本發(fā)明屬于雷達信號處理
技術(shù)領域：
，尤其涉及一種共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法，適用于共形陣列下的雜波協(xié)方差矩陣重構(gòu)及雜波抑制。
背景技術(shù)：
：空時自適應處理(space-timeadaptiveprocessing，stap)是一種有效的雜波抑制手段，并且可以有效提高雷達對弱小及慢速目標檢測的能力。傳統(tǒng)的空時自適應處理方法是采樣協(xié)方差矩陣求逆方法(samplematrixinverse，smi)，但是該方法通常只適用于在正側(cè)視情況下的均勻線陣，對于有距離徙動影響的非正側(cè)視陣及共形陣列該方法的性能會急劇下降。為此針對非正側(cè)視陣及共形陣列，一些學者先后提出多普勒補償(dopplerwarping，dw)法,角多普勒補償(angledopplercompensation，adc)法，自適應角多普勒補償(adaptiveangledopplercompensation，adc)法等諸多方法。該類方法是通過不同訓練樣本的主雜波特性與待檢測單元的主雜波特性的多普勒差異或角度多普勒差異對訓練樣本進行補償，使訓練樣本的主雜波特性和待檢測單元的主雜波特性相一致。但是該類方法為了滿足rmb準則，通常需要兩倍自由度的訓練樣本，然而共形陣由于陣列復雜，會導致自由度較大，無法滿足訓練樣本需求。為此，近年來一些學者提出了稀疏重構(gòu)的空時自適應處理(sparsecompensationspace-timeadaptiveprocessing,sr-stap)方法，該方法只需要少量訓練樣本就可以得到待檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣，但是該方法計算量較大，無法有效的應用到實際當中。之后又有學者提出基于先驗知識的稀疏重構(gòu)空時自適應處理(knowledge-aidedsr-stap，kasr-stap)方法，該方法利用先驗知識得到待檢測單元的空時分布特性，之后進行稀疏恢復，但是該方法目前在均勻線陣及較少雜波分布時有較好結(jié)果，對于復雜陣型，該方法性能有一定下降。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法，利用單距離門數(shù)據(jù)重構(gòu)雜波協(xié)方差矩陣，避免了樣本數(shù)不足及樣本污染的問題。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。一種共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法，所述方法包括如下步驟：步驟1，設定共形陣列，所述共形陣列是由n個陣元組成的均勻半圓陣；確定每個陣元的位置以及每個陣元的陣元方向圖，確定共形陣列的波束指向矢量，從而得到共形陣列的陣列方向圖；步驟2，選取雜波數(shù)據(jù)的觀測距離門l，其中，l∈[lmin,lmax]，lmin表示雜波數(shù)據(jù)的最小可觀測距離門數(shù)，lmax表示雜波數(shù)據(jù)的最大可觀測距離門數(shù)；步驟3，根據(jù)共形陣列的波束指向矢量、n個陣元的陣元方向圖、以及n個陣元的位置，得到第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空間導向矢量；并確定第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的時間導向矢量；k∈[1,nc]，nc表示第l個距離門上包含的雜波塊總個數(shù)；步驟4，根據(jù)共形陣列的方向圖，確定第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的電壓；步驟5，根據(jù)第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空間導向矢量，第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的時間導向矢量，以及第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的電壓，確定得到第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空時二維矢量數(shù)據(jù)；步驟6，令k的值分別取1,...,nc，重復執(zhí)行步驟3至步驟5，得到第l個觀測距離門上nc個雜波塊分別對應的空時二維矢量數(shù)據(jù)，從而得到第l個觀測距離門對應的雜波數(shù)據(jù)；步驟7，將第l個觀測距離門上實際包含的雜波塊數(shù)記為dc；確定第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的空時導向矢量，根據(jù)所述第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的空時導向矢量和第l個觀測距離門對應的雜波數(shù)據(jù)，得到第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的雜波功率；令d的值分別取1,...,dc，分別得到第l個觀測距離門上dc個雜波塊分別對應的空時導向矢量以及第l個觀測距離門上對應的雜波功率；步驟8，根據(jù)所述第l個觀測距離門上dc個雜波塊分別對應的空時導向矢量以及第l個觀測距離門上對應的雜波功率，得到雜波協(xié)方差矩陣。本發(fā)明技術(shù)方案的特點和進一步的改進為：(1)步驟1具體包括如下子步驟：(1a)設定第n個陣元的位置de/n＝[xnynzn]t，n＝1,2…n，n表示共形陣列包含的陣元總個數(shù)，以及第n個陣元的陣元方向圖ge/n：其中，g0表示第n個陣元的峰值增益，gb表示第n個陣元的后向衰減系數(shù)，θnull表示主瓣寬度，αn表示第n個陣元的指向和共形陣列的波束指向之間的夾角，ne/n表示第n個陣元的指向，表示共形陣列的波束指向矢量，上標t表示轉(zhuǎn)置操作；(1b)設定共形陣列波束指向的方位角θ和俯仰角從而所述共形陣列的波束指向矢量其中，上標t表示轉(zhuǎn)置操作；(1c)根據(jù)每個陣元的位置，每個陣元的陣元方向圖以及共形陣列的波束指向矢量，得到共形陣列的陣列方向圖其中，wn表示對第n個陣元的發(fā)射加權(quán)值。(2)步驟2中，雜波數(shù)據(jù)的最小可觀測距離門數(shù)雜波數(shù)據(jù)的最小可觀測距離門數(shù)雜波數(shù)據(jù)的最大可觀測距離門數(shù)其中，表示向上取整，表示向下取整，b表示雷達工作帶寬，fr表示雷達發(fā)射脈沖的脈沖重復頻率，h表示載機高度，c表示光速。(3)步驟3具體包括如下子步驟：(3a)根據(jù)共形陣列的方向圖、n個陣元的陣元方向圖、以及n個陣元的位置，得到第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空間導向矢量其中，θk表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的方位角，表示第l個觀測距離門對應的俯仰角；表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的波束指向矢量；(3b)確定第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的時間導向矢量其中，fr表示雷達發(fā)射脈沖的脈沖重復頻率，fd表示多普勒頻率，v表示共形陣列的飛行速度矢量，v＝v[cosψsinψ0]t，v表示載機的飛行速度，ψ表示偏航角(4)步驟4具體為：根據(jù)共形陣列的方向圖，確定第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的電壓其中，表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的波束矢量，ll表示第l個觀測距離門對應的距離，ζl表示一隨機變量。(5)步驟5中，確定得到第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空時二維矢量數(shù)據(jù)：其中，表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空間導向矢量，表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的時間導向矢量，表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的電壓，表示kronecker張量積。(6)步驟6中，得到第l個觀測距離門對應的雜波數(shù)據(jù)其中，nc表示第l個距離門上包含的雜波塊總個數(shù)，xk表示第l個觀測距離門上第k個雜波塊對應的空時二維矢量數(shù)據(jù)，n表示復高斯白噪聲，上標h表示共軛轉(zhuǎn)置操作。(7)步驟7具體包括如下子步驟：(7a)將第l個觀測距離門上實際包含的雜波塊數(shù)記為dc，確定第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的空時導向矢量令d的值分別取1,...,dc，分別得到第l個觀測距離門上dc個雜波對分別對應的空時導向矢量；dc≥10m，m表示雷達在一個相干處理間隔內(nèi)發(fā)射的脈沖個數(shù)；(7b)根據(jù)所述第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的空時導向矢量sst,ld和第l個觀測距離門對應的雜波數(shù)據(jù)xl，設定第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的雜波功率的初值令d的值分別取1,...,dc，分別得到第l個觀測距離門上dc個雜波塊分別對應的雜波功率的初值，|·|2表示絕對值的平方，|·|4表示絕對值的四次方；(7c)根據(jù)第l個觀測距離門上dc個雜波塊分別對應的空時導向矢量和第l個觀測距離門上dc個雜波塊分別對應的雜波功率的初值，確定雜波加噪聲協(xié)方差矩陣的初值：表示噪聲功率，i表示單位陣；(7d)采用下述迭代公式對第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的雜波功率進行迭代計算，得到第i次迭代后第l個觀測距離門上第d個雜波塊對應的雜波功率：其中，i表示迭代次數(shù)，i的初值為0，表示第d個雜波塊對應的權(quán)系數(shù)，ρ(i)表示第i次迭代時當前距離門數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)，上標h表示共軛轉(zhuǎn)置操作，上標-1表示矩陣求逆操作，||·||2表示2范數(shù)，|·|表示絕對值；令d的值分別取1,...,dc，分別得到第i次迭代后第l個觀測距離門上dc個雜波塊對應的雜波功率；(7e)令i的值加1，重復執(zhí)行子步驟(7d)，直到滿足迭代停止條件：其中，η表示設定的門限值，p(i+1)表示第i次迭代后的雜波功率集合p(i+1)＝[p1(i+1),p2(i+1),…,pdc(i+1)]t，||·||2表示2范數(shù)；并將第i次迭代后的雜波功率集合中的元素分別作為最終得到的第l個觀測距離門上dc個雜波塊對應的雜波功率。(8)根據(jù)所述第l個觀測距離門上dc個雜波對分別對應的空時導向矢量以及第l個觀測距離門上dc個雜波塊對應的雜波功率，得到雜波加噪聲協(xié)方差矩陣本發(fā)明提供的一種共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法，利用先驗知識得到雜波空時平面分布后利用基于協(xié)方差估計的稀疏迭代(sparseiterativecovariance-basedestimation，spice)方法估計雜波功率的雜波協(xié)方差矩陣重構(gòu)方法。該方法利用單距離門數(shù)據(jù)重構(gòu)雜波協(xié)方差矩陣，避免了樣本數(shù)不足及樣本污染等問題，而且該方法相對于補償類方法和其他sr-stap方法有更加良好的性能。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種穩(wěn)健的共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的共形陣列模型示意圖；圖3為本發(fā)明仿真實驗中正側(cè)視情況下本發(fā)明方法與各傳統(tǒng)方法的信干噪比輸出示意圖；圖4為圖3的細節(jié)放大示意圖；圖5為本發(fā)明仿真實驗中前視情況下本發(fā)明方法與各傳統(tǒng)方法的信干噪比輸出示意圖；圖6為圖5的細節(jié)放大示意圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例提供一種穩(wěn)健的共形陣列雜波協(xié)方差矩陣的稀疏重構(gòu)方法，參考圖1，所述方法包括以下步驟：步驟一，設定機載雷達系統(tǒng)參數(shù)，接收包括信號分量、雜波分量和噪聲分量的回波數(shù)據(jù)。共形陣列為n個陣元組成的均勻半圓陣，陣元間距d為半波長，機載雷達在一個相干處理間隔(coherentprocessinginterval,cpi)內(nèi)發(fā)射m個脈沖，其脈沖重復頻率為fr，雷達工作波長為λ，工作帶寬為b，載機高度為h，載機速度為v，光速為c。假設第n個陣元的位置為de/n＝[xnynzn]t(n＝1,2…n)，式中其(·)t代表轉(zhuǎn)置，其對應的陣元安置方向會受到共形陣面局部的幾何形狀影響,因此規(guī)定陣元安置方向為其所在處曲面的法線方向，則第n個陣元的指向定義為ne/n。假定共形陣列的飛行速度矢量為v＝v[cosψsinψ0]t，ψ為偏航角，假設共形陣的當前波束指向的方位角和俯仰角分別為θ,則共形陣的波束指向矢量可以表示為對于第n個陣元，其陣元方向圖可以表示為式中，g0和gb分別表示為陣元的峰值增益和后向衰減系數(shù)，θnull表示兩零點間的主瓣寬度，為第n個陣元的指向和共形陣的波束間的夾角。陣列方向圖可以表示為：式中wn為對第n個陣元的發(fā)射加權(quán)，這里采取均勻加權(quán)即權(quán)值為1。步驟二，通常在非距離模糊情況下，雜波數(shù)據(jù)的最小可觀測距離門數(shù)和最大距離門數(shù)分別可以表示為其中和分別為向上取整和向下取整。假設一個距離環(huán)由nc個雜波塊組成，那么第l(l∈[lmin,lmax])個距離環(huán)上的第k(k∈[1,nc])個雜波塊對應的電壓可以表示為：式中，為第l個距離門對應的俯仰角，θk為第k個雜波塊對應的方位角，ll為當前距離門對應的距離，ζl為由雜波單元雷達等效截面積、雷達系統(tǒng)參數(shù)及雜波幅度起伏模型決定的隨機變量，反映不同距離環(huán)內(nèi)或同一距離環(huán)內(nèi)不同方位上雜波單元的回波起伏，可認為在雷達相干處理時間內(nèi)服從同種分布。共形陣第l個距離門上第k個雜波塊對應的空間導向矢量可以表示為：時間導向矢量可以表示為：式中為多普勒頻率，為第l個距離門上第k個雜波塊對應的波束指向。第k個雜波塊的空時二維矢量數(shù)據(jù)可以表示為：式中代表kronecker張量積，在不考慮距離模糊的情況下，第l個距離門對應的回波數(shù)據(jù)可以表示為：式中nc為總雜波塊數(shù)，n～cn(0,δ2i)是復高斯白噪聲。由此可以構(gòu)成共形陣的雜波模型。步驟三，相對于傳統(tǒng)線陣而言，共形陣結(jié)構(gòu)復雜，而回波數(shù)據(jù)會也隨之變的復雜。傳統(tǒng)的針對共形陣雜波非均勻的解決方法主要為補償類方法，通過分析待檢測單元與訓練樣本間的多普勒及空域的特異性差異，對訓練樣本進行補償，使訓練樣本的雜波特性與待檢測單元的雜波特性相一致。然而這類方法會導致訓練樣本的雜波特性改變，而且對于共形陣，由于其陣型復雜，通常陣元數(shù)會很多，傳統(tǒng)的采樣協(xié)方差矩陣求逆及補償類方法無法獲得足夠的訓練樣本來滿足rmb(reed-mallett-brenna)準則，即訓練樣本數(shù)至少為采樣協(xié)方差矩陣自由度的兩倍。為此一些學者提出了sr-stap方法，該類方法可以利用少量距離門數(shù)據(jù)進行雜波協(xié)方差矩陣重構(gòu)。然而當前該類方法只對于均勻線陣適用。為此本發(fā)明實施例提出一種ka-spicestap方法重構(gòu)雜波協(xié)方差矩陣。spice方法是一種基于協(xié)方差的稀疏迭代方法，其通過雜波導向矢量和噪聲區(qū)域通過稀疏迭代的方式重構(gòu)雜波協(xié)方差矩陣，由于這里提出的方法是利用ka即先驗知識獲得雜波對應的空時導向矢量，故這里對于傳統(tǒng)的spice方法有所改變，即只利用雜波空時導向矢量對雜波功率進行估計。在實際中，雜波塊數(shù)往往是未知的，為此這里我們將方位角進行均勻劃分，劃分為dc(dc>＝10m)份，從而得到dc份空時導向矢量，即對應dc個雜波塊，值得注意的是這里dc劃分的份數(shù)越多，重構(gòu)的雜波加噪聲協(xié)方差矩陣也越精確。經(jīng)過改變的spice方法可以表達如下，首先，初始化雜波加噪聲協(xié)方差矩陣表示為sst,ld，pd分別表示當前距離門對應的第d個雜波塊對應的空時導向矢量和功率，為噪聲功率。這里由先驗知識及陣列和載機參數(shù)獲得，而之后利用已知項pd(i)，ρ(i)，r(i)，及sst,ld對數(shù)據(jù)xl進行迭代處理。第i+1次的功率迭代的結(jié)果可以表示為：式中第i+1次的雜波加噪聲協(xié)方差矩陣可以表示為：設定迭代停止條件為p(i+1)代表第i+1迭代后的功率集合p(i+1)＝[p1(i+1)p2(i+1)…pdc(i+1)]t，||·||2表示2范數(shù)，η為選取門限，由實際需求及所需精確度設定，這里取0.001。在迭代停止時，可以得較為準確的雜波協(xié)方差矩陣。為了檢測算法性能，這里將本發(fā)明方法與kasr-stap算法做對比，利用信干噪比輸出作為判斷標準。信干噪比輸出可以表示為：式中，rcon為迭代收斂后得到的雜波加噪聲協(xié)方差矩陣，scfa為主波束方向?qū)目諘r導向矢量，ropt為最優(yōu)的雜波加噪聲協(xié)方差矩陣。本發(fā)明的效果可由以下仿真數(shù)據(jù)作進一步說明：1.仿真數(shù)據(jù)：1)本發(fā)明通過采用機載雷達的仿真數(shù)據(jù)驗證算法的可行性。表1.雷達參數(shù)表參數(shù)數(shù)值帶寬5mhz陣元數(shù)1每個cpi的脈沖數(shù)16波長0.2m脈沖重復頻率5000hz飛機速度200m/s載機高度3000m圓陣半徑0.5m峰值增益1后向衰減系數(shù)0.0178(-35db)2.實驗數(shù)據(jù)內(nèi)容及結(jié)果分析這里采用正側(cè)視和前視兩種形式進行試驗仿真。為了更好的進行對比，這里將該專利提出的方法與采樣協(xié)方差矩陣求逆，角多普勒補償，利用lasso方法的kasr-stap方法進行對比。為了滿足采樣協(xié)方差矩陣和角多普勒補償方法的訓練樣本數(shù)，這里選取從最小可檢測距離門算起的第四百號距離門作為實驗距離門。為了證明該算法的穩(wěn)健性，這里對存在幅相誤差的情況進行了仿真對比。圖2給出了天線陣列模型，由16個陣元組成的半圓，箭頭方向為陣元法向方向。在正側(cè)視陣情況下，飛機速度方向沿x軸正半軸方向，前視陣飛機速度方向是沿y軸正半軸方向。圖3是在正側(cè)視情況下的第400號距離門的信干噪比輸出圖，可以看出本發(fā)明方法幾乎與最優(yōu)(opt)的信干噪比輸出一致，而其他幾種方法的性能較差。利用lasso算法的ka-srstap稍差于該專利所提方法，而且由于lasso算法的一個參考參數(shù)難以獲得準確的估值，在實際使用時需要多次估算得到一個400較為適當?shù)臄?shù)值使lasso算法獲得較優(yōu)性能。這里經(jīng)過參數(shù)遍歷得到了一個最優(yōu)結(jié)果在此進行對比，可以從圖中看出ka-spice-stap方法具有更好的性能。圖4是圖3的細節(jié)圖，可以看出ka-srstap方法相比最優(yōu)方法只差不到1db，其他方法均差于該方法。圖5是前視情況下的第400號距離門的信干噪比輸出圖，可以看出，ka-spice依舊具有較好的結(jié)果。可以證明該方法可以有效處理不同偏航角情況下的回波數(shù)據(jù)。圖6是前視情況下的信干噪比輸出細節(jié)圖，從圖中可以看出ka-spice-stap的性能相當優(yōu)異。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權(quán)利要求的保護范圍為準。當前第1頁12