高超声速飞行器下降段的sar?gmti杂波抑制方法
【专利摘要】本发明公开了一种高超声速飞行器下降段的SAR?GMTI杂波抑制方法，其思路为：建立高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型，其中雷达包含N个天线通道，P为雷达所在场景中任意一个运动目标，并将第n个天线通道与运动目标P之间的瞬时斜距表示为Rn(ta)，得到N个等效相位中心通道的回波信号；获取N个等效相位中心通道的回波信号经距离压缩后的距离频域?方位时域表示形式后进行相位补偿，得到相位补偿后N个等效相位中心通道的距离频域?方位时域回波信号，再依次计算距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号、距离多普勒域的运动目标P的回波信号和距离多普勒域的杂波信号，计算空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量，最终得到杂波抑制后运动目标P的回波信号。
【专利说明】
高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波 抑制方法，即高超声速飞行器下降段的合成孔径雷达-地面运动目标检测（SAR-GMTI)杂波 抑制方法，适用于高超声速飞行器下降段对SAR-GMTI杂波的抑制，从而完成SAR成像中动目 标的检测目的。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达(SAR)成像技术最初是在20世纪50年代发展起来的，能够同时提供 高的二维分辨率，包括高距离分辨率和高方位分辨率，进而能够对雷达目标进行成像;而合 成孔径雷达-地面运动目标检测（SAR-GMTI)结合了杂波抑制技术，能够在强地物杂波的影 响下完成对地面运动目标的检测，对于战场侦察、遥感探测等领域都有重要意义。
[0003] 现有的研究都是基于星载或机载的合成孔径雷达/合成孔径雷达-地面运动目标 检测(SAR/SAR-GMTI)，机载SAR飞行高度低且飞行速度慢，检测范围较小;星载SAR飞行高度 高，需要更大地发射能量检测地面目标，由于实际器件发射功率的限制很难达到星载SAR-GMTI所需的发射能量要求，再加上卫星轨道较为固定，所以它容易被敌方侦察到并且实施 干扰或打击。
[0004] 鉴于机载SAR和星载SAR的上述缺点进行研究高超声速飞行器(HSV)携带的合成孔 径雷达(HSV-borne SAR)成像问题，高超声速飞行器(HSV)能够在2小时内环绕地球一周，并 同时具有高速度和高机动性优点，因此很难被侦察和打击；另外，高超声速飞行器(HSV)通 常在近空范围内飞行，相比于太空星载雷达，高超声速飞行器(HSV)需要更少的能量就能够 检测到地面目标;除此之外，高超声速飞行器(HSV)也被期待用于完成远距离战场侦察、火 力控制和精确打击任务的武器平台，因此高超声速飞行器(HSV)具有很大地研究价值。然 而，不同于传统平台，高超声速飞行器(HSV)中的雷达运动状态复杂，通常具有跳跃式运动 状态，而在跳跃阶段中时加速时间通常非常短，只占整个跳跃阶段的1/6或1/9,所以高超声 速飞行器(HSV)携带的合成孔径雷达(HSV-borne SAR)能够只被设定在下降段中工作，并且 进入到下降段时，会面临很强的地物杂波，进而给运动目标探测以及之后的跟踪、成像和识 别带来困难义。
【发明内容】
[0005] 针对以上研究领域的空缺和研究技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种高 超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，该种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂 波抑制方法能够较好地解决高超声速飞行器(HSV)携带的合成孔径雷达(HSV-borne SAR) 在下降段所面临的强杂波对SAR-GMTI的影响。
[0006] 为达到以上目的，本发明采用如下方案予以实现。
[0007] -种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，建立高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型，在所述高超声速飞行器 下降段的雷达运动几何模型中，雷达包含N个天线通道，P为雷达所在场景中任意一个运动 目标，并将第η个天线通道与运动目标P之间的瞬时斜距表示SRn(ta);其中，ne{l，2，···， N}，N表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道个数，NS 大于1的奇数，ta表示方位慢时间；
[0009] 步骤2,将雷达包含的N个天线通道依次记为第1通道至第N通道，并将第1通道作为 参考通道，由第(N+l)/2通道发射线性调频信号，使用N个天线通道同时接收运动目标P所在 场景的回波信号，得到N个通道的回波信号S(tr, ta)，S(tr，ta) = {Sl(tr, ta)，…，Sn(tr, ta)，···，SN( tr，ta) } ; Sn( tr，ta)表示第n通道的回波信号，tr表示距离向快时间，t a表示方位慢 时间；然后设定相对于参考通道的恒定相位补偿因子，并对N个通道的回波信号分别进行恒 定相位补偿，得到N个等效相位中心通道的回波信号抑= {.(认 之(K,)表示第η个等效相位中心通道的回波信号；
[0010] 步骤3,获取Ν个等效相位中心通道的回波信号.?(Κ)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式兴 个等效相位中心通道的回波信号经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式，并 对Ν个等效相位中心通道的回波信号只^,)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式 句乂'乂)进行相位补偿，得到相位补偿后Ν个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信 4 ?(./,_ 乂,），i(./:, u=h , υ.…λ, w 效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号，fr表示距离频率，ta表示方位慢时间，tr表 示距离向快时间；
[0011] 步骤4,根据相位补偿后N个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号 死/:.，〇，依次计算得到距离多普勒域的~个等效相位中心通道回波信号 8("，匕）、距离多普 勒域的运动目标P的回波信号st(tr，fa)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，f a)，然后根据如 下公式求解空时自适应杂波抑制的权矢量W :
[0013] 满足上述公式的权矢量为空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量wcipt，进而得到 杂波抑制后运动目标P的回波信号SP(tr，fa);其中
1表示·取得最小值时W的值，s.t.表 示约束条件，R表示距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号S(tr，fa)在多普勒频率 单元的多通道输出对应的协方差矩阵，a(fa)表示N个等效相位中心通道的导向矢量矩阵，fa 表示运动目标P的多普勒频率。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0015] 第一，本发明方法采用高超声速飞行器(HSV)携带的合成孔径雷达(HSV-borne SAR)，一方面，相比星载合成孔径雷达，能够减小发射信号功率同样达到不错地运动目标检 测目的；另一方面，相比于机载合成孔径雷达，有着较高的飞行高度，能够观测更大的范围； 除此之外，高超声速飞行器(HSV)还具有高机动性，很难被侦察和打击到，更利于战场侦察；
[0016] 第二，本发明方法能有效地抑制高超声速飞行器(HSV)下降段的强杂波并从中检 测出运动目标，对之后的跟踪、成像和识别等都具有十分重要的意义。
【附图说明】
[0017] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0018] 图1是本发明的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法流程图；
[0019] 图2是高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型图；其中，在三维坐标系XYZ中， 雷达所在平台以恒定的下降角γ (指雷达速度方向和X轴之间的夹角)沿斜向下的方向做恒 定速度为ν的匀速直线运动，雷达所在平台的下视角为Φ，雷达所在平台到运动目标Ρ的最 近斜距为Ro，Ρ为雷达所在场景中任意一个运动目标，雷达所在平台的水平速度分量为ν χ，雷 达所在平台的铅垂速度分量为vz;
[0020] 图3是距离压缩后在距离-多普勒域进行三次相位补偿后的单通道幅度结果图；其 中横轴表示距离向采样点，纵轴表示多普勒采样点；
[0021] 图4是三个通道联合进行杂波抑制后的幅度结果图；其中，横轴表示距离向采样 点，纵轴表示多普勒采样点。
【具体实施方式】
[0022] 参照图1，为本发明的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法流程 图；所述高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，包括以下步骤：
[0023] 步骤1，建立高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型，在所述高超声速飞行器 下降段的雷达运动几何模型中，雷达包含N个天线通道，P为雷达所在场景中任意一个运动 目标，并将第η个天线通道与运动目标P之间的瞬时斜距表示SR n(ta);其中，ne{l，2，···， N}，N表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道个数，^表 示方位慢时间。
[0024] 具体地，参照图2,为高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型图；建立高超声 速飞行器下降段的雷达运动几何模型，如图2所示，在三维坐标系XYZ中，X轴沿水平方向，Y 轴指向右侧，Z轴远离地心方向，雷达所在平台的垂直高度为Η，并且雷达平台由沿航迹方向 线性排列的三个天线通道组成，相邻两天线之间的距离为2d;在一个相关处理时间（CPI) 内，雷达所在平台以恒定的下降角γ (指雷达速度方向和X轴之间的夹角)沿斜向下的方向 做恒定速度为V的匀速直线运动，雷达所在平台的下视角为Φ，雷达所在平台到运动目标Ρ 的最近斜距为Ro,则雷达所在平台的水平速度分量为Vx，雷达所在平台的铅垂速度分量为 VZ;P为雷达所在场景中任意一个运动目标，0时刻运动目标P在(xP，yP)处，且0时刻运动目标 P的水平速度分量为vxp，0时刻运动目标P的垂直速度分量为vyP，雷达所在平台到运动目标P 的最近斜距为Ro，Wg为运动目标P所在观测场景的条带宽度，并且假设雷达是工作在正侧视 的情况下（即斜视角为0°);高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型建立后，将第η个天 线通道与运动目标Ρ之间的瞬时斜距表示SR n(ta):
[0026] 其中，Vx表示雷达所在平台的水平速度分量，ta表示方位慢时间，t。表示第η通道到 运动目标Ρ之间的距离为最近斜距时所需的时间，x P表示〇时刻运动目标Ρ在X轴的坐标，νχρ 表示0时刻运动目标Ρ的水平速度分量，Η表示雷达所在平台的垂直高度，Vz表示雷达所在平 台的铅垂速度分量，y P表示0时刻运动目标P在Y轴的坐标，vyp表示0时刻运动目标P的垂直速
度分量
^表示雷达所在平台与运动目标P之间的距离，Φ表示雷达所在平台的 下视角，11^{1，2，一，《4表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含 的天线通道个数，χη表示第η个天线通道与原点之间的水平距离，zn表示第η个天线通道与原 点之间的铅垂距离。
[0027] 步骤2,将雷达包含的Ν个天线通道依次记为第1通道至第Ν通道，并将第1通道作为 参考通道，由第(N+l)/2通道发射线性调频(LFM)信号，使用Ν个天线通道同时接收地面运动 目标Ρ所在场景的回波信号，得到Ν个通道的回波信号 s(tr，ta)，s(tr，t a) = {si(tr，ta)，···，％ (tr，ta)，···，SN(tr，ta)}，Sn(tr，ta)表不弟II通道的回波{曰可，tr表不距尚向快时间，ta表不方 位慢时间;然后设定相对于参考通道的恒定相位补偿因子，并对N个通道的回波信号分别进 行恒定相位补偿，得到N个等效相位中心通道的回波信号:咐，U，n) 表示第η个等效相位中心通道的回波信号。
[0028] 具体地，将雷达包含的Ν个天线通道按照排列顺序次记为第1通道至第Ν通道，并将 第1通道作为参考通道，由第(N+l)/2通道发射线性调频(LFM)信号，使用Ν个天线通道同时 接收运动目标Ρ所在场景的回波信号，得到Ν个通道的回波信号s(t r，ta)，s(tr，ta) = {si(tr， ta)，···，Sn(tr，ta)，···，SN(t r，ta)}，Sn(tr，ta)表示第η通道的回波信号，t r表示距离向快时间， ta表示方位慢时间。
[0029]然后设定相对于参考通道的恒定相位补偿因子，并对N个通道的回波信号分别进 行恒定相位补偿，得到ν个等效相位中心通道的回波信号，取.^={·桃·α…，· m)表示第η个等效相位中心通道的回波信号，其中对第η通道的回波信号补偿设定的 第η个相对于参考通道的恒定相位补偿因子eXp(./2;r< cos2 ·则将每两个分开的发射 通道和接收通道等效为第η个自发自收的通道，则相应接收的回波信号也被转化为第η个等 效相位中心通道的回波信号，相邻的等效相位中心之间的距离为d，进而分别得到Ν个等效 相位中心通道的回波信号 s'/ J，(?, 乂,）= {.η ((. 乂,…,λ",…,.s:v I^ 第η个等效相位中心通道的回波信号，.s',,，/,,)x哪(./2心/,) cos2 ；κ//·/Γ)。
[0030]其中，dn表示第η个通道的等效相位中心与参考通道的等效相位中心之间的距离， dn=(n-l)d，ne{l，2, ···，《』表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达 包含的天线通道个数，r表示雷达所在平台与运动目标P之间的距离，γ表示雷达所在平台 运动的下降角，λ表示每个通道接收到的回波信号波长，tr表示距离向快时间，ta表示方位慢 时间。
[0031] 步骤3,获取N个等效相位中心通道的回波信号经距离压缩后的距离频域_ 方位时域表示形式乂 个等效相位中心通道的回波信号&(?,.Λ)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式，并 对Ν个等效相位中心通道的回波信号经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式 50U,)进行相位补偿，得到相位补偿后Ν个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信 ''J· ?(./:ι，UΗ认U，··、.U, 效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号，fr表示距离频率，ta表示方位慢时间，tr表 示距离向快时间。
[0032] 步骤3的具体子步骤为：
[0033] 3a)设定发射信号副本的共辄函数Sr(tr)，sr(tr)=Wr(tr) · exp[-j3iytr2]，Wr( ·) 表示距离向矩形脉冲窗函数，y表示发射线性调频(LFM)信号的调频率，tr表示距离向快时 间，并将N个等效相位中心通道的回波信号印,乂)分别排列成ΛΧΝ2维矩阵，得至IjNfNiXNs 维矩阵表示每个等效相位中心通道的回波信号包含的距离向采样点数，N2表示每个等效 相位中心通道的回波信号包含的方位向采样点数;然后对NfNiXNs维矩阵的每一行分别进 行快速傅里叶变换(FFT)处理后再乘以发射信号副本的共辄函数 Sr(tr)，进而得到N个等效 相位中心通道的回波信号兴?,Λ)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式.(·(./,:.為)， 幻;.,υ=·^α.,υ，···Α(/.,u}次表示第η个等效相位中心通道的回波 信号元(Κ,)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式，表示距离频率，t a表示方位慢 时间。
[0034] 具体地，在所述N个等效相位中心通道的回波信号?(?,.Λ)经距离压缩后的距离频 域-方位时域表示形式?.人）中，九(/Ja)表示第η个等效相位中心通道的回波信号 元仅弋)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式，其得到过程为：
[0035] ⑷]
[0036] 其中，ne {1，2, . . .，N}，·表示点乘，FFT表示快速傅里叶变换操作，fr表示距离频 率，ta表示方位慢时间，tr表示距离向快时间，元(LU表示第η个等效相位中心通道的回波 信号。
[0037] ξ?ΛΛ)表示第η个等效相位中心通道的回波信号W,.，U经距离压缩后的距离频 域-方位时域表示形式，其表达式为：
[0039] 其中，fc表示通道回波信号的载频，Wa( ·)表示方位向窗函数，Wr( ·)表示距离向 矩形脉冲窗函数，fr表示距离频率，ta表示方位慢时间，tc表示第η通道到运动目标P之间的 距离为最近斜距时所需的时间，R〇表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的最近斜距，
,Η表示雷达所在平台的垂直高度，Φ表示雷达所在平台的下 视角，xn表示〇时刻第η通道在X轴上的坐标，ζη表示0时刻第η通道在Ζ轴上的坐标，V x表示雷 达所在平台的水平速度分量，Vz表示雷达所在平台的铅垂速度分量，yP表示0时刻运动目标P 在γ轴上的坐标，Vyp表示运动目标P速度的水平分量，Vxp表示〇时刻运动目标P的水平速度分 量
，c 表示光速，c = 3X108(m/s)。
[0040] 3b)对N个等效相位中心通道的回波信号〗((.,〇经距离压缩后的距离频域-方位时 域表示形式5(/.Λ)进行相位补偿，得到相位补偿后Ν个等效相位中心通道的距离频域-方位 时域回波信切u = {.认/:.· U …，之(./:.· U …，.ML ^ 后第η个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号，fr表示距离频率，ta表示方位慢 时间。
[0041] 具体地，在所述相位补偿后N个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号 Λ)中Λ(/),U表示相位补偿后第η个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信 号，其得到过程为：
[0042] 首先分别设定第η个等效相位中心通道的二次项相位补偿函数hnl和第η个等效相 位中心通道的三次项相位补偿函数h n2，其表达式分别为：
[0045]然后将第η个等效相位中心通道的回波信号ξ(Μ3)经距离压缩后的距离频域-方 位时域表示形式U/入），与设定的第η个等效相位中心通道的二次项相位补偿函数hnl和 设定的第η个等效相位中心通道的三次项相位补偿函数hn2依次进行点乘，
[0046]即进而计算得到相位补偿后第η个等效相位中心通道的距离频 域-方位时域回波信号Α (Λ，U，其表达式为：
[0048]其中，Ro表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的最近斜距，fc表示通道回波信号的 载频，Wr( ·)表示距离向矩形脉冲窗函数，Wa( ·)表示方位向窗函数，fr表示距离频率，^表 示方位慢时间，tc表示第η通道到与运动目标P之间的距离为最近斜距时所需的时间，C表示 光速，V x表示雷达所在平台的水平速度分量，vxp表示0时刻运动目标Ρ的水平速度分量，vyP表 示0时刻运动目标P的垂直速度分量，Φ表示雷达所在平台的下视角，V z表示雷达所在平台 的铅垂速度分量，zn表示第η通道与原点之间的铅垂距离，χη表示第η通道与原点之间的水平 距离，ne {1，2,...，Ν}，Ν表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的 天线通道个数;可以看出相位补偿后第η个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信 号九(/^)为三次相位补偿后第η通道的距离频域-方位时域回波信号，不再含有二次和三 次指数项，这为后续杂波抑制处理提供了方便。
[0049]步骤4,根据相位补偿后Ν个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号 乳/；.，0,依次计算得到距离多普勒域的Ν个等效相位中心通道回波信号s(tr，fa)、距离多普 勒域的运动目标P的回波信号st(tr，f a)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa)，然后根据如 下公式求解空时自适应杂波抑制的权矢量W :
[0051]满足上述公式的权矢量为空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量Wcipt，进而得到 杂波抑制后运动目标P的回波信号sp(tr，fa);其中，，1?表示·取得最小值时w的值， s.t.表 示约束条件，R表示距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号S(tr，f a)在多普勒频率 单元的多通道输出对应的协方差矩阵，a(fa)表示N个等效相位中心通道的导向矢量矩阵，f a 表示运动目标P的多普勒频率。
[0052]步骤4的子步骤为：
[0053] 4a)对相位补偿后N个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号的 每一行分别进行逆快速傅里叶变换（IFFT)，同时再对每一列分别进行快速傅里叶变换 (FFT)，计算得到距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号s(t r，fa)，
[0054] S(tr，fa) = {si(tr，fa)，…，Sn(tr，fa)，…，SN(tr，fa) }，Sn(tr，fa)表示距离多普勒域 的第n个等效相位中心通道回波信号，其表达式为：
[0055]
[0056] 其中，fr表示距离频率，fa表示运动目标P的多普勒频率，tr表示距离向快时间，ne {1，2,...，N}，N表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道 个数，ta表示方位慢时间，FFT表示快速傅里叶变换操作，IFFT表示逆快速傅里叶变换操作， 表示相位补偿后N个等效相位中心通道的距离频域-方位时域回波信号。
[0057] 4b)根据距离多普勒域的Ν个等效相位中心通道回波信号s(tr，fa)，分别计算得到 距离多普勒域的运动目标P的回波信号St(tr，fa)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa)，其 表达式分别为：
[0060] 其中，Br表示线性调频(LFM)信号的距离向带宽，tr表示距离向快时间，sinc[ ·]表 示辛克函数，fa表示运动目标P的多普勒频率，C表示光速，t。表示第η通道到与运动目标P之 间的距离为最近斜距时所需的时间，R〇表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的最近斜距，λ 表示每个通道接收到的回波信号波长，fd。。表示杂波信号的多普勒中心频率，
?Wa( ·)表示方位向窗函数，Ka。表示杂波信号的多普勒调频率， ,f dct表示运动目标P的多普勒中心频率，
Kat表示运动目标P的多普勒调频率，
表示雷达 所在平台的水平速度分量，Vxp表示0时刻运动目标P的水平速度分量，vyp表示0时刻运动目 标P的垂直速度分量，Φ表示雷达所在平台的下视角，vz表示雷达所在平台的铅垂速度分 量。
[0061] 所述距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号s(tr，fa)，为距离多普勒域的 运动目标P的回波信号st(tr，f a)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa)之和。
[0062] 4c)基于最大输出信噪比准则，并根据如下公式求解空时自适应杂波抑制的权矢 量W:
[0064]满足上述公式的权矢量为空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量Wcipt，其表达式 为：
[0066] 其中，Wn表示第η个等效相位中心通道的空时自适应杂波抑制最优权系数矢量，R 表示距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号s(tr，fa)在多普勒频率单元的多通道 输出对应的协方差矩阵，且R = E{S(tr，fa)SH(t r，fa)}，S(tr，fa)表示距离多普勒域的N个等 效相位中心通道回波信号，（· Γ1表示?的逆矩阵，[· ]H表示?的共辄转置，[· ]T表示· 的转置，?表示点乘，a(fa)表示Ν个等效相位中心通道的导向矢量矩阵，ne {1，2,. . .，Ν}，Ν 表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道个数fa表示运 动目标P的多普勒频率，t r表示距离向快时间，（· Γ1表示?的逆矩阵，E{ ·}表示求均值操 作，3(.,〇 = !7^|,...4灼,.，.4仏]，4死表示第11个等效相位中心通道接收到的回波信号与参 考通道之间的相位差，其表达式为：
[0067]
示运动目标p的多普勒频率，γ表示雷达所在平台运动的下降角，vx表示雷达所在平台的水 平速度分量，VxP表示〇时刻运动目标P的水平速度分量，dn表示第η个通道的等效相位中心与 参考通道的等效相位中心之间的距离，v yP表示0时刻运动目标Ρ的垂直速度分量，Φ表示雷 达所在平台的下视角，Vz表示雷达所在平台的铅垂速度分量，λ表示每个通道接收到的回波 信号波长。
[0068] 4d)根据距离多普勒域的Ν个等效相位中心通道回波信号s(tr，fa)和空时自适应杂 波抑制的最优权系数矢量WoPt，计算得到杂波抑制后运动目标P的回波信号SP(tr，f a);其中， fa表示运动目标P的多普勒频率，tr表示距离向快时间。
[0069]具体地，提取距离多普勒域的通道回波信号S(tr，fa)相同距离向、相同多普勒单元 但不同天线通道的通道回波信号，并将其与该距离向对应通道的空时自适应杂波抑制的最 优权系数矢量进行点乘，从而完成空域自适应杂波抑制，得到杂波抑制后运动目标P的回波 信号sp(tr，fa)，其表达式为：
[0070] sp(tr,fa) =s(tr,fa) 1 Wopt,
[0071] 其中，S(tr，fa)表示距离多普勒域的N个等效相位中心通道回波信号，匕表示运动 目标P的多普勒频率，tr表示距离向快时间， Wcipt表示空时自适应杂波抑制的最优权系数矢 量;得到杂波抑制后运动目标P的回波信号SP(tr，fa)后，便能够最大程度地提取出运动目标 P的回波信号，而将运动目标P的回波信号以外的杂波信号幅度大大减小甚至为〇,从而滤除 杂波信号，保留运动目标P的回波信号。
[0072] 本发明的效果可通过以下仿真实验作进一步说明：
[0073](一)仿真参数
[0074]通道回波信号的载频为5.405GHz，发射线性调频(LFM)信号的带宽为50MHz，脉冲 宽度为l〇us，脉冲重复频率为3000Hz，雷达天线通道数为3个，相邻通道间距为lm，雷达所在 平台的水平速度分量V x为3000m/s，雷达所在平台的铅垂速度分量Vy为300m/s，雷达所在平 台的垂直高度Η为30km，运动目标P的方位向速度为lOm/s，运动目标P的距离向速度为20m/ So
[0075] (二)仿真内容
[0076] 仿真内容1，采用本发明方法对雷达回波进行距离压缩，并在距离频域-方位时域 采用三次相位补偿后的距离多普勒结果图，参照图3,为距离压缩后在距离-多普勒域进行 三次相位补偿后的单通道幅度结果图；其中横轴表示距离向采样点，纵轴表示多普勒采样 点;运动目标的距离压缩结果为最中间的那条斜线，而其余4条斜线为杂波的压缩图像。
[0077] 仿真内容2,采用本发明方法对上述结果进一步进行杂波抑制后的图像结果图，参 照图4,为三个通道联合进行杂波抑制后的幅度结果图；其中，横轴表示距离向采样点，纵轴 表示多普勒采样点。
[0078](三)仿真结果分析
[0079] 从图3中可以看出，运动目标回波和杂波分别占据不同的多普勒范围，从而为后续 杂波抑制处理提供了理论基础。
[0080] 从图4中可以看出，采用本发明方法进行杂波抑制后，可以很好地抑制掉杂波，只 保留运动目标的结果。
[0081] 综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
[0082] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征在于，包括w下步骤： 步骤1，建立高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型，在所述高超声速飞行器下降 段的雷达运动几何模型中，雷达包含N个天线通道，P为雷达所在场景中任意一个运动目标， 并将第η个天线通道与运动目标P之间的瞬时斜距表示为Rn(ta);其中，ne {1，2，···，N}，N表 示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道个数，N为大于1的 奇数，ta表示方位慢时间； 步骤2,将雷达包含的N个天线通道依次记为第1通道至第N通道，并将第1通道作为参考 通道，由第(N+1V2通道发射线性调频信号，使用N个天线通道同时接收运动目标P所在场景 的回波信号，得到N个通道的回波信号S(tr，ta)，S(tr，ta) = {si(tr，ta)，···，Sn(tr，ta)，···，SN (tr，ta) }，Sn( tr，ta)表示第η通道的回波信号，tr表示距离向快时间，ta表示方位慢时间； 然后设定相对于参考通道的恒定相位补偿因子，并对N个通道的回波信号分别进行恒 定相位补偿，得到N个等效相位中屯、通道的回波信号;(WM(/,，U = {A(f,"，'-.，.、(f,A).'..，i、h，U}， 式化，?。)表示第η个等效相位中屯、通道的回波信号； 步骤3,获取Ν个等效相位中屯、通道的回波信号S飞?,.，υ经距离压缩后的距离频域-方位 时域表示形式；(乂，U，.?(/.，U = {.?,(乂Λ)，···，.?,，(乂.，〇，···，;、(乂Λ)}，.《。从成)表示第η个等 效相位中屯、通道的回波信号或化，?,,)经距离压缩后的距离频域-方位时域表示形式； 并对Ν个等效相位中屯、通道的回波信号化.，〇经距离压缩后的距离频域-方位时域表 示形式S (fr，ta)进行相位补偿，得到相位补偿后Ν个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时 域回波信号 ? Λ )，? (./;.，U =柯U，…，.U/.:.，U.(瓜 ^ 第η个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号，fr表示距离频率，ta表示方位慢时 间，tr表示距离向快时间； 步骤4,根据相位补偿后N个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号种人，4)， 依次计算得到距离多普勒域的N个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)、距离多普勒域的运 动目标P的回波信号St(tr，fa)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa)，然后根据如下公式求 解空时自适应杂波抑制的权矢量W :满足上述公式的权矢量为空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量WDpt，进而得到杂波 抑制后运动目标P的回波信号SP(tr，fa);其中，表示.取得最小值时W的值，s.t.表示约 束条件，R表示距离多普勒域的N个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)在多普勒频率单元 的多通道输出对应的协方差矩阵，a(fa)表示N个等效相位中屯、通道的导向矢量矩阵，fa表示 运动目标P的多普勒频率。2. 如权利要求1所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，在步骤1中，所述高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型，具体为： 在Ξ维坐标系XYZ中，X轴沿水平方向，Y轴指向右侧，Z轴远离地屯、方向，雷达所在平台 的垂直高度为H，并且雷达平台由沿航迹方向线性排列的Ξ个天线通道组成，相邻两天线之 间的距离为2d;在一个相关处理时间内，雷达所在平台W恒定的下降角丫（指雷达速度方向 和X轴之间的夹角)沿斜向下的方向做恒定速度为V的匀速直线运动，雷达所在平台的下视 角为Φ，雷达所在平台到运动目标P的最近斜距为Ro,则雷达所在平台的水平速度分量为Vx， 雷达所在平台的铅垂速度分量为Vz;P为雷达所在场景中任意一个运动目标，0时刻运动目 标P在(χρ，yp)处，且0时刻运动目标P的水平速度分量为vxp，0时刻运动目标P的垂直速度分 量为Vyp，雷达所在平台到运动目标P的最近斜距为R〇，Wg为运动目标P所在观测场景的条带 宽度，并且雷达工作在正侧视情况下。3. 如权利要求1所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，在步骤1中，所述将第η个天线通道与运动目标P之间的瞬时斜距表示为Rn(ta):其中，Vx表示雷达所在平台的水平速度分量，ta表示方位慢时间，t。表示第η通道到运动 目标Ρ之间的距离为最近斜距时所需的时间，xp表示加寸刻运动目标Ρ在X轴的坐标，vxp表示0 时刻运动目标P的水平速度分量，Η表示雷达所在平台的垂直高度，Vz表示雷达所在平台的 铅垂速度分量，yp表示0时刻运动目标P在Y轴的坐标，Vyp表示0时刻运动目标P的垂直速度分 量，r表示雷达所在平台与运动目标P之间的距离，Φ表示雷达所在平台的下视 角，ne{l，2，…，N}，N表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天 线通道个数，Xn表示第η个天线通道与原点之间的水平距离，Zn表示第η个天线通道与原点之 间的铅垂距离。4. 如权利要求1所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，在步骤2中，所述ξ执，y表示第η个等效相位中屯、通道的回波信号，其得到过程为:设 定第η个相对于参考通道的恒定相位补偿因子cos^ ，然后计算得到第η个 等效相位中屯、通道的回波信号兩(?,Λ)，其表达式为：其中，dn表示第η个通道的等效相位中屯、与参考通道的等效相位中屯、之间的距离，ne {1，2，···，Ν}，Ν表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道 个数，r表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的距离，丫表示雷达所在平台运动的下降角，λ 表示每个通道接收到的回波信号波长，tr表示距离向快时间，ta表示方位慢时间。5. 如权利要求1所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，步骤3的子步骤为： 3a)设定发射信号副本的共辆函数Sr(tr)，并将N个等效相位中屯、通道的回波信号 地.，U分别排列成化X化维矩阵，得到N个化X化维矩阵，N康示每个等效相位中屯、通道的回 波信号包含的距离向采样点数，化表示每个等效相位中屯、通道的回波信号包含的方位向采 样点数;然后对N个化X化维矩阵的每一行分别进行快速傅里叶变换处理后再乘W发射信号 副本的共辆函数Sr(tr)，进而得到N个等效相位中屯、通道的回波信号经距离压缩后的 距离频域-方位时域表示形式={.;i(./.:，u···，.U/. 《,，(/. Λ康示第η个等效相位中屯、通道的回波信号雌.Λ)经距离压缩后的距离频域-方位时 域表示形式，tr表示距离向快时间，片表示距离频率，ta表示方位慢时间； 3b)对N个等效相位中屯、通道的回波信号挪，U经距离压缩后的距离频域-方位时域表 示形式;(乂Λ)进行相位补偿，得到相位补偿后N个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域 回波信号列./；，0一:(/.如=仁1认^)，."，.5,，认，0，."為认^)}，爲(/>。)表示相位补偿后第 η个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号，fr表示距离频率，ta表示方位慢时 间。6. 如权利要求5所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，所述发射信号副本的共辆函数Sr(tr)，其表达式为:Sr(tr)=Wr(tr) · e邱[-j3iytr2]，tr 表示距离向快时间，Wr( ·)表示距离向矩形脉冲窗函数，μ表示发射线性调频信号的调频 率. 在所述Ν个等效相位中屯、通道的回波信号·?h.，U经距离压缩后的距离频域-方位时域 表示形式蛛/;.，〇中A(./;.，U表示第η个等效相位中屯、通道的回波信号毎化.，U经距离压缩 后的距离频域-方位时域表示形式，其得到过程为：其中，ne {1，2,.. .，N}，·表示点乘，FFT表示快速傅里叶变换操作，fr表示距离频率，ta 表示方位慢时间，tr表示距离向快时间，馬(^?。)表示第η个等效相位中屯、通道的回波信号。7. 如权利要求5所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，所述表示第η个等效相位中屯、通道的回波信号电心U经距离压缩后的距离 频域-方位时域表示形式，其表达式为：其中，fc表示通道回波信号的载频，Wa( ·)表示方位向窗函数，Wr( ·)表示距离向矩形 脉冲窗函数，fr表示距离频率，ta表示方位慢时间，tc表示第η通道到运动目标P之间的距离 为最近斜距时所需的时间，Ro表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的最近斜距，，H表示雷达所在平台的垂直高度，Φ表示雷达所在平台的下 视角，Xn表示0时刻第η通道在X轴上的坐标，Ζη表示0时刻第η通道在Ζ轴上的坐标，Vx表示雷 达所在平台的水平速度分量，Vz表示雷达所在平台的铅垂速度分量，yp表示加寸刻运动目标P 在Y轴上的坐标，Vyp表示运动目标P速度的水平分量，Vxp表示加寸刻运动目标P的水平速度分 量，i，c表示光速。8. 如权利要求5所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，在所述相位补偿后N个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号？(尤，〇中， 式α，?表示相位补偿后第η个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号，其得到 过程为： 首先分别设定第η个等效相位中屯、通道的二次项相位补偿函数hni和第η个等效相位中 屯、通道的Ξ次项相位补偿函数hn2,并根据距离压缩后第η个等效相位中屯、通道的距离频域- 方位时域回波信号式(乂，U，然后将第η个等效相位中屯、通道的回波信号马，化Λ)经距离压 缩后的距离频域-方位时域表示形式皂:(乂 Λ)，与设定的第η个等效相位中屯、通道的二次项 相位补偿函数hnl和设定的第η个等效相位中屯、通道的Ξ次项相位补偿函数hn2依次进行点 乘，即进而计算得到相位补偿后第η个等效相位中屯、通道的距离频域-方位 时域回波信号从，〇巧表达式分别为：其中，Ro表示雷达所在平台与运动目标Ρ之间的最近斜距，fc表示通道回波信号的载频， Wr( ·)表示距离向矩形脉冲窗函数，Wa( ·)表示方位向窗函数，fr表示距离频率，ta表示方 位慢时间，tc表示第η通道到与运动目标P之间的距离为最近斜距时所需的时间，C表示光 速，Vx表示雷达所在平台的水平速度分量，Vxp表示加寸刻运动目标Ρ的水平速度分量，Vyp表示 0时刻运动目标P的垂直速度分量，Φ表示雷达所在平台的下视角，Vz表示雷达所在平台的 铅垂速度分量，Zn表示第η通道与原点之间的铅垂距离，Xn表示第η通道与原点之间的水平距 离，ne {1，2,...，Ν}，Ν表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天 线通道个数。9. 如权利要求1所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，步骤4的子步骤为： 4a)对相位补偿后N个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号?(/.Λ)的每一 行分别进行逆快速傅里叶变换，同时再对每一列分别进行快速傅里叶变换(FFT)，计算得到 距离多普勒域的Ν个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)，S(tr，fa) = {si(tr，fa)r-，Sn(tr, fa),…，3^心山）}，3。(心山)表示距离多普勒域的第11个等效相位中屯、通道回波信号； 4b)根据距离多普勒域的N个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)，分别计算得到距离 多普勒域的运动目标P的回波信号St(tr，fa)和距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa); 4c)根据如下公式求解空时自适应杂波抑制的权矢量W:满足上述公式的权矢量为空时自适应杂波抑制的最优权系数矢量WDpt; 4d)根据距离多普勒域的N个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)和空时自适应杂波抑 审揃最优权系数矢量WDpt，计算得到杂波抑制后运动目标P的回波信号SP(tr，fa);其中，fa表 示运动目标P的多普勒频率，tr表示距离向快时间。10.如权利要求9所述的一种高超声速飞行器下降段的SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征 在于，所述sn(tr，fa)表示距离多普勒域的第η个等效相位中屯、通道回波信号、所述距离多普 勒域的运动目标Ρ的回波信号St(tr，fa)、所述距离多普勒域的杂波信号SC(tr，fa)、所述空 时自适应杂波抑制的最优权系数矢量WDpt和所述杂波抑制后运动目标P的回波信号SP(tr, fa),其表达式分别为：sp(tr,fa) = s(tr,fa) * Wopt 其中，fr表示距离频率，fa表示运动目标P的多普勒频率，tr表示距离向快时间，ne U， 2, . . .，N}，N表示高超声速飞行器下降段的雷达运动几何模型中的雷达包含的天线通道个 数，ta表示方位慢时间，FFT表示快速傅里叶变换操作，IFFT表示逆快速傅里叶变换操作， .?(/.，0表示相位补偿后N个等效相位中屯、通道的距离频域-方位时域回波信号，Br表示线性 调频信号的距离向带宽，Sinc[ ·]表示辛克函数，C表示光速，t。表示第η通道到与运动目标 P之间的距离为最近斜距时所需的时间，Ro表示雷达所在平台与运动目标P之间的最近斜 距，λ表示每个通道接收到的回波信号波长，fdcc表示杂波信号的多普勒中屯、频率，，Wa( ·)表示方位向窗函数，Ka。表示杂波信号的多普勒调频率，Kat表不;is动目柄P的多普勒调频率Vx表不雷达 所在平台的水平速度分量，Vxp表示0时刻运动目标P的水平速度分量，Vyp表示0时刻运动目 标P的垂直速度分量，Φ表示雷达所在平台的下视角，Vz表示雷达所在平台的铅垂速度分 量，Wn表示第η个等效相位中屯、通道的空时自适应杂波抑制最优权系数矢量，R表示距离多 普勒域的Ν个等效相位中屯、通道回波信号S(tr，fa)在多普勒频率单元的多通道输出对应的 协方差矩阵，（·）-1表示?的逆矩阵，[· ]H表示·的共辆转置，[· ]Τ表示.的转置，?表示 点乘，a(fa)表示Ν个等效相位中屯、通道的导向矢量矩阵，a(./,',) = [Δ巧，…，Δ巧......,Δ巧y]，Δ钱： 表示第η个等效相位中屯、通道接收到的回波信号与参考通道之间的相位差，S(tr，fa)表示距 离多普勒域的N个等效相位中屯、通道回波信号。
【文档编号】G01S7/02GK106093870SQ201610370820
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】曹运合, 齐晨, 王宇, 夏香根, 苏洪涛, 周生华
【申请人】西安电子科技大学