陳懷慶,張小貝,方習(xí)高,吳 琛
(1.上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200444;2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院綜合航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部,上海 201210)
空時(shí)自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing, STAP)[1]方法能夠有效地抑制雷達(dá)雜波并檢測(cè)動(dòng)目標(biāo),最優(yōu)STAP權(quán)向量由雜波加噪聲協(xié)方差矩陣(clutter plus noise covariance matrix,CNCM)和目標(biāo)空時(shí)導(dǎo)向向量的逆的乘積構(gòu)成[2-3],STAP的性能取決于 CNCM的估計(jì)精度,這依賴于大量獨(dú)立同分布(independent and identically distributed, IID)的樣本數(shù)據(jù)[4]。根據(jù)RMB (reed-mallett-brennan)準(zhǔn)則[5],只有當(dāng)IID訓(xùn)練樣本數(shù)為系統(tǒng)自由度的兩倍時(shí),才能保證STAP系統(tǒng)的性能損失小于3 dB[6-7]。然而,在實(shí)際的非平穩(wěn)和非均勻環(huán)境中沒有足夠多的IID訓(xùn)練樣本,這直接削弱了STAP的雜波抑制性能。為了提高STAP系統(tǒng)在有限訓(xùn)練樣本條件下的處理性能,研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多不同類型的算法,其中降維和降秩方法都能在一定程度上解決訓(xùn)練樣本不足的問題,盡管這兩類方法都可以在較少訓(xùn)練樣本的條件下估計(jì)CNCM,但是在非均勻環(huán)境下的雜波抑制性能比較有限[8]。直接數(shù)據(jù)域(D3)STAP方法只使用目標(biāo)單元中的快照,而不使用訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù),可以避免訓(xùn)練樣本的非均勻性,從根本上消除非均勻環(huán)境的影響,有效地抑制雜波和離散干擾[9];然而,D3方法會(huì)造成系統(tǒng)自由度顯著降低,從而導(dǎo)致孔徑損失。
為解決上述統(tǒng)計(jì)類STAP方法的不足之處,研究人員逐步轉(zhuǎn)向了對(duì)稀疏恢復(fù)(sparse recovery, SR)理論的研究,基于稀疏性的算法被應(yīng)用于改善STAP算法的收斂性[10]。稀疏恢復(fù)技術(shù)通過來自過完備字典的最小數(shù)量的向量來表示目標(biāo)信號(hào),可以僅利用少量的觀測(cè)樣本通過稀疏恢復(fù)算法來估計(jì)原始目標(biāo)信號(hào)特征。一般來說,稀疏字典和SR算法對(duì)于獲得稀疏恢復(fù)解的準(zhǔn)確性有著很大的影響,精確的雜波稀疏性估計(jì)對(duì)于空時(shí)自適應(yīng)處理算法非常重要。常用的SR算法主要有正交匹配追蹤算法[11]、FOCUSS算法[12]以及基于貝葉斯學(xué)習(xí)[13]的稀疏恢復(fù)算法等。大多數(shù)SR-STAP方法通過離散化角度-多普勒平面來建立稀疏字典,這帶來了網(wǎng)格失配問題,即雜波分量不再位于字典網(wǎng)格上,導(dǎo)致稀疏恢復(fù)性能下降。為解決網(wǎng)格失配問題,文獻(xiàn)[14]提出一種基于先驗(yàn)知識(shí)的稀疏字典重構(gòu)方法,該方法利用系統(tǒng)參數(shù)獲取雜波脊線的分布位置,然后以雜波脊方向?yàn)檩S構(gòu)造字典網(wǎng)格以克服網(wǎng)格失配問題,但是僅適合于正側(cè)陣?yán)走_(dá)工作環(huán)境。文獻(xiàn)[15]根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)和雜波脊的時(shí)空分布,設(shè)計(jì)了一個(gè)具有非均勻分布元素的自適應(yīng)過完備字典,通過加大雜波脊分布區(qū)域字典的網(wǎng)格密度以提高系統(tǒng)的恢復(fù)性能,但是構(gòu)造密集的稀疏字典加重了系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[16]提出了參數(shù)搜索正交匹配追蹤算法,該方法雖然可以在一定程度上提高雜波角度-多普勒剖面的估計(jì)精度,但依舊無法徹底消除網(wǎng)格失配帶來的影響。文獻(xiàn)[17]提出了一種原子范數(shù)最小化方法,將原子范數(shù)最小化轉(zhuǎn)化為求解半定規(guī)劃問題,但是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算量的需求較大,而且當(dāng)雜波子空間的估計(jì)不準(zhǔn)確時(shí)會(huì)降低恢復(fù)性能。
目前,針對(duì)網(wǎng)格失配問題的研究大多集中于對(duì)稀疏恢復(fù)算法的優(yōu)化上,而對(duì)稀疏字典優(yōu)化問題的研究較少,如何設(shè)計(jì)一個(gè)合適的字典來解決網(wǎng)格失配問題是SR-STAP技術(shù)的一個(gè)重要任務(wù)[18]。為此,本文提出一種基于先驗(yàn)信息的SR-STAP字典重構(gòu)方法。該方法利用雷達(dá)系統(tǒng)和機(jī)載平臺(tái)的工作參數(shù)計(jì)算雜波脊線的分布范圍,然后根據(jù)多普勒頻率和空域頻率的比值來調(diào)整空域頻率的分布間隔,并且沿雜波脊以滑窗的方式非均勻地劃分多普勒頻率來重構(gòu)過完備空時(shí)字典。
圖1為一個(gè)M行N列的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)天線與地面的幾何模型,其中飛行方向?yàn)閄軸,θ為方位角,φ為俯仰角,θp為天線平面與飛行速度V方向的夾角,H為載機(jī)平臺(tái)垂直高度,R為雜波塊P與雷達(dá)天線間的直線距離。除此之外,設(shè)定雷達(dá)的工作波長(zhǎng)為λ,陣元間距為d,恒定脈沖重復(fù)頻率為fr,并且在一個(gè)相干處理間隔內(nèi)發(fā)送K個(gè)脈沖。
圖1 雷達(dá)天線陣列與地面的幾何模型Fig.1 Geometric model of radar antenna array and ground
忽略距離模糊性的影響,機(jī)載雷達(dá)接收到第l個(gè)距離門單元的回波數(shù)據(jù)可以表示為[19]:
(1)
式(1)中,xc和n分別表示雜波和噪聲分量,Nc表示雜波塊數(shù)量,σp、Sd和Ss分別表示為雜波塊復(fù)幅度、時(shí)域以及空域?qū)蚴噶?。?Sd,Ss)表示為空時(shí)導(dǎo)向矢量,并且與Sd、Ss有以下關(guān)系:
υ(Sd,Ss)=Sd?Ss,
(2)
且有
Sd=[1,ej2πfd,…,ej(K-1)2πfd]T,
(3)
Ss=[1,ej2πfs,…,ej(K-1)2πfs]T,
(4)
其中,歸一化多普勒頻率fd和空域頻率fs可以表示為:
(5)
(6)
將多普勒頻率fd和空域頻率fs的比值稱為折疊系數(shù)(雜波脊斜率),可以用β表示為:
(7)
通常情況下,雜波被認(rèn)為是獨(dú)立且不相關(guān)的。雜波的空時(shí)統(tǒng)計(jì)特性一般可以用雜波協(xié)方差矩陣(clutter covariance matrix, CCM)表示[20],其可以通過下式得到:
(8)
式(8)中,Rc為雜波協(xié)方差矩陣,Rn為噪聲分量。在實(shí)際環(huán)境中,往往不能準(zhǔn)確地獲取協(xié)方差矩陣R,通常是由IID訓(xùn)練樣本估計(jì)所得:
(9)
式(9)中,L代表IID樣本數(shù),根據(jù)線性約束最小方差準(zhǔn)則,STAP權(quán)矢量可通過求解下列數(shù)學(xué)優(yōu)化問題獲得[19-21]:
(10)
現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的CCM通常是未知的,需要利用待檢測(cè)單元附近的訓(xùn)練樣本進(jìn)行估計(jì),且根據(jù)RMB準(zhǔn)則,當(dāng)IID訓(xùn)練樣本數(shù)量是自由度的兩倍時(shí),STAP系統(tǒng)的性能損失才小于3 dB。在復(fù)雜環(huán)境中,很難獲得足夠的樣本來準(zhǔn)確估計(jì)CCM。隨著稀疏恢復(fù)理論在STAP場(chǎng)景下的應(yīng)用,使得在有限訓(xùn)練樣本條件下精確估計(jì)CCM成為了可能。
與傳統(tǒng)STAP方法相比,SR-STAP可以利用少量的觀測(cè)樣本來高分辨恢復(fù)雜波的空時(shí)譜,從而精確地估計(jì)CCM。根據(jù)雜波在空時(shí)二維平面上分布的稀疏性,首先將空時(shí)二維平面均勻離散成Nd=ρdK,Ns=ρsN個(gè)量化單元(ρd和ρs代表空時(shí)平面的離散系數(shù),通常有ρd,ρs?1)。這樣式(1)中的回波數(shù)據(jù)重新表示成[22]:
x=Φα+n。
(11)
在式(11)中,Φ是由空時(shí)導(dǎo)引矢量組成的KN×NdNs維過完備字典;α為觀測(cè)數(shù)據(jù)x的稀疏系數(shù),對(duì)應(yīng)著雜波的空時(shí)譜。根據(jù)SR理論,可以通過下式來求解α:
(12)
式(12)中,‖·‖0和‖·‖2分別為l0、l2范數(shù),ε為噪聲對(duì)應(yīng)的誤差閾值。上式的求解屬于NP-Hard問題,當(dāng)α足夠稀疏時(shí),可以通過利用凸優(yōu)化或者FOCUSS等方法來近似求解,考慮到凸優(yōu)化算法計(jì)算量大的問題,本文采用FOCUSS算法把式(12)轉(zhuǎn)化為以下約束優(yōu)化問題并求解[23]:
(13)
P=α⊙α*,
(14)
(15)
傳統(tǒng)SR-STAP算法在構(gòu)建稀疏字典時(shí),以ρd和ρs分別作為多普勒頻率軸和空域頻率軸的離散系數(shù),通過對(duì)空時(shí)二維平面內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行均勻過采樣以獲得過完備字典?,F(xiàn)有大多數(shù)的SR-STAP方法都是假設(shè)雜波脊恰好落在過完備字典的網(wǎng)格上,即Nd和Ns的比值等于折疊系數(shù)β的整數(shù)倍時(shí)[25],雜波脊才能沿字典網(wǎng)格分布,如圖2(a)中l(wèi)1所示。然而在實(shí)際情況中,折疊系數(shù)β往往與Nd和Ns的比值不相關(guān),此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格失配問題,即雜波分量脫離字典網(wǎng)格分布。圖2(a)中l(wèi)2和圖2(b)分別展示了正側(cè)陣和斜側(cè)陣環(huán)境下的雜波離網(wǎng)分布示意圖,網(wǎng)格失配會(huì)導(dǎo)致雜波能量泄漏,從而使得雜波頻譜展寬[26],嚴(yán)重影響CCM的估計(jì)精度,進(jìn)而導(dǎo)致SR-STAP濾波器的雜波抑制性能降低,因此需要尋找一種新的字典構(gòu)造方法來解決上述問題。
圖2 雜波分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of clutter distribution
傳統(tǒng)空時(shí)字典通過將空時(shí)二維平面均勻離散化得到,其面臨的網(wǎng)格失配問題會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的處理性能,為了解決傳統(tǒng)字典的網(wǎng)格失配問題,下面將結(jié)合算法流程圖(圖3)來介紹一種基于先驗(yàn)信息的非均勻字典構(gòu)造方法。
如圖3中步驟1所示,將空時(shí)平面均勻離散成Nd=ρd·K、Ns=ρs·N個(gè)網(wǎng)格,離散后的歸一化多普勒頻率和空域頻率集合分別為{fd,i|1≤i≤Nd}、{fs,i|1≤i≤Ns},其間隔分別為:
(16)
(17)
得到歸一化多普勒頻率和空域頻率集合后,將其帶入式(2)—式(4)便可以構(gòu)造原始字典Ф:
Ф=[υ(Sd,1,Ss,1,…,υ(Sd,Nd,Ss,Ns)]。
(18)
構(gòu)造原始空時(shí)字典后,按照?qǐng)D3中的步驟2—步驟5對(duì)原始字典網(wǎng)格進(jìn)行非均勻調(diào)整。首先利用機(jī)載平臺(tái)和雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)等先驗(yàn)信息,并結(jié)合式(6)計(jì)算fs,i對(duì)應(yīng)的雜波歸一化多普勒頻率fd′:
(19)
圖3 過完備空時(shí)字典重構(gòu)流程圖Fig.3 Flow chart of over-complete space-time dictionary reconstruction
由于斜側(cè)陣天線陣列條件下雜波脊線的非線性特性,如果僅用fd′來調(diào)整空時(shí)字典多普勒頻率間隔會(huì)出現(xiàn)字典網(wǎng)格過密集或過稀疏的情況。為了避免出現(xiàn)此問題,根據(jù)Δβi來調(diào)整原始字典的空域頻率集合{fs,i}和空域頻率間隔Δs:
1)當(dāng)Δβi>1時(shí),將[fs,i,fs,i+1]均勻離散化為p個(gè)小區(qū)間:[fs,i,fs,i+1,…,fs,i+p-1],并更新其對(duì)應(yīng)的空域頻率間隔Δs=Δs.i/p。其中p的值取不小于Δβi的最小整數(shù)。
2)當(dāng)Δβi<α?xí)r,將[fs,i,fs,i+1]進(jìn)行合并,此時(shí)新的空域頻率間隔Δs=2Δs,i。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),α值取0.4時(shí)的效果較好[27]。
調(diào)整完原始字典的空域頻率后,按照式(19)更新其對(duì)應(yīng)的fd′,然后在此基礎(chǔ)上,沿雜波脊線取滑窗來調(diào)整字典的多普勒頻率,當(dāng)原始空時(shí)字典的縱軸多普勒頻率位于滑窗范圍內(nèi)時(shí),非均勻地重新調(diào)整劃分原始字典的fd,i,具體步驟如下:
固定空域頻率fs,i,從大到小依次遍歷多普勒頻率fd,i。
(20)
(21)
把滑窗范圍內(nèi)的多普勒頻率替換為更新后的fd,i′,而滑窗范圍外的歸一化多普勒頻率不變。
3)繼續(xù)遍歷fs,i、fd,i并移動(dòng)滑窗,直至所有范圍內(nèi)的字典網(wǎng)格調(diào)整完成。
最后,待所有字典范圍內(nèi)的多普勒頻率和空域頻率網(wǎng)格調(diào)整完成后,將更新后的fs,i和fd,i代入式(18)得到非均勻空時(shí)字典Φ′。
對(duì)本文所提的空時(shí)字典重構(gòu)方法、傳統(tǒng)字典的SR-STAP方法和最優(yōu)STAP方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明本文方法的有效性。實(shí)驗(yàn)所涉及的系統(tǒng)參數(shù)信息如表1所示。
表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters
仿真實(shí)驗(yàn)1分別在正側(cè)陣和斜側(cè)陣環(huán)境下,對(duì)三種不同方法所構(gòu)造的雜波空時(shí)功率譜進(jìn)行了對(duì)比分析。其中功率譜采用空時(shí)二維Capon譜分析方法,其計(jì)算公式為[25]:
(22)
圖4為正側(cè)陣環(huán)境下最優(yōu)STAP、傳統(tǒng)SR-STAP方法和本文所提方法所構(gòu)造得到的雜波空時(shí)功率譜。圖4(a)提供了最優(yōu)STAP計(jì)算的雜波功率譜,在整個(gè)角度-多普勒平面內(nèi)沿著一條斜率為β=0.6的直線均勻連續(xù)分布。而在圖4(b)中,因?yàn)榫W(wǎng)格失配問題的存在,傳統(tǒng)SR-STAP所恢復(fù)構(gòu)造的雜波功率譜不再收斂到雜波脊線上,存在明顯的頻譜擴(kuò)展現(xiàn)象,這會(huì)降低系統(tǒng)的雜波抑制性能,這一點(diǎn)將在后面的改善因子仿真中得以體現(xiàn)。而本文所提方法借助機(jī)載平臺(tái)和雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)等先驗(yàn)信息重構(gòu)了SR空時(shí)字典,使字典網(wǎng)格能夠匹配真實(shí)雜波分量的分布,極大抑制了網(wǎng)格失配的影響,圖4(c)清晰地展示了該方法重構(gòu)雜波功率譜的效果,幾乎和最優(yōu)STAP計(jì)算的雜波功率譜分布一致。
圖4 正側(cè)陣(β=0.6)的雜波空時(shí)功率譜Fig.4 Clutter space-time power spectrum of side-looking array(β=0.6)
圖5是斜側(cè)陣環(huán)境下三種方法得到的雜波空時(shí)功率譜。圖5(a)首先展示了最優(yōu)STAP計(jì)算的雜波功率譜,理想情況下雜波沿曲線收斂分布。由于斜側(cè)陣下的雜波分布軌跡為一條曲線,其網(wǎng)格失配現(xiàn)象進(jìn)一步惡化,對(duì)于圖5(b)所示的傳統(tǒng)SR-STAP方法,其功率譜不僅更為發(fā)散,而且出現(xiàn)了較多的偽峰。圖5(c)中的雜波功率譜雖然也出現(xiàn)了一些波動(dòng),但經(jīng)過字典的非均勻重構(gòu)后,雜波譜依舊可以較好地收斂到雜波脊上。因此在面臨網(wǎng)格失配問題的情況下,本文所提方法的稀疏恢復(fù)性能相較于傳統(tǒng)SR-STAP方法有著明顯的提升。
圖5 斜側(cè)陣(θp=30°)的雜波空時(shí)功率譜Fig.5 Clutter space-time power spectrum of non-side-looking array(θp=30°)
為了進(jìn)一步說明本文所提方法的優(yōu)點(diǎn),仿真實(shí)驗(yàn)2展示了三種方法在正側(cè)陣環(huán)境下獲得CCM的特征譜,特征譜可以從協(xié)方差矩陣自由度(大特征值個(gè)數(shù))的方面來解釋各方法所構(gòu)造CCM的準(zhǔn)確性。根據(jù)RMB準(zhǔn)則,理想情況下,雜波自由度為Mr=N+β(K-1)=25。根據(jù)圖6中的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以很直觀地看出,所提方法的特征譜表現(xiàn)出與最優(yōu)STAP情況相似的形式,在Mr=25附近,特征值急速減小,表明該方法可以準(zhǔn)確地估計(jì)雜波子空間來計(jì)算CCM。而傳統(tǒng)的空時(shí)字典對(duì)應(yīng)SR-STAP得到的雜波協(xié)方差矩陣的大特征值個(gè)數(shù)明顯增加,表明其不能準(zhǔn)確地估計(jì)雜波子空間,從而會(huì)進(jìn)一步影響系統(tǒng)的雜波抑制性能。
圖6 雜波協(xié)方差矩陣特征譜Fig.6 Characteristic spectrum of clutter covariance matrix
在仿真實(shí)驗(yàn)3中,分別使用傳統(tǒng)SR-STAP方法和本文所提方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,圖7為正側(cè)陣和斜側(cè)陣環(huán)境下的距離向剩余輸出功率。特別說明,在第256號(hào)距離門處都加入了一動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,兩種方法構(gòu)成的自適應(yīng)STAP濾波器都可以檢測(cè)出待測(cè)距離單元的目標(biāo)信息,但相比于傳統(tǒng)SR-STAP方法,本文所提方法的剩余雜波功率較小,體現(xiàn)了更強(qiáng)的雜波抑制和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力。
圖7 剩余輸出功率Fig.7 Residual output power
為了評(píng)估各方法的雜波抑制性能,通常用改善因子作為衡量標(biāo)準(zhǔn),其公式定義為[19]:
(23)
圖8為三種方法系統(tǒng)改善因子的對(duì)比圖,從中可以看出,本文所提方法的系統(tǒng)改善因子更接近于最優(yōu)STAP方法,性能損失小于3 dB,這一點(diǎn)符合RMB準(zhǔn)則的預(yù)期。而由于網(wǎng)格失配問題的存在,導(dǎo)致傳統(tǒng)SR-STAP方法不能準(zhǔn)確地估計(jì)CCM,降低了系統(tǒng)的雜波抑制能力。正側(cè)陣環(huán)境下,本文所提方法比傳統(tǒng)SR-STAP方法在旁瓣和主瓣處的改善因子分別提升了2.69 dB、12.07 dB;在斜側(cè)陣中,本文所提方法在旁瓣和主瓣處的改善因子也有著3.24 dB和5.67 dB的提升。由此不難看出,相比較于傳統(tǒng)SR-STAP方法,本文所提方法的系統(tǒng)改善因子的旁瓣處損失更小。此外,改善因子位于主瓣處的凹口更窄更深,不僅擁有更好的雜波抑制能力,而且較窄的凹口可以避免主雜波附近的目標(biāo)信號(hào)被抑制。而傳統(tǒng)SR-STAP方法由于不能準(zhǔn)確地恢復(fù)CCM,其系統(tǒng)的處理效果受到了較大的影響,特別是在斜側(cè)陣環(huán)境下,傳統(tǒng)SR-STAP方法的性能進(jìn)一步惡化。
圖8 系統(tǒng)改善因子Fig.8 System improvement factor
本文所提方法借助雷達(dá)系統(tǒng)和機(jī)載平臺(tái)的工作參數(shù)信息重構(gòu)了稀疏字典,參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)于該方法的系統(tǒng)性能非常關(guān)鍵。下面以正側(cè)陣為例來分析當(dāng)式(7)中的參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)的系統(tǒng)性能。由圖9可知,參數(shù)誤差會(huì)對(duì)該方法的系統(tǒng)性能造成一定的影響,其主要表現(xiàn)為旁瓣處的系統(tǒng)改善因子會(huì)隨著參數(shù)誤差的增大而不斷減小,而且主瓣處的凹口也會(huì)不斷增寬,較寬的凹口不利于系統(tǒng)檢測(cè)慢速目標(biāo)。因此,為了使該方法能夠更好地抑制雜波,需要獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)信息。
圖9 不同參數(shù)誤差情況下的系統(tǒng)改善因子Fig.9 System improvement factor in the case of different parameter errors
本文提出一種基于先驗(yàn)信息的SR-STAP字典重構(gòu)方法。該方法利用雷達(dá)系統(tǒng)和機(jī)載平臺(tái)的工作參數(shù)計(jì)算雜波脊線的分布范圍,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整空域頻率的分布間隔,并以滑窗的方式非均勻地調(diào)整原始字典的多普勒頻率網(wǎng)格,進(jìn)而得到重構(gòu)后的稀疏字典。仿真實(shí)驗(yàn)表明,與傳統(tǒng)字典的SR-STAP方法相比,本文所提的字典重構(gòu)方法能夠更好地匹配雜波分量的分布,不僅有效地解決了網(wǎng)格失配問題,而且有效改善了系統(tǒng)的雜波抑制和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力。但是當(dāng)重構(gòu)稀疏字典所用的參數(shù)信息存在誤差時(shí),該方法的系統(tǒng)性能會(huì)受到一定的影響,未來將對(duì)此做進(jìn)一步研究。