空时自适应杂波抑制

论文摘要

杂波抑制是机载、星载等下视运动平台雷达完成动目标检测所面临的首要问题,其研究可分为两个方面。一是最优处理性能评估方法的研究,目的是为系统设计、性能比较提供依据。二是自适应处理的研究,目的是在兼顾各种约束的情况下使实际处理性能尽量接近最优性能。本论文从上述两方面对基于空时自适应处理(STAP)的杂波抑制进行了研究。主要内容和成果如下。在性能评估方面,得到了最优处理性能与杂波自由度和系统自由度的定量关系,由此提出用这两种自由度定义的有效空时观测数准则作为评估最优性能的一般依据。为了估计这两种自由度,研究了多维带限过程的特征值分布,得到了特征值的近似解。据此提出了一套适用于多种阵列构型和系统配置,及存在非理想因素时的自由度估计方法。在此基础上,得到了具有重要工程应用价值的均匀采样系统最小可检测速度(MDV)快速预测法,并由此阐明了MDV与分辨力和自由度的关系。在自适应处理方面,研究了基于知识的杂波协方差矩阵估计和先验知识在降维设计中的应用。论文提出,估计杂波协方差矩阵等效于重构随机过程的样本空间;待重构样本空间的自由度决定了估计的收敛速度;先验知识的应用可有效降低样本空间的自由度。论文得到了基于知识的估计方法在各种先验知识失配情况下收敛速度的理论值,并提出了减轻失配影响的处理方法。另一方面,论文发现,一些降维方法有效保持性能的原因是利用了杂波特征矢量渐近特性的先验知识,因而其降维矩阵近似为不产生任何性能损失的最优降维矩阵。由此提出了用先验知识逼近最优降维矩阵的降维设计思路。在最优性能研究的基础上,考察了多输入多输出(MIMO)工作模式的处理性能。建立了码分正交和频分正交的信号与杂波模型,得到了发射波形理想正交时这两种正交方式的系统自由度和杂波自由度。依据有效空时观测数准则,得到了频分正交方式在超稀疏阵系统中性能显著优于码分正交和相控阵模式的重要结论。同时,通过将有效空时观测数准则推广到发射波形非理想正交的情况,得到了MIMO模式性能评估的一般方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 运动平台雷达的杂波抑制
• 1.2 杂波抑制的主要研究内容
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 最优性能评估：杂波谱的研究
• 1.3.2 最优性能评估：杂波自由度与系统自由度的研究
• 1.3.3 自适应处理的研究
• 1.3.4 MIMO 模式的研究
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 信号模型与性能评价准则
• 2.1 引言
• 2.2 相控阵模式的信号与杂波模型
• 2.2.1 接收信号模型
• 2.2.2 杂波和干扰协方差矩阵
• 2.2.3 杂波和干扰协方差函数
• 2.3 杂波抑制性能评价准则
• 2.3.1 输出SINR
• 2.3.2 SINR 损失和最小可检测速度（MDV）
• 2.4 本章小结
• 第3章 最优性能评估方法
• 3.1 引言
• 3.2 最优处理性能与系统自由度和杂波自由度
• 3.2.1 系统自由度和杂波自由度
• 3.2.2 性能评估准则
• 3.3 系统自由度的估计
• 3.4 各种阵列构型的杂波自由度估计
• 3.4.1 单基地雷达的杂波空时等效性
• 3.4.2 线性阵列
• 3.4.3 二维阵列
• 3.4.4 三维阵列
• 3.4.5 数值计算
• 3.4.6 用BT 理论重估系统自由度
• 3.5 均匀采样系统的杂波自由度估计
• 3.5.1 离散特征方程与连续特征方程的等效
• 3.5.2 估计方法
• 3.6 均匀线阵的MDV 性能评估和参数设计
• 3.6.1 MDV 快速预测方法
• 3.6.2 MDV、分辨力与自由度
• 3.6.3 系统参数设计
• 3.7 稀疏采样与使用STAP 的必要性
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于知识的自适应处理
• 4.1 引言
• 4.2 基于知识的杂波协方差矩阵估计
• 4.2.1 传统的降秩法
• 4.2.2 基于知识的方法及其与降秩法的关系
• 4.2.3 利用先验知识有效提高收敛速度的原因
• 4.2.4 收敛速度分析
• 4.2.5 预白化后的噪声水平
• 4.2.6 预白化造成的输出SINR 下降
• 4.2.7 数值仿真
• 4.2.8 鲁棒的估计方法
• 4.3 基于知识的降维设计
• 4.3.1 无性能损失的降维矩阵
• 4.3.2 先验知识在传统降维设计中的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 MIMO 模式的建模与性能评估
• 5.1 引言
• 5.2 信号与杂波模型
• 5.2.1 接收阵元输出
• 5.2.2 滤波器输出
• 5.2.3 空时输出
• 5.2.4 杂波模型
• 5.2.5 c-MIMO 和相控阵模式下模型的退化
• 5.3 MIMO 模式最优性能分析
• 5.3.1 发射波形非理想正交时的性能评估方法
• 5.3.2 理想MIMO 模式与相控阵模式的性能比较
• 5.3.3 系统自由度
• 5.3.4 杂波自由度
• 5.3.5 数值计算
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 待研究的问题和展望
• 6.2.1 基于知识的降维处理
• 6.2.2 MIMO 模式的自适应处理和波形设计
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 非正侧视线阵的空间频率
• 附录B 定理5 及其证明
• 附录C 二维带限信号的特征值和特征函数
• C.1 无限大孔径：特征值和特征函数的渐近解
• C.2 有限孔径：特征值的近似解
• 附录 D 发射波形非理想正交时矩阵变换前后的最优性能
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果