形式，特别适合于非均匀杂波环

   境，因此本发明的稳健性好。

(4)本发明方法具有推广应用价值。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明的实施例电原理方框图，图2是本发明的实施例的结构框图。

参照图1，本发明的实施例由天线阵列及列子阵波束合成1、模/数转换2、波束控制器3、数字波束形成器4、离散傅里叶变换5、自适应加权6、自适应处理7组成。其中实施例列子阵波束合成1由16个并接的列子阵波束合成1-1至1-16构成，每个列子阵波束合成1-1至1-16串接1个模/数转换2-1至2-16，离散傅里叶变换5由10个并接的离散傅里叶变换5-1至5-10构成，其中离散傅里叶变换5-1串接5个自适应加权6-1至6-5，其余离散傅里叶变换5-2至5-10每个串接1个自适应加权6-6至6-14。图2的横坐标为时域，纵坐标为空域，Ⅰ区为主瓣杂波区，Ⅱ区为多普勒通带杂波区。

实施本发明方法的原理如下：

空时自适应处理最主要的是求得自适应权值，需要计算杂波协方差矩阵R。实际系统的协方差矩阵是估计得到的，即先在检测系统的邻近单元测得L个二维数据矢量样本V_i(i=1,2,…,L)，再按下式计算R的估计值 $>ver>>R>^>>:ver>>R>^>>=>>1>L>\underset{}{\overset{}{$ >>W>=>\mu >ver>>R>^>>>->1>>>S>,>>s>其中\mu 为常数，S为导向矢量。邻近参考单元的选择必须满足独立同分布的条件，同时，为了使由不满足条件引起的性能损失限制在3dB内，要求L取2～3倍的系统自由度。如果系统自由度取得太大，将造成采样数据的距离范围太大，以至于齐次高斯杂波会严重违背其假设值。所以必须严格控制系统自由度，特别是在非均匀杂波的环境中。这一要求对于机载雷达环境而言实质上是十分苛刻的。最好的方法是采用降维处理方法。降维处理方法的采样要求为降维系统自由度的二至三倍，因而当选择较小的低维空间处理时，其采样要求是较低的，很适合于严重的非均匀杂波环境。非常规的电子干扰坏境严重地破坏了独立同分布的假设，如果依赖的距离范围较大，其自适应性能将有较大的损失。$}}$

在降维处理时，使用Bulter波束形成器4将空域从阵元域变换到波束域，其杂波自由度由阵元数N减少到波束数p。离散傅里叶变换5将时域从脉冲域变到多普勒域，其杂波自由度由脉冲采样数K减少到多普勒通道数q。N和K分别表示空域的列子阵阵元数与时域的脉冲采样数，实施例中N为16,K为32。p和q分别表示对应于检测通道的辅助波束数和主通道的相邻通道数。实施例中p选为9,q选为5，离散傅里叶变换5-2至5-10为9个辅助波束的离散傅里叶变换，离散傅里叶变换5-1为主波束的离散傅里叶变换，其输出除检测通道直接送到自适应处理7外，与检测通道相邻的5个多普勒通道分别送至自适应加权6-1至6-5。离散傅里叶变换5-2至5-10中对应检测通道的输出送到自适应加权6-6至6-14。

经过空域和时域的变换，杂波由空时二维的全空间变换到子空间，其自由度从N×K维变换到p×q维，但仍无法满足实时处理的要求，因而仅由主波束的多个相邻多普勒通道和检测通道的多个相邻波束输出的杂波构成协方差矩阵，并根据线性约束最小输出功率准则对相应的输出进行自适应加权6，此时系统的自由度为p+q维，实施例中自适应加权6-1至6-5为主波束的5个相邻多普勒通道输出的加权，自适应加权6-6至6-14为检测通道的9个相邻波束输出的加权。当使用一定的低旁瓣空域波束与时域“波束”之后，主要剩余杂波为主瓣杂波区(Ⅰ区)和多普勒通带杂波区(Ⅱ区)。Ⅰ区的杂波可通过时域的q个相邻波束有效对消，Ⅱ区可通过空域的p个相邻波束实现相消处理。由于时域误差很小，一般取几个“波束”即可，实施例中q=5。而空域的误差影响较大，一般Ⅱ区杂波沿纵向有所扩展，需要用较多的波束来对消。

本发明的自适应处理器的最优自适应权由下式计算

         W(j)=(T^H_LR_XT_L)^-1T^H_LR_XS(ω_si)          (1)其中R_X为杂波协方差矩阵，T_L为降维变换矩阵，R_X=E[V(X)V(X)^H]，实际计算时用代替。T_L可以表示为 $>>>T>L>>=>\left(\begin{array}{}>>>[>>S>S>>>(>>\omega >Si>>)>>\otimes >>S>T>>>(>>\omega >>t>1>>>)>>>]>T>\; >>>\underset{}{\overset{}{\underset{}{\overset{}{}}}}\end{array}\right)$_si(i=1,2,…,p)与ω_tj(j=1,2,…,q)分别表示对应于第i个空域波束与第j个时域“波束”的归一化角频率，是Kronecher积，p和q分别表示对应于检测通道的辅助波束数和主通道的相邻通道数。S_s(ω_si)是空域导向矢量，S_T(ω_tj)是时域导向矢量，分别为 $>>>S>T>>>(>>\omega >Si>>)>>=>[>>w>1>>,>>w>2>>>e>>j>>\omega >Si>>>>>,>·>·>·>,>>w>N>>>e>>j>>(>N>->1>)>>>\omega >si>>>>>]>T>>->->->->->->>(>3>)>>>s>$ >>>S>T>>>(>>\omega >tj>>)>>=>>>[>>h>1>>,>>h>2>>>e>>j>>\omega >tj>>>>>,>·>·>·>,>>h>k>>>e>>j>>(>k>->1>)>>>\omega >tj>>>>]>>T>>->->->>(>4>)>>>s>其中\{w$$_n,n=1,2,…,N}及{h_k,k=1,2,…,K}分别为空域和时域静态加权系数。

本发明实施例中天线阵列及列子阵波束合成1用16个列子阵波束合成将平面相控阵合成为一16单元的等效线阵来接收地面和目标反射回来的杂波和信号，经模/数转换2送到数字波束形成器4，数字波束形成器4将16个单元的杂波信号变换成1个主波束和9个相邻的辅助波束，送至离散傅里叶变换5，经离散傅里叶变换5形成主通道和5个相邻的多普勒通道，由主波束的多个相邻多普勒通道和检测通道的多个相邻波束输出的杂波构成协方差矩阵，根据线性约束最小输出功率准则求得自适应权值，并对相应的输出进行自适应加权6。

天线阵列及列子阵波束合成1将相控阵的面阵合成为线阵接收，降低系统杂波自由度。波束控制器3的作用是根据目标信号的方位产生波束控制信号，控制数字波束形成器4产生与目标信号方位对应的主波束和相邻的辅助波束。模/数转换2的作用是将天线列子阵送来的模拟信号转换为数字信号后供数字波束形成器4产生多波束。

数字波束形成器4和离散傅里叶变换5对空域和时域信号进行变换，形成空域多波束和时域多通道，降低处理维数。自适应处理7对主波束输出的多个相邻的多普勒通道和检测通道的多个相邻波束输出的杂波构成协方差矩阵进行自适应处理，求取自适应权值，并对自适应加权6后的输出进行求和。