機載雙基地雷達距離模糊雜波抑制方法性能研究

張柏華， 謝文沖， 王永良， 張永順

(1.空軍工程大學導彈學院，陜西 三原 713800;2.空軍雷達學院重點實驗室，武漢 430019)

0 引言

空時自適應處理(STAP)是機載雷達的一項關鍵技術，對該技術的研究已進行了三十多年，主要是圍繞單基地機載雷達展開的，STAP技術的主要目的是實現機載雷達對雜波和干擾的有效抑制［1］。近年來STAP技術在機載雙基地雷達中的應用已成為雷達領域的熱點研究方向。

雙基地雷達由于在雷達“四抗”方面的潛在優勢在近年來得到快速發展和廣泛的應用，也是當今雷達研究領域的一大熱點［2］。在單基地雷達空時自適應處理技術逐漸走向成熟和進入工程化的同時，人們很自然地把目光投向了雙基地空時自適應處理的研究。機載雙基地雷達工作時由于載機的運動、雷達的下視工作和收發分置，使得雷達接收的地雜波明顯增強，且有多普勒頻移和距離相關性。雙基地機載雷達表現出更復雜的雜波特性，雜波呈現嚴重的非均勻性，使得雙基地機載雷達的雜波抑制難度增大，特別是如果加上距離模糊的影響，抑制雜波的難度將進一步加大。

為了克服雜波非均勻特性對機載雙基地STAP運動目標檢測性能的影響，近幾年一些學者提出了諸如多普勒翹曲［3］(DW)、高階多普勒翹曲［4］(HODW)、角度 － 多普勒補償［5］(ADC)、基于配準補償［6］(RBC)、自適應補償［7－9］、逆協方差矩陣線性預測［10－11］(PICM)、空時內插［12］(STINT)、基于配準的非均勻采樣補償［13］(RBNFS)等方法。其中，DW 方法實現簡單，但是它僅僅在多普勒域補償了主瓣雜波譜中心，整體雜波譜并沒有完全得到補償;HODW方法性能比DW方法有一定程度改善，但是存在傅里葉變換導致的“籬笆柵格”現象;ADC方法在角度－多普勒域進行雜波譜中心補償，但是需要利用慣導提供的系統參數，當系統參數存在誤差時ADC方法性能嚴重下降;RBC在理想情況下能得到很好的性能，但是雜波譜峰值的估計精度、計算量及方法的魯棒性不容忽視;自適應補償雖然不需知道配置參數，在理想情況下性能也很好，但是實際中每個距離門數據的協方差數據極不穩定，導致性能下降很多;PICM方法雖然無需知道飛行和配置參數，但需要額外增加很多計算量;STINT方法與RBC方法類似，只是把雜波譜搬移到一個虛擬的位置;RBNFS方法在角度－多普勒域通過非均勻采樣提取雜波譜中心，并利用最小二乘估計雜波譜中心的幅度，完成對非均勻雜波的補償。上述方法均未考慮雜波距離模糊的影響。本文首先分析了存在距離模糊時的雙基地機載雷達雜波分布特性，考慮到篇幅，只選擇了DW，ADC和RBNFS三種典型機載雙基地雷達距離非均勻補償方法在兩種機載雙基地配置下的抑制距離模糊雜波的性能進行研究比較，最后給出了有益的結論。

1 機載雙基地雷達雜波模型

圖1給出了機載雙基地雷達在任意幾何配置下的幾何關系，其中VT，VR分別是發射、接收平臺載機的飛行速度;ψT，ψR分別是地面雜波散射點相對于發射、接收平臺飛行方向的錐角，本文假設雷達天線都是正側面放置，所以ψT，ψR也分別是發射、接收天線軸向與地面雜波散射點的錐角;θT，θR分別是發射、接收雷達天線波束指向相對于基線方向的方位角;δT，δR分別是發射、接收平臺載機飛行方向相對于基線方向的方位角;φT，φR分別是雜波散射體相對于發射、接收平臺天線軸向的俯仰角;hT，hR分別是發射、接收平臺載機的飛行高度;L是雙基地基線長度;RS是雙基地探測距離和;RR和RT分別是接收機和發射機到雜波點的距離。

圖1 機載雙基地幾何配置關系圖Fig.1 The geometry configuration for airborne bistatic radar

由圖1可以得到機載雙基地雷達接收回波的多普勒頻率為

其中:

假設天線為正側面放置，則 δT，δR均為0，由圖1的幾何三角關系可推出如下公式:

從式(8)可解出RR，然后將上述公式代入式(1)、式(2)便可得到接收回波的多普勒頻率fd關于參變量θR的依賴于接收機空間錐角和雙基地探測距離和兩個變量的函數表達式如下:

需要指出的是，式(8)中RR有兩個解:式(10)，當 π/2≤θR≤3π/2 時，取加號;當 θR≤π/2 或 θR≥3π/2，取減號。通過仿真，便可以得到任意幾何配置、載機任意飛行方向、天線任意安置條件下，接收平臺錐角－地雜波多普勒的二維圖。

2 機載雙基地雷達存在距離模糊時的雜波譜特性

為了分析方便，本文選擇了圖2的兩種典型配置進行了仿真，其中接收、發射天線均為正側面放置。仿真具體參數為:陣元數N=8，脈沖數K=16，雜噪比60 dB，基線距離為80 km，雙基地距離和為130 km，發射載機和接收載機高度均為8 km，飛行速度均為140 m/s，工作波長 λ=0.23 m，脈沖重復頻率 fr=2434.8 Hz，最大作用距離400 km，此時，有3個模糊距離:130 km，53.21 km，76.42 km，考慮到天線背面的輻射很弱，在此沒有考慮，假定脈沖追趕準確同步，接收主波束指向陣面法向。

圖2 兩種典型配置情況圖Fig.2 Two typical configurations

圖3～圖6給出了典型配置一、二不存在距離模糊和存在距離模糊時的雜波特征譜和功率譜等高線圖。

圖3 配置一不存在距離模糊的情形Fig.3 Configuration 1 without range ambiguity

圖4 配置一存在距離模糊的情形Fig.4 Configuration 1 with range ambiguity

圖5 配置二不存在距離模糊的情形Fig.5 Configuration 2 without range ambiguity

圖6 配置二存在距離模糊的情形Fig.6 Configuration 2 with range ambiguity

從圖中可以看出:一方面，當存在距離模糊時雜波協方差矩陣的大特征值個數(即:雜波自由度)大大增加，雜波自由度從30左右增加到60多，其中配置二時比配置一時略微多一點;另一方面，雜波功率譜也由于距離模糊而大大展寬。以上兩種因素給傳統STAP方法的雜波抑制性能帶來了很大的影響。

3 機載雙基地雷達存在距離模糊時典型補償方法的性能仿真與分析

本節以3DT方法為例對DW，ADC和RBNFS 3種方法在圖2配置一、二時存在三重距離模糊時的性能進行比較。其中，DW，ADC和RBNFS等3種補償類方法均是首先對回波數據進行補償處理，然后再通過3DT方法進行雜波抑制處理，仿真參數同上節。為了避免出現矩陣奇異現象，RBNFS方法中利用最小二乘準則估計雜波幅度時進行了對角加載，加載量為0.01。

圖7～圖10給出了配置一時不補償以及經DW，ADC，RBNFS方法3種補償后的雜波特征譜和功率譜等高線圖(理想情況下雜波特征譜、功率譜等高線圖見上節圖4、圖6)。

圖7 配置一未補償情形Fig.7 Configuration 1 without compensation

圖8 配置一DW方法補償Fig.8 Configuration 1 using DW method

其中，理想情況下的雜波協方差矩陣由矩陣直接生成，不補償和3種補償方法由鄰近距離門樣本經訓練得到。從圖中可以看出，由于存在距離模糊，即使理想情況下雜波自由度(即:大特征值個數)也遠多于單基地正側面時的N+K－1(23)個，達到60以上;不補償時雜波大的特征值個數最多，達到80以上，其雜波功率譜也展寬最多;經DW和ADC補償后，大的特征值個數略有降低，雜波功率譜展寬也有所改善;經RBNFS補償后大特征值個數和雜波功率譜寬度就和理想情況下很接近了。

圖9 配置一ADC方法補償性能Fig.9 Configuration 1 using ADC compensation method

圖10 配置一RBNFS方法補償性能Fig.10 Configuration 1 using RBNFS compensation method

圖11～圖14給出了配置二時不補償以及經DW，ADC，RBNFS方法3種補償后的雜波特征譜和功率譜等高線圖。從圖中可以看出，相對配置一，配置二時理想情況下的大特征值個數又增加很多，達到80以上，雜波功率譜相對配置一也復雜很多，這說明雙基地配置是影響雜波特性的重要因素;不補償時的大特征值個數則達到了100以上，經DW，DC補償后性能有所改善;經RBNFS補償后的性能亦沒有配置一時的改善明顯。

圖11 配置二未補償情形Fig.11 Configuration 2 without compensation

圖12 配置二DW方法補償Fig.12 Configuration 2 using DW compensation method

圖13 配置二ADC方法補償Fig.13 Configuration 2 using ADC compensation method

圖14 配置二RBNFS方法補償Fig.4 Configuration 2 using RBNFS compensation method

圖15、圖16給出了配置一、二不存在和存在距離模糊時的不補償和3種補償方法的STAP改善因子比較圖。從圖中可以看出:一方面，由于存在距離模糊，3種典型補償類STAP方法的主雜波凹口區相對沒有距離模糊時均存在一定程度的展寬，不補償時尤為明顯;另一方面，當存在距離模糊時，3種典型補償類STAP方法中DW和ADC的雜波抑制性能下降較為明顯，而RBNFS方法仍能保持較好的雜波抑制性能。

圖15 配置一補償類STAP方法改善因子比較Fig.15 IF for compensating method of STAP in configuration 1

圖16 配置二補償類STAP改善因子比較Fig.16 IF for compensating method of STAP in configuration 2

4 結論

本文基于機載雙基地雷達雜波模型，分析了機載雙基地雷達雜波譜在距離模糊情況下的空時分布特性，并對機載雙基地雷達存在距離模糊時典型補償類STAP方法的雜波抑制性能進行了分析。通過仿真分析可以看出，機載雙基地雷達配置下距離模糊對傳統STAP方法的雜波抑制性能影響很大，現有的雙基地機載雷達補償類STAP方法在存在距離模糊時性能改善受到一定程度的限制，相對而言，RBNFS方法的雜波抑制性能較好。下一步的主要工作將是研究存在距離模糊情況時的有效的機載雙基地雷達STAP雜波抑制方法。

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