天基雷达空时自适应杂波抑制技术

论文摘要

以卫星为平台的天基雷达是未来战场目标监视雷达发展的必然趋势,然而天基雷达大面积监视所面临的强地杂波可能将感兴趣的运动目标完全淹没,为此必须实现对强地杂波的有效抑制。杂波抑制技术是天基监视雷达的核心技术,对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。本文研究主要集中在与天基雷达杂波抑制相关的空时自适应处理技术(STAP)上。首先以天基空中动目标指示(AMTI)雷达为应用背景,通过折衷考虑各种相互制约因素的影响,建立了一种合理的雷达系统模型,给出了详细的天基雷达空时二维杂波的建模与仿真方法。在此基础之上,通过分析STAP技术抑制天基雷达杂波的性能,指出降维降秩STAP方法和地球自转影响是天基雷达杂波抑制研究的重点,此外实际应用中在子阵上实现STAP技术还将面临最优子阵划分和子阵权值设计问题。局域杂波自由度对实际应用中降维STAP方法的选取和系统自由度的确定具有关键的指导作用。针对四类降维STAP方法,本文从理论上推导出了理想线阵和均匀子阵配置下局域杂波自由度的计算公式,分析了降维处理中的各种操作和非理想因素对局域杂波自由度的影响。进一步,将局域杂波自由度理论推广到本文天基AMTI雷达配置中,研究了降维STAP方法对天基雷达杂波的抑制性能。各种经典降维降秩STAP方法的性能受限于它们的算法结构和使用的杂波统计信息。本文将计算数学中的预条件方法引入到STAP中,通过构造合适的预条件子引入特定的杂波先验信息来提高经典STAP方法的性能。具体研究了预条件处理的结构,STAP预条件子的构造以及预条件方法与经典降维降秩STAP方法的结合。通过对本文天基AMTI雷达杂波抑制的仿真,验证了预条件STAP方法的有效性。地球自转和非正侧面阵配置会使得天基雷达杂波谱随距离发生变化,呈现出非平稳性,从而严重影响统计STAP方法的杂波抑制性能。为了补偿这种非平稳性,本文提出了一种基于频率非均匀采样的杂波谱配准方法,建立了非均匀谱配准法的数学模型,给出了频率非均匀采样点的选取方法以及谱配准后杂波协方差矩阵的估计方法等。通过对本文天基AMTI雷达的仿真实验表明,在杂波分布位置估计较精确的前提下,上述谱配准法可有效消除杂波非平稳性,获得较好的处理性能。最后,实际应用中的STAP系统一般是在天线子阵上而不是阵元上实现的,此时子阵划分结构和子阵权值设计会影响STAP的性能。对此,本文分三种情况分别给出解决方法。针对均匀子阵划分,从理论上推导出了最优子阵权值满足的计算公式;针对连续非均匀子阵划分,提出了一种串联粒子群优化算法(PSO),该算法可直接处理表示子阵阵元数的整数变量和表示子阵权值的实数变量,获得较快的收敛速度;而针对非连续子阵划分这种最复杂的情况,结合遗传算法和PSO的优点提出了一种遗传二进制多粒子群优化算法。文中对三种情况下的子阵划分和权值设计问题均进行了大量的仿真和分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 天基雷达系统设计
• 1.2.2 空时自适应处理方法
• 1.2.3 非平稳杂波处理方法
• 1.2.4 子阵STAP问题
• 1.2.5 现有方法的不足
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 天基雷达空时自适应处理的基本模型和方法
• 2.1 空时自适应处理的基本概念
• 2.1.1 空时自适应处理的基本概念
• 2.1.2 广义旁瓣相消器
• 2.1.3 空时自适应处理的检测器
• 2.1.4 衡量STAP性能的指标
• 2.2 天基AMTI雷达系统参数设计
• 2.2.1 基本参数确定准则
• 2.2.2 功率和孔径
• 2.3 天基雷达空时杂波建模与仿真
• 2.3.1 天基雷达空时杂波建模仿真公式
• 2.3.2 杂波单元的划分及各参数的计算
• 2.3.3 杂波单元径向速度和地面位置的计算
• 2.3.4 仿真结果
• 2.4 STAP技术抑制天基雷达杂波的分析
• 2.4.1 天基雷达杂波的空时二维谱分布及空时二维滤波
• 2.4.2 空时二维自适应滤波抑制天基雷达杂波的性能分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 天基雷达杂波抑制的降维STAP方法
• 3.1 降维STAP方法及局域杂波自由度
• 3.1.1 降维STAP方法
• 3.1.2 降维STAP方法的性能
• 3.1.3 局域杂波自由度
• 3.2 理想正侧面阵的局域杂波自由度
• 3.2.1 基于Brennan准则推广的局域杂波自由度定理
• 3.2.2 降维STAP方法的局域杂波自由度定理
• 3.2.3 仿真实验
• 3.3 子阵STAP的局域杂波自由度
• 3.3.1 子阵全空时杂波自由度
• 3.3.2 子阵STAP局域杂波自由度定理
• 3.3.3 子阵STAP局域杂波自由度公式的仿真验证
• 3.3.4 局域杂波自由度理论对降维STAP方法的指导分析
• 3.4 基于局域杂波自由度理论的天基雷达降维STAP方法
• 3.4.1 天基雷达降维STAP方法的局域杂波自由度估计
• 3.4.2 天基雷达降维STAP方法的杂波抑制性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 天基雷达杂波抑制的预条件STAP方法
• 4.1 预条件方法
• 4.1.1 求解Toeplitz系统的预条件方法
• 4.1.2 求解Block Toeplitz系统的预条件方法
• 4.2 预条件空时自适应处理
• 4.2.1 预条件空时自适应处理的基本结构
• 4.2.2 预条件空时自适应处理的性能分析
• 4.2.3 仿真实验
• 4.3 预条件多级维纳滤波器算法
• 4.3.1 多级维纳滤波器算法
• 4.3.2 多级维纳滤波器算法与共轭梯度法的等价关系
• 4.3.3 预条件多级维纳滤波器算法
• 4.3.4 仿真实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 天基雷达非平稳杂波处理方法
• 5.1 地球自转和非正侧面阵配置对STAP性能的影响
• 5.1.1 地球自转的影响
• 5.1.2 非正侧面阵影响
• 5.1.3 非平稳杂波影响的仿真分析
• 5.2 经典谱配准法分析
• 5.2.1 RBC法的基本思路
• 5.2.2 RBC法的“栅栏”效应
• 5.2.3 联合空时插值技术
• 5.3 基于频率非均匀采样的杂波谱配准法
• 5.3.1 频率非均匀采样杂波谱配准法的基本思路
• 5.3.2 频率非均匀采样点的选取
• 5.3.3 基于非均匀谱配准的杂波协方差矩阵估计
• 5.4 频率非均匀采样谱配准法的性能分析
• 5.4.1 与现有方法的区别和联系
• 5.4.2 仿真实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 STAP实现中天线子阵划分问题的优化求解
• 6.1 子阵STAP问题描述
• 6.2 连续均匀子阵划分时的最优子阵权值求解
• 6.2.1 Chebyshev权
• 6.2.2 Taylor权
• 6.2.3 连续均匀子阵划分时的最优子阵权值求解
• 6.2.4 仿真实验
• 6.3 串联PSO算法用于连续非均匀子阵划分问题的求解
• 6.3.1 粒子群优化算法
• 6.3.2 串联PSO算法
• 6.3.3 仿真实验
• 6.3.4 子阵权值误差和波束扫描的影响
• 6.3.5 二维平面阵的子阵加权问题求解
• 6.4 GBMPSO算法用于非连续子阵划分问题的求解
• 6.4.1 编码规则
• 6.4.2 遗传算法与粒子群优化算法的比较分析
• 6.4.3 遗传二进制多粒子群优化算法
• 6.4.4 仿真实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录