兩種非均勻檢測(cè)器STAP性能的研究

摘 要針對(duì)強(qiáng)度較強(qiáng)、空時(shí)耦合較大的非平穩(wěn)近程雜波和較平穩(wěn)的遠(yuǎn)區(qū)雜波，分析采用了GIP和APR兩種NHD進(jìn)行了性能對(duì)比，提出APR NHD更有利于非平穩(wěn)近程雜波區(qū)的雜波抑制。數(shù)據(jù)分析也表明，和GIP NHD相比，APR NHD可以更有效的選取協(xié)方差估計(jì)樣本，從而更利于近程雜波的抑制。

【關(guān)鍵詞】空時(shí)自適應(yīng)處理 非均勻檢測(cè)器 自適應(yīng)功率剩余 廣義內(nèi)積

1 引言

空時(shí)自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing， STAP）是一種雜波抑制和反干擾的有效技術(shù)。但STAP技術(shù)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于待檢測(cè)單元協(xié)方差矩陣估計(jì)的準(zhǔn)確與否，協(xié)方差矩陣估計(jì)的越準(zhǔn)確，越能精確的反映雜波和干擾特性，形成空時(shí)自適應(yīng)權(quán)值，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波和干擾的有效抑制。理想情況下，假設(shè)雷達(dá)波束覆蓋區(qū)域在地形、海拔、植被、地表建筑及其他覆蓋是平穩(wěn)的均勻的。這時(shí)，可以認(rèn)為雷達(dá)回波是均勻的或平穩(wěn)的，在統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義上是獨(dú)立同分布（IID）的，此時(shí)采用最大似然準(zhǔn)則，便可從樣本中較準(zhǔn)確的訓(xùn)練出回波的協(xié)方差矩陣達(dá)到抑制雜波的功能。

然而，實(shí)際中受距離調(diào)制、方向圖調(diào)制、孤立強(qiáng)雜波點(diǎn)以及各種干擾，機(jī)載雷達(dá)在實(shí)戰(zhàn)中的雜波是非均勻的。如果將含有目標(biāo)信息的非均勻樣本用于協(xié)方差矩陣估計(jì)，將導(dǎo)致自適應(yīng)方向圖變形，抵消真實(shí)目標(biāo)的能量，影響目標(biāo)的檢測(cè)。為了降低目標(biāo)信息引起的非均勻性，須對(duì)回波數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行非均勻檢測(cè)，訓(xùn)練選取用來(lái)估計(jì)待檢測(cè)單元協(xié)方差矩陣的均勻樣本，提高STAP的雜波抑制和抗干擾性能00。Melvin與Adve等用NHD處理了MCARM數(shù)據(jù)，其輸出信雜比在非均勻樣本剔除后改善了7dB。

2 STAP算法簡(jiǎn)述

STAP的最優(yōu)權(quán)系數(shù)要求對(duì)一定波束指向輸出最大的信噪雜比，約束方程如下

S為歸一化的導(dǎo)向矢量，R為空時(shí)協(xié)方差矩陣。

該問(wèn)題的解為

其中

雷達(dá)陣面、載機(jī)航速和地面P點(diǎn)的幾何關(guān)系如圖1所示。

地物回波的多普勒有如下關(guān)系：

當(dāng)α=0時(shí)，即天線陣面正側(cè)視，距離-多普勒譜上的等方位回波線如圖2所示。（仿真參數(shù)：PRF：2.2KHz，采樣率2Msps）

從圖中可以看出，在近程距離段（90-250距離門段），方位多普勒隨距離的變化非常明顯；而在較遠(yuǎn)區(qū)（250距離門以后），方位多普勒幾乎不再隨距離變化，同一頻頻率門在遠(yuǎn)區(qū)距離段有相同或相近的方位多普勒。即近區(qū)空（方位）時(shí)（多普勒）耦合性更強(qiáng)。

3 兩種NHD原理

當(dāng)訓(xùn)練樣本中存在干擾信號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)與待檢測(cè)點(diǎn)不再滿足IID條件，用非均勻樣本估計(jì)出的協(xié)方差矩陣與待檢測(cè)單元真實(shí)的協(xié)方差矩陣差異較大，雜波抑制性能變差，甚至失效。NHD檢測(cè)器可以利用這種變化來(lái)判斷該訓(xùn)練樣本中是否存在干擾信號(hào)。常見(jiàn)的NHD檢測(cè)器有廣義內(nèi)積（GIP）和自適應(yīng)功率剩余（APR）。

GIP的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

廣義內(nèi)積表示信號(hào)矢量X被白化后輸出功率的量，GIP可以剔除在統(tǒng)計(jì)特性上明顯偏離均值的非均勻樣本。

APR的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為

APR對(duì)X進(jìn)行白化后，再用導(dǎo)向矢量S進(jìn)行空時(shí)二維濾波，輸出的是濾波后的能量。用偏離的程序來(lái)進(jìn)行非均勻檢測(cè)。

在近程雜波區(qū)域，受高度線雜波和近程較強(qiáng)回波影響，雜波強(qiáng)度較強(qiáng)，會(huì)明顯強(qiáng)于其他距離段。在選取STAP樣本時(shí)，較依賴于數(shù)據(jù)強(qiáng)度的GIP準(zhǔn)則會(huì)把這些點(diǎn)當(dāng)成樣本的“干擾點(diǎn)”剔除；而APR準(zhǔn)則則時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)同導(dǎo)向矢量S的匹配程序進(jìn)行篩選，能夠在樣本中保留該區(qū)域的數(shù)據(jù)。因此APR準(zhǔn)則更能有效的抑制近程雜波；而在其他區(qū)域，由于雜波較平穩(wěn)，兩個(gè)準(zhǔn)則的選取的樣本是相似的。

4 處理性能分析

選用多通道機(jī)載雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，分別采用上述兩種NHD STAP算法處理。經(jīng)常規(guī)DBF合成和波束，然后采用PD處理后的的距離-多普勒譜如圖3所示。

已主雜波跟蹤歸零處理，將主雜波頻率移，可以看出，約在圖3中的A區(qū)域，主要表現(xiàn)為高度線雜波和近程雜波；在圖3中的B區(qū)域，是較平穩(wěn)的雜波區(qū)。

對(duì)該多通道數(shù)據(jù)，分別采用GIP和APR兩種NHD，選取協(xié)方差估計(jì)樣本，進(jìn)行STAP處理，兩種NHD處理分的結(jié)果如圖4所示。

圖5是兩種樣本選取準(zhǔn)則處理后的雜波剩余統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看出，兩種準(zhǔn)則在平穩(wěn)區(qū)域（B區(qū)域）的性能是相當(dāng)?shù)?，而在近程非平穩(wěn)區(qū)域，APR準(zhǔn)則明顯優(yōu)于GIP準(zhǔn)則，前者的雜波抑制比高后者4-10dB。

圖6為兩種NHD選取出的樣本的分布圖。

從位置分布上可以看出，APR準(zhǔn)則選取的樣本有效的覆蓋了近程雜波區(qū)，特別是A2區(qū)域；而GIP準(zhǔn)則則沒(méi)有將該區(qū)域覆蓋（A1區(qū)域）。而在平衡區(qū)域，兩種準(zhǔn)則的樣本分布是一致的。這也正印證了APR準(zhǔn)則在近程區(qū)域性能優(yōu)于GIP準(zhǔn)則，平穩(wěn)區(qū)域二者相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

5 結(jié)論

廣義內(nèi)積（GIP）和自適應(yīng)功率剩余（APR）作為兩種常用的NHD，GIP強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)上的離群點(diǎn)，APR則側(cè)重于信號(hào)相關(guān)性，兩都在較平穩(wěn)區(qū)域表現(xiàn)的性能是相當(dāng)?shù)?，但在空時(shí)耦合較強(qiáng)、幅度起伏較明顯的近程雜波區(qū)，GIP會(huì)將強(qiáng)雜波點(diǎn)誤刪除，導(dǎo)致雜波抑制性能劣于APR準(zhǔn)則。

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作者簡(jiǎn)介

張學(xué)磊（1983-），男，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理算法研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者單位

南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039