基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)二維自適應(yīng)處理方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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JDL降維回波數(shù)據(jù)和空時(shí)導(dǎo)向矢量；步驟2，構(gòu)造待檢測(cè)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)的擬合系數(shù)；步驟5，獲取待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬合誤差；步驟6，對(duì)待檢測(cè)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(cè)。本發(fā)明主要解決傳統(tǒng)STAP方法運(yùn)算量巨大及樣本需求苛刻的問(wèn)題，并在降低虛警率的同時(shí)，提高目標(biāo)的檢測(cè)概率，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理及對(duì)STAP的性能改善中具有很好的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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)擬合的聯(lián)合域 定位空時(shí)二維自適應(yīng)處理方法，用于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)信號(hào)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(cè)目標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行定位跟 蹤，而對(duì)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(shí)自適應(yīng)處理 (space-time adaptive processing, STAP)技術(shù)充分利用空域和時(shí)域信息，在對(duì)目標(biāo)信號(hào) 進(jìn)行相干積累的同時(shí)，通過(guò)空時(shí)自適應(yīng)處理濾除地面雜波，實(shí)現(xiàn)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的有 效檢測(cè)，如美國(guó)的E2-D機(jī)載預(yù)警雷達(dá)就采用此技術(shù)。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，STAP技術(shù)主要存在以下兩方面問(wèn)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(jì)協(xié)方差矩陣的獨(dú)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(shí) 處理計(jì)算量過(guò)大的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以保證。
[0004] 為解決上述問(wèn)題，推動(dòng)STAP技術(shù)更加實(shí)用化，人們提出了許多改進(jìn)措施或方 法。清華大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利"非均勻雜波環(huán)境下空時(shí)自適應(yīng)處理方法"（專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201010129723. 3,公布號(hào)CN101819269A)公開(kāi)了一種在非均勻雜波環(huán)境中超分辨估計(jì)雜波 空時(shí)二維譜的超完備稀疏表示方法。該方法實(shí)現(xiàn)了在獨(dú)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(jì)雜波協(xié)方差矩陣，從而避免強(qiáng)非均勻雜波環(huán)境對(duì)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(yùn)算量大的問(wèn)題，對(duì)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(shí)際中系統(tǒng)自由度通常成千上萬(wàn)，這樣在每 一距離單元樣本的協(xié)方差矩陣重構(gòu)過(guò)程中所需要的運(yùn)算量非常大，不利于實(shí)時(shí)處理，從而 影響到在實(shí)際工程應(yīng)用中的效果。二是基失配問(wèn)題，該方法中使用的基實(shí)際上是一組插值 離散傅里葉DFT矢量，而實(shí)際的回波數(shù)據(jù)因?yàn)榇嬖谡`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(duì)空時(shí)平面進(jìn)行離散化表示，這樣會(huì)使得不位于離散網(wǎng)格點(diǎn) 中心的信號(hào)向所有網(wǎng)格點(diǎn)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(duì)上述在非均勻雜波環(huán)境中超分辨估計(jì)雜波空時(shí)二維譜的超完備稀疏 表示方法的不足，本發(fā)明提出一種基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)二維自適應(yīng)處理 (Joint-Domain Localized STAP，JDL-STAP)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)，并解 決上述稀疏恢復(fù)STAP方法中運(yùn)算量巨大和基失配的問(wèn)題，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)聯(lián)合域定位 JDL-STAP方法，提高動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率，降低了檢測(cè)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(shí)現(xiàn)。
[0007] -種基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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)載預(yù)警雷達(dá)天線接收機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的空時(shí)二維回波數(shù)據(jù)X，對(duì)空時(shí) 二維回波數(shù)據(jù)X進(jìn)行聯(lián)合域定位JDL降維，得到降維回波數(shù)據(jù)z和空時(shí)導(dǎo)向矢量 Sz_^ ;
[0009] 步驟2,構(gòu)造待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Φ,;
[0010] 步驟3,利用空時(shí)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(cè)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)％ ?亥待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)Zk依次取自 步驟1中的降維回波數(shù)據(jù)ζ ;利用阻塞矩陣B和待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣。，獲取目標(biāo) 阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣
[0011] 步驟4,利用目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣對(duì)輔助回波數(shù)據(jù)％進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲 取輔助回波數(shù)據(jù)^的擬合系數(shù)I;
[0012] 步驟5,利用待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok和輔助回波數(shù)據(jù)見(jiàn)的擬合系數(shù)^對(duì) 待檢測(cè)距離單元數(shù)據(jù)Z k進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)Zk的最小擬合誤差yk ; 該待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)zk依次取自步驟1中的降維回波數(shù)據(jù)z ;
[0013] 步驟6，對(duì)待檢測(cè)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(cè)，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(diǎn)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(shí)間內(nèi)接收地面反射的空時(shí)二維回波數(shù) 據(jù)X，該空時(shí)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)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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)載預(yù)警雷達(dá)天線接收機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的空時(shí)二維回波數(shù)據(jù)X，對(duì)空時(shí)二維 回波數(shù)據(jù)X進(jìn)行聯(lián)合域定位JDL降維，得到降維回波數(shù)據(jù)z和空時(shí)導(dǎo)向矢量Sz_^ ; 步驟2,構(gòu)造待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok ; 步驟3,利用空時(shí)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(cè)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)焉H亥待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)Zk依次取自步驟1 中的降維回波數(shù)據(jù)z;利用阻塞矩陣B和待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣〇1;獲取目標(biāo)阻塞以 后的數(shù)據(jù)基矩陣焉； 步驟4,利用目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣·對(duì)輔助回波數(shù)據(jù)！*進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取輔 助回波數(shù)據(jù)A的擬合系數(shù)^; 步驟5,利用待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣Ok和輔助回波數(shù)據(jù)^.的擬合系數(shù)^對(duì)待 檢測(cè)距離單元數(shù)據(jù)Zk進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)Zk的最小擬合誤差yk ;該 待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)Zk依次取自步驟1中的降維回波數(shù)據(jù)z; 步驟6,對(duì)待檢測(cè)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(cè)，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)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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(shí)間內(nèi)接收地面反射的空時(shí)二維回波數(shù)據(jù)X， 該空時(shí)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(gè)臨近的多普勒濾波器組成的時(shí)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(gè)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(gè)空域?yàn)V波器組成的 空域轉(zhuǎn)換矩陣，這三個(gè)空域?yàn)V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(gè)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)；β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)換矩陣得到聯(lián)合域定位JDL降維后的降維回波數(shù)據(jù)ζ，表示為下 式： ζ=P觀X 其中，（·）Η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Χ9維以及空時(shí)二 維回波數(shù)據(jù)X為MN維可得降維回波數(shù)據(jù)ζ的維數(shù)為9維； 聯(lián)合域定位JDL降維后的空時(shí)導(dǎo)向矢量sz_m，表示為下式： *,..?=[0I〇ir ?l〇IOf 其中，（·）T表示轉(zhuǎn)置操作，Sz^為降維后的空時(shí)導(dǎo)向矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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(gè)待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣，k表示待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的 序號(hào)，為不超過(guò)需要處理的所有待檢測(cè)距離單元總數(shù)的自然數(shù)；D表示降維回波數(shù)據(jù)z的維 數(shù)，L表示臨近距離單元的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，CD>a表示DXL維的復(fù)矩陣空間，Z1Q= 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(cè)距離單元附近的距離單元，不包含兩 個(gè)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)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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(duì)空時(shí)導(dǎo)向矢量Sz_^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(guò)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)It和目標(biāo)阻塞以后的數(shù)據(jù)基矩陣羅4s如下式所 示：
其中，Zk表示第k個(gè)待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)，該待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)依次取自步驟1 中的降維回波數(shù)據(jù)z，k表示待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的序號(hào)，為不超過(guò)需要處理的所有待檢 測(cè)距離單元總數(shù)的自然數(shù)表示目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)，Si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)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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)基矩陣黽，對(duì)目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)&進(jìn)行最小二 乘擬合表示，表示為下式： min (? 其中，11 · 112表示求解矢量的2范數(shù)，5*表示輔助回波數(shù)據(jù)％的擬合系數(shù)； 4b)根據(jù)步驟4a)中的最小二乘擬合表示，求解輔助回波數(shù)據(jù)1的擬合系數(shù)^的最小二 乘解，表示為下式： α.ΦIΦΦI7 其中，（·Γ表示矩陣求逆操作，（《^表示共軛轉(zhuǎn)置操作，％表示目標(biāo)阻塞以后的數(shù) 據(jù)基矩陣，、表示目標(biāo)阻塞以后的輔助回波數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)擬合的聯(lián)合域定位空時(shí)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(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣〇k，對(duì)待檢測(cè)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)％的擬合系數(shù)S4的最小二乘解^計(jì)算得到優(yōu)化約束邊界ilk，具體通 過(guò)下式實(shí)現(xiàn)：
其中，ak表示待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的擬合系數(shù)，yk表示最小的擬合誤差矢量的2范 數(shù)，rIk表示優(yōu)化約束邊界，％ = 11?I2; 5b)通過(guò)求解上式得到待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)< ; 根據(jù)待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合系數(shù)<得到待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的最小擬 合誤差yk，通過(guò)下式獲?。? Λ=|卜!鳴喊 其中，Zk表示第k個(gè)待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)，該待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)依次取自步驟1 中的降維回波數(shù)據(jù)z，k表示待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)的序號(hào)，為不超過(guò)需要處理的所有待檢 測(cè)距離單元總數(shù)的自然數(shù)；〇1;表示待檢測(cè)距離單元的數(shù)據(jù)基矩陣；<4表示待檢測(cè)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(hào)】G01S7/41GK104459658SQ201410276307
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)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, 張穎, 吳億鋒, 吳建新 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)