一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法及系统

1.本发明涉及雷达信号处理技术领域，更具体的，涉及一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法及系统。


背景技术：

2.天基预警雷达以卫星为载荷平台，因此相比于机载雷达在运动目标探测方面拥有许多优势，包括：可全天时全天候进行目标探测、更大范围的探测区域、不受国界限制及可探测目标种类更多等。因此，天基预警雷达是未来各国获取陆、海、空、天运动目标信息的重要手段。
3.与机载预警雷达相似，天基预警雷达下视工作且高速运动，因此其须在强杂波背景下进行目标探测。因此，如何抑制杂波是天基预警雷达目标探测需要解决的关键问题。空时自适应处理(stap)技术利用空域和时域联合自适应处理，可以有效滤除杂波并实现目标的相参积累，因此是运动雷达平台抑制杂波的关键技术，并且目前已广泛应用在多种机载雷达中。然而，相比于机载雷达，传统stap技术直接应用在天基预警雷达中会存在严重的性能损失。首先，卫星的速度可达数千米每秒，远远大于载机速度，导致其杂波分布带宽远大于机载雷达情况；其次，由于卫星位于太空，其可探测距离远大于机载雷达，因此所面临的距离模糊更为严重；最后，由于地球自转导致其杂波存在严重非平稳特性。上述三种情况会导致杂波在不同距离环内的杂波多普勒频率分布存在显著差异性，从而引起杂波在多普勒域严重展宽，导致传统stap性能严重下降。
4.目前，国内外针对天基预警雷达非平稳杂波抑制问题进行了相关研究。其中，脉冲重频优化方法通过优化脉冲重复频率的方式减小多普勒模糊和距离模糊影响，但并不能从根本上消除非平稳杂波；天线阵列轴向实时动态调整在理论上可抵消地球自转不利影响，但一方面由于卫星天线尺寸较大，精确调整其轴向存在一定技术难度，另一方面其所消耗功率在卫星上难以满足，因此该思路在实际工程中存在较大难度；相干脉冲内波形调制的方案可以抑制非平稳杂波，但代价是无法解距离模糊。
5.除上述针对天基预警雷达的非平稳杂波抑制方法外，在机载预警雷达非平稳杂波抑制方面也已存在多种思路。多普勒翘曲、多普勒-角度补偿和空时插值等方法可解决不同训练数据之间杂波分布不一致问题，但却仅适用于不存在距离模糊场景，因此不适用于存在严重距离模糊的天基预警雷达。阵列俯仰预滤波方法可实现对非平稳杂波的预先滤除，将剩余杂波平稳化，但该方法依赖于对单纯非平稳杂波分量的准确获取；三维stap方法采用方位-俯仰-多普勒联合自适应处理方式可实现对三维耦合杂波的有效解耦，但其巨大运算量和海量均匀样本需求却导致其不适用于实际应用；此外，部分降维三维stap方法可缓解其运算量负担和样本需求问题，但代价是存在一定性能损失；频率分集阵列(fda)基于多输入多输出(mimo)体制实现不同阵元发射频率步进，使不同模糊距离杂波的俯仰频率间隔变大，随后利用俯仰波束形成对某一特定的模糊距离进行提取，在俯仰自由度足够的情况下可以有效地解决机载雷达非平稳杂波问题。但天基预警雷达的距离模糊较机载雷达严重
数倍，且其阵列天线俯仰自由度有限，因此该方法并不适用于天基预警雷达。
6.综上所述，现有技术存在无法对距离模糊情况下非平稳杂波进行有效抑制的问题，因此如何发明一种能够对距离模糊情况下非平稳杂波进行有效抑制的方法，是本技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明为了解决现有技术无法对距离模糊情况下非平稳杂波进行有效抑制的问题，提供了一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法及系统，其具有准确稳定的特点。
8.为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
9.一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法，包括以下步骤：
10.s1.通过天基预警雷达的天线各方位发射阵元发射信号，并在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码；
11.s2.递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率；
12.s3.通过雷达接收回波信号进行下变频处理，再进行模数变换，并储存数字化后的回波数据；
13.s4.将数字化后的回波信号的数据进行俯仰子阵合成为单通道的接收通道，同时将回拨信号接收方位向的数据进行子阵合成为多通道的接收通道；
14.s5.对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号；
15.s6.设计一个俯仰空域滤波器，根据解码后的发射信号，通过所述的俯仰空域滤波器提取各接收通道中对应的俯仰主瓣回波，并对提取的俯仰主瓣回波进行空时自适应处理滤除杂波。
16.优选的，所述的步骤s1中，天线各方位发射阵元发射信号为相互正交的信号。
17.进一步的，所述的步骤s1中，在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码，具体为；
[0018][0019]
其中，n为发射阵元的方位的数量，k为脉冲数量，n为方位的最大数量，k为最大脉冲数量，γk为一个随着脉冲变化而确定的参数，c
epc
为编码后的发射信号。
[0020]
更进一步的，所述的步骤s2中，递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率，具体为：
[0021]fm
＝f0 (m-1)δf,m＝1,2,
…
,m
[0022]
其中，m为俯仰发射阵元信号的数量，m为俯仰发射阵元信号的最大数量，f0为俯仰发射阵元信号的原始参考频率，δf为俯仰发射阵元信号的递增频率间隔。
[0023]
更进一步的，所述的步骤s5中，对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号，具体为：
[0024][0025]
其中，g
t
＝modk(k-p
t
)，p
t
为俯仰主瓣回波信号对应的距离环编号，c
decode
为解码后的发射信号。
[0026]
更进一步的，步骤s6后，还对空时自适应处理后的数据进行cfar检测。
[0027]
更进一步的，所述的步骤s2中，采用了步进频方式递增天线在各俯仰阵元发射的
信号的频率。
[0028]
更进一步的，所述的步骤s4中，所述的子阵合成根据雷达种类，可采用三种顺序：
[0029]
第一种顺序为直接微波级合成十字结构通道，适用于传统相控阵雷达；
[0030]
第二种顺序为微波级合成后再对接收数据进行模数转换，然后进行数字级合成十字结构通道，适用于子阵级数字化雷达；
[0031]
第三种顺序为直接接收数据后进行模数转换，然后进行数字级合成十字结构通道，适用于全数字阵列雷达。
[0032]
更进一步的，所述的步骤s6中，所述的空时自适应处理可在子阵-脉冲域或子阵-多普勒域进行。
[0033]
一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法的系统，包括阵元发射模块、频率递增模块、模数变换模块、子阵合成模块、匹配滤波、解码模块、空时自适应模块；
[0034]
所述的阵元发射模块用于通过天基预警雷达的天线各方位发射阵元发射信号，并在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码；
[0035]
所述的频率递增模块用于递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率；
[0036]
所述的模数变换模块用于通过雷达接收回波信号进行下变频处理，再进行模数变换，并储存数字化后的回波数据；
[0037]
所述的子阵合成模块用于将数字化后的回波信号的数据进行俯仰子阵合成为单通道的接收通道，同时将回拨信号接收方位向的数据进行子阵合成为多通道的接收通道；
[0038]
所述的匹配滤波和解码模块用于对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号；
[0039]
所述的空时自适应模块用于根据解码后的发射信号，通过所述的俯仰空域滤波器提取各接收通道中对应的俯仰主瓣回波，并对提取的俯仰主瓣回波进行空时自适应处理滤除杂波。
[0040]
本发明的有益效果如下：
[0041]
本发明通过在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码，递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率，通过子阵合成为俯仰单通道和多个方位的接收通道，并对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号，实现了对距离模糊情况下非平稳杂波的分析；并通过空时自适应处理，对杂波进行滤波。由此本发明解决了现有技术无法对距离模糊情况下非平稳杂波进行有效抑制的问题，且具有准确稳定的特点。
附图说明
[0042]
图1是本发明一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法的流程示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法，包括以下步骤：
[0046]
s1.通过天基预警雷达的天线各方位发射阵元发射信号，并在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码；
[0047]
s2.递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率；
[0048]
s3.通过雷达接收回波信号进行下变频处理，再进行模数变换，并储存数字化后的回波数据；
[0049]
s4.将数字化后的回波信号的数据进行俯仰子阵合成为单通道的接收通道，同时将回拨信号接收方位向的数据进行子阵合成为多通道的接收通道；
[0050]
s5.对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号；
[0051]
s6.设计一个俯仰空域滤波器，根据解码后的发射信号，通过所述的俯仰空域滤波器提取各接收通道中对应的俯仰主瓣回波，并对提取的俯仰主瓣回波进行空时自适应处理滤除杂波。
[0052]
实施例2
[0053]
更具体的，在一个具体实施例中，所述的步骤s1中，天线各方位发射阵元发射信号为相互正交的信号。
[0054]
在一个具体实施例中，所述的步骤s1中，在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码，具体为；
[0055][0056]
其中，n为发射阵元的方位的数量，k为脉冲数量，n为方位的最大数量，k为最大脉冲数量，γk为一个随着脉冲变化而确定的参数，c
epc
为编码后的发射信号。
[0057]
本实施例中，n＝64，m＝12，k＝16。
[0058]
在一个具体实施例中，所述的步骤s2中，递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率，具体为：
[0059]fm
＝f0 (m-1)δf，m＝1，2，
…
，m
[0060]
其中，m为俯仰发射阵元信号的数量，m为俯仰发射阵元信号的最大数量，f0为俯仰发射阵元信号的原始参考频率，δf为俯仰发射阵元信号的递增频率间隔。
[0061]
在一个具体实施例中，所述的步骤s5中，对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号，具体为：
[0062][0063]
其中，g
t
＝modk(k-p
t
)，p
t
为俯仰主瓣回波信号对应的距离环编号，c
decode
为解码后的发射信号。
[0064]
在一个具体实施例中，步骤s6后，还对空时自适应处理后的数据进行cfar检测。
[0065]
在一个具体实施例中，所述的步骤s2中，采用了步进频方式递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率。
[0066]
在一个具体实施例中，所述的步骤s4中，所述的子阵合成根据雷达种类，可采用三种顺序：
[0067]
第一种顺序为直接微波级合成十字结构通道，适用于传统相控阵雷达；
[0068]
第二种顺序为微波级合成后再对接收数据进行模数转换，然后进行数字级合成十字结构通道，适用于子阵级数字化雷达；
[0069]
第三种顺序为直接接收数据后进行模数转换，然后进行数字级合成十字结构通道，适用于全数字阵列雷达。
[0070]
在一个具体实施例中，所述的步骤s6中，所述的空时自适应处理可在子阵-脉冲域或子阵-多普勒域进行。
[0071]
本发明通过在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码，递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率，通过子阵合成为俯仰单通道和多个方位的接收通道，并对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号，实现了对距离模糊情况下非平稳杂波的分析；并通过空时自适应处理，对杂波进行滤波。由此本发明解决了现有技术无法对距离模糊情况下非平稳杂波进行有效抑制的问题，且具有准确稳定的特点。
[0072]
实施例3
[0073]
一种天基预警雷达非平稳杂波抑制方法的系统，包括阵元发射模块、频率递增模块、模数变换模块、子阵合成模块、匹配滤波、解码模块、空时自适应模块；
[0074]
所述的阵元发射模块用于通过天基预警雷达的天线各方位发射阵元发射信号，并在不同脉冲与方位的发射信号中进行编码；
[0075]
所述的频率递增模块用于递增天线在各俯仰阵元发射的信号的频率；
[0076]
所述的模数变换模块用于通过雷达接收回波信号进行下变频处理，再进行模数变换，并储存数字化后的回波数据；
[0077]
所述的子阵合成模块用于将数字化后的回波信号的数据进行俯仰子阵合成为单通道的接收通道，同时将回拨信号接收方位向的数据进行子阵合成为多通道的接收通道；
[0078]
所述的匹配滤波和解码模块用于对每个方位的接收通道分别进行匹配滤波，解码每个方位的发射信号；
[0079]
所述的空时自适应模块用于根据解码后的发射信号，通过所述的俯仰空域滤波器提取各接收通道中对应的俯仰主瓣回波，并对提取的俯仰主瓣回波进行空时自适应处理滤除杂波。
[0080]
本实施例中，在阵元发射模块中，各阵元发射信号相互正交，各方位发射阵元信号与脉冲进行编码，各俯仰发射阵元发射信号频率分集；平面阵各阵元发射信号可以表示为：
[0081][0082]
其中，t
p
为信号脉宽；s
nm
()为信号的基带包络，满足(
·
)*表示共轭运算；fm＝f0 (m-1)δf，m＝1，2，
…
，m为不同俯仰发射阵元载频；为方位阵元-脉冲编码形式。
[0083]
本实施例中，在子阵合成模块中，回波数据先进行俯仰子阵合成，俯仰子阵合成变换矩阵可表示为：
[0084][0085]
其中，s
se,0
(m)为俯仰主瓣对应俯仰导向矢量中第m个元素；m
sub
为俯仰合成子阵内阵元数。本例子中，m
sub
＝，因此子阵合成后不再有俯仰自由度参与后续的自适应处理。
[0086]
本实施例中，俯仰子阵合成后，再沿进行方位子阵合成，回波数据的方位子阵合成变换矩阵可表示为：
[0087][0088]
其中，s
sa,0
(n)为目标方位导向矢量中的第n个元素，θ0和分别为目标来向方位角和俯仰角；n
sub
为方位合成子阵内阵元数，本案例中n
sub
取16。
[0089]
本实施例中，此时，整个空域变换矩阵可表示为
[0090][0091]
其中，为空时降维矩阵，表示单位对角阵。
[0092]
本实施例中，在匹配滤波和解码模块中，首先需要对各接收通道回波信号中所有正交信号进行识别与提取，并进行存储，用于后面的信号处理。在本例中，共有16个接收通道，各接收通道均提取出m
×
n个信号，最终数据规模为16
×m×
n。
[0093]
然后对各通道信号进行阵元-脉冲解码，解码表达式如下：
[0094][0095]
其中g
t
＝modk(k-p
t
)，p
t
为俯仰主瓣回波信号对应的模糊距离环编号。经过解码后，方位空间频率可表示为：
[0096][0097]
式中，g＝modk(k-p)，p为模糊距离环编号，θ为方位角，φ
p
为第p个模糊距离的俯仰角，p
t
为俯仰主瓣回波信号对应的距离环编号，式中γ
g 1
g-γ
gt 1gt
即为方位空间频率的偏移量。通过解码后，俯仰副瓣杂波的方位空间频率在不同脉冲间分布不一致，从而无法进行相参积累，而俯仰主瓣信号不受影响。在相参脉冲数足够大的情况下，能量会大幅度地减
弱。此外由于俯仰副瓣杂波的方位空间频率发生偏移，原本位于方位主瓣的俯仰副瓣杂波偏移到方位副瓣，从而在波束形成后能量被进一步减弱，从而完成抑制。以上过程称为俯仰副瓣杂波的预白化过程。
[0098]
本实施例中，匹配滤波和解码模块利用回波频率分集特性首先进行二次距离依赖补偿增大俯仰主瓣回波与俯仰副瓣回波空间间隔，并构造最小方差无失真自适应权对俯仰主瓣回波进行提取和对剩余俯仰副瓣回波进行抑制，其权值可表示为
[0099][0100]
其中表示权值的常系数，rc为剩余的俯仰副瓣杂波的协方差矩阵。由于剩余的俯仰副瓣杂波所处的俯仰角是可以计算得到的，因此该矩阵可以通过提前计算所得，s(
pt
)代表俯仰主瓣信号的俯仰导向矢量，也是可以提前得到的。
[0101]
本实施例中，空时自适应模块对提取俯仰主瓣回波进行stap处理。stap自适应权值可表示为
[0102]
w＝μr
z-1
szꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0103]
其中，表示权值的常系数，rz＝thrt表示进行时域变换后的杂波协方差矩阵，e[
·
]表示取期望，t表示时域降维矩阵，sz＝ths表示时域变换后的目标来向空域导向矢量。
[0104]
本实施例中，还包括恒虚警检测处理单元，用于对自适应处理后的数据进行恒虚警处理，完成对天基预警雷达运动目标的检测处理。
[0105]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。