CN113253230B - 基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及*** - Google Patents

基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及***，包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，保证子孔径内不发生多普勒扩散；在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术完成杂波抑制，在各子孔径内完成初步积累，然后通过低门限的恒虚警检测，提取出待检测目标；对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以实现子孔径间的相参积累并进一步提高目标信号的输出信杂噪比，最后通过高门限检测剔除虚警并保留真实目标点。

Description

基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及***
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域，具体地，涉及基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及***，更为具体地，涉及一种基于子孔径相参积累变换(SCA)的天基预警雷达AMTI方法。
背景技术
天基预警雷达具有全球持续覆盖、反隐身能力强、安全性高等优点，在国防建设中发挥着非常重要的作用。随着航空航天技术的高速发展，先进空中飞行目标往往呈现出雷达散射截面积(RCS)小、高速、高机动特性，导致回波信号能量微弱；此外，由于星载平台的高速运动，观测到的运动目标通常被淹没在扩展的地/海杂波背景中，使得目标检测极具挑战性。空时自适应处理(STAP)技术可以被应用在多通道天基预警雷达体制中，实现有效地杂波抑制并提升目标的输出信杂噪比(SCNR)。
通过延长积累时间来换取能量是提升弱小目标检测性能的有效途径，但是在长时间观测下，由于非合作目标的机动特性会导致出现跨距离走动和跨多普勒频率走动，反而会降低输出SCNR。解决该问题的方法包括相参积累、非相参积累和混合积累三种方案。其中，相参积累方法通过对多个方位脉冲进行相参积累来提高输出SCNR，但是通常需要设置多维参数匹配滤波器，不适合工程化实时处理；非相参积累变换则面临输出SNR不足的缺陷。混合积累方法可以应对传统非相参积累增益低和相参积累计算大的矛盾，该类方法通过将积累时间分段，在段内完成相干积累，再把各段内相干积累结果进一步完成非相干积累，即段内相干积累、段间非相干积累。其中典型的方法包括结合Hough变换、动态规划以及检测前跟踪(TBD)等。但在天基雷达AMTI背景下，由于目标回波距离走动大，段内直接相干积累脉冲少，积累增益小，不利于天基预警雷达微弱空中动目标检测。尽可能增大相干积累时间，再充分利用航迹内目标能量积累，获取最大积累增益，是天基预警雷达微弱空中动目标检测的努力方向。
专利文献CN102288948B(申请号：201110123779.2)公开了基于STAP的高速平台高速空中动目标检测方法。本发明属于空中动目标检测技术领域。检测步骤：(1)高速平台相控阵雷达接收的空时二维数据进行Keystone变换校正杂波距离走动；(2)对杂波走动校正后的数据，根据参考单元的数据估计杂波协方差矩阵；(3)杂波协方差矩阵的逆矩阵乘以Keystone变换后的数据实现杂波抑制；(4)抑制后数据变换到距离频域为目标距离走动补偿做准备；(5)根据空中动目标速度范围和雷达***参数构造一个模糊数集合；(6)根据模糊数集合构造一个滤波器组；(7)步骤4数据通过滤波器组，实现目标距离走动校正并对校正结果进行空时二维波束形成实现目标积累。本发明通过并行处理，同时检测出模糊数不同多目标，具有运算速度高、便于工程实现等优点。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法及***。
根据本发明提供的一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，包括：
步骤S1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
步骤S2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
步骤S3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
步骤S4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参的初步积累，然后通过低门限的恒虚警检测，提取出待检测目标；
步骤S5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比，通过高门限检测剔除虚警并保留真实目标点。
优选地，所述步骤S1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure BDA0003065024810000031
其中，
Figure BDA0003065024810000032
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure BDA0003065024810000033
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure BDA0003065024810000034
表示等效的加速度。
优选地，所述步骤S1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
优选地，所述步骤S2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
优选地，所述步骤S5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure BDA0003065024810000035
其中，
Figure BDA0003065024810000036
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure BDA0003065024810000041
其中，
Figure BDA0003065024810000042
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
根据本发明提供的一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，包括：
模块M1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
模块M2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
模块M3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
模块M4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参初步积累，然后通过低门限的恒虚警检测，提取出待检测目标；
模块M5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比，通过高门限检测剔除虚警并保留真实目标点。
优选地，所述模块M1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure BDA0003065024810000043
其中，
Figure BDA0003065024810000044
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure BDA0003065024810000051
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure BDA0003065024810000052
表示等效的加速度。
优选地，所述模块M1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
优选地，所述模块M2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
优选地，所述模块M5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure BDA0003065024810000053
其中，
Figure BDA0003065024810000054
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure BDA0003065024810000061
其中，
Figure BDA0003065024810000062
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出了一种基于子孔径相参积累的天基预警空中动目标检测方法，采用该方法可以同时实现对子孔径内和子孔径间的相参积累，克服了现有混合积累算法输出SCNR不足的缺陷；和基于最大似然的相参积累算法相比，提出方法在计算复杂度上更具优势；因此提出方法以相对高的计算效率保证输出SCNR，非常适合天基预警背景下通过长时间观测提高空中微弱目标的检测能力。
该发明可以同时实现子孔径间和子孔径内的相参积累检测，有效提高输出SCNR，非常适合天基预警背景下完成空中动目标检测。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供一种基于子孔径相参积累的天基预警AMTI方法的主要实施步骤图；
图2为天基雷达观测空中动目标的多通道观测模型；
图3为基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法流程图；
图4为天基预警雷达杂波谱示意图；
图5为直接利用STAP进行杂波抑制和动目标检测的结果示意图；
图6为采用子孔径STAP(共划分为8个子孔径)杂波抑制结果示意图；
图7为低门限CFAR检测(8.5dB)的结果示意图；
图8为目标1～3和虚警点的搜索曲线示意图；f
图9为目标1的混合积累和子孔径相参积累对比结果示意图；
图10为目标2的混合积累和子孔径相参积累对比结果示意图；
图11为目标3的混合积累和子孔径相参积累对比结果示意图；
图12为经过子孔径相参积累的检测结果示意图；
图13为经过高门限CFAR检测后结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的目的就是为了克服传统混合积累方法存在输出SCNR有限，没有充分利用子孔径之间的相位关系，因此动目标检测性能不理想的缺陷而提出一种基于子孔径相参积累(SCA)的天基预警雷达AMTI方法。
实施例1
根据本发明提供的一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，包括：
步骤S1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
步骤S2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
步骤S3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，划分的依据为在各子孔径内不发生多普勒频率走动，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
步骤S4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术(STAP)完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参的初步积累，然后通过低门限的恒虚警(CFAR)检测，提取出待检测目标；
步骤S5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比(SCNR)，通过高门限CFAR检测剔除虚警并保留真实目标点。
具体地，所述步骤S1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure BDA0003065024810000081
其中，
Figure BDA0003065024810000082
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure BDA0003065024810000083
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure BDA0003065024810000084
表示等效的加速度。
具体地，所述步骤S1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
具体地，所述步骤S2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
具体地，所述步骤S5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure BDA0003065024810000091
其中，
Figure BDA0003065024810000092
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure BDA0003065024810000093
其中，
Figure BDA0003065024810000094
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
本发明提供的基于子孔径相参积累的天基预警空中动目标检测方法先是利用Keystone变换进行距离走动矫正，然后通过子孔径划分和子孔径STAP完成杂波抑制和初步检测，再通过补偿动目标回波子孔径间的相位关系并进行子孔径相参积累进一步提高输出SCNR，最后通过高门限CFAR检测鉴别出真实目标。
根据本发明提供的一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，包括：
模块M1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
模块M2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
模块M3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，划分的依据为在各子孔径内不发生多普勒频率走动，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
模块M4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术(STAP)完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参的初步积累，然后通过低门限的恒虚警(CFAR)检测，提取出待检测目标；
模块M5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比(SCNR)，通过高门限CFAR检测剔除虚警并保留真实目标点。
具体地，所述模块M1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure BDA0003065024810000101
其中，
Figure BDA0003065024810000102
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure BDA0003065024810000103
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure BDA0003065024810000104
表示等效的加速度。
具体地，所述模块M1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
具体地，所述模块M2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
具体地，所述模块M5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure BDA0003065024810000111
其中，
Figure BDA0003065024810000112
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure BDA0003065024810000113
其中，
Figure BDA0003065024810000114
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
本发明提供的基于子孔径相参积累的天基预警空中动目标检测方法先是利用Keystone变换进行距离走动矫正，然后通过子孔径划分和子孔径STAP完成杂波抑制和初步检测，再通过补偿动目标回波子孔径间的相位关系并进行子孔径相参积累进一步提高输出SCNR，最后通过高门限CFAR检测鉴别出真实目标。
实施例2
实施例2是实施例1的优选例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供的一种基于子孔径相参积累的天基预警AMTI方法，具体包括以下步骤：如图1、图3所示：
步骤一：建立星载多通道观测模型，并完成距离压缩、平台参数相位补偿和下调频等预处理。
具体的参照图2，在三维坐标O-XYZ中，卫星平台高度为H，平台速度为v，方向为沿X轴方向；空中动目标三维坐标为(x0,y0,z0)，沿航迹速度和垂直航迹速度分别为vx和vy；发射天线采用全孔径发射，接收天线划分为M个子阵列，通道间距为dm＝m·d,m＝0,1,...,M-1，其中d表示相邻的通道间隔；θEl,t,θAzi,t和θCone,t分别为下视角、方位角和空间锥角。
根据图2，第m个通道的等效自发自收斜距可以表示为
Figure BDA0003065024810000121
式中，ta表示方位慢时间，D＝Md表示天线方位尺寸。根据二阶泰勒展开和利用平台参数进行deramp处理，斜距可以进一步表示为如下形式：
Figure BDA0003065024810000122
式中，
Figure BDA0003065024810000123
为最近斜距，vrx＝v-vx为相对平台速度，ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度，
Figure BDA0003065024810000124
表示等效的加速度。
如此，第m个通道的回波信号可以表示为
Figure BDA0003065024810000125
式中，
Figure BDA0003065024810000126
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，***损失和目标RCS。tr表示距离快时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和‘sinc’函数。
步骤二：利用Keystone变换完成距离***矫正。
Keystone变换(KT)因其不需要运动目标任何先验信息且适用于多目标的场景，因此被广泛应用于雷达领域，采用KT进行矫正后的回波信号可表示为
Figure BDA0003065024810000131
式中，τa表示进行KT后新的方位时间变量。需要强调的是，在子孔径划分之前利用KT进行距离矫正的目的是同时去掉目标在子孔径内和子孔径间的距离走动。dm表示通道间距，ve表示等效径向速度，ae表示等效径向加速度。
步骤三：对回波数据沿方位向进行子孔径划分。
具体的，对方位向进行子孔径划分，将相干积累时间Ta等分为L个子孔径，每个子孔径的积累时间和采样点数分别为Tc＝Ta/L和Mc＝Tc/PRT。此时，回波信号可写为
Figure BDA0003065024810000132
式中，第l个子孔径的回波可写为
Figure BDA0003065024810000133
式中，τa,l表示第l个子孔径的方位时间变量。由于KT已经对距离走动进行校正，因此在每个子孔径内，保证多普勒走动不发生即可；对分段后的回波进行方位FT，可得
Figure BDA0003065024810000134
式中，
Figure BDA0003065024810000135
表示子孔径内积累的幅度，Pav表示雷达平均功率，fa表示多普勒频率变量。
步骤四：在每个子孔径内利用空时自适应处理技术完成杂波抑制，并通过低门限CFAR检测提取出待检测目标。
具体的，距离-多普勒域的多通道天基预警雷达回波经过子孔径划分后可表示为如下形式
Figure BDA0003065024810000141
式中，假设H1和H0分别表示存在目标和不存在目标；St,l(tr0,fa0)，Sc,l(tr0,fa0)和nl(tr0,fa0)分别表示多通道动目标回波、杂波和噪声；多通道目标回波St,l(tr0,fa0)＝[St,1,l(tr0,fa0),...,St,M,l(tr0,fa0)]T，多通道杂波Sc,l(tr0,fa0)可以通过设置沿航迹速度和垂直航迹速度为零得到。
在每个子孔径内进行杂波抑制，该过程可表述为
Figure BDA0003065024810000142
式中，S为目标导向矢量，Wl为权矢量，
Figure BDA0003065024810000143
为从第l个子孔径中估计的杂波协方差矩阵。最优权矢量为
Figure BDA0003065024810000144
杂波抑制后的输出信号可表示为
Figure BDA0003065024810000145
式中，Xl(tr0,fa0)表示包含杂波信号、目标信号和噪声信号的第l个子孔径在距离-多普勒域的回波信号。接下来，对参考子孔径进行低门限CFAR检测，以提取出潜在的目标点，同时存在部分虚警点；该过程表示为
Figure BDA0003065024810000146
式中，VLT表示低检测门限。
步骤五：对提取到的待检测目标，逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径相参积累进一步提高输出SCNR，最后通过高门限CFAR检测提出虚警并保留真实目标点。
具体的，假定s′t,l(tr,τa,l)表示经过子孔径杂波抑制后的二维时域信号，且子孔径方位时间变量满足τa,l＝τa,1+l·Tc，因此，第l个子孔径回波与参考子孔径回波存在如下关系
Figure BDA0003065024810000151
式中，相位差与目标运动参数和子孔径数有关，可表示为
Figure BDA0003065024810000152
式中，第l个子孔径与参考子孔径之间存在固定的初始相位差以及与等效加速度相关的多普勒平移项。构造如下补偿函数以消除与目标加速度相关的相位项相关的多普勒平移项，即
Figure BDA0003065024810000153
接下来，回波信号可以由方位FT在各子孔径内完成初步相参积累，进而由子孔径FT完成子孔径间的二次相参积累。经过子孔径相参积累后，回波信号最终可写为
Figure BDA0003065024810000154
式中，
Figure BDA0003065024810000155
表示最终经过空域合成和子孔径相参积累的幅度。可见，目标在其对应的斜距、多普勒和子孔径处形成峰值。最后，通过高门限CFAR进行虚警剔除和真实目标点提取。该过程可表示为
Figure BDA0003065024810000156
式中，VHT表示高检测门限。该方法的处理流程图如图3所示。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
(1)仿真条件
仿真实验平台参数和动目标参数分别由表1和表2给出，本实施例的各实施步骤均在MATLAB2016仿真平台上进行。
表1仿真参数表
Figure BDA0003065024810000157
Figure BDA0003065024810000161
表2空中动目标参数
Figure BDA0003065024810000162
(2)仿真内容
本节给出了仿真处理的结果来验证所提出的算法。通过在天基预警雷达回波中增加3个快速移动目标来进行模拟仿真。
图4为天基预警雷达杂波谱；图5为直接利用STAP进行杂波抑制和动目标检测的结果；图6和图7分别为采用子孔径STAP以及进行低门限CFAR检测(8.5dB)的结果；图8为目标1～3和某一虚警点的搜索曲线；图9至图11分别为目标1～目标3的混合积累和子孔径相参积累对比结果；图12至13为提出方法的高门限CFAR(13.2dB)检测结果。
由图4可知，动目标淹没在严重扩展的天基杂波谱中而无法得到有效检测；图5为经过杂波抑制后的距离多普勒谱，可见虽然杂波得到有效抑制，但是目标因为存在距离走动和多普勒频率走动导致在距离维和多普勒维均散焦，而无法得到有效检测；图6和图7分别为子孔径STAP(共划分为8个子孔径)杂波抑制和低门限(8.5dB)CFAR检测的结果，可见杂波得到有效抑制的同时存在较多的虚警点；图8为目标1～3和虚警点的搜索曲线，可见真实目标的搜索曲线会随着加速度搜索曲线会出现峰值，而虚警点不会；图9至图11分别为目标1～目标3的混合积累和子孔径相参积累对比结果，可见提出方法相比于传统混合积累检测方法，拥有更低的旁瓣，也就是更优的输出SCNR。图12和图13分别为经过子孔径相参积累和高门限CFAR检测后的最终处理结果，可见，三个微弱目标均可得到有效检测。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。
应当理解，本领域的技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
步骤S2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
步骤S3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
步骤S4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参的初步积累，然后通过低门限的恒虚警检测，提取出待检测目标；
步骤S5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比，通过高门限检测剔除虚警并保留真实目标点；
所述步骤S5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure FDA0003545843980000011
其中，
Figure FDA0003545843980000012
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure FDA0003545843980000013
其中，
Figure FDA0003545843980000014
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
2.根据权利要求1所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure FDA0003545843980000021
其中，
Figure FDA0003545843980000022
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure FDA0003545843980000023
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure FDA0003545843980000024
表示等效的加速度。
3.根据权利要求1所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
4.根据权利要求1所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
5.一种基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，其特征在于，包括：
模块M1：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，得到预处理后的雷达回波数据；
模块M2：对预处理后的雷达回波数据进行Keystone变换，完成距离走动矫正；
模块M3：对经过距离走动校正后的回波数据沿方位子孔径进行划分，保证子孔径内不发生多普勒扩散；
模块M4：在各子孔径内利用后多普勒空时自适应处理技术完成杂波抑制，在各子孔径内完成相参初步积累，然后通过低门限的恒虚警检测，提取出待检测目标；
模块M5：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿后沿子孔径方向进行傅里叶变换，以完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比，通过高门限检测剔除虚警并保留真实目标点；
所述模块M5包括：对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿，推导并补偿了子孔径回波之间的相位关系，沿子孔径方向进行傅里叶变换，完成子孔径间的相参积累，进一步提高目标信号的输出信杂噪比；
所述对提取到的待检测目标逐个进行相位补偿包括：
Figure FDA0003545843980000031
其中，
Figure FDA0003545843980000032
表示搜索的等效加速度；λ表示信号波长；j表示虚数单位；l表示子孔径数；Tc表示子孔径内的积累时间；τa,1表示参考子孔径的时间变量；
回波信号由方位傅里叶变换在各子孔径内完成相参积累，并由子孔径傅里叶变换在各子孔径间完成相参积累；经过子孔径相参积累后，回波信号最终表示为：
Figure FDA0003545843980000033
其中，
Figure FDA0003545843980000034
表示积累后的幅度；M表示通道数；Pav表示雷达平均功率；GT表示发射天线全孔径增益；GR-Sub表示接收天线子通道增益；fa和fl分别表示多普勒频率和子孔径频率变量；L表示子孔径数；B表示信号带宽；tr表示距离快时间变量；R0表示最近斜距，c表示光速，Tc表示子孔径积累时间，λ表示信号波长，ve表示等效径向速度，Nc表示子孔径内的方位脉冲数，D表示天线方位尺寸，θEl,t表示目标下视角,θAzi,t表示目标方位角。
6.根据权利要求5所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，其特征在于，所述模块M1中预处理后雷达回波数据包括：空中动目标回波、杂波以及噪声；
经过预处理后的第m个通道的空中动目标回波表示为：
Figure FDA0003545843980000041
其中，
Figure FDA0003545843980000042
表示目标幅度，Pt，τ，B，GT(θAzi,t,θEl,t)，GR_Sub(θAzi,t,θEl,t)，λ，Ls和σ分别表示峰值功率，脉宽，带宽，发射天线全孔径增益，接收天线子通道增益，信号波长，雷达***损失和目标RCS；R0为最近斜距；θEl,t和θAzi,t分别为目标的下视角和方位角；且cos(θCone,t)＝cos(θEl,t)cos(θAzi,t)；θCone,t表示空间锥角；tr和ta分别表示距离快时间和方位慢时间变量；Ta表示积累时间，rect(·)和sinc(·)分别表示矩形窗函数和sinc函数；c表示光速；j表示虚数单位；R0t,m(ta)为利用平台参数经过deramp补偿后的斜距：
Figure FDA0003545843980000043
其中，R0为最近斜距；D表示天线方寸尺寸，dm表示通道间距；
ve＝vysinθAzi,tsinθEl,t-vrxcosθAzi,tsinθEl,t表示等效的径向速度；vrx＝v-vx为相对平台速度；v表示平台速度，vx表示目标方位向速度；vy表示目标径向速度；
Figure FDA0003545843980000044
表示等效的加速度。
7.根据权利要求5所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，其特征在于，所述模块M1包括：对天基预警雷达多通道回波进行预处理，包括距离压缩、平台运动参数补偿、下调频以及杂波多普勒中心补偿操作。
8.根据权利要求5所述的基于子孔径处理的天基预警雷达空中动目标检测***，其特征在于，所述模块M2包括：利用Keystone变换在子孔径划分之前完成距离走动矫正，同时去除子孔径内和子孔径间的距离徙动。
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