變速平臺(tái)STAP的數(shù)據(jù)域補(bǔ)償方法

徐雪菲, 廖桂生, 許京偉

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

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變速平臺(tái)STAP的數(shù)據(jù)域補(bǔ)償方法

徐雪菲, 廖桂生, 許京偉

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

摘要：空時(shí)自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing,STAP)是抑制因平臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致譜展寬的地物雜波的有效技術(shù),近三十年來(lái)受到廣泛關(guān)注,其中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)通常假設(shè)為勻速。分析了變速平臺(tái)情況下地物回波多普勒譜特性,相比傳統(tǒng)勻速平臺(tái)情況,雜波回波的多普勒譜展寬更嚴(yán)重,且展寬程度與陣列面向、散射點(diǎn)位置以及脈沖積累均有關(guān);因此,變速平臺(tái)情況下,直接采用傳統(tǒng)的STAP方法,其雜波抑制性能,尤其是在主雜波區(qū)的性能變差,嚴(yán)重降低慢速目標(biāo)檢測(cè)性能。對(duì)此,提出一種基于數(shù)據(jù)域的補(bǔ)償方法,通過(guò)構(gòu)造補(bǔ)償矩陣抑制加速度在相位上產(chǎn)生的增量,從而抑制雜波的多普勒譜展寬。仿真結(jié)果表明,所提方法可使雜波多普勒譜變窄、STAP的雜波抑制改善因子提高,尤其慢速目標(biāo)的檢測(cè)性能明顯提高。

關(guān)鍵詞：空時(shí)自適應(yīng)處理; 機(jī)動(dòng)平臺(tái); 雜波抑制; 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

0引言

運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地物雜波各散射體相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度隨其到達(dá)方位角變化而變化,同一距離環(huán)的雜波同時(shí)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī),其多普勒譜展寬。空時(shí)自適應(yīng)處理空時(shí)自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing,STAP)是有效抑制因平臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致多普勒譜展寬的地物雜波的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。近三十余年來(lái),STAP技術(shù)被廣泛研究[1-3]。然而,文獻(xiàn)中相關(guān)STAP技術(shù)的研究基本上是基于勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。但是,實(shí)際中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)并非總是勻速的。平臺(tái)的非理想運(yùn)動(dòng)是由橫滾、偏航、顛簸和變速等造成的。對(duì)于非理想運(yùn)動(dòng)平臺(tái)STAP處理問(wèn)題,文獻(xiàn)[3]給出了在橫滾情況下前視陣列輸出SINR的變化;同時(shí),在偏航情景下給出了一個(gè)3通道預(yù)多普勒STAP算法抑制雜波性能變差的例子。文獻(xiàn)[4]考慮了平臺(tái)機(jī)動(dòng)情況下天線面向和照射區(qū)域的空間位置變化,引入了隨脈沖變化而變化的空間幾何模型,仿真驗(yàn)證了在此情況下會(huì)導(dǎo)致雜波抑制改善因子性能曲線的凹口展寬、最小可檢測(cè)速度(minimal discernable velocity, MDV))性能惡化。文獻(xiàn)[5]指出慢速目標(biāo)檢測(cè)性能對(duì)平臺(tái)的橫滾運(yùn)動(dòng)敏感。文獻(xiàn)[6]給出了一種平臺(tái)俯沖運(yùn)動(dòng)下的STAP模型,并提出了一種基于參數(shù)模型和配準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)碾s波抑制方法。

實(shí)際上,對(duì)于非理想運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下STAP,雜波譜是距離依賴的,雜波呈現(xiàn)非均勻性,即各個(gè)距離門的雜波不服從獨(dú)立同分布。非均勻或非平穩(wěn)雜波的抑制問(wèn)題,文獻(xiàn)上已經(jīng)有很多工作。文獻(xiàn)[7]提出一種利用卡爾曼濾波器抑制地雜波的方法,該方法無(wú)需估計(jì)雜波協(xié)方差矩陣,避免了非平穩(wěn)雜波造成的性能損失。利用知識(shí)輔助和先驗(yàn)信息抑制非均勻雜波也是目前較流行的方法,文獻(xiàn)[8]提出一種利用極化信息輔助的空時(shí)處理方法,通過(guò)極化分類和功率分組指導(dǎo)選擇訓(xùn)練樣本。文獻(xiàn)[9]提出一種基于子空間的陣元誤差估計(jì)方法,提高了基于知識(shí)輔助樣本挑選的穩(wěn)健性。文獻(xiàn)[10]給出了一種在知識(shí)輔助約束情況下的到的最大似然協(xié)方差矩陣的近似形式。文獻(xiàn)[11-12]分析了雜波的稀疏性,認(rèn)為STAP算法的最優(yōu)權(quán)是稀疏的,并提出一個(gè)稀疏規(guī)范約束最小方差準(zhǔn)則。關(guān)于雜波的稀疏性文獻(xiàn)[13]給出了一個(gè)利用壓縮感知重構(gòu)目標(biāo)信號(hào)的方法。文獻(xiàn)[14]針對(duì)非均勻環(huán)境下難以獲得足夠樣本問(wèn)題提出一種基于壓縮感知的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[15]表明將降秩的思想應(yīng)用到幅度相位估計(jì)的方法中,可以提高非均勻情況下STAP算法的性能。天線陣列誤差、平臺(tái)非理想運(yùn)動(dòng)、雜波內(nèi)部運(yùn)動(dòng)(如海雜波)等很多因素會(huì)導(dǎo)致雜波譜或干擾譜展寬,使得傳統(tǒng)的陣列自適應(yīng)波束形成零陷不足以抑制干擾,文獻(xiàn)[16-17]提出了一種較為通用的協(xié)方差矩陣錐化方法,加寬自適應(yīng)處理的零陷來(lái)抑制譜展寬的干擾或雜波。上述非均勻雜波抑制問(wèn)題的研究具代表性,但并沒有涉及機(jī)動(dòng)平臺(tái)非均勻雜波問(wèn)題,機(jī)動(dòng)平臺(tái)下的非均勻雜波問(wèn)題還需提出新方法。

本文針對(duì)平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)情況,推導(dǎo)了地雜波的回波模型,發(fā)現(xiàn)平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致回波時(shí)域?qū)蚴噶肯辔划a(chǎn)生增量項(xiàng)。時(shí)域?qū)蚴噶慨a(chǎn)生的增量與加速度、散射點(diǎn)所在距離和積累脈沖數(shù)有關(guān),導(dǎo)致空時(shí)二維雜波譜沿多普勒軸擴(kuò)散,擴(kuò)散量隨脈沖數(shù)變化而變化,即時(shí)變多普勒譜。在非正側(cè)面陣情況下,雜波譜還是距離依賴的,隨距離變化呈現(xiàn)非均勻性。本文從三種天線陣列面向出發(fā),分析了變速平臺(tái)相應(yīng)的多普勒擴(kuò)散規(guī)律,進(jìn)而提出一種壓窄雜波譜擴(kuò)散的數(shù)據(jù)域補(bǔ)償STAP方法,本文方法也屬于文獻(xiàn)[17]提出的CMT方法類,但是,具體實(shí)現(xiàn)方法不同。

1信號(hào)模型

圖1　雷達(dá)工作幾何構(gòu)型

假設(shè)在相干處理時(shí)間內(nèi),雷達(dá)接收的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后用三維數(shù)據(jù)矩陣表示,該長(zhǎng)方體由L片數(shù)據(jù)組成, L為距離單元、K是相干脈沖數(shù),M是天線陣元個(gè)數(shù)。把第i個(gè)距離單元的空時(shí)快拍數(shù)據(jù)拉成N×1維(N=K×M)的列向量r(i),1≤i≤L。

令平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度方向歸一化矢量為v=(vx,vy,vz)T(‖v‖=1),加速度矢量與速度矢量一致,則平臺(tái)的速度可表示為(v0+atk)v,空間(θ,φ)方向?qū)?yīng)的方向矢量為u=(cosφcosθ, cosφsinθ, sinφ)T。陣元位置表示為e=(e1, e2, …, eM),其中em=(emx,emy,emz)T為第m個(gè)陣元的位置矢量。假設(shè)散射點(diǎn)P(θ,φ)位于第i個(gè)距離單元上,則第m個(gè)陣元第k次脈沖接收P點(diǎn)回波延時(shí)可表示為

(1)

散射點(diǎn)P處回波信號(hào)經(jīng)混頻、脈壓處理后可表示為

(2)

式中,λc為載波的波長(zhǎng),雷達(dá)載頻fc=c/λc,c為電磁波傳播速度(光速);σp為散射點(diǎn)P的后向散射系數(shù);gp為散射點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的天線增益,均為θ的函數(shù)。第2個(gè)指數(shù)項(xiàng)表示接收陣元相位中心所在的平面波前相位,第3個(gè)指數(shù)項(xiàng)表示多由普勒頻率決定的相位。

假定天線背板有良好的隔離性。雷達(dá)接收同一個(gè)距離單元回波,是在天線照射范圍內(nèi)θ∈(θp, π+θp)回波數(shù)據(jù)的積分。第i個(gè)距離單元(俯仰角為φ)的回波信號(hào)經(jīng)混頻、脈壓處理后可表示為

(3)

式中,w(m,k)表示加性高斯白噪聲。將式(2)中第1個(gè)指數(shù)項(xiàng)歸入回波后向散射系數(shù)之后代入式(3),可得到第i個(gè)距離單元處雷達(dá)回波空時(shí)快拍數(shù)據(jù)矢量雜波分量為

(4)

其中

(5)

(6)

式中，ss、st為上述散射點(diǎn)P(θ,φ)雜波的空域?qū)蚴噶亢蜁r(shí)域?qū)蚴噶?是M×1和K×1的列向量; ?代表Kronecker積;⊙代表Hadamard積。其中,stv,sta分別代表式(6)中乘積⊙前后兩項(xiàng)。

從式(6)可以看出,變速平臺(tái)情況下,時(shí)域?qū)蚴噶縮t與傳統(tǒng)勻速平臺(tái)下表示不同,加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下時(shí)域?qū)蚴噶靠刹鸱譃閮身?xiàng),第1項(xiàng)stv與傳統(tǒng)勻速平臺(tái)一致,第2項(xiàng)sta是平臺(tái)的加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,而兩種情況下空域?qū)蚴噶縮s不變。

2影響分析

本節(jié)分析平臺(tái)加速度對(duì)雜波分布的影響。考察式(6),可以看出,在平臺(tái)做勻加速運(yùn)動(dòng)的情況下,時(shí)域多出一個(gè)相位的因子項(xiàng),即

(7)

該增量不僅依賴于脈沖時(shí)間k,而且與雜波塊的空間位置有關(guān),是空時(shí)耦合的。為方便理解,這里從單個(gè)散射點(diǎn)的多普勒變化出發(fā),分析由于平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的接收數(shù)據(jù)的多普勒變化。由式(2)～式(6)可得,平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)情況下散射點(diǎn)P(θ,φ)在第k個(gè)脈沖時(shí)刻的瞬時(shí)多普勒頻率為

(8)

式中,當(dāng)a=0時(shí),即平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)下,散射點(diǎn)P的多普勒頻率為

(9)

對(duì)比式(8)與式(9)得,雷達(dá)平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),在一個(gè)相干處理時(shí)間內(nèi),單個(gè)散射點(diǎn)回波的多普勒是一固定值,然而平臺(tái)存在加速度的情況下,散射點(diǎn)P的多普勒隨脈沖數(shù)而變化,是時(shí)變譜。此時(shí)域信號(hào)的瞬時(shí)多普勒帶寬為

(10)

對(duì)于俯仰角為φ的距離單元,其瞬時(shí)多普勒帶寬為

(11)

從式(10)和式(11)可以看出,多普勒帶寬除了跟脈沖數(shù)有關(guān),與散射點(diǎn)空間位置(包括俯仰和方位兩方面)也有關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)距離單元(俯仰角相同),不同方位角的散射點(diǎn)多普勒帶寬不同。對(duì)于不同陣元接收的回波數(shù)據(jù),雖然可以利用數(shù)學(xué)表達(dá)式區(qū)分,但由于雷達(dá)接收數(shù)據(jù)是各距離單元的半圓環(huán)積分(疊加)的結(jié)果,所以相同斜距散射點(diǎn)的數(shù)據(jù)是同時(shí)錄入雷達(dá)的。目前并沒有有效的辦法從接收數(shù)據(jù)中分離出不同方位角散射點(diǎn)的多普勒,只能按距離環(huán)單元區(qū)分。

下面定量分析影響,從式(10)、式(11)可得平臺(tái)飛行的正前方散射點(diǎn)多普勒帶寬最寬,即當(dāng)(θ=0, φ=0)時(shí),瞬時(shí)多普勒帶寬為

(12)

STAP中,一般利用不同距離門回波數(shù)據(jù)進(jìn)行平均獲得協(xié)方差矩陣。上面分析表明,變速平臺(tái)導(dǎo)致雜波譜展寬是時(shí)變的、距離依賴的且空時(shí)耦合的,直接按傳統(tǒng)方法進(jìn)行距離門回波數(shù)據(jù)平均,估計(jì)的協(xié)方差矩陣存在較大誤差。

對(duì)于相控陣?yán)走_(dá),由于陣列天線的面向不同(即θp變化),接收雜波回波信號(hào)的時(shí)域部分與空域部分耦合關(guān)系也隨著θp變化而變化,對(duì)于不同的面向的陣列天線,由于主瓣方位為90°+θp(假定天線指向方位角均為90°),因而多普勒擴(kuò)散的程度不同;同時(shí)不同俯仰角也會(huì)導(dǎo)致多普勒擴(kuò)散程度不同。下面選取3種不同面向的陣列,分析由于平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)造成的多普勒擴(kuò)散。

為了直觀表現(xiàn)平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)對(duì)接收雜波回波信號(hào)的多普勒的影響,本文仿真了平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)情況下多普勒的變化,具體分為正側(cè)視天線、45°斜視天線和前視天線3種情況,分別對(duì)這3類天線照射范圍內(nèi)不同方位角和俯仰角的區(qū)域做多普勒分析。表1列出了仿真參數(shù)。

表1　多普勒擴(kuò)散仿真參數(shù)

(1) 正側(cè)視陣列(ULA與載機(jī)飛行方向的夾角θp=0°)

圖2為勻變速平臺(tái)下正側(cè)視陣列 多普勒增量—方位角余弦關(guān)系圖。

從圖2可以看出,當(dāng)載機(jī)勻變速運(yùn)動(dòng)時(shí),前視陣列主波束中心處(即cos(θ-θp)=0),多普勒不變,而在除主波束之外的旁瓣區(qū)域,隨著脈沖數(shù)的增加,多普勒出現(xiàn)變化而導(dǎo)致擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生,并且隨著偏離主瓣方位角越大,積累脈沖數(shù)越多,多普勒擴(kuò)散現(xiàn)象越嚴(yán)重。同時(shí),多普勒變化程度還與俯仰角有關(guān),俯仰角越小(距離越遠(yuǎn)),多普勒擴(kuò)散越嚴(yán)重,這是多普勒展寬與雜波的距離依賴耦合后的結(jié)果。

(2) 前視陣列(ULA與載機(jī)飛行方向的夾角θp=90°)

圖3為勻變速平臺(tái)下前視陣列多普勒增量—方位角余弦關(guān)系圖。

圖3與圖2只存在陣列面向不同的差別。從圖3可以看出,當(dāng)載機(jī)勻變速運(yùn)動(dòng)時(shí),前視陣列在主波束中心處,多普勒變化明顯,然而隨著偏離主瓣的方位角變大,多普勒擴(kuò)散現(xiàn)象減弱,與正側(cè)視陣列多普勒變化規(guī)律恰好相反,這是因?yàn)閮煞N陣列的面向恰好相差90°,前視陣列的主瓣方向指向載機(jī)飛行前方,相對(duì)其他方位向該方向多普勒變化是最大的,而正側(cè)視陣列主瓣所指方向?yàn)槎嗥绽兆兓钚》较颉Ａ硗?前視陣列多普勒變化程度與俯仰角的關(guān)系與正側(cè)視陣列情況一致,都是俯仰角越小,多普勒擴(kuò)散越嚴(yán)重,并隨著脈沖積累增多而愈加明顯。

(3)斜視陣列(ULA與載機(jī)飛行方向的夾角θp=45°)

圖4為勻變速平臺(tái)下斜視陣列(θp=45°) 多普勒增量—方位角關(guān)系圖。

圖2　勻變速平臺(tái)下正側(cè)視陣列多普勒增量—方位角余弦關(guān)系圖

圖3　勻變速平臺(tái)下前視陣列多普勒增量—方位角余弦關(guān)系圖

圖4　勻變速平臺(tái)下斜視陣列(θp=45°)多普勒增量—方位角關(guān)系圖

從圖4可以看出,45°斜視陣列的多普勒變化情況介于正側(cè)視陣列和前視陣列之間,由于天線與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的最前方相差角度為θp所以,斜視陣多普勒擴(kuò)散最嚴(yán)重的地方在與陣面方位夾角為θp處。其余結(jié)論與正側(cè)視陣列和前視陣列一致。

從以上仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)平臺(tái)勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí),地雜波回波多普勒譜呈現(xiàn)時(shí)變特性,導(dǎo)致譜擴(kuò)散,其擴(kuò)散程度隨著空間和時(shí)間呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

3變速平臺(tái)補(bǔ)償方法

3.1傳統(tǒng)STAP方法

盡管STAP結(jié)構(gòu)和算法有很多種變形[1-4],但是本質(zhì)上,其最優(yōu)權(quán)矢量可以表示為

(13)

式中,β=1/rtR-1rt是一個(gè)標(biāo)量;rt是表示檢測(cè)目標(biāo)的空時(shí)導(dǎo)向矢量;R是雜波干擾噪聲的相關(guān)矩陣,是未知的,需要通過(guò)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均評(píng)估得到。

(14)

在第2節(jié)中,已經(jīng)分析,平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)使雜波時(shí)域?qū)蚴噶慨a(chǎn)生增量,該增量使得雜波譜出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象而且呈現(xiàn)距離依賴性。式(14)的具體實(shí)現(xiàn)成為關(guān)鍵。

3.2變速平臺(tái)STAP的數(shù)據(jù)域(陣元-脈沖域)補(bǔ)償方法

下面介紹在數(shù)據(jù)域上進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?該方法目的是補(bǔ)償?shù)艏铀俣仍隽宽?xiàng)。

實(shí)際中式(14)是采用不同距離單元雜波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。然而,變速平臺(tái)情況下,在不同的距離單元上,雜波的多普勒擴(kuò)散程度是分散的、并呈現(xiàn)距離依賴性,直接用不同距離單元雜波數(shù)據(jù)平均無(wú)法得到理想效果,需要補(bǔ)償各距離單元數(shù)據(jù)。這里把空域和時(shí)域一起考慮,按照不同的距離單元逐個(gè)對(duì)回波數(shù)據(jù)補(bǔ)償。定義矩陣

(15)

(16)

式(15)稱為補(bǔ)償矩陣,其中,Ts為M×1的單位列向量,與空域?qū)蚴噶肯鄬?duì)應(yīng),矩陣元素全為1意味著不對(duì)空域做補(bǔ)償處理

(17)

式中,φi為第i個(gè)距離單元對(duì)應(yīng)的俯仰角;θ0為主波束指向角;Tt(i)為一K×1列向量,矩陣元素與加速度a和脈沖積累數(shù)K有關(guān),該方法要求平臺(tái)加速度精確已知,即把平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的加速度作為先驗(yàn)信息。實(shí)際應(yīng)用中,可以采用雷達(dá)回波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)估計(jì)平臺(tái)的加速度[18]。

補(bǔ)償之后第i個(gè)距離單元的數(shù)據(jù)變?yōu)?/p>

(18)

在脈壓之后的接收數(shù)據(jù)相位上乘以補(bǔ)償矩陣T,是在每個(gè)脈沖時(shí)刻,對(duì)相同距離單元上不同方位角雜波塊,統(tǒng)一補(bǔ)償一個(gè)相位。本文提出的補(bǔ)償方法,實(shí)際上是對(duì)時(shí)域產(chǎn)生的增量進(jìn)行補(bǔ)償,這樣即可以減弱在相干積累時(shí)間內(nèi)由加速度積累引起的相位偏移,從而抑制雜波譜擴(kuò)散,使自適應(yīng)濾波處理之后的凹口變窄,從而提高SINR。由于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于目標(biāo)和地面是平等的,在地雜波和目標(biāo)的回波中均有體現(xiàn),所以該方法不必區(qū)分待檢測(cè)單元和訓(xùn)練樣本,適用于對(duì)所有距離單元補(bǔ)償。

進(jìn)一步對(duì)補(bǔ)償之后的雜波協(xié)方差矩陣分析推導(dǎo),可得到本文提出在數(shù)據(jù)域?qū)?duì)雜波補(bǔ)償?shù)乃枷肱c一般的波束形成方法的聯(lián)系。考慮補(bǔ)償之后對(duì)雜波數(shù)據(jù)求協(xié)方差矩陣,可以推導(dǎo)得到

(19)

式(19)表明,在數(shù)據(jù)域(陣元-脈沖域)對(duì)接收雜波數(shù)據(jù)做向量相乘處理,等效于在雜波協(xié)方差矩陣出做矩陣相乘補(bǔ)償。這即是波束形成中的CMT思想,所以,本文方法可以看成文獻(xiàn)[17]的一種實(shí)現(xiàn)。

4仿真結(jié)果

第2節(jié)的性能分析表明,前視天線接收的地物雜波的多普勒擴(kuò)散現(xiàn)象多出現(xiàn)在主瓣雜波區(qū),相比其他面向的陣列雜波多普勒擴(kuò)散問(wèn)題更嚴(yán)重。為更直接、準(zhǔn)確評(píng)估平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)造成的雜波譜擴(kuò)散對(duì)STAP方法的影響,本文給出前視陣列天線的仿真實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榍耙曣嚵薪邮栈夭ň哂泻軓?qiáng)的距離依賴性,通常利用直接數(shù)據(jù)域(D3)方法估計(jì)雜波噪聲協(xié)方差矩陣。當(dāng)然,本文的補(bǔ)償方法可以直接應(yīng)用于采用不同距離單元估計(jì)協(xié)方差矩陣的統(tǒng)計(jì)方法。D3方法與基于統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)方法相比,核心是選取單一距離單元作為訓(xùn)練樣本,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)滑窗處理增加樣本數(shù)目,再利用滑窗得到的樣本進(jìn)行相關(guān)矩陣估計(jì),該方法可以可避免引入由距離依賴性造成的雜波譜分布不均勻問(wèn)題,同時(shí),小樣本情況比基于統(tǒng)計(jì)的方法有更好的雜波抑制效果。

仿真給出了勻速平臺(tái)、勻加速度平臺(tái)和用本文提出方法做補(bǔ)償處理后前視陣列的地雜波譜的分布特性,并比較了3種情況下利用自適應(yīng)處理方法做雜波抑制之后的濾波響應(yīng)。最后給出了3種情況下目標(biāo)所在處的改善因子比較。表2列出了雷達(dá)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置。

表2　雷達(dá)系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5分別給出了勻速平臺(tái)、勻加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和利用本文方法補(bǔ)償后的勻加速平臺(tái)下前視陣列的雜波譜(Capon譜)分布。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以看到勻加速平臺(tái)相比勻速平臺(tái)的譜擴(kuò)散嚴(yán)重,并且主瓣區(qū)域展寬嚴(yán)重。對(duì)比圖5(b)和圖5(c),可以看到,利用本文提出的補(bǔ)償方法,主瓣區(qū)域的雜波譜明顯變窄。

圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)分別為圖5提到的3種情況下,通過(guò)自適應(yīng)波束形成方法濾波處理后的雜波抑制效果。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)看到勻加速平臺(tái)下自適應(yīng)濾波處理之后凹口明顯變寬,STAP處理之后被抑制的部分比勻速平臺(tái)大很多,這意味著滿足被抑制部分的空域-時(shí)域關(guān)系的目標(biāo)都不可檢測(cè),降低了檢測(cè)性能。圖6(b)和圖6(c)表明,利用本文提出的補(bǔ)償方法,可以使雜波抑制之后的凹陷程度減小,提高檢測(cè)性能。

下面給出利用自適應(yīng)波束形成方法分別對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、勻加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和利用本文提出補(bǔ)償方法對(duì)勻加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)補(bǔ)償處理這3種情況下,改善因子的結(jié)果圖。

圖5　前視陣列雜波譜分布

圖6　前視陣列自適應(yīng)波束處理響應(yīng)

圖7的結(jié)果與圖5和圖6的結(jié)果一致。即勻加速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下檢測(cè)性能下降嚴(yán)重,通過(guò)本文提出的補(bǔ)償方法,可以有效補(bǔ)償由平臺(tái)加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的性能損失。

圖7　改善因子比較

圖7表明,本文提出的補(bǔ)償辦法可使改善因子下降曲線變窄,接近勻速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的情況。本文提出的方法是對(duì)不同方位統(tǒng)一補(bǔ)償相同的值,由于各個(gè)方位上的擴(kuò)散不同,因此不同方位上對(duì)于多普勒擴(kuò)散抑制程度不同,并不能完全消除多普勒擴(kuò)散的影響。因而補(bǔ)償后的改善因子與勻速平臺(tái)的改善因子尚有差距。另外,加速度的估計(jì)誤差也會(huì)造成誤差,但影響較小基本上可以忽略。

5結(jié)論

本文分析了在勻加速平臺(tái)下,雷達(dá)接收地物回波的多普勒特性。變速平臺(tái)較傳統(tǒng)勻速平臺(tái)會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)接收地物回波的多普勒譜為時(shí)變譜,并進(jìn)一步展寬,其展寬程度與陣列面向和散射點(diǎn)所在距離以及脈沖積累均有關(guān),雜波譜呈現(xiàn)距離依賴性,導(dǎo)致傳統(tǒng)STAP方法的雜波抑制性能惡化。本文提出一種基于數(shù)據(jù)域的補(bǔ)償方法,通過(guò)構(gòu)造數(shù)據(jù)補(bǔ)償矩陣抑制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加速度產(chǎn)生的增量項(xiàng)。仿真結(jié)果表明,利用本文方法,可顯著提升慢速目標(biāo)的檢測(cè)性能。

同樣的處理方法,也可應(yīng)用于點(diǎn)目標(biāo)機(jī)動(dòng)情況下的相干積累,利用類似的思想,對(duì)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)蚴噶窟M(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償之后,可以把目標(biāo)的多普勒補(bǔ)償?shù)酵活l點(diǎn),從而提高雷達(dá)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的積累和檢測(cè)性能

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徐雪菲(1990-),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)榭諘r(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理。

E-mail:iexuxuefei@163.com

廖桂生(1963-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

E-mail:liaogs@xidian.edu.cn

許京偉(1987-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)榭諘r(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理。

E-mail:xujingwei1987@163.com

Data domain compensation for STAP with maneuvering platform

XU Xue-fei, LIAO Gui-sheng, XU Jing-wei

(NationalLaboratoryofRadarSignalProcessing,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Abstract:Space-time adaptive processing (STAP) has received much attention in recent 30 years, because it is an effective technology in suppressing the ground clutter whose Doppler spectrum is spread due to the motion of the platform. In the situation of STAP with maneuvering platforms, the Doppler spectrum of the clutter will be broadened further compared with that of the constant velocity platforms, and the Doppler spread is related to the direction of the linear arrays, the positions of the scatters and the number of pulses. Consequently, in maneuvering platform situations, the system performance will be decreased significantly if the conventional STAP method is used directly, especially in the main lobe area. To solve this problem, a data domain-based compensation method which can decrease the additional phase factor due to the acceleration of the moving platform is proposed in this paper. The narrowed down Doppler spectrum of the clutter with the proposed method is shown in the simulation and the improved minimal discernable velocity (MDV) is shown by the improvement factor (IF) curves.

Keywords:space-time adaptive processing (STAP); maneuvering platform; clutter suppression; motion compensation

收稿日期：2015-04-27；修回日期：2015-11-12；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-01-27。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61231017)資助課題

中圖分類號(hào)：TN 957

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.01

作者簡(jiǎn)介：

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160127.1541.002.html