机载雷达简易STAP方法及其应用

杂波抑制是机载预警雷达下视工作时的关键问题。除了采用低副瓣天线、偏置天线相位中心(DPCA)等传统杂波抑制技术，能够有效提高机载相控阵雷达地杂波抑制能力和动目标检测性能的空时二维自适应处理(STAP)受到了广泛关注。STAP的研究始于1973年，至今已有20多年的历史。起初其研究的重点是全空时的最优处理，但是其计算量和实现的复杂度令人们难以接受，并且难以获得估计协方差矩阵所需的足够多的样本数。后来的研究重点就转移到了降维处理算法上。人们在降维算法的研究上做了大量的工作，提出了很多种方法，也发表了大量的文章。降维算法从原理上可以分为两类：固定降维方法和自适应降维方法。对于工程应用，人们更关心固定降维方法。随着空时二维处理研究的深入，人们发现它不仅可以应用于机载预警雷达，只要杂波存在空时耦合的特性，空时二维处理都可以发挥作用。战场感知雷达和机载火控雷达的地面慢速目标检测功能也受到地杂波的制约，可以利用空时二维自适应处理提高抑制杂波的能力。本论文的主要目的就是研究简易空时二维自适应处理技术及其在地面慢速目标检测中的应用。 1996年，王宏等人提出了一种只采用两个空域自由度的降维方法，这两个空域通道是通常天线系统都具备的和、差波束支路，称作∑Δ-STAP方法。人们对这种特殊的空时二维处理感兴趣的原因是无论相控阵天线系统还是反射面天线系统，天线工程师都可以设计出性能很好的和、差波束。所以基于和、差波束的空时二维处理方法不仅可以用于相控阵天线雷达，也可以用于一般的反射面天线雷达。王宏等人的研究显示∑Δ-STAP方法具有很好的杂波抑制性能，同时具有很多优点。但另一方面，它也存在很多局限性，在许多情况下性能并不理想。 本文的第2章首先介绍固定降维方法和恒虚警检测的基本原理。在此基础上，讨论了几种多普勒域的降维方法，其中包括一种多普勒局域化的∑Δ-STAP方法——∑Δ-EFA方法。理论分析和仿真研究表明∑Δ-EFA方法在理想情况下具有令人满意的杂波抑制能力和较好的空时响应。但是，在实际应用的非理想环境中∑Δ-EFA方法的性能会出现严重下降。所以第3章讨论一些非理想条件对∑Δ-EFA方法性能的影响。这些因素包括和、差波束的特性、阵元和通道的误差、不同的脉冲重复频率(PRF)。本章研究了它们对系统性能的影响，提出∑Δ-EFA方法性能改进的两种方法，可以克服∑Δ-EFA的很多局限性，提高检测性能。 J．机载雷达简易STAP方法及其应用 一 第 4章研究正侧视阵天线地面动目标检测的开环方法和简化空时二维处理方 法。本章首先研究了杂波的二维谱分布，指出在GrD条件下杂波谱是高度模糊 的，主瓣杂波是制约系统对动目标检测性能的主要因素。接着讨论了干涉仪方法 的原理、性能和局限性。干涉仪方法的性能上限是IDT方法，所以在相干脉冲数 积累数较小的情况下性能很差。对简化STAP方法的研究显示它可以按照杂波谱 分布形成很好的斜凹口，获得很好的系统改善。本章还提出了一种利用若干个二 维波束按照杂波分布形成斜凹口的开环方法。仿真结果证明它可以按照主瓣杂波 的二维分布形成抑制杂波所需的斜凹口，其性能优于干涉仪方法，特别是在相干 脉冲数较少的倩况下。 执行地面目标检测任务的火控雷达通常采用前视阵，它们的杂波分布比较特 殊。一方面，主瓣杂波的带宽和斜率随着扫描方位角的变化而变化；另一方面杂 波的二维分布随着距离或俯仰角的变化而变化。我们推导了主瓣杂波带宽的公 式，讨论了不同扫描方位角情况下它对性能的影响。我们还讨论和比较了在杂波 分布随距离变化较弱的远距离的情况下，各种滤波方法的性能。在杂波分布随距 离变化比较明显的近距离，必须采用特殊的方法抑制杂波。第6章研究近距离GMTD 的杂波抑制方法。在对杂波随距离变化的原因进行了深入研究的基础上我们提出 一种杂彼的频移补偿方法（FSC），它可以明显缩小杂波谱在二维平面内的分布区 域，极大地减小了杂波分布随距离变化的危害。仿真结果显示用频移补偿方法对 一《钓群进行预处理可散显著提高各种方法的杂披抑制能力。在本章中还提出了频移一一—一 补偿方法的一种简化近似实现方法，可以大大节省运算量。最后我们给出频移补 偿方法在一种特殊的机载预警雷达中的应用。 如果训练样本不服从独立同分布，空时二维自适应处理的性能会急剧下降。 在某些情况下，样本被目标信号污染也会明显影响系统对权矢量的估计而使空时 二维处理的输出信杂噪比明显下降。第7章首先分别分析了目标信号污染对广义 旁瓣相消结构和直接法处理的影响。结果表明采用阻塞矩阵和不包含检测单元的 二次数据并不能有效避免目标信号污染的影响，而已有的奇异检测器也并不能准 确地发现这样的奇异样本。为此，本文提出一种新的奇异判定准则和两种新的奇