專利名稱:自適應最佳濾波器的制作方法
自適應最佳濾波器是一種信號處理裝置。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在今天限制雷達、聲納系統(tǒng)性能(作用距離、分辨力等)的主要因素已經(jīng)不是像元、器件噪聲這一類白噪聲干擾，而是那些由雷達發(fā)射機本身輻射的電磁波受到地物、海浪、云層、雨、雪、飛鳥、敵方施放的假目標、反射器、干擾絲、箔條等散射回來的雷達輻射能量的干擾，即雜波干擾。這類干擾最大的特點是它具有極強的相關(guān)性;或等價地說，這類干擾的功率譜是有色的。一般說來這類干擾的危害不能簡單地用增加發(fā)射機功率的方法來削弱。目前解決這一問題的方法除了從改善天線方向性，設(shè)計合理的信號形式外，主要有兩種方法一是采用動目標顯示器(MTI)，或稱對消器。它利用運動目標(比如飛機、導彈等)相對背景雜波源(地物等)有相對運動，從而它們一般具有較大的多卜勒頻移，因而只需在接收機中設(shè)置一個數(shù)字式高通濾波器就可以削弱雜波的功率。二是采用脈沖多卜勒(PD)雷達體制。這種體制也是利用了雜波與動目標信息具有不同的多卜勒頻移，從而在頻域上來區(qū)分提取動目標信息的。PD雷達可以看成是MTI加匹配濾波器的結(jié)合體。如果MTI能真正使有色雜波白色化(把有色譜變成白譜)，則PD雷達可以近似地看成是有色噪聲背景下對已知信號的最佳處理器。但現(xiàn)有的MTI系統(tǒng)往往不能做到此點。主要理由有兩個一是MTI能濾除雜波，必須要求雜波具有平均為零的多卜勒頻移。這一方面要求雷達工作頻率十分穩(wěn)定，同時，若雷達平臺移動時(比如機載、艦載雷達)還必須精確地自動補償?shù)暨@個運動，才能較好地達到上述要求。顯然，這種辦法對于運動的雜波體，如鳥群、風暴、雨雪以及人為箔條干擾等則不能有效地加以抑制;其二，采用閉環(huán)式主雜波跟蹤系統(tǒng)第一個問題可以得到某種程度的解決，比如1973年美國專利“MTI雷達”(U.S.Patent 3.742.500)提出了一種將對消器凹口自動地調(diào)整在雜波平均多卜勒頻率上的辦法，可以在一定程度上抑制掉運動雜波。但是一般閉環(huán)式主雜波跟蹤系統(tǒng)只解決了對消器凹口定位問題，而不能調(diào)整對消器本身凹口的形狀參量(形狀、寬度、深度等)。因而它不能達到與真實雜波功率譜很好的“匹配”(即并非是它的逆)，從而它遠非最佳處理，特別是在同一距離單元內(nèi)有兩種以上不同類型的雜波體時，上述方法均無能為力。
本發(fā)明提出了一種在強的運動雜波背景下提取動目標信息的最佳處理器的新方案，即自適應最佳濾波器(AOF)，它既能夠自動地將濾波器頻響凹口對準雜波的平均多卜勒頻移點，又能夠調(diào)整凹口的形狀參數(shù)(形狀、寬度、深度)等，使之與真實雜波譜相“匹配”。在信號出現(xiàn)時，其輸出可以達到或逼近于理想最佳濾波器所能達到的最大信噪比(信號峰值功率與噪聲平均功率之比)。發(fā)明者論文(王永德“自適應最佳濾波器”第一屆(84)全國信號處理學術(shù)會議論文集，二卷523～528)闡述了這種濾波器的基本原理。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上針對一般雜波的自回歸模型(AR)的特點，提出了一種自適應逆譜濾波器(AISF)級聯(lián)匹配濾波器實現(xiàn)AOF的改進方案，見圖2。比之于原型AOF它又具有以下兩個優(yōu)點一是設(shè)備大為簡化。原型AOF要求的價數(shù)等于信號樣點數(shù)，因而當樣點數(shù)太大時工程實現(xiàn)較為困難，而一般改進的AOF只需2～8價就夠了;二是，它具有對有用信號不同多卜勒頻移的適應性。而原型的AOF以及一般的脈沖多卜勒處理器并不具備此優(yōu)點。
熟知，在有色噪聲背景下檢測已知波形信號的最佳濾波器其傳輸函數(shù)應為H0(jw)＝ 1/(Sn(w)) ·F＊(jw)·<math><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>-jwt</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msup></math>＝H1(w)·H2(w)式中Sn(w)為雜波的功率譜密度;H1(w)＝ 1/(Sn(w)) 則稱為逆譜濾波器;F＊(jw)為已知信號頻譜函數(shù)的共軛，它是已知的，從而H2(jw)＝F＊(jw)<math><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>-jwt</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msup></math>(匹配濾波器)實現(xiàn)并不困難。但是H1(w)的實現(xiàn)則不太容易，顯然直接用MTI來代替H1(w)是十分粗略的。本發(fā)明則是提出一種特定的算法用以自適應地實現(xiàn)H1(w)。
圖1是PD雷達終端信號處理裝置的原理方框圖。
圖2是自適應最佳濾波器的原理方框圖。
圖3是自適應逆譜濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖4算法單元的電路結(jié)構(gòu)圖。
改進后的自適應最佳濾波器(AOF)最基本的原理圖示于圖2。它是由逆譜濾波器(12)，匹配濾波器(13)及雜波參數(shù)估值器(14)等三個部分構(gòu)成。
其中，逆譜濾波器(12)及雜波參數(shù)估值器(14)一起可稱為自適應逆譜濾波器(AISF)(39)。
代表雷達回波的數(shù)字序列X(K)進入逆譜濾波器后，所輸出的信號Y(K)分為兩路，一路經(jīng)過匹配濾波器后的輸出信號Z(K)送至判決器，另一路經(jīng)過雜波參數(shù)估值器回饋至逆譜濾波器，估值器的輸出用來調(diào)整逆譜濾波器的頻響形狀參數(shù)。任何一種能從該濾波器輸出(或輸入)通過一定算法單元自適應地估計出雜波參數(shù)αi(i＝1，2，……n)(假定雜波可以用一自回歸模型，即X(K)＝<math><munderover><mi>Σ</mi><mi>i=1</mi><mi>n</mi></munderover></math>αiX(K-i)+W(K);來描述，式中αi(i＝1，2，……n)即為雜波參數(shù)，W(k)為白噪聲序列)的方法都可以導出一種AOF的具體方案。這里僅就一種由最速梯度下降法導出的算法來加以說明。所描述的具體方案中假定雷達雜波可以用一個二階自回歸模型(即n＝2)來模擬，則AISF的階數(shù)應選為4(5個抽頭);若為了更精確，用三階自回歸模型來描述雜波，則AISF階數(shù)應選為6(7個抽頭)……。
圖1畫出了通常PD雷達終端信號處理器的方框圖，圖中原來MTI的位置現(xiàn)在被自適應逆譜濾波器(AISF)(4)(10)所替代，它與FFT處理機(11)一起構(gòu)成了自適應最佳濾波器(40)，其它方框圖的功能是清楚的，這里不再詳述。由雷達接收機來的中頻信號經(jīng)正交相位檢波器(由相干本振(5)和移相器(6)提供兩路同頻相差90°的信號在乘法器(1)和(7)中與雷達中頻信號相乘，然后經(jīng)低通濾波器(2)、(8)濾出基帶信號)變成兩個通道(I，Q通道)的雙極視頻信號(零中頻信號)，再經(jīng)過模數(shù)變換器(A/D)變換器(3)、(9)將視頻信號抽樣并變換成數(shù)字碼，抽樣脈沖(未畫出)的重復頻率一般選為距離門寬度(脈寬)的倒數(shù)。量化級一般從雜噪比的動態(tài)范圍考慮，典型值為10-16位(bit)。數(shù)字信號到達I、Q通道的自適應逆譜濾波器(4)、(10)加以逆譜處理，然后送至FFT信號處理機(11)進行匹配過濾。(4)、(10)完全是一樣的，這里僅舉一個加以說明。
概而論之，自適應逆譜濾波器(AISF)就是通過算法αr(K+1)＝αr(K)-2μ〔y(K)x(K-rT)-F(r)〕;(r＝0，1，2，3，4)從舊的權(quán)系數(shù)αr(K);(r＝0，1，2，3，4)得到新的權(quán)系數(shù)，再對信號X(K+1)進行加權(quán)和處理的專用電子計算機。式中F(r)為一簡單函數(shù)，其定義為r＝2時，F(xiàn)(r)＝1;r≠2時，F(xiàn)(r)＝0。
圖3示出了自適應逆譜濾波器的基本結(jié)構(gòu)。圖中(20)、(30)、(40)、(50)單元中的Z-T表示延時(存貯)時間為T的延遲線，抽頭延遲線的抽頭數(shù)目視需要而定，T為雷達脈沖重復頻率，一般是距離門寬度的整數(shù)倍;(18)、(19)、(21)、(22)、(23)為數(shù)字乘法器，數(shù)字乘法器的數(shù)目與抽頭延遲線抽頭的數(shù)目一致，要求在小于一個距離門寬度的一半時間內(nèi)完成給定bit數(shù)的乘法運算，若有更高速的乘法器可供利用，則整個5個權(quán)可共用一個算法單元，在一個距離門寬度內(nèi)依次實現(xiàn)對5個權(quán)的高速和加權(quán)運算則電路可進一步簡化。(24)、(25)、(26)、(27)為加法器，其數(shù)目可比抽頭延遲線抽頭數(shù)目少一個。圖3中所需用的算法單元個數(shù)與抽頭延遲線的抽頭數(shù)一致，各算法單元(15)、(16)、(17)具有完全相同的結(jié)構(gòu)，其具體電路示于圖4。圖4中符號所代表的意義完全同于圖3。
代表雷達回波的數(shù)字序列X(K)以高抽樣速率進入抽頭延遲線(20)、(30)、(40)、(50)。比如說距離門寬度為1微秒則抽樣速率為1兆赫，脈沖重復頻率為10千赫，則延時為100微秒。在任一時刻K，抽頭處(34)、(35)、(36)、(37)、(38)得到的X(K)，X(K-T)，X(K-2T)，X(K-3T)，X(K-4T)都是取自同一距離門的數(shù)據(jù)(雜波或雜波加信號)，它們分別與當時的權(quán)系數(shù)a0(K)、a1(K)、a2(K)、a3(K)、a4(K)在乘法器(18)、(19)、(21)、(22)、(23)中相乘，然后在加法器(24)、(25)、(26)、(27)中相加輸出即為y(K)。加權(quán)和處理后的y(K)一方面做為逆譜濾波器的輸出，另方面又返回去用來調(diào)整權(quán)系數(shù)ar(K)，(r＝0，1，2，3，4)。這一調(diào)整是在算法單元(15)、(16)、(17)中進行的。見圖4，y(K)與相應的抽頭值X(K-rT)(r＝0，1，2)在乘法器(28)中相乘，得到y(tǒng)(K)X(K-rT)，將它送至加法器(29)，在算法單元(Ⅲ)(17)中乘積y(K)X(K-rT)與-1相加，得到y(tǒng)(K)X(K-rT)-1，而在算法單元(Ⅰ)(15)和算法單元(Ⅱ)(16)中加法器(29)可省去。加法器(29)的輸出送至倍乘器(31)乘以常數(shù)因子2μ以構(gòu)成修正量2μ(y(K)X(K-rT)-1)與此時刻的權(quán)系數(shù)ar(K)(r＝0，1，2)在加法器(32)中相加(代數(shù)和)形成下一個時刻(K+1)的新的權(quán)系數(shù)ar(K+1)，(r＝0，1，2)。這個權(quán)系數(shù)暫存在相應的延遲單元(33)中，直到下一周期同一距離門信號出現(xiàn)在抽頭處時才起作用。其它距離門的數(shù)據(jù)分別暫存在延遲單元(20)、(30)、(40)、(50)之中，權(quán)系數(shù)則暫存在相應算法單元的存貯器(33)之中，下一個時鐘脈沖的到來整個系統(tǒng)就開始對下一個距離門數(shù)據(jù)的處理……。這樣經(jīng)過若干個周期之后，對每個距離門的數(shù)據(jù)來講權(quán)系數(shù)達到收斂，校正項近似為零，濾波器成為當時雜波環(huán)境下的逆譜濾波器。若雷達移動至新的環(huán)境，或遇到了不同類型的雜波干擾，則權(quán)系數(shù)又會自動地加以調(diào)整，以達到新的最佳值。常數(shù)μ的大小可以控制這種收斂過程的快慢。由于a3＝a1，a4＝a0，故算法單元(Ⅳ)及算法單元(Ⅴ)(未畫出)可以省去而與算法單元(Ⅰ)(15)和算法單元(Ⅱ)(16)共用。任何數(shù)字系統(tǒng)中公有的時鐘電路以及必要的控制電路(比如權(quán)系數(shù)置零，楨同步電路等)均未畫出。
經(jīng)逆譜處理后的正交雙通道信號yI(K)及yQ(K)(見圖1)，送至FFT處理機(11)進行距離門分路與匹配濾波處理，這與通常的PD雷達終端處理機是一樣的，這里不再詳述。
本發(fā)明提出的自適應最佳濾波器(自適應逆譜濾波器加匹配濾波器)方案為提高雷達、聲納系統(tǒng)抗有色雜波干擾能力提出了一種新的技術(shù)途徑。對于高斯有色雜波干擾，它可以達到或逼近于理論上的最佳檢測性能。
由于采用了自適應措施，自適應最佳濾波器對時變，運動雜波環(huán)境中已知信號的檢測更能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。
本發(fā)明特別適用于雷達平臺運動的雷達系統(tǒng)，它可以省去主雜波跟蹤環(huán)節(jié)，也可以降低對雷達工作頻率穩(wěn)定度之要求。
整個系統(tǒng)可以采用多種方式(模擬、數(shù)字或混合式)加以實施。若采用數(shù)字方案它同樣具有一般數(shù)字系統(tǒng)靈活性之特點。
本發(fā)明不限于用圖3與圖4所采用的方案，一般說來它可以采用圖2所示結(jié)構(gòu)。任何一種參數(shù)估值方法均可導出一種自適應最佳濾波器的具體方案，這需要針對具體使用背景來加以選取。
權(quán)利要求
1、一種自適應最佳濾波器，其特征在于它是由一個自適應逆譜濾波器(AISF)(39)級聯(lián)一個匹配濾波器(13)而成；數(shù)字序列X(K)進入自適應逆譜濾波器以后，輸出數(shù)字序列y(K)，y(K)經(jīng)匹配濾波器后的輸出信號Z(K)送至判決器。
2、如權(quán)利要求
1所說的自適應最佳濾波器，其特征在于其中的自適應逆譜濾波器(39)是由逆譜濾波器(12)及雜波參數(shù)估值器(14)構(gòu)成;數(shù)字序列X(K)通過逆譜濾波器后的輸出信號y(K)分成兩路，一路饋入匹配濾波器(13)，另一路通過雜波參數(shù)估值器回饋至逆譜濾波器，雜波參數(shù)估值器的輸出用來調(diào)整逆譜濾波器頻響的形狀參數(shù)。
3、如權(quán)利要求
2所說的自適應逆譜濾波器，其特征在于其中的逆譜濾波器(12)由具有奇數(shù)個抽頭且延遲時間為T的抽頭延遲線，與抽頭延遲線抽頭數(shù)相等的奇數(shù)個算法單元，與抽頭延遲線抽頭數(shù)目相等的奇數(shù)個乘法器及比抽頭延遲線抽頭數(shù)目少一個偶數(shù)個加法器構(gòu)成;數(shù)字序列X(K)以高抽樣速率進入抽頭延遲線，在任一時刻K，抽頭處所得的X(K-rT);(r＝0，1，2……)都是取自同一距離門的數(shù)據(jù)，它們分別與當時的權(quán)系數(shù)ar(K)，(r＝1，2……)在乘法器相乘，然后將各相乘結(jié)果在加法器相加輸出y(K)，經(jīng)加權(quán)和處理后y(K)一方面作為逆譜濾波器的輸出，另一方面返回去用來調(diào)整權(quán)系數(shù)ar(K)，其它距離門的數(shù)據(jù)可分別暫存在延遲單元(20)、(30)、(40)、(50)中，權(quán)數(shù)據(jù)可分別暫存在相應的算法單元(33)之中，待到下一個時鐘脈沖到來，整個系統(tǒng)又開始對下一個距離門數(shù)據(jù)的處理。
4、如權(quán)利要求
3所說的逆譜濾波器，其特征在于其中的抽頭延遲線可選用5個抽頭(34)、(35)、(36)、(37)、(38)，其中的乘法器數(shù)目可為5個(18)、(19)、(21)、(22)、(23)，其中的算法單元(Ⅳ)與算法單元(Ⅴ)可以省去而與算法單元(Ⅰ)、(15)和算法單元(Ⅱ)(16)共用;若有更高速的乘法器可供利用，則可共用一個算法單元。
5、如權(quán)利要求
3所說的逆譜濾波器，其特征在于其中的算法單元是由兩個乘法器(28)、(31)兩個加法器(29)、(32)及一個延遲單元(33)構(gòu)成;自適應逆譜濾波器經(jīng)加權(quán)和處理后的輸出信號y(K)與相應的抽頭值X(K-rT);(r＝0，1，2，3，4)在乘法器(28)相乘，其輸出X(K-rT)y(K)送至加法器(29)與F(r)相加。
將相加結(jié)果X(K-rT)y(K)-F(r)在乘法器(31)與2μ相乘，構(gòu)成修正量2μ〔y(K)X(K-rT)-F(r)〕，該修正量與此時刻的權(quán)系數(shù)ar(K);(K＝0，1，2)在加法器(32)中相加，形成下一時刻(K+1)時的新的權(quán)系數(shù)，這個權(quán)系數(shù)ar(K+1);(r＝0，1，2)暫存在延遲單元(33)中，直到下一周期同一距離門信號出現(xiàn)在抽頭處時才起作用。
6、如權(quán)利要求
5所說的算法單元，其特征在于其中的乘法器(31)倍乘因子為2μ，常數(shù)因子μ的選擇大小可以控制每個距離門的數(shù)據(jù)權(quán)系數(shù)收斂過程的快慢。
7、一種PD雷達終端信號處理裝置，它包括相干本振器(5)、移相器(6)、乘法器(7)(1)、低通濾波器(2)、(8)模數(shù)變換(A/D變換)器(3)、(9)，其特征在于它還具有一個雙通道的自適應最佳濾波器(40);由相干本振器(5)和移相器(6)提供兩路同頻相差90°的信號在乘法器(1)、(7)中與雷達中頻信號相乘，然后經(jīng)低通濾波器(2)、(8)分別濾出基帶信號，變成雙通道(I、Q通道)的雙極視頻(中頻)信號(零中頻)，再分別經(jīng)模數(shù)變換器(3)(9)將雙極視頻信號抽樣并變換成數(shù)字碼后饋入自適應最佳濾波器(40)。
8、如權(quán)利要求
7所說的PD雷達終端信號處理裝置，其特征在于其中的自適應最佳濾波器由兩個自適應逆譜濾波器(ATSF)(4)(10)及FFT處理機(11)組成，由模數(shù)變換器(3)(9)輸出的雙極視頻信號分別饋入兩個自適應逆譜濾波器(4)(10)后輸出兩路信號yI(K)及yQ(K)一并饋入作為匹配濾波器的FFT處理機(11)，由FFT處理機輸出端取出該裝置的總輸出以供判決。
專利摘要
本發(fā)明所提出的自適應最佳濾波器是一種信號處理裝置，主要用于雷達、聲納系統(tǒng)中，在有色雜波背景下已知信號的檢測。它是采用自適應逆譜濾波器與匹配濾波器級聯(lián)方式來構(gòu)成的。它特別適用于背景雜波的統(tǒng)計特性或者未知、或者時變這樣一些應用場合。這種濾波器的自適應特性是由一種特定的算法單元根據(jù)雷達回波信號本身特性來不斷更新逆譜濾波器的系數(shù)來達到的。在高斯有色噪聲背景下，自適應最佳濾波器可以逼近于對已知信號的最佳處理。
文檔編號H03H21/00GK85103887SQ85103887
公開日1986年10月29日 申請日期1985年5月3日
發(fā)明者王永德 申請人:四川大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan