機(jī)載雙基地雷達(dá)距離模糊雜波抑制方法性能研究

張柏華， 謝文沖， 王永良， 張永順

(1.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800;2.空軍雷達(dá)學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430019)

0 引言

空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)是機(jī)載雷達(dá)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的研究已進(jìn)行了三十多年，主要是圍繞單基地機(jī)載雷達(dá)展開(kāi)的，STAP技術(shù)的主要目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)對(duì)雜波和干擾的有效抑制［1］。近年來(lái)STAP技術(shù)在機(jī)載雙基地雷達(dá)中的應(yīng)用已成為雷達(dá)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

雙基地雷達(dá)由于在雷達(dá)“四抗”方面的潛在優(yōu)勢(shì)在近年來(lái)得到快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，也是當(dāng)今雷達(dá)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)［2］。在單基地雷達(dá)空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)逐漸走向成熟和進(jìn)入工程化的同時(shí)，人們很自然地把目光投向了雙基地空時(shí)自適應(yīng)處理的研究。機(jī)載雙基地雷達(dá)工作時(shí)由于載機(jī)的運(yùn)動(dòng)、雷達(dá)的下視工作和收發(fā)分置，使得雷達(dá)接收的地雜波明顯增強(qiáng)，且有多普勒頻移和距離相關(guān)性。雙基地機(jī)載雷達(dá)表現(xiàn)出更復(fù)雜的雜波特性，雜波呈現(xiàn)嚴(yán)重的非均勻性，使得雙基地機(jī)載雷達(dá)的雜波抑制難度增大，特別是如果加上距離模糊的影響，抑制雜波的難度將進(jìn)一步加大。

為了克服雜波非均勻特性對(duì)機(jī)載雙基地STAP運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能的影響，近幾年一些學(xué)者提出了諸如多普勒翹曲［3］(DW)、高階多普勒翹曲［4］(HODW)、角度 － 多普勒補(bǔ)償［5］(ADC)、基于配準(zhǔn)補(bǔ)償［6］(RBC)、自適應(yīng)補(bǔ)償［7－9］、逆協(xié)方差矩陣線性預(yù)測(cè)［10－11］(PICM)、空時(shí)內(nèi)插［12］(STINT)、基于配準(zhǔn)的非均勻采樣補(bǔ)償［13］(RBNFS)等方法。其中，DW 方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是它僅僅在多普勒域補(bǔ)償了主瓣雜波譜中心，整體雜波譜并沒(méi)有完全得到補(bǔ)償;HODW方法性能比DW方法有一定程度改善，但是存在傅里葉變換導(dǎo)致的“籬笆柵格”現(xiàn)象;ADC方法在角度－多普勒域進(jìn)行雜波譜中心補(bǔ)償，但是需要利用慣導(dǎo)提供的系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)存在誤差時(shí)ADC方法性能嚴(yán)重下降;RBC在理想情況下能得到很好的性能，但是雜波譜峰值的估計(jì)精度、計(jì)算量及方法的魯棒性不容忽視;自適應(yīng)補(bǔ)償雖然不需知道配置參數(shù)，在理想情況下性能也很好，但是實(shí)際中每個(gè)距離門(mén)數(shù)據(jù)的協(xié)方差數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，導(dǎo)致性能下降很多;PICM方法雖然無(wú)需知道飛行和配置參數(shù)，但需要額外增加很多計(jì)算量;STINT方法與RBC方法類似，只是把雜波譜搬移到一個(gè)虛擬的位置;RBNFS方法在角度－多普勒域通過(guò)非均勻采樣提取雜波譜中心，并利用最小二乘估計(jì)雜波譜中心的幅度，完成對(duì)非均勻雜波的補(bǔ)償。上述方法均未考慮雜波距離模糊的影響。本文首先分析了存在距離模糊時(shí)的雙基地機(jī)載雷達(dá)雜波分布特性，考慮到篇幅，只選擇了DW，ADC和RBNFS三種典型機(jī)載雙基地雷達(dá)距離非均勻補(bǔ)償方法在兩種機(jī)載雙基地配置下的抑制距離模糊雜波的性能進(jìn)行研究比較，最后給出了有益的結(jié)論。

1 機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波模型

圖1給出了機(jī)載雙基地雷達(dá)在任意幾何配置下的幾何關(guān)系，其中VT，VR分別是發(fā)射、接收平臺(tái)載機(jī)的飛行速度;ψT，ψR(shí)分別是地面雜波散射點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射、接收平臺(tái)飛行方向的錐角，本文假設(shè)雷達(dá)天線都是正側(cè)面放置，所以ψT，ψR(shí)也分別是發(fā)射、接收天線軸向與地面雜波散射點(diǎn)的錐角;θT，θR分別是發(fā)射、接收雷達(dá)天線波束指向相對(duì)于基線方向的方位角;δT，δR分別是發(fā)射、接收平臺(tái)載機(jī)飛行方向相對(duì)于基線方向的方位角;φT，φR分別是雜波散射體相對(duì)于發(fā)射、接收平臺(tái)天線軸向的俯仰角;hT，hR分別是發(fā)射、接收平臺(tái)載機(jī)的飛行高度;L是雙基地基線長(zhǎng)度;RS是雙基地探測(cè)距離和;RR和RT分別是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)到雜波點(diǎn)的距離。

圖1 機(jī)載雙基地幾何配置關(guān)系圖Fig.1 The geometry configuration for airborne bistatic radar

由圖1可以得到機(jī)載雙基地雷達(dá)接收回波的多普勒頻率為

其中:

假設(shè)天線為正側(cè)面放置，則 δT，δR均為0，由圖1的幾何三角關(guān)系可推出如下公式:

從式(8)可解出RR，然后將上述公式代入式(1)、式(2)便可得到接收回波的多普勒頻率fd關(guān)于參變量θR的依賴于接收機(jī)空間錐角和雙基地探測(cè)距離和兩個(gè)變量的函數(shù)表達(dá)式如下:

需要指出的是，式(8)中RR有兩個(gè)解:式(10)，當(dāng) π/2≤θR≤3π/2 時(shí)，取加號(hào);當(dāng) θR≤π/2 或 θR≥3π/2，取減號(hào)。通過(guò)仿真，便可以得到任意幾何配置、載機(jī)任意飛行方向、天線任意安置條件下，接收平臺(tái)錐角－地雜波多普勒的二維圖。

2 機(jī)載雙基地雷達(dá)存在距離模糊時(shí)的雜波譜特性

為了分析方便，本文選擇了圖2的兩種典型配置進(jìn)行了仿真，其中接收、發(fā)射天線均為正側(cè)面放置。仿真具體參數(shù)為:陣元數(shù)N=8，脈沖數(shù)K=16，雜噪比60 dB，基線距離為80 km，雙基地距離和為130 km，發(fā)射載機(jī)和接收載機(jī)高度均為8 km，飛行速度均為140 m/s，工作波長(zhǎng) λ=0.23 m，脈沖重復(fù)頻率 fr=2434.8 Hz，最大作用距離400 km，此時(shí)，有3個(gè)模糊距離:130 km，53.21 km，76.42 km，考慮到天線背面的輻射很弱，在此沒(méi)有考慮，假定脈沖追趕準(zhǔn)確同步，接收主波束指向陣面法向。

圖2 兩種典型配置情況圖Fig.2 Two typical configurations

圖3～圖6給出了典型配置一、二不存在距離模糊和存在距離模糊時(shí)的雜波特征譜和功率譜等高線圖。

圖3 配置一不存在距離模糊的情形Fig.3 Configuration 1 without range ambiguity

圖4 配置一存在距離模糊的情形Fig.4 Configuration 1 with range ambiguity

圖5 配置二不存在距離模糊的情形Fig.5 Configuration 2 without range ambiguity

圖6 配置二存在距離模糊的情形Fig.6 Configuration 2 with range ambiguity

從圖中可以看出:一方面，當(dāng)存在距離模糊時(shí)雜波協(xié)方差矩陣的大特征值個(gè)數(shù)(即:雜波自由度)大大增加，雜波自由度從30左右增加到60多，其中配置二時(shí)比配置一時(shí)略微多一點(diǎn);另一方面，雜波功率譜也由于距離模糊而大大展寬。以上兩種因素給傳統(tǒng)STAP方法的雜波抑制性能帶來(lái)了很大的影響。

3 機(jī)載雙基地雷達(dá)存在距離模糊時(shí)典型補(bǔ)償方法的性能仿真與分析

本節(jié)以3DT方法為例對(duì)DW，ADC和RBNFS 3種方法在圖2配置一、二時(shí)存在三重距離模糊時(shí)的性能進(jìn)行比較。其中，DW，ADC和RBNFS等3種補(bǔ)償類方法均是首先對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償處理，然后再通過(guò)3DT方法進(jìn)行雜波抑制處理，仿真參數(shù)同上節(jié)。為了避免出現(xiàn)矩陣奇異現(xiàn)象，RBNFS方法中利用最小二乘準(zhǔn)則估計(jì)雜波幅度時(shí)進(jìn)行了對(duì)角加載，加載量為0.01。

圖7～圖10給出了配置一時(shí)不補(bǔ)償以及經(jīng)DW，ADC，RBNFS方法3種補(bǔ)償后的雜波特征譜和功率譜等高線圖(理想情況下雜波特征譜、功率譜等高線圖見(jiàn)上節(jié)圖4、圖6)。

圖7 配置一未補(bǔ)償情形Fig.7 Configuration 1 without compensation

圖8 配置一DW方法補(bǔ)償Fig.8 Configuration 1 using DW method

其中，理想情況下的雜波協(xié)方差矩陣由矩陣直接生成，不補(bǔ)償和3種補(bǔ)償方法由鄰近距離門(mén)樣本經(jīng)訓(xùn)練得到。從圖中可以看出，由于存在距離模糊，即使理想情況下雜波自由度(即:大特征值個(gè)數(shù))也遠(yuǎn)多于單基地正側(cè)面時(shí)的N+K－1(23)個(gè)，達(dá)到60以上;不補(bǔ)償時(shí)雜波大的特征值個(gè)數(shù)最多，達(dá)到80以上，其雜波功率譜也展寬最多;經(jīng)DW和ADC補(bǔ)償后，大的特征值個(gè)數(shù)略有降低，雜波功率譜展寬也有所改善;經(jīng)RBNFS補(bǔ)償后大特征值個(gè)數(shù)和雜波功率譜寬度就和理想情況下很接近了。

圖9 配置一ADC方法補(bǔ)償性能Fig.9 Configuration 1 using ADC compensation method

圖10 配置一RBNFS方法補(bǔ)償性能Fig.10 Configuration 1 using RBNFS compensation method

圖11～圖14給出了配置二時(shí)不補(bǔ)償以及經(jīng)DW，ADC，RBNFS方法3種補(bǔ)償后的雜波特征譜和功率譜等高線圖。從圖中可以看出，相對(duì)配置一，配置二時(shí)理想情況下的大特征值個(gè)數(shù)又增加很多，達(dá)到80以上，雜波功率譜相對(duì)配置一也復(fù)雜很多，這說(shuō)明雙基地配置是影響雜波特性的重要因素;不補(bǔ)償時(shí)的大特征值個(gè)數(shù)則達(dá)到了100以上，經(jīng)DW，DC補(bǔ)償后性能有所改善;經(jīng)RBNFS補(bǔ)償后的性能亦沒(méi)有配置一時(shí)的改善明顯。

圖11 配置二未補(bǔ)償情形Fig.11 Configuration 2 without compensation

圖12 配置二DW方法補(bǔ)償Fig.12 Configuration 2 using DW compensation method

圖13 配置二ADC方法補(bǔ)償Fig.13 Configuration 2 using ADC compensation method

圖14 配置二RBNFS方法補(bǔ)償Fig.4 Configuration 2 using RBNFS compensation method

圖15、圖16給出了配置一、二不存在和存在距離模糊時(shí)的不補(bǔ)償和3種補(bǔ)償方法的STAP改善因子比較圖。從圖中可以看出:一方面，由于存在距離模糊，3種典型補(bǔ)償類STAP方法的主雜波凹口區(qū)相對(duì)沒(méi)有距離模糊時(shí)均存在一定程度的展寬，不補(bǔ)償時(shí)尤為明顯;另一方面，當(dāng)存在距離模糊時(shí)，3種典型補(bǔ)償類STAP方法中DW和ADC的雜波抑制性能下降較為明顯，而RBNFS方法仍能保持較好的雜波抑制性能。

圖15 配置一補(bǔ)償類STAP方法改善因子比較Fig.15 IF for compensating method of STAP in configuration 1

圖16 配置二補(bǔ)償類STAP改善因子比較Fig.16 IF for compensating method of STAP in configuration 2

4 結(jié)論

本文基于機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波模型，分析了機(jī)載雙基地雷達(dá)雜波譜在距離模糊情況下的空時(shí)分布特性，并對(duì)機(jī)載雙基地雷達(dá)存在距離模糊時(shí)典型補(bǔ)償類STAP方法的雜波抑制性能進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真分析可以看出，機(jī)載雙基地雷達(dá)配置下距離模糊對(duì)傳統(tǒng)STAP方法的雜波抑制性能影響很大，現(xiàn)有的雙基地機(jī)載雷達(dá)補(bǔ)償類STAP方法在存在距離模糊時(shí)性能改善受到一定程度的限制，相對(duì)而言，RBNFS方法的雜波抑制性能較好。下一步的主要工作將是研究存在距離模糊情況時(shí)的有效的機(jī)載雙基地雷達(dá)STAP雜波抑制方法。

［1］王永良，彭應(yīng)寧.空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［2］楊振起，張永順，駱永軍.雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［3］BORSARI G K.Mitigating effects on STAP processing caused by an inclined array［C］//Proc of the IEEE National Radar Conf，Dallas，TX，USA，1998:135-140.

［4］PEARSON F，BORSARI G.Simulation and analysis of adaptive interference suppression for bistatic surveillance radars［C］//Proc of the Adaptive Sensor Array Processing Workshop，Lincoln Laboratory，MA，USA，2001:1-21.

［5］HIMED B，ZHANG Y H，HAJJARI A.STAP with angle-Doppler compensation for bistatic airborne radar［C］//Proc of the IEEE National Radar Conf，Long Beach，CA，USA，2002:311-317.

［6］LAPIERRE F D，VERLY J G.Registration-based solutions to the range-dependence problem in STAP radars［C］//Proc of the Adaptive Sensor Array Processing Workshop，Lincoln Laboratory，MA，USA，2003:1-6.

［7］JAFFER A，HO P T.Adaptive angle-Doppler compensation techniques for bistatic STAP radars［R］.Final Technical Report，AFRL-SN-RS-TR-2005-398，2005.

［8］MELVIN W L，DAVIS M E.Adaptive cancellation method for geometry-induced nonstationary bistatic clutter environments［J］.IEEE Trans Aerosp Electron Syst，2007，43(2):651-672.

［9］LAPIERRE F D，RIES P，VERLY J G.Foundation for mitigating range dependence in radar space-time adaptive processing［J］.IET Radar Sonar Navigation，2009，3(1):18-29.

［10］LIM C H，MULGREW B.Prediction of Inverse Covariance Matrix(PICM)sequences for STAP［J］.IEEE Signal Processing Letters，2006，13(4):236-239.

［11］LIM C H，ABOUTANIOS E，MULGREW B.Linear prediction of rang-dependent inverse covariance matrix［C］//Proc of the National Radar Conf，Verona，NY，2006:228-232.

［12］VARADARAJAN V，KROLIK J L.Joint space-time interpolation for distorted linear and bistatic array geometries［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2006，56(3):848-860.

［13］XIE Wenchong，WANG Yongliang.Range-dependence compensation method for bistatic STAP radar［C］//2008 IEEE Congress on Image and Signal Processing，2008，5:503-506.