一种基于DPCA相位补偿的降维_STAP方法
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2005 年 9 月 第 27 卷 第9期
文章编号 : 10012506X(2005) 0921553204
系统工程与电子技术 Systems Engineering and Electronics
Sep . 2005 Vol. 27 No. 9
Δ2STAP 方法 一种基于 D PCA 相位补偿的降维 Σ
Reduced2rank2STAP technique based on DPCA phase compensation
J IAN G Chao2shu , XIAN G Jing2cheng , CHEN Zhu2ming , SI Mou2sun
( Coll . of Elect ronic Engi neeri ng , U niv . of Elect ronic Science & Technology of Chi na , Chengdu 610054 , Chi na)
H1
- 1 式中 : 自适应权 w ^ = R ^ st 。
第 27 卷 第9期
一种基于 DPCA 相位补偿的降维 6 Δ 2STAP 方法
・ 1555 ・
4 基于 DPCA 相位补偿的降维 Σ Δ Σ Δ 2STAP — — —PC2 2STAP
在最初提出的 DPCA 设计中 ,通过侧视雷达中接收和发射 天线相位中心的巧妙偏置 (接收天线相位中心距 d = 2 V g T r) 来 对地面的固定目标回波产生空间相位差 ,用以补偿平台运动所 产生的多普勒频率所引起的脉冲间的相位差。因此 ,空时自适 应相位补偿一直成为 DPCA 技术的核心思想。 以 DPCA 的观点来观察前面对机载火控相控阵雷达的 地杂波分析结果 ,则脉冲间的相位补偿不仅需考虑主瓣杂 波的平均多普勒频移 f d 引起的相位差 , 而且需同时考虑主 瓣杂波谱展宽 Δf d 所引起的相位差 。 在和差单脉冲体制中 , 6 Δ 2ADPCA 相位补偿的方法是 利用单脉冲和差通道回波的特点 , 以差通道的接收信号作 为补偿信号 ,来补偿脉冲间因为多普勒频移所引起的相位 差 。对消原理如图 3 所示 。
3 基于机载火控相控阵雷达的 Σ Δ 3DT2 2STAP 技术
基于机载火控相控阵雷达的 3D T2 6 Δ 2STAP 处理的原 理框图如图 2 所示 。先对和差通道的每个距离单元作 FF T 处理 ,然后利用两个通道的相邻的多普勒输出作自适应滤 波处理 ,从而实现对地杂波的抑制 。
2 机载火控相控阵雷达的地杂波特点
H w ^ x| > η= | H η 0 -1 st R ^ st < H
0
Δf d ≈
2Vg θ β α λ b0cos tan
式中 :θ — — 雷达正前视时的天线波束宽度 。 b0 — ( 2) 均表明 ,机载火控相控阵雷达随方位角变化 式 ( 1) 、 的主瓣杂波的中心频移和与 tan α 成正比的主瓣杂波谱展 宽都将对地面低速运动目标的检测构成威胁 。而机载火控 相控阵的副瓣杂波则具有类似的分布特点 , 尤其是在中低 脉冲重复频率雷达回波中 , 邻近主瓣的高副瓣杂波由于谱 展宽而进入主瓣中 ,所引起的损失更不容忽视 。
R ^ = R ^ 6
6
R ^ 6Δ R ^Δ Δ
R ^ Δ6
式中
R ^ 66 = R ^ 6Δ = R ^ Δ6 =
1
K
K
j =1 K
∑x 6
j
x6Hj1 NhomakorabeaK
K
图1 杂波单元ΔA 与载机平台的空间几何关系
j =1
∑x 6
j
K
j
xΔj
H
文献 [ 1 ] 已经指出 ,机载火控相控阵雷达主瓣杂波的平 均多普勒频移 f d及主瓣杂波谱展宽 Δ f d 为
对于机载雷达的杂波谱分析 , 通常采用 R. L . 米的切 尔模型 [ 5 ] ,将雷达的照射区按照雷达的方位分辨力和距离 分辨力划分成许多方位2距离网格 , 每个网格对应于一个 杂波分辨单元 。对于机载火控相控阵雷达 , 地面某一杂波 单元 Δ A 与载机平台的空间几何关系如图 1 所示 。图中 , H 为载机高度 , V g 为载机的水平飞行速度 ,θ b 为主瓣宽 度 ,α为天线波束方位角 ,β 为天线波束俯仰角 ,λ 为雷达 波长 。
图2 3D T2 6 Δ 2STAP 实现框图
设机载火控相控阵雷达的空频导引向量为 s t , 当前处 理的和差通道的距离多普勒单元及其相邻的多普勒单元所 组成的输入矢量为
x= x6 xΔ
应用 STAP 方法 , 需对杂波的空频自相关矩阵进行自 适应估计 , 若考虑相邻距离单元的杂波分布具有 IID 的统 计特性 , 则可利用相邻距离单元的相同多普勒单元来估计 杂波的空频自相关矩阵 , 有
作者简介 : 江朝抒 (1973 - ) ,男 ,讲师 ,博士研究生 ,主要研究方向为雷达信号处理 。E - mail :chshjiang @126. com
・ 1554 ・
系统工程与电子技术
2005 年
的性能 [ 3 ] 。然而 , 尽管 3D T2 6 Δ 2STAP 技术具有比之于其 他 STAP 技术较低的运算量 , 但仍然需要复杂的并行系统 才能完成 [ 7 ] ,由于机上处理对系统设备量 、 体积和重量非常 敏感 。因此 ,3D T2 6 Δ 2STAP 要成为机上 GM TI 处理技术 , 需进一步降低运算量 。 本文所提出的处理技术将 DPCA 的相位补偿思想引入 STAP 降维技术中 , 对 3D T2 6 Δ 2STAP 作进一步的降维处 理 , 该 处 理 技 术 ( 以 下 简 称 PC2 6 Δ 2STAP ) 与 3D T2 6 Δ 2 STAP 相比 ,运算量大为降低 , 且信杂比改善因子损失小 , 因此 ,是一种极具机上处理应用潜力的机载火控相控阵雷 达 GM TI 技术 。
江朝抒 , 向敬成 , 陈祝明 , 姒牟孙
( 电子科技大学电子工程学院 , 四川 成都 610054)
摘 要 : 分析了机载火控相控阵雷达的地杂波的空时二维分布特点 , 提出了一种基于 DPCA ( displaced phase center antenna) 相位补偿的降维 6 Δ 2STAP 方法 ,分析了其平台运动补偿的基本原理 ,对其低速动目标检测性能进 行了计算机仿真分析 ,并将其性能与运算量同 3D T2 6 Δ 2STAP 进行了比较 。结果表明 ,该处理方法不仅具有接近 于 3D T2 6 Δ 2STAP 的杂波抑制性能 ,而且运算量远低于 3D T2 6 Δ 2STAP ,因此是机载火控雷达机上处理的一种优 选方案 。 关键词 : 相位中心偏置天线 ; 6 Δ 2STAP ; 平台运动补偿 ; 杂波抑制 ; 地面运动目标显示 中图分类号 : TN957. 51 文献标识码 : A
fd =
θ b 1 2 θ b θ b - 2
1
K
j =1
∑xΔ x 6
1
K
j =1
H
j
H = R ^ ∑ Δ
∫
)d θ≈ f d (θ
2Vg β α λ cos cos
R ^Δ Δ=
∑xΔ xΔ H
j j
( 1) ( 2)
式中 : x 6 j , xΔj — — — 相邻距离单元中与 x 矢量相同多普勒单 元所组成的矢量 , K — — — 平均距离单元数 ,为了降低估计所 引起 的 损 失 , K 值 的 选 取 应 遵 循 RMB 准 则 [ 6 ] , 即 : K ≥ 2 N - 3, N — — — 用于估计的空频自由度 。 采用 SM I 算法 ,则具有 CA2CFAR 性能的检测子为
和差通道的对应多普勒回波的相位变得具有统计一致特性 的处理过程 ,实际上就是回波频谱的相位白化的过程 。 将该白化过程用于将 3D T2 6 Δ 2STAP 进一步作降维处 Δ 频域相位白化 ,并进行降 理 ,即在 STAP 处理之前先作 6 2 维 。然后再针对和差通道相位白化后的输出作 STAP 处 理 ,其处理结构如图 5 所示 。
Key words : displaced phase center antenna ; 6Δ 2STAP ; platform movement compensation ; clutter cancellation ;
ground moving target indication
1 引 言
在 A EW 雷达系统和远程战场侦察雷达系统中 , 对克 服具有空时二维分布特性的强地杂波影响的 GM TI ( ground moving target indication) 技术的研究已经非常深入 ; 而在机 载火控雷达中 ,地面低速动目标的检测也具有非常重要的 战术应用价值 。 在 A EW 雷达系统和远程战场侦察雷达系统中 , GM TI 技术通常应用于多通道的相控阵侧视雷达系统 , 而本文所 研究的对象为采用传统的和差单脉冲体制的有源相控阵机 载火控雷达 。由于雷达变为前斜视 , 使雷达的回波谱的时 空二维分布发生了改变 ,且方位通道数为 2 , 故空间自由度 大大降低 。因此 ,必须寻求适合于机载火控相控阵雷达体 制与杂波环境的 GM TI 技术 。 DPCA ( displaced phase center antenna) [ 2 ] 技术和 STAP ( space2time adaptive processing) 技术是 GM TI 技术中的两大
收稿日期 :2004 - 07 - 19 ; 修回日期 :2005 - 01 - 12
主流 。虽然通常被认为是本质相同的两种处理 , 它们的处 理方式截然不同 ,在实际的系统中人们仍然倾向于采用运 算量少然而补偿对象明晰的 DPCA 技术 ,例如文献 [ 1 ] 所描 述的基于 DPCA 的杂波抑制系统 。 经典的 DPCA 技术常常限于在侧视雷达中进行讨论 , 而事实证明 ,其基本方法在前斜视雷达中也可以加以运用 并能获得一定的效果 。STAP 技术则对雷达天线相位中心 的几何设置体现出较好的适应性 ,在前斜视 、 侧视雷达中均 可获得较好的性能 [ 4 ] 。 STAP 极大的矩阵运算量是它走向实用的最大障碍 , 因而使得降维 STAP 技术的研究一直成为 STAP 研究中的 热点 。作为适合传统的单脉冲雷达体制 , 且降维到似乎是 最简的一种 STAP 处理方式 , Wang Hong 等提出的一种基 于频域降维 ( 一个空间自由度和两个时间 ( 频率) 自由度) 的 6Δ 2STAP ( 以下简称为 3D T2 6 Δ 2STAP ) 技术 ,利用了地面 杂波多普勒频率和方位的对应关系 , 使该处理能获得较优
Abstract : The space2time distribution characteristics of ground clutter returns in airborne fire2control radar are
analysed. A reduced2rank 2STAP technique based on DPCA phase compensation is presented , and its principle of plat2 form motion compensation is analyzed. The simulation results are given , and its GM TI performance is compared with that of 3D T2STAP. It is shown that the GM TI performance of this method is nearly as excellent as that of the latter but much lower computation complexity is needed. So this method is a good choice for onboard GM TI processing for airborne fire2control radar.
文章编号 : 10012506X(2005) 0921553204
系统工程与电子技术 Systems Engineering and Electronics
Sep . 2005 Vol. 27 No. 9
Δ2STAP 方法 一种基于 D PCA 相位补偿的降维 Σ
Reduced2rank2STAP technique based on DPCA phase compensation
J IAN G Chao2shu , XIAN G Jing2cheng , CHEN Zhu2ming , SI Mou2sun
( Coll . of Elect ronic Engi neeri ng , U niv . of Elect ronic Science & Technology of Chi na , Chengdu 610054 , Chi na)
H1
- 1 式中 : 自适应权 w ^ = R ^ st 。
第 27 卷 第9期
一种基于 DPCA 相位补偿的降维 6 Δ 2STAP 方法
・ 1555 ・
4 基于 DPCA 相位补偿的降维 Σ Δ Σ Δ 2STAP — — —PC2 2STAP
在最初提出的 DPCA 设计中 ,通过侧视雷达中接收和发射 天线相位中心的巧妙偏置 (接收天线相位中心距 d = 2 V g T r) 来 对地面的固定目标回波产生空间相位差 ,用以补偿平台运动所 产生的多普勒频率所引起的脉冲间的相位差。因此 ,空时自适 应相位补偿一直成为 DPCA 技术的核心思想。 以 DPCA 的观点来观察前面对机载火控相控阵雷达的 地杂波分析结果 ,则脉冲间的相位补偿不仅需考虑主瓣杂 波的平均多普勒频移 f d 引起的相位差 , 而且需同时考虑主 瓣杂波谱展宽 Δf d 所引起的相位差 。 在和差单脉冲体制中 , 6 Δ 2ADPCA 相位补偿的方法是 利用单脉冲和差通道回波的特点 , 以差通道的接收信号作 为补偿信号 ,来补偿脉冲间因为多普勒频移所引起的相位 差 。对消原理如图 3 所示 。
3 基于机载火控相控阵雷达的 Σ Δ 3DT2 2STAP 技术
基于机载火控相控阵雷达的 3D T2 6 Δ 2STAP 处理的原 理框图如图 2 所示 。先对和差通道的每个距离单元作 FF T 处理 ,然后利用两个通道的相邻的多普勒输出作自适应滤 波处理 ,从而实现对地杂波的抑制 。
2 机载火控相控阵雷达的地杂波特点
H w ^ x| > η= | H η 0 -1 st R ^ st < H
0
Δf d ≈
2Vg θ β α λ b0cos tan
式中 :θ — — 雷达正前视时的天线波束宽度 。 b0 — ( 2) 均表明 ,机载火控相控阵雷达随方位角变化 式 ( 1) 、 的主瓣杂波的中心频移和与 tan α 成正比的主瓣杂波谱展 宽都将对地面低速运动目标的检测构成威胁 。而机载火控 相控阵的副瓣杂波则具有类似的分布特点 , 尤其是在中低 脉冲重复频率雷达回波中 , 邻近主瓣的高副瓣杂波由于谱 展宽而进入主瓣中 ,所引起的损失更不容忽视 。
R ^ = R ^ 6
6
R ^ 6Δ R ^Δ Δ
R ^ Δ6
式中
R ^ 66 = R ^ 6Δ = R ^ Δ6 =
1
K
K
j =1 K
∑x 6
j
x6Hj1 NhomakorabeaK
K
图1 杂波单元ΔA 与载机平台的空间几何关系
j =1
∑x 6
j
K
j
xΔj
H
文献 [ 1 ] 已经指出 ,机载火控相控阵雷达主瓣杂波的平 均多普勒频移 f d及主瓣杂波谱展宽 Δ f d 为
对于机载雷达的杂波谱分析 , 通常采用 R. L . 米的切 尔模型 [ 5 ] ,将雷达的照射区按照雷达的方位分辨力和距离 分辨力划分成许多方位2距离网格 , 每个网格对应于一个 杂波分辨单元 。对于机载火控相控阵雷达 , 地面某一杂波 单元 Δ A 与载机平台的空间几何关系如图 1 所示 。图中 , H 为载机高度 , V g 为载机的水平飞行速度 ,θ b 为主瓣宽 度 ,α为天线波束方位角 ,β 为天线波束俯仰角 ,λ 为雷达 波长 。
图2 3D T2 6 Δ 2STAP 实现框图
设机载火控相控阵雷达的空频导引向量为 s t , 当前处 理的和差通道的距离多普勒单元及其相邻的多普勒单元所 组成的输入矢量为
x= x6 xΔ
应用 STAP 方法 , 需对杂波的空频自相关矩阵进行自 适应估计 , 若考虑相邻距离单元的杂波分布具有 IID 的统 计特性 , 则可利用相邻距离单元的相同多普勒单元来估计 杂波的空频自相关矩阵 , 有
作者简介 : 江朝抒 (1973 - ) ,男 ,讲师 ,博士研究生 ,主要研究方向为雷达信号处理 。E - mail :chshjiang @126. com
・ 1554 ・
系统工程与电子技术
2005 年
的性能 [ 3 ] 。然而 , 尽管 3D T2 6 Δ 2STAP 技术具有比之于其 他 STAP 技术较低的运算量 , 但仍然需要复杂的并行系统 才能完成 [ 7 ] ,由于机上处理对系统设备量 、 体积和重量非常 敏感 。因此 ,3D T2 6 Δ 2STAP 要成为机上 GM TI 处理技术 , 需进一步降低运算量 。 本文所提出的处理技术将 DPCA 的相位补偿思想引入 STAP 降维技术中 , 对 3D T2 6 Δ 2STAP 作进一步的降维处 理 , 该 处 理 技 术 ( 以 下 简 称 PC2 6 Δ 2STAP ) 与 3D T2 6 Δ 2 STAP 相比 ,运算量大为降低 , 且信杂比改善因子损失小 , 因此 ,是一种极具机上处理应用潜力的机载火控相控阵雷 达 GM TI 技术 。
江朝抒 , 向敬成 , 陈祝明 , 姒牟孙
( 电子科技大学电子工程学院 , 四川 成都 610054)
摘 要 : 分析了机载火控相控阵雷达的地杂波的空时二维分布特点 , 提出了一种基于 DPCA ( displaced phase center antenna) 相位补偿的降维 6 Δ 2STAP 方法 ,分析了其平台运动补偿的基本原理 ,对其低速动目标检测性能进 行了计算机仿真分析 ,并将其性能与运算量同 3D T2 6 Δ 2STAP 进行了比较 。结果表明 ,该处理方法不仅具有接近 于 3D T2 6 Δ 2STAP 的杂波抑制性能 ,而且运算量远低于 3D T2 6 Δ 2STAP ,因此是机载火控雷达机上处理的一种优 选方案 。 关键词 : 相位中心偏置天线 ; 6 Δ 2STAP ; 平台运动补偿 ; 杂波抑制 ; 地面运动目标显示 中图分类号 : TN957. 51 文献标识码 : A
fd =
θ b 1 2 θ b θ b - 2
1
K
j =1
∑xΔ x 6
1
K
j =1
H
j
H = R ^ ∑ Δ
∫
)d θ≈ f d (θ
2Vg β α λ cos cos
R ^Δ Δ=
∑xΔ xΔ H
j j
( 1) ( 2)
式中 : x 6 j , xΔj — — — 相邻距离单元中与 x 矢量相同多普勒单 元所组成的矢量 , K — — — 平均距离单元数 ,为了降低估计所 引起 的 损 失 , K 值 的 选 取 应 遵 循 RMB 准 则 [ 6 ] , 即 : K ≥ 2 N - 3, N — — — 用于估计的空频自由度 。 采用 SM I 算法 ,则具有 CA2CFAR 性能的检测子为
和差通道的对应多普勒回波的相位变得具有统计一致特性 的处理过程 ,实际上就是回波频谱的相位白化的过程 。 将该白化过程用于将 3D T2 6 Δ 2STAP 进一步作降维处 Δ 频域相位白化 ,并进行降 理 ,即在 STAP 处理之前先作 6 2 维 。然后再针对和差通道相位白化后的输出作 STAP 处 理 ,其处理结构如图 5 所示 。
Key words : displaced phase center antenna ; 6Δ 2STAP ; platform movement compensation ; clutter cancellation ;
ground moving target indication
1 引 言
在 A EW 雷达系统和远程战场侦察雷达系统中 , 对克 服具有空时二维分布特性的强地杂波影响的 GM TI ( ground moving target indication) 技术的研究已经非常深入 ; 而在机 载火控雷达中 ,地面低速动目标的检测也具有非常重要的 战术应用价值 。 在 A EW 雷达系统和远程战场侦察雷达系统中 , GM TI 技术通常应用于多通道的相控阵侧视雷达系统 , 而本文所 研究的对象为采用传统的和差单脉冲体制的有源相控阵机 载火控雷达 。由于雷达变为前斜视 , 使雷达的回波谱的时 空二维分布发生了改变 ,且方位通道数为 2 , 故空间自由度 大大降低 。因此 ,必须寻求适合于机载火控相控阵雷达体 制与杂波环境的 GM TI 技术 。 DPCA ( displaced phase center antenna) [ 2 ] 技术和 STAP ( space2time adaptive processing) 技术是 GM TI 技术中的两大
收稿日期 :2004 - 07 - 19 ; 修回日期 :2005 - 01 - 12
主流 。虽然通常被认为是本质相同的两种处理 , 它们的处 理方式截然不同 ,在实际的系统中人们仍然倾向于采用运 算量少然而补偿对象明晰的 DPCA 技术 ,例如文献 [ 1 ] 所描 述的基于 DPCA 的杂波抑制系统 。 经典的 DPCA 技术常常限于在侧视雷达中进行讨论 , 而事实证明 ,其基本方法在前斜视雷达中也可以加以运用 并能获得一定的效果 。STAP 技术则对雷达天线相位中心 的几何设置体现出较好的适应性 ,在前斜视 、 侧视雷达中均 可获得较好的性能 [ 4 ] 。 STAP 极大的矩阵运算量是它走向实用的最大障碍 , 因而使得降维 STAP 技术的研究一直成为 STAP 研究中的 热点 。作为适合传统的单脉冲雷达体制 , 且降维到似乎是 最简的一种 STAP 处理方式 , Wang Hong 等提出的一种基 于频域降维 ( 一个空间自由度和两个时间 ( 频率) 自由度) 的 6Δ 2STAP ( 以下简称为 3D T2 6 Δ 2STAP ) 技术 ,利用了地面 杂波多普勒频率和方位的对应关系 , 使该处理能获得较优
Abstract : The space2time distribution characteristics of ground clutter returns in airborne fire2control radar are
analysed. A reduced2rank 2STAP technique based on DPCA phase compensation is presented , and its principle of plat2 form motion compensation is analyzed. The simulation results are given , and its GM TI performance is compared with that of 3D T2STAP. It is shown that the GM TI performance of this method is nearly as excellent as that of the latter but much lower computation complexity is needed. So this method is a good choice for onboard GM TI processing for airborne fire2control radar.