基于空时自适应处理雷达的和差波束形成方法技术

本发明专利技术公开一种基于空时自适应处理雷达的和差波束形成方法，主要解决现有技术主瓣响应失真的问题。其实现步骤是：1.在信号处理机中输入空时自适应处理雷达的采样数据；2.根据采样数据估计得到采样协方差矩阵；3.设计五个约束点的角度和多普勒；4.根据采样协方差矩阵和五个约束点，设计和波束权矢量；5.根据采样协方差矩阵和五个约束点，设计空域差波束权矢量；6.根据采样协方差矩阵和五个约束点，设计时域差波束权矢量；7.根据采样数据和波束权矢量，得到和波束、空域差波束和时域差波束的输出信号。本发明专利技术通过幅度相位联合约束、导数约束和多个零点约束，实现了空时自适应处理雷达的和差波束主瓣保形，可用于目标跟踪。

Method of difference and beam forming based on space-time adaptive processing radar

The invention discloses a method and a difference beam forming method based on space-time adaptive processing radar. The steps are: 1 in the signal processor in the input space time adaptive processing of radar data; 2 according to the sampling data is estimated by the sample covariance matrix; 3 design five constraint point and Doppler 4; according to the sample covariance matrix and five constraints, design and beam weight vector according to the sample covariance matrix and 5; five constraints, the design of spatial difference beam weight vector; 6 according to the sample covariance matrix and five constraints, design time domain difference beam weight vector; 7 according to the sampling data and the beam weight vector, the output signal gain and beam, spatial beam and time difference beam. The invention can realize the main lobe shape preserving of the space time adaptive processing radar and the difference beam, which can be used for the target tracking by the joint constraint of the amplitude phase, the derivative constraint and the multiple zero constraints.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理
，更进一步涉及一种和差波束形成方法，可用于目标跟踪。
技术介绍
单脉冲技术通过形成和差波束实现对目标角度的高精度实时估计，被广泛应用于跟踪雷达系统。传统单脉冲技术仅利用模拟方法形成和差波束并对其进行处理，利用单脉冲比，即差波束与和波束输出信号之比与角度的线性关系，实现对目标角度的高精度估计。因此，良好的单脉冲比对于目标角度的估计性能至关重要。随着阵列雷达及数字化接收机技术的发展，利用数字方法自适应地设计和差波束，即自适应单脉冲技术得到迅速发展和广泛关注。将自适应单脉冲技术应用到空时自适应处理STAP雷达可实现在强杂波背景下对目标参数的高精度估计，大大提高了空时自适应处理STAP雷达的目标跟踪性能。自适应单脉冲技术相比传统单脉冲技术具有设计灵活、对复杂环境适应性强等优点，然而其性能受到单脉冲比误差的严重影响，对于空时自适应处理STAP雷达尤其如此。为了降低单脉冲比失真问题，需要对和差波束主瓣进行合理约束，实现和差波束的主瓣保形，现有方法包括：最小方差失真响应MVDR法和线性约束最小方差LCMV法，其中：最小方差失真响应MVDR法，通过约束主瓣中心点增益，同时最小化总能量实现波束形成，该方法由于采用单点约束，不能保护整个主瓣的形状。线性约束最小方差LCMV法，通过约束主瓣内多个点的增益，改善指向误差引起的主瓣畸变，该方法由于忽略了主瓣内幅度和相位的变化，其主瓣响应相对理想波束的主瓣响应存在起伏。在杂波背景下，上述两种方法的主瓣响应均会发生畸变，这将严重影响单脉冲比，因此需要对和差波束主瓣进行合理约束，实现和差波束的主瓣保形。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于空时自适应处理STAP雷达的和差波束形成方法，以解决上述已有技术问题，实现空时自适应处理STAP雷达和差波束的主瓣保形。本专利技术的基本思路是：通过在信号处理机中输入雷达采样数据，通过估计采样协方差矩阵，通过设计约束点的角度和多普勒，通过设计和波束权矢量，通过设计空域差波束权矢量，通过设计时域差波束权矢量，进而对采样数据进行和差波束形成。其实现方案如下：1)在信号处理机中输入空时自适应处理STAP雷达检测目标的采样数据X，该数据X包含目标、杂波和噪声；2)根据采样数据X估计得到采样协方差矩阵3)设计五个约束点的角度和多普勒，即五个约束点分别为(θi,fdi),i＝0,1,…,4，其中θ0和fd0分别为假设目标的角度和多普勒，其余四个约束点的角度分别为θ1＝θ0，θ2＝θ0，θ3＝θ0+3°，θ4＝θ0-3°，其余多普勒分别为fd1＝fd0-30Hz，fd2＝fd0+30Hz，fd3＝fd0，fd4＝fd0；4)设计和波束权矢量：4a)根据步骤3)中五个约束点的角度及多普勒(θi,fdi)，计算五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)；4b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)，构建和波束约束矩阵：C∑＝[s(θ0,fd0),s(θ1,fd1),s(θ2,fd2),s(θ3,fd3),s(θ4,fd4)]；4c)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)与步骤4b)中和波束约束矩阵C∑，构建和波束响应矢量： f Σ = C Σ H s ( θ 0 , f d 0 ) ]]>其中(·)H表示共轭转置操作；4d)根据步骤2)、步骤4b)和步骤4c)的结果，计算和波束权矢量： w Σ = R ^ - 1 C Σ ( C Σ H R ^ - 1 C Σ ) - 1 f Σ ]]>其中(·)-1表示求逆操作；5)设计空域差波束权矢量：5a)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)，计算第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数5b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)与步骤5a)中第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数构建空域差波束约束矩阵： C Δ s = [ s θ ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 1 , f d 1 ) , s ( θ 2 , f d 2 ) , s f d ( θ 0 , f d 0 ) ] ; 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于空时自适应处理STAP雷达的和差波束形成方法，包括：1)在信号处理机中输入空时自适应处理STAP雷达检测目标的采样数据X，该数据X包含目标、杂波和噪声；2)根据采样数据X估计得到采样协方差矩阵3)设计五个约束点的角度和多普勒，即五个约束点分别为(θi,fdi),i＝0,1,…,4，其中θ0和fd0分别为假设目标的角度和多普勒，其余四个约束点的角度分别为θ1＝θ0，θ2＝θ0，θ3＝θ0+3°，θ4＝θ0‑3°，其余多普勒分别为fd1＝fd0‑30Hz，fd2＝fd0+30Hz，fd3＝fd0，fd4＝fd0；4)设计和波束权矢量：4a)根据步骤3)中五个约束点的角度及多普勒(θi,fdi)，计算五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)；4b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)，构建和波束约束矩阵：CΣ＝[s(θ0,fd0),s(θ1,fd1),s(θ2,fd2),s(θ3,fd3),s(θ4,fd4)]；4c)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)与步骤4b)中和波束约束矩阵CΣ，构建和波束响应矢量：fΣ=CΣHs(θ0,fd0)]]>其中(·)H表示共轭转置操作；4d)根据步骤2)、步骤4b)和步骤4c)的结果，计算和波束权矢量：wΣ=R^-1CΣ(CΣHR^-1CΣ)-1fΣ]]>其中(·)‑1表示求逆操作；5)设计空域差波束权矢量：5a)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)，计算第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数5b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)与步骤5a)中第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数构建空域差波束约束矩阵：CΔs=[sθ(θ0,fd0),s(θ0,fd0),s(θ1,fd1),s(θ2,fd2),sfd(θ0,fd0)];]]>5c)设定空域差波束响应矢量为：fΔs＝[1,0,0,0,0]T，其中(·)T表示转置操作；5d)根据步骤2)、步骤5b)与步骤5c)的结果，计算空域差波束权矢量：wΔs=R^-1CΔs(CΔsHR^-1CΔs)-1fΔs;]]>6)设计时域差波束权矢量：6a)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)与步骤5a)中第一约束点导向矢量的空域偏导数sθ(θ0,fd0)和时域偏导数sfd(θ0,fd0)，构建时域差波束约束矩阵：CΔt=[sfd(θ0,fd0),s(θ0,fd0),s(θ3,fd3),s(θ4,fd4),sθ(θ0,fd0)];]]>6b)设定时域差波束响应矢量为：fΔt＝[1,0,0,0,0]T；6c)根据步骤2)、步骤6a)和步骤6b)的结果，计算时域差波束权矢量：wΔt=R^-1CΔt(CΔtHR^-1CΔt)-1fΔt;]]>7)根据步骤4d)、步骤5d)和步骤6c)的结果，得到和波束的输出信号YΣ、空域差波束的输出信号YΔs和时域差波束的输出信号YΔt：YΣ＝wΣHX，YΔs＝wΔsHX，YΔt＝wΔtHX。...

【技术特征摘要】
1.基于空时自适应处理STAP雷达的和差波束形成方法，包括：1)在信号处理机中输入空时自适应处理STAP雷达检测目标的采样数据X，该数据X包含目标、杂波和噪声；2)根据采样数据X估计得到采样协方差矩阵3)设计五个约束点的角度和多普勒，即五个约束点分别为(θi,fdi),i＝0,1,…,4，其中θ0和fd0分别为假设目标的角度和多普勒，其余四个约束点的角度分别为θ1＝θ0，θ2＝θ0，θ3＝θ0+3°，θ4＝θ0-3°，其余多普勒分别为fd1＝fd0-30Hz，fd2＝fd0+30Hz，fd3＝fd0，fd4＝fd0；4)设计和波束权矢量：4a)根据步骤3)中五个约束点的角度及多普勒(θi,fdi)，计算五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)；4b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)，构建和波束约束矩阵：CΣ＝[s(θ0,fd0),s(θ1,fd1),s(θ2,fd2),s(θ3,fd3),s(θ4,fd4)]；4c)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)与步骤4b)中和波束约束矩阵CΣ，构建和波束响应矢量： f Σ = C Σ H s ( θ 0 , f d 0 ) ]]>其中(·)H表示共轭转置操作；4d)根据步骤2)、步骤4b)和步骤4c)的结果，计算和波束权矢量： w Σ = R ^ - 1 C Σ ( C Σ H R ^ - 1 C Σ ) - 1 f Σ ]]>其中(·)-1表示求逆操作；5)设计空域差波束权矢量：5a)根据步骤4a)中第一约束点的导向矢量s(θ0,fd0)，计算第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数5b)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)与步骤5a)中第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数构建空域差波束约束矩阵： C Δ s = [ s θ ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 1 , f d 1 ) , s ( θ 2 , f d 2 ) , s f d ( θ 0 , f d 0 ) ] ; ]]>5c)设定空域差波束响应矢量为：fΔs＝[1,0,0,0,0]T，其中(·)T表示转置操作；5d)根据步骤2)、步骤5b)与步骤5c)的结果，计算空域差波束权矢量： w Δ s = R ^ - 1 C Δ s ( C Δ s H R ^ - 1 C Δ s ) - 1 f Δ s ; ]]>6)设计时域差波束权矢量：6a)根据步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)与步骤5a)中第一约束点导向矢量的空域偏导数sθ(θ0,fd0)和时域偏导数sfd(θ0,fd0)，构建时域差波束约束矩阵： C Δ t = [ s f d ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 0 , f d 0 ) , s ( θ 3 , f d 3 ) , s ( θ 4 , f d 4 ) , s θ ( θ 0 , f d 0 ) ] ; ]]>6b)设定时域差波束响应矢量为：fΔt＝[1,0,0,0,0]T；6c)根据步骤2)、步骤6a)和步骤6b)的结果，计算时域差波束权矢量： w Δ t = R ^ - 1 C Δ t ( C Δ t H R ^ - 1 C Δ t ) - 1 f Δ t ; ]]>7)根据步骤4d)、步骤5d)和步骤6c)的结果，得到和波束的输出信号YΣ、空域差波束的输出信号YΔs和时域差波束的输出信号YΔt：YΣ＝wΣHX，YΔs＝wΔsHX，YΔt＝wΔtHX。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中的采样协方差矩阵计算公式如下： R ^ = 1 L Σ p = 1 L x ( p ) x H ( p ) , ]]>其中L为采样的快拍数，x(p)表示空时自适应处理STAP雷达第p次快拍的接收数据。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4a)中五个约束点的导向矢量s(θi,fdi)，按如下公式计算： s ( θ i , f d i ) = [ 1 , e j 2 π d λ s i n ( θ i ) , ... , e j 2 π d λ ( N - 1 ) s i n ( θ i ) ] T ⊗ [ 1 , e j 2 π f d i f r , ... , e j 2 π f d i f r ( K - 1 ) ] T , ]]>其中为克罗内克Kronecker积，j表示虚数，d为阵元间距，λ为波长，N为天线阵元数，fr为脉冲重复频率，K为相干脉冲数。4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5a)中第一约束点导向矢量的角度偏导数sθ(θ0,fd0)和多普勒偏导数分别按如下公式计算： ...

【专利技术属性】
技术研发人员：许京伟，廖桂生，王成浩，张玉洪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61