非正側(cè)視陣列機載STAP雷達目標探測性能研究

張永祥

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

空時自適應(yīng)處理(STAP)[1-3]是改善機載雷達目標檢測性能的一項關(guān)鍵技術(shù)，可有效抑制雜波和干擾，改善強雜波背景下雷達對低速小目標的探測性能。這是因為STAP技術(shù)針對地雜波和干擾在機載情況下的分布特性，利用雷達提供的空域和時域自由度對回波數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，能夠在空時二維平面內(nèi)自適應(yīng)地形成與雜波和干擾相匹配的凹口，從而實現(xiàn)對雜波和干擾的抑制，提高雷達對運動目標的檢測能力。

現(xiàn)代機載預(yù)警雷達廣泛采用有源相控陣天線結(jié)構(gòu)，通過幾副天線的共同作用實現(xiàn)雷達的全方位搜索。此時，無論采用何種天線架設(shè)方式，必然會涉及天線為非正側(cè)視陣的情況，即天線陣面與載機平臺飛行方向的夾角不為零，也即非正側(cè)視陣[4-7]。傳統(tǒng)的STAP算法大多是針對正側(cè)視條件下均勻線性陣列，在此情況下，各距離單元的雜波特性滿足獨立同分布(IID)條件，可以輕易獲得足夠多的滿足IID條件的訓(xùn)練樣本來估計待檢測單元的雜波協(xié)方差矩陣，從而提高STAP的性能，可達到理論最優(yōu)。但在實非正側(cè)視陣下，雜波分布會出現(xiàn)非均勻現(xiàn)象，使得訓(xùn)練樣本與待檢測單元的雜波不再滿足IID條件，明顯削弱STAP方法的雜波抑制能力。因此，針對非正側(cè)視陣下的STAP相關(guān)研究，有著迫切的現(xiàn)實需要和重大意義。

1 非正側(cè)視陣列機載雷達雜波分布

設(shè)載機水平飛行，且載機的飛行速度為v，雷達發(fā)射波長為λ，天線機掃角為θp(天線軸與載機飛行速度v的夾角)，如圖1所示[8-9]。

圖1 雷達陣面和雜波散射體的幾何關(guān)系圖

若雜波小散射體單元相對于天線的軸向方位角和俯仰角分別為θa和φ，則該散射體的多普勒頻率為：

(1)

式中：fdm=2v/λ，代表最大多普勒頻率；ψ為相對于天線軸的錐角。

對于空時二維處理，控制時域濾波的權(quán)相當(dāng)于改變其多普勒響應(yīng)特性，而控制空域等效線陣的權(quán)相當(dāng)于改變其錐角余弦的波束響應(yīng)。因此，從空時二維濾波的角度研究二維雜波譜，取2fd/fr和cosψ做坐標是合適的，其中fr為脈沖重復(fù)頻率。因而式(1)可改為：

cos2φcos2θp

(2)

對針對θp的值不同，將雜波分為3種情況進行討論：

(1) 如果θp=0，雷達天線平面平行于載機的飛行方向，此時為正側(cè)視陣情形，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

(2) 當(dāng)天線的機掃角變化時，θp不為零，當(dāng)φ為常數(shù)時，式(2)為橢圓方程。此時為斜側(cè)視陣的情況。

(3) 如果θp=π/2，即前向陣，那么式(2)為圓方程：

(4)

圖2為θp取0°、45°和90°下的雜波分布?？梢钥闯?，雜波譜嚴重展寬，由此而得到的自適應(yīng)權(quán)值在待檢單元的雜波處形成的凹口寬而淺，其寬度近似為所有訓(xùn)練單元雜波譜所呈現(xiàn)出的環(huán)寬度，故易將慢動弱目標信號濾除而造成大范圍的目標漏檢。

2 非正側(cè)視陣列機載STAP雷達性能仿真

2.1 不同側(cè)視角下的機載STAP雷達性能仿真

下面選取仿真參數(shù)如下：雷達天線單元16個，相參處理脈沖數(shù)目16個，雷達頻率420 MHz，脈沖重復(fù)間隔(PRI)為1.8 ms，脈寬120 μs，線性調(diào)頻帶寬2 MHz，平臺運動速度120 m/s，目標回波功率0 dB，方位角為10°，多普勒頻率為150 Hz，選取的處理距離單元為100～200個，目標所處距離單元為第160個距離單元，地雜功率為50 dB，目標速度為10 m/s。

圖2 不同θp的雜波功率譜

圖3 不同θp下的目標提取結(jié)果

圖3為θp為0°、30°、60°和90°時，經(jīng)過STAP處理后目標提取結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)θp=0°時，經(jīng)過STAP處理后目標出現(xiàn)在第160個距離單元內(nèi)，信噪比為29 dB，隨著θp的增大，目標的信噪比逐漸惡化，在30°、60°和90°的時候分別為24 dB、20 dB和8.5 dB，并且距離旁瓣逐漸變高，但在此條件下仍能對目標的信息進行提取。

2.2 不同目標回波功率下的非正側(cè)視陣列機載STAP雷達性能仿真

仿真參數(shù)與上一節(jié)一致，選取的側(cè)視角為30°時，目標回波功率分別為-20 dB、-10 dB、0 dB和10 dB下，經(jīng)過STAP處理后目標提取結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同目標回波功率下的目標提取結(jié)果

由圖4可以看出，隨著目標回波功率的增大，目標的信噪比逐漸增大，當(dāng)目標回波功率為-20 dB時，經(jīng)過STAP處理后目標出現(xiàn)在第160個距離單元內(nèi)，信噪比為9 dB，當(dāng)目標回波功率為-10 dB、0 dB和10 dB時，信噪比分別為21 dB、24 dB和26 dB，并且距離旁瓣逐漸變低。

2.3 不同目標速度下的非正側(cè)視陣列機載STAP雷達性能仿真

仿真參數(shù)與2.1一致，選取的側(cè)視角為30°時，目標速度分別為0 m/s、5 m/s、10 m/s和15 m/s，經(jīng)過STAP處理后目標提取結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同目標速度下的目標提取結(jié)果

由圖5可以看出，隨著目標速度的增大，目標的信噪比逐漸增大。當(dāng)目標速度為0 m/s時，經(jīng)過STAP處理后無法找到目標位置，此時目標被地雜波覆蓋。因為目標靜止，并且目標功率只有0 dB，此時通過STAP處理無法提取目標。當(dāng)目標速度為5 m/s、10 m/s和15 m/s時，經(jīng)STAP處理后信噪比分別為9 dB、23 dB和26 dB，并且距離旁瓣逐漸變低。

3 結(jié)束語

本文針對非正側(cè)視陣列機載STAP雷達的目標探測進行研究，分析了非正側(cè)視陣列機載STAP雷達的原理，對不同側(cè)視角下的雜波功率譜進行仿真分析，最后對不同側(cè)視角、不同目標回波功率和不同目標速度的非正側(cè)視陣列機載STAP雷達性能進行仿真。結(jié)果表明：減小側(cè)視角、提高目標回波功率和提高目標速度可以提高處理后的信噪比，降低距離旁瓣。