和差天线空时自适应测角方法及性能分析_阚庆云.pdf

第 1 期2023 年1 月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICAVol.51 No.1Jan.2023和差天线空时自适应测角方法及性能分析阚庆云，许京伟，廖桂生（西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，陕西西安 710071）摘要：雷达模拟和差天线技术通过射频功率合成器形成和差波束，在目标角度测量中应用广泛，然而运动平台雷达经过空时自适应处理（Space-Time Adaptive Processing，STAP）后难以还原鉴角曲线，即自适应处理后的等效鉴角曲线与静态鉴角曲线发生偏离.针对此问题，本文提出和差天线体制雷达空时自适应测角方法.该方法通过和差STAP算法抑制杂波后实现角度估计，并且通过理论推导建立了角度估计与和通道输出信噪比、差通道剩余杂噪比之间的关系，重点分析了杂波剩余对角度估计的非一致性影响.仿真实验验证了本文方法的有效性.关键词：运动平台雷达；和差天线体制；空时自适应处理；杂波抑制；单脉冲测角基金项目：国家自然科学基金（No.61931016，No.62071344）中图分类号：TN959.73 文献标识码：A 文章编号：0372-2112(2023)01-0042-08电子学报URL:http:/ DOI:10.12263/DZXB.20211458Angle Estimation Approach and Performance Analysis for STAP with Sum-Difference AntennaKAN Qing-yun,XU Jing-wei,LIAO Gui-sheng（National Laboratory of Radar Signal Processing,Xidian University,Xi an,Shaanxi 710071,China）Abstract:Analog sum-difference antenna radar forms sum-difference beam through radio frequency power synthesizer,which is widely used in target angle estimation.However,after space-time adaptive processing(STAP),it is difficult for moving platform radar to restore the angle identification curve,that is,the equivalent angle identification curve after adaptive processing deviates from the static angle identification curve.To solve this problem,this paper proposes a space-time adaptive angle estimation method for STAP with sum-difference antenna system.In this method,the angle estimation is realized after suppressing clutter by sum-difference STAP algorithm.The relationship between angle estimation and the output signal-to-noise ratio of the sum channel,residual clutter-to-noise ratio of the difference channel is established by theoretical deduction.This paper analyzes the influence of clutter residue on the inconsistency of angle estimation emphatically.Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.Key words:moving platform radar;sum-difference antenna system;space-time adaptive processing;clutter suppression;monopulse angle estimationFoundation Item(s):National Natural Science Foundation of China(No.61931016,No.62071344)1引言运动平台雷达下视工作面临多普勒谱严重扩展的地海面杂波，微弱目标往往湮没在强杂波背景中.空时自适应处理技术（Space-Time Adaptive Processing，STAP）通过联合空域和时域二维自由度，可以实现杂波背景下的运动目标检测，具有重要的应用价值13.现有雷达系统主要采用和差天线体制，利用单脉冲测角技术实现高精度角度估计，该技术具有可靠性高、运算量小、数据率高和抗干扰强的优点4，5.然而在强杂波背景下，目标角度估计性能受到杂波影响，因此，和差天线体制STAP杂波抑制和测角技术对运动平台雷达系统性能至关重要.STAP降维算法统一理论框架表明，信号处理器可以在阵元/波束域、脉冲/多普勒域做空间和时间处理维度的线性变换6.本质上，现有运动平台雷达和差天线体制是一种空间波束域的降维处理器结构，其和差波束是由射频功率合成器在空间微波合成的.针对收稿日期：2021-10-27；修回日期：2022-06-08；责任编辑：朱梅玉第 1 期阚庆云:和差天线空时自适应测角方法及性能分析和差体制 STAP 杂波抑制问题，研究者们提出了-STAP算法714，仅利用和差天线体制雷达都具有的和波束、差波束支路作为空域通道，在时域可以采用多普勒局域化方法进行进一步的降维处理.文献 710 利用仿真数据和 MCARM 数据进行实验，结果表明-STAP算法可以取得接近最优的杂波抑制性能.文献1113 进一步研究了-STAP 方法，比较了不同波束设计方法对杂波抑制性能的影响.文献 14 将-STAP方法用于前视阵雷达，对其地面动目标显示性能进行了研究.在多通道阵列体制下，研究者们研究了自适应波束形成对鉴角曲线的影响，分析了自适应处理导致波束畸变所带来的测角性能损失.在强杂波背景下，当目标位于旁瓣杂波区域时，常规STAP单脉冲方法可以取得较好的角度估计性能，但是当目标落入主瓣杂波区域时，和差波束主瓣畸变导致单脉冲比失真，角度估计性能将严重下降，为了在抑制主瓣杂波的同时保持较好的角度估计性能，缓解单脉冲比的失真问题，学者们相继提出了多种改进的自适应单脉冲方法1523，主要包括广义单脉冲技术以及自适应方向图保形技术.文献 1518 研究了广义单脉冲技术，分析了单脉冲原理在STAP和多维阵列雷达上的扩展。广义单脉冲的思想是接受和差波束的畸变，对自适应单脉冲比的斜率和偏置进行修正，实现参数的精确估计。然而，该方法存在的问题是在强杂波和强干扰背景下性能损失严重.文献 1923 通过增加适当的空间约束和时间约束，解决STAP自适应处理后波束畸变的问题，降低自适应单脉冲角度估计误差.文献 19 提出了一种基于STAP雷达的空域多点约束方法，该方法的单脉冲比与目标角度和多普勒频率有关.文献 20 提出了一种改进的空时联合约束STAP单脉冲方法，降低了单脉冲比对多普勒频率的依赖性，提高了目标角度估计的精度及稳健性.文献 21，22 提出了一种基于STAP技术的角度-多普勒估计方法，采用多点幅相约束实现和方向图主瓣保形，利用零点约束实现角度和多普勒频率解耦合.文献 23 提出了一种多差波束自适应迭代单脉冲估计方法，通过导数约束和零点约束产生两个虚拟差波束，解决了参数间耦和问题.模拟和差天线体制运动平台雷达经过空时自适应处理后难以还原鉴角曲线，即自适应处理后的等效鉴角曲线与静态鉴角曲线发生偏离，国际上对其测角性能的理论分析很少.针对上述问题，本文提出和差天线体制空时自适应测角方法.该方法运用和差STAP算法进行杂波抑制，实现杂波背景下的运动目标检测，然后利用和、差通道的目标输出信息，结合单脉冲测角技术实现目标角度估计，并且进一步通过理论推导建立了角度估计与和通道输出信噪比、差通道剩余杂噪比之间的关系，重点分析了杂波剩余对角度估计的非一致性影响.理论分析与仿真实验表明，本文方法在模拟和差天线体制雷达下的测角性能，与多通道阵列体制雷达基于常规STAP单脉冲方法的测角性能是一致的.2和差通道信号模型不失一般性，考虑机载雷达正侧视天线，包含和波束、方位差波束、俯仰差波束.假设一个相干处理间隔包含K个脉冲，第l个距离门对应的空时快拍数据可表示为x(l)=xs(l)+xc(l)+xn(l)（1）其中，xs(l)为信号分量，xc(l)为杂波分量，xn(l)为零均值高斯白噪声.目标信号为xs(l)=s(l)ss(s,s)st(fds)（2）其中，s(l)为后向散射系数；为 Kronecker 乘积；s，s，fds分别为目标的方位角；俯仰角和归一化多普勒频率；ss(s,s)为空域导向矢量的波束域表达形式，由目标的空间位置与和差天线方向图决定；st(fds)为时域导向矢量，具体计算方式为ss()s,s=2()s,s()s,s()s,s ()s,s()s,sT（3）st(fds)=1ej2fdsej2fds()K-1T（4）其中，(s,s)，(s,s)，(s,s)分别为和波束、方位差波束、俯仰差波束在该方向上的复响应值；T为转置符.第l个距离门的杂波可表示为存在距离模糊的多个距离环内大量杂波散射单元对应回波的线性叠加，即xc(l)=m=1Naq=1Ncm,q()l ss()m,q,m,lst()fdm,q（5）其中，Na为距离模糊数；Nc为一个等距离环内的独立散射单元数；m,q(l)为在第m个模糊距离环的第q个杂波散射单元的复系数，它的幅值分布是由地面特性决定的；m,q，m,q，fdm,q分别为散射单元的方位角、俯仰角和归一化多普勒频率.3和差天线体制空时自适应测角方法STAP算法的最优权矢量可以根据最小方差无畸变响应准则设计，即minwwHRws.t.wHs=1（6）其中，s为目标导向矢量，R为杂波加噪声协方差矩阵，H为共轭转置符.利用拉格朗日乘子法进行求解，得到最优权矢量的表达式为w=R-1s（7）其中，为标量常数.理论上，如果协方差矩阵R和目标导向矢量s精确已知，STAP算法达到最优.实际应用43电子学报2023 年中，杂波协方差矩阵是通过距离维训练样本估计得到的，即R?=1Ll=1Lx()l xH(l)，目标导向矢量由天线主波束指向决定，即s=ss(0,0)st(fds)（8）其中，0和0分别为天线主波束指向对应的方位角、俯仰角，ss表示波束空域导向矢量，具体表达形式通过静态和、差波束权值进行和、差波束形成得到.一般地，任意方位角、俯仰角对应的波束空域导向矢量具体形式可表示为ss(),=qHsse(),qHsse(),qHsse(),T=1ej12ej23ej3T （9）其中，q为静态和波束权矢量，qH和qH分别为方位维、俯仰维对应的静态差波束权矢量，sse(,)为阵元空域导向矢量.图1给出了和波束（主瓣区域）幅度响应示意图，这里假设天线主波束指向为 0.由于和波束在天线主波束指向方向上幅度响应归一化后幅度值为1，相位响应为0，差波束在天线主波束指向方向上幅度响应始终为0，因此天线主波束指向处对应的波束空域导向矢量取值为1 0 0T，即式（8）中的ss(0,0)=1 0 0T.实际上，将式（7）和式（8）中波束空域导向矢量取为 1 0 0T，其物理意义就是固定和通道权系数，自