基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，涉及雷達(dá)技術(shù)。其步驟為：步驟1，得到波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)和空時導(dǎo)向矢量；步驟2，構(gòu)造待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣；步驟3，獲取目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣；步驟4，獲取輔助回波數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)；步驟5，獲取待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差；步驟6，對待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差進(jìn)行單元平均恒虛警檢測。本發(fā)明主要解決傳統(tǒng)STAP方法運算量巨大及樣本需求苛刻的問題，提高了動目標(biāo)的檢測概率，降低了檢測的虛警率，在實測數(shù)據(jù)處理及對STAP的性能改善中具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及雷達(dá)技術(shù)，特別涉及一種基于數(shù)據(jù)擬合的波束多 普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，用于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號處理。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的主要任務(wù)是在復(fù)雜雜波背景中探測目標(biāo)，并對其進(jìn)行定位跟 蹤，而對雜波進(jìn)行有效抑制是提高機(jī)載預(yù)警雷達(dá)工作性能的核心手段。空時自適應(yīng)處理 (space-time adaptive processing, STAP)技術(shù)充分利用空域和時域信息，在對目標(biāo)信號 進(jìn)行相干積累的同時，通過空時自適應(yīng)處理濾除地面雜波，實現(xiàn)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)對目標(biāo)的有 效檢測，如美國的E2-D機(jī)載預(yù)警雷達(dá)就采用此技術(shù)。
[0003] 在實際應(yīng)用中，STAP技術(shù)主要存在以下兩方面問題：一方面，在非均勻的雜波環(huán) 境中，要獲得足夠多的用于估計協(xié)方差矩陣的獨立同分布（independent and identically distributed，IID)訓(xùn)練樣本非常困難；另一方面，即使訓(xùn)練樣本的需求得到滿足，全空時 處理計算量過大的問題會導(dǎo)致實時性難以保證。
[0004] 為解決上述問題，推動STAP技術(shù)更加實用化，人們提出了許多改進(jìn)措施或方 法。清華大學(xué)申請的發(fā)明專利"非均勻雜波環(huán)境下空時自適應(yīng)處理方法"（專利申請?zhí)?201010129723. 3,公布號CN 101819269 A)公開了一種在非均勻雜波環(huán)境中超分辨估計雜 波空時二維譜的超完備稀疏表示方法。該方法實現(xiàn)了在獨立同分布樣本數(shù)不足的情況下， 利用單幀訓(xùn)練樣本估計雜波協(xié)方差矩陣，從而避免強(qiáng)非均勻雜波環(huán)境對自適應(yīng)處理效果的 影響。但是，該方法仍然存在以下主要不足是：一是運算量大的問題，對雜波譜進(jìn)行稀疏表 示的超完備基數(shù)目未定，但遠(yuǎn)大于系統(tǒng)自由度，而實際中系統(tǒng)自由度通常成千上萬，這樣在 每一距離單元樣本的協(xié)方差矩陣重構(gòu)過程中所需要的運算量非常大，不利于實時處理，從 而影響到在實際工程應(yīng)用中的效果。二是基失配問題，該方法中使用的基實際上是一組插 值離散傅里葉DFT矢量，而實際的回波數(shù)據(jù)因為存在誤差等非理想因素，不能用所給的基 矢量稀疏表示；另外，該方法需要對空時平面進(jìn)行離散化表示，這樣會使得不位于離散網(wǎng)格 點中心的信號向所有網(wǎng)格點泄露，從而破壞了回波數(shù)據(jù)的稀疏性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述在非均勻雜波環(huán)境中超分辨估計雜波空時二維譜的超完備稀疏表示方 法的不足，本發(fā)明提出了一種基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，能 夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)信號的檢測，并解決上述稀疏恢復(fù)STAP方法中運算量巨大和基失配的問題， 同時相對于傳統(tǒng)波束多普勒域STAP方法，提高了動目標(biāo)的檢測概率，降低了檢測的虛警 率。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案預(yù)以實現(xiàn)。
[0007] -種基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其特征在于，包括 以下步驟：
[0008] 步驟1，利用機(jī)械預(yù)警雷達(dá)天線接收機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的空時二維回波數(shù)據(jù)X，對空時 二維回波數(shù)據(jù)X進(jìn)行聯(lián)合域定位JDL降維，得到波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z和空時導(dǎo) 向矢量;
[0009] 步驟2,構(gòu)造待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Φ,;
[0010] 步驟3,利用波束多普勒域的降維空時導(dǎo)向矢量Sz_^導(dǎo)出阻塞矩陣B ;利用阻塞矩 陣B和待檢測距離單元的數(shù)據(jù)zk，獲取目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)A :該待檢測距離單元 的數(shù)據(jù)Zk依次取自步驟1中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z ;利用阻塞矩陣B和待 檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok獲取目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣Φ廠
[0011] 步驟4,利用目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣對輔助回波數(shù)據(jù)A進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲 取輔助回波數(shù)據(jù)A的最優(yōu)擬合系數(shù)％;
[0012] 步驟5,利用待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok和輔助回波數(shù)據(jù)1的最優(yōu)擬合系 數(shù)C對待檢測距離單元數(shù)據(jù)Z k進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差 yk;該待檢測距離單元的數(shù)據(jù)Zk依次取自步驟1中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z ;
[0013] 步驟6，對待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差yk進(jìn)行單元平均恒虛警檢測，并 輸出存在目標(biāo)或不存在目標(biāo)。
[0014] 上述技術(shù)方案的特點和進(jìn)一步改進(jìn)在于：
[0015] (1)步驟1具體包括以下子步驟：
[0016] la)利用機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線，在相干積累時間內(nèi)接收地面反射的空時二維回波數(shù) 據(jù)X，該空時二維回波數(shù)據(jù)X為MN維，其中M表示脈沖數(shù)，N表示機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線的陣元 數(shù)。
[0017] Ib)根據(jù)下式得到聯(lián)合域定位JDL降維的降維轉(zhuǎn)換矩陣IV :

【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1，利用機(jī)械預(yù)警雷達(dá)天線接收機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的空時二維回波數(shù)據(jù)X，對空時二維 回波數(shù)據(jù)X進(jìn)行聯(lián)合域定位JDL降維，得到波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z和空時導(dǎo)向矢 Sz-jdl; 步驟2,構(gòu)造待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok ; 步驟3,利用波束多普勒域的降維空時導(dǎo)向矢量Sz_^導(dǎo)出阻塞矩陣B;利用阻塞矩陣B和待檢測距離單元的數(shù)據(jù)zk，獲取目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)4 ;該待檢測距離單元的 數(shù)據(jù)Zk依次取自步驟1中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z;利用阻塞矩陣B和待檢 測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok獲取目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣; 步驟4,利用目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣A對輔助回波數(shù)據(jù)力進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取輔助 回波數(shù)據(jù)％的最優(yōu)擬合系數(shù)K·， 步驟5,利用待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Φ,和輔助回波數(shù)據(jù)巧的最優(yōu)擬合系數(shù)€對 待檢測距離單元數(shù)據(jù)zk進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差yk ;該 待檢測距離單元的數(shù)據(jù)zk依次取自步驟1中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z; 步驟6,對待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差yk進(jìn)行單元平均恒虛警檢測，并輸出 存在目標(biāo)或不存在目標(biāo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其 特征在于，步驟1具體包括以下子步驟： la) 利用機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線，在相干積累時間內(nèi)接收地面反射的空時二維回波數(shù)據(jù)X， 該空時二維回波數(shù)據(jù)X為MN維，其中M表示脈沖數(shù)，N表示機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線的陣元數(shù)； lb) 根據(jù)下式得到聯(lián)合域定位JDL降維的降維轉(zhuǎn)換矩陣:
其中，Pt (f^，fi，fi+1)表示由三個臨近的多普勒濾波器組成的時域轉(zhuǎn)換矩陣，fi表示目 標(biāo)的歸一化多普勒頻率，f^，fi+1表示與目標(biāo)相鄰的兩個歸一化多普勒頻率；i為小于等于 M并且大于等于1的自然數(shù)，M表示脈沖數(shù)，PJgj+gj，gj+1)表示由三個空域濾波器組成的 空域轉(zhuǎn)換矩陣，這三個空域濾波器中間的濾波器是目標(biāo)的空域?qū)蚴噶?，gj為目標(biāo)的歸一 化空間頻率，gM，g#為鄰近的兩個歸一化空間頻率，j為小于等于M并且大于等于1的自 然數(shù)；?表示克羅內(nèi)克積；降維轉(zhuǎn)換矩陣IV的維數(shù)為麗X9維； lc) 根據(jù)降維轉(zhuǎn)換矩陣得到波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z，表示為下式： Z =PjDix 其中，（·）H表示共軛轉(zhuǎn)置操作，根據(jù)降維轉(zhuǎn)換矩陣Pjm的維數(shù)為麗X9維以及空時二 維回波數(shù)據(jù)X為MN維可得降維回波數(shù)據(jù)z的維數(shù)為9維； 波束多普勒域的降維空時導(dǎo)向矢量sz^，表示為下式： =[〇I〇f?[〇I〇f 其中，（·）T表示轉(zhuǎn)置操作，Sz-M為波束多普勒域的降維后的空時導(dǎo)向矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其 特征在于，步驟2具體包括： 數(shù)據(jù)基矩陣Ok表示為下式： Ok= [Z1 Z2 …zL]eCdxl 其中，Ok表示第k個待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣；k表示待檢測距離單元的數(shù)據(jù) 的序號，為不超過所有待檢測距離單元總數(shù)的自然數(shù)；D表示波束多普勒域的降維回波數(shù) 據(jù)z的維數(shù)，L表示臨近距離單元的數(shù)據(jù)的個數(shù)，Cdxi表示DXL維的復(fù)矩陣空間，Zl(l= 1，2,…，L)表示臨近距離單元的數(shù)據(jù)，臨近距離單元表示待檢測距離單元附近的距離單元， 不包含兩個用于保護(hù)目標(biāo)的距離單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其 特征在于，步驟3具體包括以下子步驟： 3a)對波束多普勒域的降維空時導(dǎo)向矢量sz_m的轉(zhuǎn)置形式進(jìn)行奇異值分解，得到左奇 異矩陣U、右奇異矩陣V和奇異值矩陣Λ;分解公式如下式：
其中，U表不左奇異矩陣、V表不右奇異矩陣、Λ表不奇異值矩陣；（·）τ表不轉(zhuǎn)置操作， (·)Η表示共軛轉(zhuǎn)置操作； 3b)阻塞矩陣B由右奇異矩陣的第2到N列順序排列構(gòu)成，通過右奇異矩陣V，和下式 導(dǎo)出阻塞矩陣B; B= [V(:, 2:N)]T 其中，V(:，2:N)表示右奇異矩陣V的所有行、第2到N列矩陣元素；（·）τ表示轉(zhuǎn)置操 作； 3c)根據(jù)阻塞矩陣B獲取輔助回波數(shù)據(jù)4和目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣;如下式所 示：
其中，Zk表示第k個待檢測距離單元的數(shù)據(jù)，該待檢測距離單元的數(shù)據(jù)依次取自步驟1 中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z，k表示待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的序號，為不超過 所有待檢測距離單元總數(shù)的自然數(shù)；4表示目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)，A表示目標(biāo)阻 塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣，B為阻塞矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其 特征在于，步驟4具體包括以下子步驟： 4a)用目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣4，對目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)4進(jìn)行最小二 乘擬合表示，表示為下式： min1? -?λ|2 其中，11 · 112表示求解矢量的2范數(shù)，K表示輔助回波數(shù)據(jù)&的擬合系數(shù)； 4b)通過求解上式優(yōu)化問題，得到輔助回波數(shù)據(jù)巧的最優(yōu)擬合系數(shù)K。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的波束多普勒域空時二維自適應(yīng)處理方法，其 特征在于，步驟5具體包括以下子步驟： 5a)用待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣〇k，對待檢測距離單元的數(shù)據(jù)Zk進(jìn)行最小二乘擬 合；并用輔助回波數(shù)據(jù)4的最優(yōu)擬合系數(shù)<計算得到優(yōu)化約束邊界nk，具體通過下式最小 二乘擬合公式實現(xiàn)： min1? -Φλ-aA-12，subjectto1?I2S% ak 其中，ak表示待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的擬合系數(shù)，Jlk表示優(yōu)化約束邊界，％ =|h||2; 5b)通過求解上式最小二乘擬合公式得到待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)< ; 根據(jù)待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)《!得到待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬 合誤差yk，通過下式獲?。? Λ=|%-φΛ-|2 其中，zk表示第k個待檢測距離單元的數(shù)據(jù)，該待檢測距離單元的數(shù)據(jù)依次取自步驟I中獲得的波束多普勒域的降維回波數(shù)據(jù)z，k表示待檢測距離單元的數(shù)據(jù)的序號，為不超過 所有待檢測距離單元總數(shù)的自然數(shù)表示待檢測距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣；《4表示待檢 測距離單元的數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)；11 · 112表示求解矢量的2范數(shù)。
【文檔編號】G01S7/41GK104459659SQ201410276594
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】王彤, 同亞龍, 王馳, 吳建新 申請人:西安電子科技大學(xué)