基于二維滑窗穩(wěn)健空時(shí)自適應(yīng)處理的目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于二維滑窗穩(wěn)健空時(shí)自適 應(yīng)處理的目標(biāo)檢測(cè)方法，本發(fā)明應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)的回波信號(hào)處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載雷達(dá)的地物回波呈現(xiàn)的空時(shí)耦合譜特性決定了其采用空時(shí)自適應(yīng)處理 (Space-TimeAdaptiveProcessing，STAP)的雜波抑制效果優(yōu)于一維雜波抑制技術(shù)。傳 統(tǒng)的STAP方法利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)估計(jì)待測(cè)數(shù)據(jù)的空時(shí)相關(guān)矩陣。均勻環(huán)境下，兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng) 計(jì)特性基本相似。該類方法有效地利用了回波的統(tǒng)計(jì)特性，可以獲得較好地雜波抑制性 能；然而，機(jī)載雷達(dá)的實(shí)際工作環(huán)境往往是非均勻的，難以滿足自適應(yīng)處理對(duì)于均勻訓(xùn)練 樣本數(shù)的需求，并且傳統(tǒng)方法對(duì)于待測(cè)數(shù)據(jù)本身含有的干擾抑制效果較差。為此，基于 待測(cè)數(shù)據(jù)本身的STAP類方法被提出，例如直接數(shù)據(jù)域（DirectDataDomain，DDD)、反復(fù) 迭代自適應(yīng)（IterativeAdaptiveApproach，IAA)、基于幅度相位估計(jì)（Amplitudeand PhaseEstimation，APES)的STAP方法等。其中，基于二維幅度相位估計(jì)（TwoDimension AmplitudeandPhaseEstimation，2D-APES)的2D-APES方法保證接收信號(hào)的時(shí)域及空域 輸出與目標(biāo)信號(hào)的均方誤差最小，充分利用了雜波的統(tǒng)計(jì)信息，從而能夠較好地同時(shí)在空 域及時(shí)域?qū)Ω蓴_雜波進(jìn)行抑制，并且計(jì)算量小。但在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)的參數(shù)信息，即目標(biāo) 的波達(dá)方向（DirectionofArrival，D0A)或多普勒頻率往往不能準(zhǔn)確獲取，目標(biāo)真實(shí)導(dǎo)向 矢量產(chǎn)生失配。2D-APES方法對(duì)導(dǎo)向矢量失配非常敏感，導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)性能下降。
[0003] 針對(duì)上述導(dǎo)向矢量失配問(wèn)題，目前主要有以下幾種方法：
[0004] 第一種方法，對(duì)角加載技術(shù)（diagonallyloaded，DL)。DL可以降低空時(shí)相關(guān)矩陣 小特征值的擾動(dòng)，增加波束形成器的穩(wěn)健性，提供了到達(dá)角失配的穩(wěn)健性，以及陣元位置、 增益位置和相位擾動(dòng)的穩(wěn)健性等。但在實(shí)際情況對(duì)于加載量的多少往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè) 定，加載量的不確定嚴(yán)重影響對(duì)角加載的性能。
[0005] 第二種方法，基于最差性能的最優(yōu)的穩(wěn)健方法，該方法將目標(biāo)D0A及多普勒頻率 約束在一個(gè)誤差錐域內(nèi)，通過(guò)凸優(yōu)化方法求解最優(yōu)濾波器權(quán)值，然而該方法并不能給出一 個(gè)解析解，并且計(jì)算量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于二維滑窗穩(wěn)健空時(shí)自適應(yīng)處 理的目標(biāo)檢測(cè)方法，保證接收信號(hào)的時(shí)域及空域輸出與目標(biāo)信號(hào)的均方誤差最小，充分利 用了回波的統(tǒng)計(jì)信息，根據(jù)兩點(diǎn)正交約束及迭代對(duì)角加載方法，在不增加較大的計(jì)算量的 前提下，有效保證了導(dǎo)向矢量失配時(shí)2D-APES方法的穩(wěn)健性。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008] -種基于二維滑窗穩(wěn)健空時(shí)自適應(yīng)處理的目標(biāo)檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，利用機(jī)載雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，并接收相應(yīng)的回波數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟2,對(duì)所述回波數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)滑窗處理，得到空時(shí)滑窗后的回波數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟3,由先驗(yàn)彳目息構(gòu)造目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣，其中所述先驗(yàn)彳目息包括 目標(biāo)歸一化多普勒的上限、目標(biāo)歸一化多普勒的下限、目標(biāo)真實(shí)波達(dá)方向的上限和目標(biāo)真 實(shí)波達(dá)方向的下限，所述導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣包括目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量的上限和目標(biāo)視在 導(dǎo)向矢量的下限；
[0012] 步驟4,計(jì)算所述空時(shí)滑窗后的回波數(shù)據(jù)在目標(biāo)張成的子空間的正交補(bǔ)空間上的 投影分量的自相關(guān)矩陣；
[0013] 步驟5,通過(guò)以下公式計(jì)算所述自相關(guān)矩陣對(duì)角加載后的相關(guān)矩陣：
[0014] R'丄=R丄+yI
[0015] 其中，Ri為自相關(guān)矩陣，R' ±為對(duì)角加載后的相關(guān)矩陣，I為單位矩陣，Y為加載 因子，初始值為1 ;
[0016] 步驟6,根據(jù)所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣和對(duì)角加載后的相關(guān)矩陣求解 目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣的共輒轉(zhuǎn)置矩陣的權(quán)矢量；
[0017] 步驟7,判斷所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣的共輒轉(zhuǎn)置矩陣與所述權(quán)矢量 相乘得到的列向量的模值是否小于1 ;若所述模值小于1，則增加所述加載因子Y后重新執(zhí) 行所述步驟5至步驟6;若所述模值大于等于1，則將對(duì)應(yīng)的權(quán)矢量作為最優(yōu)權(quán)矢量；
[0018] 步驟8,利用所述最優(yōu)權(quán)矢量構(gòu)造濾波器對(duì)所述空時(shí)滑窗后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波， 得到目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。
[0019] 優(yōu)選地，所述步驟1包括以下子步驟：
[0020] la)利用機(jī)載雷達(dá)采用N元等距線陣，陣元間隔為d，一個(gè)相干采樣間隔內(nèi)的脈沖 數(shù)為K來(lái)發(fā)射信號(hào)；
[0021] lb)接收相應(yīng)的回波數(shù)據(jù)X，其中回波數(shù)據(jù)X包括目標(biāo)回波數(shù)據(jù)、雜波回波數(shù)據(jù)、干 擾回波數(shù)據(jù)、噪聲回波數(shù)據(jù)。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟2包括以下子步驟：
[0023] 2a)根據(jù)先驗(yàn)信息確定目標(biāo)歸一化多普勒頻率及歸一化空域頻域的范圍，得到目 標(biāo)NX1維空域?qū)蚴噶縎JPKX1維時(shí)域?qū)蚴噶縎t，所述空域?qū)蚴噶縎s和時(shí)域?qū)蚴?量St分則誦忖WT公忒訐管徨？丨丨.
[0024]
[0025]
[0026] 其中，fs為目標(biāo)歸一化空域頻率，fd為目標(biāo)歸一化多普勒頻率，d為陣元間隔，入 為波長(zhǎng)，（?）T表示矩陣轉(zhuǎn)置，K為一個(gè)相干采樣間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，j為虛數(shù)單位；
[0027] 2b)根據(jù)以下公式對(duì)所述回波數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)滑窗處理，滑窗后得到的MsMtXKsKt維 矩陣維回波數(shù)據(jù)1為：
[0028]
[0029] 其中：（?）T表示矩陣轉(zhuǎn)置，X2D為空時(shí)滑窗處理后的MsMtXKsKt維的回 波數(shù)據(jù)，KsKtX1維空時(shí)導(dǎo)向矢量心=" ?rs2D ;MsMtX1維滑窗后的空時(shí)導(dǎo)向矢量 心=St2D ?Ss2D ;其中c2D、j2D和n2D分別為空時(shí)滑窗處理得到的雜波、干擾及噪聲； 心D=[l .，叫，]T*KtXl維時(shí)域?qū)蚴噶?，kD=[l… KSX1維空域?qū)蚴噶浚籑tXl維滑窗后的時(shí)域?qū)蚴噶?amp;2D=[] …一2^11^1，: MSX1維滑窗后的空域?qū)蚴噶?[) #咕…W2響-以]T，Kt=K-Mt+l，Ks=N-Ms+1， fs為目標(biāo)歸一化空域頻率，fd為目標(biāo)歸一化多普勒頻率。
[0030] 優(yōu)選地，所述步驟3包括以下子步驟：
[0031] 3a)根據(jù)目標(biāo)歸一化多普勒的下限fdl、目標(biāo)歸一化多普勒的上限fdu、目標(biāo)歸一化 空域頻率的下限fsl和目標(biāo)歸一化空域頻率的上限fsu，通過(guò)以下公式構(gòu)造目標(biāo)視在導(dǎo)向矢 量上限T(fdl，fsl)、目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量下限T(fdu，fsu):
[0032] T(fdl,fsl) =S2D(fdl,fsl)+E, | |E| | ^：e
[0033] T(fdu,fsu) =S2D(fdu,fsu)+E, | |E| | ^e
[0034] 其中，E為視在導(dǎo)向矢量與真實(shí)導(dǎo)向矢量之間的誤差，常數(shù)e彡0,S2D為MsMtXl 維滑窗后的空時(shí)導(dǎo)向矢量；
[0035] 3b)根據(jù)所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量的上限和目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量的下限，通過(guò)以下公 式構(gòu)造目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣T:
[0036] T= [T(fdl,fsl)T(fdu,fsu)]〇
[0037] 優(yōu)選地，所述步驟4包括以下子步驟：
[0038] 4a)通過(guò)以下公式計(jì)算目標(biāo)張成的子空間P||:
[0039]
[0040] 其中，（?r表示取共輒，（?）T表示矩陣轉(zhuǎn)置，12D為KsKtX1維空時(shí)導(dǎo)向矢量，KsKt 為t2D的維數(shù)；
[0041] 4b)通過(guò)以下公式計(jì)算目標(biāo)張成的子空間的正交補(bǔ)空間Pi:
[0042] P丄=I-P丨
[0043] 其中，I為KtXKt維的單位對(duì)角矩陣，Pu表示目標(biāo)張成的子空間；
[0044] 4c)通過(guò)以下公式計(jì)算所述滑窗后的回波數(shù)據(jù)在Pi上的投影分量Xi:
[0045] X丄=X2DP丄
[0046] 其中，X2DS空時(shí)二維滑窗后得到的回波數(shù)據(jù)，P±為目標(biāo)張成的子空間的正交補(bǔ)空 間；
[0047] 4d)通過(guò)以下公式計(jì)算所述滑窗后的回波數(shù)據(jù)在目標(biāo)張成的子空間的正交補(bǔ)空間 上的投影分量的自相關(guān)矩陣Ri:
[0048] _
[0049] 其中，Xi為空時(shí)二維滑窗后的回波數(shù)據(jù)在Pi上的投影分量，H表示矩陣的共輒轉(zhuǎn) 置。
[0050] 優(yōu)選地，所述步驟6包括以下子步驟：
[0051] 6a)依據(jù)所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣T和對(duì)角加載后的相關(guān)矩陣R'1，結(jié) 合雜噪?yún)f(xié)方差矩陣的厄米特性，求解第一中間變量組0、r。、巧及r2:
[0052]
[0053] 其中，0、4、6及。都是非負(fù)實(shí)數(shù)，11表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置；
[0054] 6b)根據(jù)所述第一中間變量組通過(guò)以下公式計(jì)算第二中間變量組<i>、P。及P1:
[0055] (}) = Ji - {3
[0056]
[0057]
[0058] 其中，（}>、0。及P:都為實(shí)數(shù)。
[0059]6c)根據(jù)所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣T、對(duì)角加載后的相關(guān)矩陣R'1、第 二中間變量組P。及P1通過(guò)以下公式求解權(quán)矢量W:
[0060]
[0061] 其中，H表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置。
[0062] 優(yōu)選地，所述步驟7包括以下子步驟：
[0063] 7a)依據(jù)下式判斷所述目標(biāo)視在導(dǎo)向矢量誤差邊界矩陣T的共輒轉(zhuǎn)置矩陣TH與所 述權(quán)矢量w相乘得到的列向量的模值|thw|是否小于1:
[0064] ThW|<1
[0065] 其中，W表示權(quán)矢量，H表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置；
[0066]7b)若|THW|〈1，則增加所述加載因子^，令y =a+y后重新執(zhí)行所述步驟5至 步驟6,其中y為加載因子a為步長(zhǎng)因子且a>1;
[0067]7c)若|THW|彡1，則將對(duì)應(yīng)的權(quán)矢量W作為最優(yōu)權(quán)矢量WRc]bustAPES。
[0068] 優(yōu)選地，