一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法。该方法结合MIMO体制雷达天线可形成等效虚拟阵列的特点，将MIMO体制用于机背圆环阵和机翼曲线阵共形阵机载雷达，并基于该阵列特点选择合适的STAP方法进行杂波抑制。本发明专利技术首先在机背上垂直放置一均匀线阵并发射全向正交信号，然后在机背上放置圆环阵或机翼上放置曲线阵用于接收，经匹配滤波后可形成等效虚拟圆柱阵或曲面阵；再选择合适STAP方法完成对杂波的抑制；最后对处理后数据进行CFAR检测。该方法不仅兼具MIMO体制和共形天线的优势，而且可克服传统圆柱阵载荷大和影响载机气动的缺点，以及传统机翼共形阵在俯仰维角分辨力差的缺点。

A conformal array radar clutter suppression method based on MIMO system

The invention discloses a conformal array airborne radar clutter suppression method based on the MIMO system. This method combines the characteristics of MIMO radar antenna to form an equivalent virtual array. The MIMO system is applied to airborne radar with conformal array of aircraft back loop array and wing curve array, and the appropriate STAP method is selected to suppress clutter based on the array characteristics. The invention firstly at the back of the machine vertically placed a uniform linear array and transmit omnidirectional orthogonal signals, and then at the back of the machine is placed on the circular array or wings placed on the curve for receiving array, after matched filtering can form a virtual equivalent cylindrical array or curved array; then choose the appropriate STAP method to suppress clutter; finally CFAR detection of processed data. This method not only has the advantages of MIMO system and conformal antenna, but also overcomes the shortcomings of traditional cylindrical array, such as large load and aerodynamic impact, and the disadvantage of traditional wing conformal array in poor pitch resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法
本专利技术涉及一种基于MIMO体制共形阵机载雷达的杂波抑制方法，特别适用于下一代采用共形阵天线的机载脉冲多普勒(PD)的雷达。
技术介绍
现代战争对机载雷达的隐身能力、机动能力和目标探测能力都提出了越来越高的要求，共形阵天线可有效减小载机反射截面积，提升自身抗摧毁能力；通过采用与机身共形方式减少飞行阻力，提高载机的机动性；同时，共形阵单元指向各异，在相控阵波束扫描时增益下降和副瓣恶化并不明显，这些特点恰好满足上述要求。因此，共形阵机载雷达是下一代机载雷达发展的重要方向。目前较为典型的共形阵天线形式包括圆柱阵和机翼阵等。其中，圆柱阵天线放置于机背，圆柱形天线阵元在各方向指向不同，通过工作阵元切换机制完成全方位扫描，因此可保证各方为扫描波束波形一致，克服了平面相控阵大扫描角度时主瓣严重展宽和副瓣抬升的难题，但由于圆柱阵与机身本身并不是完全共形，因此负载重荷较大，且严重影响载机气动性；机翼阵天线分布于载机两翼，天线与机翼表面共形，通常采用端射的方式辐射电磁波，可实现水平向宽角度波束扫描，因此是较为理想的共形形式，但由于机翼垂直向尺寸很小，无法获得垂直向上的角分辨力。多输入多输出(MIMO)雷达是近几年来发展起来的一种新体制雷达，机载MIMO雷达因其具有优良的抗反辐射、抗干扰、反隐身和低慢速目标检测等性能，是未来新体制雷达发展的重要趋势，属于当前雷达技术研究的热点之一。MIMO体制的最显著特点是通过发射多个正交波形，再结合各接收通道的匹配滤波处理，形成孔径数倍大的新的虚拟阵列形式。比如，采用MIMO体制的两个平行线阵分别用于发射和接收，则等效形成一孔径更长的线阵。基于该特点，如果将MIMO体制与共形天线结合起来，能有望克服前述共形阵所存在固有的问题。同时，选择合适的空时自适应处理(STAP)方法对MIMO体制共形阵天线机载雷达杂波进行抑制，可实现该体制雷达的运动目标有效检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免上述
技术介绍
中的不足之处，将共形阵机载雷达采用MIMO体制，通过在垂直于机背向设置发射天线，在机背上放置圆环阵或机翼上放置共形曲线阵接收天线的方式，形成等效虚拟阵列，并选择合适STAP技术进行杂波抑制，从而实现机载雷达对运动目标的有效检测。本专利技术方案适用于下一代采用共形阵天线的机载预警雷达，特别是采用脉冲-多普勒体制的机载预警雷达和机载战场侦察监视雷达。为了实现上述的专利技术目的，本专利技术提供了一种基于MIMO体制共形阵机载雷达的杂波抑制方法，包括以下技术步骤：(1)在载机机背垂直放置一均匀线阵天线，天线各阵元全向均匀发射正交信号波形；(2)在载机其他部位放置共形接收天线用于信号接收，并进行匹配滤波处理；(3)根据线性约束最小输出功率准则，对各阵元所接收空时二维数据进行空时自适应处理，完成机载雷达对杂波的有效抑制；(4)对杂波抑制后数据进行CFAR处理，完成对运动目标的检测。其中，步骤(1)中发射天线采用M阵元均匀线阵天线，天线垂直放置于机背，各阵元间距为波长且发射全向正交波形。步骤(2)中接收天线采用N阵元共形天线，包括放置于机背上的圆环阵或两侧机翼上的曲线阵；接收天线各阵元间距为波长，各阵元对接收信号进行匹配滤波处理，处理后等效形成N×M维虚拟三维阵接收回波信号。步骤(3)中根据线性约束最小输出功率准则，对接收到的回波数据进行STAP处理，STAP处理在阵元-多普勒域进行，进而实现机载雷达对杂波的有效抑制。步骤(4)中根据杂波抑制结果，选择合适的CFAR检测算法，实现对运动目标的有效检测。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术基于MIMO体制，将一垂直线阵和一圆环阵等效形成虚拟圆柱阵列，既保留了圆柱阵和MIMO体制固有的优势，又解决了圆柱阵载重大和影响载机气动性能的问题。(2)本专利技术基于MIMO体制，将一垂直线阵和两个机翼共形曲线阵等效形成两个二维曲面阵，既保留了机翼共形阵和MIMO体制固有的优势，又解决了机翼共形阵垂直向分辨力差的问题。(3)本专利技术所提出的两种MIMO共形阵机载雷达形式，由于具有了阵面俯仰自由度，因此还可以有效抑制近程非平稳杂波；(4)结合本专利技术思路，还可将MIMO体制应用于其他共形阵雷达。附图说明图1是本专利技术的实施例的结构框图，图2是垂直线阵、圆环阵及其所形成虚拟圆柱阵列示意图，图3是垂直线阵、机翼共形曲线阵及其所形成虚拟曲面阵示意图。参照图1，本专利技术的实施例由机载雷达空域发射单元1、空域接收单元2、模数转换单元3、STAP处理单元4和CFAR处理单元5组成。上述的空域发射、空域接收、模数转换、STAP处理和CFAR处理均可在通用可编程信号处理板上编程实现。具体实施方式实施本专利技术的原理如下：机载MIMO雷达首先通过机背上垂直向天线发射正交信号，机身圆环阵(见图2)或机翼曲线(见图3)共形阵天线经匹配滤波接收空域回波数据；然后进行模数转换，实现回波数据的数字化；再对接收空时二维数据进行STAP处理，完成对杂波的有效抑制；最后对输出结果进行CFAR处理，进而完成对运动目标的检测。假设机载MIMO雷达垂直发射天线阵元数为M，方位接收天线阵元数为N，一个相干脉冲重复间隔内接收到K个脉冲，实例中M＝3，N＝8，K＝128，接收天线阵元间距dR和dT均等于波长λ，下面结合图2和实例说明一下整个专利技术的详细步骤：(1)空域发射单元1在垂直向天线发射M×1维正交信号，每个阵元发射K个相干脉冲；(2)空域接收单元2在水平向天线N路利用匹配滤波器进行滤波处理，等效于形成虚拟圆柱阵列接收回波(见图2)，最终得到NMK×1维的回波数据信号X：Xl＝Cl+Nl(1)其中，l表示第l个距离门，N表示噪声信号，C表示杂波信号，且有其中，Nc表示一个距离环内杂波块个数，L表示距离门个数，βi表示杂波块对于幅度，θi和分别表示主波束方位角和俯仰角，dT和dR分别为发射天线和接收天线阵元坐标位置指向矢量，Fd为多普勒频率，Tr为脉冲重复周期，Sst和Ssr分别为发射天线和接收天线对应的空域导向矢量，St为时域导向矢量，为Kronecker积。(3)由雷达所接收到的回波信号进行下变频处理，然后在模数转换单元3进行模数变换，并将数字化后的回波数据存储到系统中。(4)STAP处理单元4对空时接收数据进行杂波抑制处理，STAP自适应权值可表示为W＝μRz-1Sz(7)其中，表示权值的常系数，Rz＝THRT表示进行离散傅里叶变换后的杂波协方差矩阵，Sz＝THST表示离散傅里叶变换后的空时二维导向矢量，T为时域变换矩阵，表示虚拟平面阵列对应的空时导向矢量。(5)CFAR处理单元5对自适应处理后的数据进行CAFR处理，进而完成相控阵机载雷达对运动目标的检测处理。处理完后的数据就可以输入到终端设备显示。虽然结合附图描述了本专利技术的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法，包括以下技术步骤：(1)在载机机背垂直放置一均匀线阵天线，天线各阵元全向均匀发射正交信号波形；(2)在载机其他部位放置共形接收天线用于信号接收，并进行匹配滤波处理；(3)根据线性约束最小输出功率准则，对接收天线所接收空时二维数据进行空时自适应处理，完成机载雷达对杂波的有效抑制；(4)对杂波抑制后数据进行CFAR处理，完成对运动目标的检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法，包括以下技术步骤：(1)在载机机背垂直放置一均匀线阵天线，天线各阵元全向均匀发射正交信号波形；(2)在载机其他部位放置共形接收天线用于信号接收，并进行匹配滤波处理；(3)根据线性约束最小输出功率准则，对接收天线所接收空时二维数据进行空时自适应处理，完成机载雷达对杂波的有效抑制；(4)对杂波抑制后数据进行CFAR处理，完成对运动目标的检测。2.根据权利要求1所述的一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法，其特征在于步骤(1)中的发射天线形式；发射天线采用包含M个阵元的均匀线阵天线，天线垂直放置于机背，各阵元间距为波长大小且发射全向正交波形。3.根据权利要求1所述的一种基于MIMO体制的共形阵机载雷达杂波抑制方法，其特征在于步骤(2)中的接收天线形式；接收天线采用包含N个阵元的共...

【专利技术属性】
技术研发人员：段克清，谢文冲，高飞，陈辉，王永良，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军预警学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42