CN110632573B - 一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，将距离脉压以后的三维雷达回波数据通过距离傅里叶变换至距离频域；采用方位‑阵元的两维插值的keystone变换，消除时域距离徙动和空域孔径渡越；通过逆傅里叶变换回距离时域；选取合适样本进行杂波协方差估计；经过空时二维keystone变换以后的宽带雷达回波符合窄带假设，利用估计得到的协方差进行STAP处理。该方法能够在雷达带宽较高条件下，解决杂波谱二维展宽的影响，提高动目标的信杂噪比(SCNR)，是一种实用的机载宽带雷达STAP信号处理技术；解决由空时杂波谱两维扩展导致的杂波抑制效果降低的问题，提高宽带雷达STAP性能。

Description

一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法

技术领域

本发明属于机载雷达阵列信号处理杂波抑制技术，具体涉及一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法。

背景技术

地面动目标指示(GMTI)一直以来是机载雷达面临的一个难题，这是由于当雷达下视时，平台运动导致的地杂波谱展宽，使得慢速运动目标回波信号在时、频、空域均淹没于地杂波信号中。这使得超低副瓣技术以及早期基于时域处理的单天线动目标指示(MTI)雷达或脉冲多普勒(PD)雷达均无法完成对其检测。除此之外，现代战争中各种隐身飞机、巡航导弹已成现实危险，进一步提升机载雷达杂波背景下对隐身和慢速运动目标的探测性能已成为急需解决的技术问题。

上世纪70年代，在对杂波谱二维耦合特性充分认识的基础上，Reed等人将阵列信号处理技术扩展至阵元(空)、脉冲(时)两域，从而奠定了STAP技术的理论基础。STAP通过空-时二维自适应滤波的方法，有效实现了地、海杂波的抑制，显著提高了运动平台雷达对慢动目标的检测性能。经过近50年的研究与探索，STAP技术在理论上日趋成熟，以美国为代表的发达国家已经开始了将其用于新型预警机的实践，如2007年亮相的“先进鹰眼”E-2D预警机上搭载的SPY-9雷达，就采用了STAP作为其信号处理方案，此外，我国现有的多型预警机雷达也将STAP作为信号处理的主要方案。

传统的机载预警雷达主要为窄带雷达，由于距离向分辨率低，难以进一步识别检测目标。随着科学技术的飞速进步，军事装备的快速升级，现代战争要求机载雷达除了能够检测目标外，还要进一步具备目标识别能力。为实现这一目标，现有雷达***的距离分辨率需进一步提升，因此，雷达工作带宽必须增加。除此之外，提高雷达分辨率也能改善检测目标的信杂噪比(SCNR)，同样也是提高机载雷达对隐身和慢速运动目标检测性能的有效手段。

然而，一方面，宽带空时自适应雷达能够提高目标的SCNR，有利于目标检测，另一方面，带宽的增加也同时带来了许多问题，同等条件下信号处理也更复杂。其中，一个重要原因在于，距离分辨率的提高使得回波信号在慢时间域的距离徙动及空域的孔径渡越现象更为明显，从而引起了二维的色散现象，杂波谱在空时两维存在扩展问题。而由于经典的窄带STAP理论中均假设回波信号为单频信号，处理中并不存在此类杂波谱扩展问题，故在用传统方法处理宽带数据时存在杂波抑制性能下降等一系列问题。现有的解决方案通过将宽带数据划分为多个子带，将子带数据近似为窄带数据，进行STAP处理，然后在最后进行合成处理。从该方案的信号处理流程来看，是一种可行的方案。然而，作为一种典型的多通道***，机载雷达在实际处理中，不同接收通道间的误差不可避免，独立计算每个子带的权矢量会导致信号幅度和相位的子带到子带的变化进而影响杂波抑制的效果。因此，如何在增大工作带宽条件下解决空时杂波谱展宽影响，提高杂波抑制效果提升分辨率，是宽带STAP技术在实际处理中必须解决的一个关键问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，能克服由增大发射带宽导致杂波谱展宽带来的杂波抑制效果下降的问题。

发明内容：本发明公开的一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，包括以下步骤：

(1)提取距离门区间的回波数据，并形成样本数据；

(2)将样本数据通过距离傅里叶变换至距离频域；

(3)在距离频域，对变换后的雷达回波数据采用方位-阵元的两维插值的二维keystone变换，消除时域距离徙动和空域孔径渡越；

(4)将经过空时二维keystone变换以后的三维雷达回波数据通过逆傅里叶变换回距离时域；

(5)对经过步骤(3)和步骤(4)变换后的三维雷达回波数据进行筛选，形成新的样本数据，并依据新的样本数据进行杂波协方差估计得到杂波协方差；

(6)经过空时二维keystone变换以后的宽带雷达回波符合窄带假设，利用步骤(5)得到的杂波协方差进行STAP处理。

进一步地，所述步骤(1)通过以下公式实现：

f(t,τ,x)＝s([r_min,r_max],t,τ,x)

其中，s(r,t,τ,x)，其中r表示距离门，r_max为回波信号中最大距离门和，r_min为回波信号中最小距离门，t表示慢时间变量，τ表示快时间变量，x表示阵元变量。

进一步地，所述步骤(3)所述的方位-阵元的二维keystone变换如下：

空时二维Keystone变换方法等价于对雷达的回波数据进行方位-阵元的两维插值处理，在方位域的Keystone变换主要是消除方位时间与距离频率耦合如下：

其中，t_a是变换后的时间，f_τ是雷达距离向频率，f₀是雷达中心频率，r_m+r’_mt+φ_m(t)为雷达阵元与杂波单元间距离的泰勒展开；

利用公式(10)，将公式(10)带入经过傅里叶变换至距离频域的雷达回波公式(4)中得：

在阵元域的Keystone变换主要是消除阵元距离与距离频率耦合如下：

其中，r_n+r’_nx+φ_n(x)为阵元间距杂波单元的路程差的泰勒展开，利用公式(12)，将公式(12)带入公式(13)得到时间域Keystone变换和阵元域Keystone变换以后即两维Keystone变换以后的回波信号：

进一步地，步骤(4)所述的新样本数据数量大于两倍脉冲数与阵元数的乘积。

进一步地，所述步骤(5)通过以下公式实现：

其中，L为样本数量，z_i是两维Keystone变换后的样本信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：很好的解决增大雷达发射带宽带来的杂波谱展宽问题，降低杂波秩从而使得宽带雷达回波数据适合STAP技术处理，提高了杂波抑制的效果性能，是一种实用的机载雷达宽带STAP的空时两维Keystone变换技术。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为机载雷达数据采集仿真模型图；

图3为窄带MVDR杂波谱(仿真数据)；

图4为宽带MVDR杂波谱(仿真数据)；

图5为宽带数据空时两维Keystone变换以后的MVDR杂波谱(仿真数据)；

图6为经过空时两维Keystone变换和未经过处理的宽带数据的STAP处理的改善因子对照图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

机载阵列雷达回波数据采集空间几何关系示意图如图2所示，设天线为均匀线阵，包括N个间隔为d的阵元，并设雷达波长为λ，φ，θ，α分别为方位角，俯仰角和偏航角。假设杂波可以分为独立的杂波单元，每个杂波环包含若干独立杂波单元。雷达每个阵元独立同时接收或发射信号，每个阵元接收回波是所有阵元发射信号回波的叠加。因此，假设雷达发射信号为线性调频信号，对于单阵元雷达，经过解调以后，一个独立杂波单元回波信号可表示为：

其中，rect[·]代表矩形窗函数，c为光速，t为慢时间变量,τ为快时间变量，x为线阵中阵元距第一个阵元的间距，r(t,x)是雷达相对杂波单元的距离,K是调频斜率。

在短CPI时间内以及阵元距杂波单元足够远的远场效应的条件下，等式(1)可以转化为：

其中，

接着对等式(2)的距离项时间τ进行傅立叶变换，将等式转换到距离频勒域，因此等式(2)可以表示为：

从等式(4)中可以看到回波相位信息中，方位向时间t以及阵列单元x和距离项频率f_τ存在耦合。这种信号的耦合，使目标存在着距离徙动和孔径渡越。正是距离徙动和孔径渡越的存在导致了在宽带条件下STAP中杂波谱的展宽。

为了解决宽带条件下STAP中杂波谱展宽的问题，使得宽带回波数据适合STAP处理，从而提高杂波抑制的效果。从运动目标回波信号距离和多普勒耦合的特点入手,消除回波中的距离徙动并且根据消除距离徙动原理推导出消除孔径渡越方法。

针对这种情况，本发明提出了一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法。该方法利用Keystone变换对动目标的距离走动进行补偿，消除了回波信号中的距离徙动。同时，利用Keystone变换，提出了阵列Keystone变换用，消除了回波信号中的孔径渡越效应。从而解决了STAP处理过程中杂波谱两维展宽的问题，提高了宽带条件下STAP处理的杂波抑制效果。由于该方法在时间域对回波进行Keystone变换处理，消除距离徙动，以及阵元域对回波进行阵元Keystone变换处理，消除孔径渡越，故将其称为宽带STAP的两维Keystone变换方法。其处理流程如图1所示，其主要步骤如下：

1、提取存在信号距离门数据

设距离脉冲压缩后的回波信号为s(r,t,τ,x)，其中r表示距离门，t表示慢时间变量，τ表示快时间变量，x表示阵元变量。寻找回波信号中所有距离门中存在信号的最大距离门r_max和最小距离门r_min，提取距离门区间的回波数据。

f(t,τ,x)＝s([r_min,r_max],t,τ,x) (6)

由于该数据在后续将用于Keystone变换和协方差估计，故称其为样本数据。

2、将回波数据变换至距离频域

通过快速傅立叶变换方法将样本数据变换至距离频域，我们得到了等式(4)，该过程可表示为：

f(t,f_τ,x)＝FFT[f(t,τ,x)] (7)

3、对样本数据进行时间域Keystone变换

在得到变换后的回波数据，我们对该回波数据进行距离徙动校正。从等式(4)中，我们将r₁(t)进行泰勒展开得到：

r₁(t)＝r_m+r’_mt+r”_mt²+； (8)

将等式(8)带入等式(4)，由于导致线性徙动的主要是低阶项，因此我们忽略高阶项得到:

其中，φ_m(t)包含r₁(t)泰勒展开中的高阶项。从等式(9)中更清楚看到了f_τ和t的耦合。对等式(9)进行与距离频率有关的尺度变换即如下的Keystone变换：

其中，t_a是变换后的时间，因此得到时间域Keystone变换以后的信号：

至此，就完成了时间域的Keystone变换，线性距离徙动已经被校正。

4、对样本数据进行阵元域Keystone变换

在步骤3中，经过时间域的Keystone变换，线性距离徙动已经被校正。但是杂波谱的两维展宽是由距离徙动和孔径渡越共同引起的。因此，提出了阵元域Keystone变换来消除孔径渡越的影响。

与时间域Keystone变换类似，省略对r₂(x)进行泰勒展开和f_τ和x的耦合推导。直接对经过时间域Keystone变换以后的回波数据进行如下阵元域Keystone变换,将公式(12)带入公式(13)：

其中，x_a是变换后的阵元距离。因此得到时间域Keystone变换和阵元域Keystone变换以后即两维Keystone变换以后的回波信号：

经过两维Keystone变换以后，线性距离徙动和孔径渡越都已被校正和消除。

5、获取新的样本数据

经过步骤3和步骤4的两维Keystone变换以后，将数据经过傅立叶逆变换至距离时域方位时域，对变换以后的回波数据重新进行样本选取。筛选要求样本数量大于2M×N即两倍的脉冲数×阵元数。

6、估计样本协方差

对筛选以后的样本利用最大似然估计进行如下杂波协方差的估计：

其中，L为样本数量，z_i是两维Keystone变换后的样本信号。

7、查看两维杂波谱展宽抑制效果

用步骤6得到的杂波协方差，画出杂波MVDR谱查看杂波谱展宽的抑制效果。公式如下：

其中，

表示两维空时导引矢量。

利用仿真数据处理对本发明提出的机载雷达宽带STAP的两维Keystone变换方法进行了验证，实验结果充分证明了本发明的方法的有效性。

仿真数据中的实验采用了图2仿真模型，为了对比本发明的方法有效性，进行了对比仿真实验，同时仿真了雷达发射带宽为窄带和宽带的两种情况。仿真实验***参数为：雷达波长位于X波段(波长0.03m)，***带宽为200MHz(宽带)和18MHz(窄带)，采样频率300MHz(宽带)和20MHz(窄带)，脉冲重复频率3kHz，载机飞行速度150m/s，阵元数目32，方位向脉冲数目64以及偏航角为60度。图3中给出了机载雷达发射窄带带宽的获得窄带杂波MVDR谱，可以看出杂波谱并未展宽。图4中给出了机载雷达发射宽带带宽的获得宽带杂波MVDR谱，与窄带相比较，可以很明显的看出杂波MVDR谱在空时两维的展宽比较严重。图5给出了经过方位域和阵元域的空时两维Keystone变换变化以后的杂波MVDR谱，与图4相比较，经过空时两维Keystone变化以后的杂波谱展宽明显得到抑制，接近图3窄带MVDR的效果。图6给出了经过两维Keystone变换的宽带数据和未经过处理的宽带数据的STAP处理以后的改善因子对照图，可以看出经过空时两维Keystone变换以后的改善因子的凹口明显变窄，杂波的抑制效果得到明显提升。综合上述的结果图，可以明显看出本算法的抑制杂波的有效性。

Claims (4)

1.一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)提取距离门区间的回波数据，并形成样本数据；

(2)将样本数据通过距离傅里叶变换至距离频域；

(3)在距离频域，对变换后的雷达回波数据采用方位-阵元的两维插值的二维keystone变换，消除时域距离徙动和空域孔径渡越；

(4)将经过空时二维keystone变换以后的三维雷达回波数据通过逆傅里叶变换回距离时域；

(5)对经过步骤(3)和步骤(4)变换后的三维雷达回波数据进行筛选，形成新的样本数据，并依据新的样本数据进行杂波协方差估计得到杂波协方差；

(6)经过空时二维keystone变换以后的宽带雷达回波符合窄带假设，利用步骤(5)得到的杂波协方差进行STAP处理；

步骤(3)所述的方位-阵元的两维插值的二维keystone变换如下：

二维Keystone变换方法等价于对雷达的回波数据进行方位-阵元的两维插值处理，在时间域的Keystone变换主要是消除方位时间与距离频率耦合，具体如下：

其中，t_a是变换后的时间，f_τ是雷达距离向频率，f₀是雷达中心频率，r_m+r_m't+φ_m(t)为雷达阵元与杂波单元间距离的泰勒展开；

利用公式(10)，将公式(10)带入经过傅里叶变换至距离频域的雷达回波公式(4)中得：

在阵元域的Keystone变换主要是消除阵元距离与距离频率耦合，具体如下：

其中，r_n+r_n'x+φ_n(x)为阵元间距杂波单元的路程差的泰勒展开，利用公式(12)，将公式(12)带入公式(13)得到时间域Keystone变换和阵元域Keystone变换以后即两维Keystone变换以后的回波信号：

2.根据权利要求1所述的一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，其特征在于，所述步骤(1)通过以下公式实现：

f(t,τ,x)＝s([r_min,r_max],t,τ,x)

其中，s(r,t,τ,x)，其中r表示距离门，r_max为回波信号中最大距离门和，r_min为回波信号中最小距离门，t表示慢时间变量，τ表示快时间变量，x表示阵元变量。

3.根据权利要求1所述的一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，其特征在于，步骤(5)所述的新样本数据数量大于两倍脉冲数与阵元数的乘积。

4.根据权利要求1所述的一种机载宽带雷达空时二维keystone变换方法，其特征在于，所述步骤(5)通过以下公式实现：

其中，L为样本数量，z_i是二维Keystone变换后的样本信号。

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