基于先驗信息的變凹口寬度mtd濾波器設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其步驟包括：1.查尋參數(shù)；2.獲得地雜波的協(xié)方差矩陣；3.獲得初始化干擾信號功率；4.設(shè)計數(shù)字綜合法的FIR濾波器；5.搜索地雜波功率譜方差；6.獲得最優(yōu)雜波改善因子的FIR濾波器；7.設(shè)計變凹口寬度的MTD濾波器。本發(fā)明利用雷達周圍場景的先驗信息，使濾波器輸出端雜波改善因子保持最優(yōu)的方法?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中的MTD濾波器零頻處凹口寬度都固定的問題。使得本發(fā)明設(shè)計的MTD濾波器對不同的通帶中心頻率濾波器有不同的期望凹口寬度，而且增強了對于低速運動目標檢測的優(yōu)點。
【專利說明】
基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及雜波抑制技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于先 驗信息的變凹口寬度動目標檢測MTD(Moving Target Detection)濾波器設(shè)計方法。本發(fā)明 可用于雷達對雜波的抑制，實現(xiàn)對目標的檢測。
【背景技術(shù)】
[0002] 雜波信號的有效抑制是雷達系統(tǒng)進行正常目標檢測的前提和基礎(chǔ)。在自適應(yīng)雜波 抑制方法中，動目標檢測MTD(Moving Target Detection)是一種常用的技術(shù)。動目標檢測 MTD濾波器是利用多個帶通濾波器組成的濾波器組對雷達回波進行濾波處理，再對濾波器 組輸出進行檢測來發(fā)現(xiàn)目標的。動目標檢測MTD濾波器組最簡單的實現(xiàn)方法是采用離散傅 里葉變換DFT濾波器組。在離散傅里葉變換DFT濾波器組之前加上動目標顯示MTI處理，這樣 可以先用動目標顯示MTI消掉地雜波，再用離散傅里葉變換DFT濾波器組進行濾波處理，離 散傅里葉變換DFT濾波器組可以用快速傅里葉變換FFT實現(xiàn)。因為快速傅里葉變換FFT可以 節(jié)省很大的運算量，所以這種方法至今仍在大量使用，尤其是動目標檢測MTD濾波器組階數(shù) 較大時。但是由于快速傅里葉變換FFT的階數(shù)一定要是2的整數(shù)冪，使得動目標顯示MTI加快 速傅里葉變換FFT實現(xiàn)法的應(yīng)用受到了一定的限制，并且離散傅里葉變換DFT濾波器組位于 動目標顯示MTI之后，濾波器組的各濾波器增益受到動目標顯示MTI濾波器頻率響應(yīng)的調(diào) 制，所以目前常用的動目標檢測MTD濾波器組實現(xiàn)方法是采用限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組。 對于有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組中的每個濾波器來說其幅度頻率響應(yīng)都要在零頻附近有 較深的零陷，用于抑制雜波其中主要是地雜波，這就是常規(guī)自適應(yīng)動目標檢測MTD濾波器。 但常規(guī)自適應(yīng)動目標檢測MTD濾波器通常具有較高的副瓣電平，這樣容易造成濾波器組中 不同濾波器的目標之間的互相影響，會帶來虛警。
[0003] 谷泓，趙永波等人在其發(fā)表的論文"一種基于數(shù)字綜合算法的MTD濾波器組設(shè)計方 法"中提出了一種數(shù)字綜合算法的動目標檢測MTD濾波器設(shè)計方法。該方法首先基于自適應(yīng) 陣列理論，然后在濾波器的副瓣區(qū)放置大量的干擾信號，改變干擾信號的功率強度，從而自 適應(yīng)的控制天線方向圖的副瓣電平。該方法所設(shè)計的動目標檢測MTD組濾波器，其頻率響應(yīng) 在零頻處在其零頻附近有較寬而深凹口，并且在其他副瓣區(qū)域可以為任意形狀。該方法存 在的不足之處是，其沒有利用地基雷達周圍場景雜波的先驗信息，其雜波的相關(guān)矩陣是通 過查不同場景的地雜波功率譜方差和地雜波功率表得到的，導(dǎo)致所有濾波器零陷的凹口寬 度都是固定的，在實際應(yīng)用中對于不同的雷達雜波環(huán)境，濾波器的凹口寬度不能同雜波信 號的譜寬相匹配，并且當(dāng)濾波器通帶中心頻率較低時濾波器零頻的凹口會使濾波器的主瓣 發(fā)生畸變，濾波器的主瓣將會偏離中心頻率，使主瓣增益下降，輸出的目標信號有損失，而 不能有效的檢測到目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于先驗信息的變凹口 寬度動目標檢測MTD濾波器設(shè)計方法，以解決了上述方法中的對于動目標檢測MTD濾波器中 的各個有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在其零頻附近的凹口寬度都是固定的問題。該方法在數(shù) 字綜合算法的動目標檢測MTD濾波器的基礎(chǔ)上，通過搜索最優(yōu)的雜波功率譜方差使得輸出 的雜波改善因子最大，從而得到最優(yōu)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明的基本思路是，首先查尋雷達工作場景的雜波功率譜方差和雜波功 率，計算出地雜波的協(xié)方差矩陣。然后設(shè)計數(shù)字綜合法的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器，在[0， 0。2]范圍內(nèi)搜索雜波功率譜方差，來改變數(shù)字綜合法的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢 量，計算出對應(yīng)的地雜波改善因子，從所有地雜波改善因子的值中搜索最大的地雜波改善 因子值，將最大地雜波改善因子值所對應(yīng)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量作為期望 的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量。重復(fù)執(zhí)行上述步驟，直至得到滿足設(shè)計者要求的所 有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器，最后將所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組成變凹口寬度的動 目標檢測MTD濾波器。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下步驟：
[0007] (1)查尋參數(shù)：
[0008] 通過查尋不同場景的地雜波功率譜方差和地雜波功率表，得到雷達工作場景地雜 波的功率譜方差和地雜波功率；
[0009] (2)獲得地雜波的協(xié)方差矩陣：
[0010] (2a)利用高斯功率譜密度公式，計算雷達工作場景地雜波功率譜密度：
[0011] (2b)利用維納辛欽公式，計算地雜波協(xié)方差矩陣的元素值；
[0012] (3)獲得初始化干擾信號功率：
[0013] (3a)將L個干擾信號添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)，覆蓋在有限長脈沖 響應(yīng)FIR濾波器頻率響應(yīng)的整個脈沖周期，每個干擾信號所對應(yīng)的頻率分別為心，f 2，…，fL， L的取值范圍為有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的階數(shù)的整數(shù)倍以上；
[0014] (3b)將有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)的L個干擾信號功率初始化為0;
[0015] (4)設(shè)計數(shù)字綜合法的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器：
[0016] (4a)將當(dāng)前搜索迭代次數(shù)k初始化為1;
[0017] (4b)按照下式，計算當(dāng)前搜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣：
[0019] 其中，Rb(k)表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣，k表示當(dāng) 前搜索迭代次數(shù)，R。表示地雜波的協(xié)方差矩陣，心 2表示雷達內(nèi)部接收單元的噪聲功率，I表 示單位矩陣，Σ表示求和操作，L表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)干擾信號的 個數(shù)，1表示第1個干擾，Si 2表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號功 率，fi表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率，a(fi)表 示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的導(dǎo)頻矢量，Η表示共輒轉(zhuǎn)置操 作；
[0020] (4c)利用自適應(yīng)權(quán)公式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時 的權(quán)矢量；
[0021] (4d)按照下式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時的頻率響 應(yīng)：
[0022] H(k,f)=ffH(k)a(f)
[0023] 其中，H(k，f)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的頻率響應(yīng)， k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，f表示多普勒頻率，WH(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖 響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量的共輒轉(zhuǎn)置，a(f)為多普勒頻率f處的導(dǎo)頻矢量；
[0024] (4e)按照下式，計算在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副 瓣區(qū)干擾期望的電平值：
[0025] d(k,fi)=h(k)/10D(fl)/2°
[0026] 其中，d(k，f〇表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣 區(qū)第1個干擾期望的電平值，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，h表示添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾 波器副瓣區(qū)第1個干擾的多普勒頻率，h(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR 濾波器的響應(yīng)，D (fi)表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器頻率響應(yīng)的副瓣電平在第1個干擾信 號處低于主瓣峰值的大??；
[0027] (4f)按照下式，計算下次搜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)L個干擾 信號的功率：
[0029] 其中，δ^α+Ι)表示下次搜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾 信號的功率，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，h表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1 個干擾信號的多普勒頻率，firft(k)，f right(k)分別表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖 響應(yīng)FIR濾波器主瓣寬度的左右邊界值，fzl(k)，f z2(k)分別表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有 限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器凹口寬度的左右邊界值，U表示或操作，F(xiàn) r表示脈沖重復(fù)周期，max 表示求最大值操作，δ^α)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時，添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 副瓣區(qū)第1個干擾信號的功率，K表示一常數(shù)標量，稱為迭代增益，H(k，f〇表示在當(dāng)前搜索 迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在頻率fi時的頻率響應(yīng)，d(k，fi)表示在當(dāng)前搜索迭 代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號期望的電平值，h表示添 加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率；
[0030] (4g)判斷W(k)-W(k-1) = 0是否成立，若是，則得到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣 區(qū)干擾信號功率后執(zhí)行步驟(5)，否則，將當(dāng)前搜索迭代次數(shù)k加1后執(zhí)行步驟(4b);其中，W (k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，W(k-l)表示上一次搜 索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)；
[0031] (5)搜索地雜波功率譜方差：
[0032] (5a)將當(dāng)前的地雜波功率譜方差〇2初始化為0;
[0033] (5b)利用自相關(guān)公式，計算當(dāng)前搜索的地雜波協(xié)方差矩陣元素值；
[0034] (5c)由當(dāng)前搜索的地雜波協(xié)方差矩陣和步驟(4)的干擾信號功率，計算出當(dāng)前搜 索的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣；
[0035] (5d)利用自適應(yīng)權(quán)公式，計算當(dāng)前搜索的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量；
[0036] (5e)將目標信號和地雜波輸入到由新權(quán)矢量構(gòu)成的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 中，獲得當(dāng)前搜索的輸出端的目標信號功率和地雜波功率；
[0037] (5f)利用雜波改善因子公式，計算當(dāng)前搜索的地雜波改善因子；
[0038] (5g)判斷|〇2_~2| <0.1是否成立，若是，則得到所有地雜波改善因子的值執(zhí)行步 驟(6)，否則，將地雜波的功率譜方差〇2加0.1后執(zhí)行步驟(5b);其中，| · |表示取絕對值操 作，σ2表示當(dāng)前搜索的地雜波的功率譜方差，σ。2表示地雜波功率譜方差；
[0039] (6)獲得最優(yōu)雜波改善因子的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器：
[0040] (6a)從所有地雜波改善因子的值中搜索最大的地雜波改善因子值，將最大地雜波 改善因子值所對應(yīng)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量作為期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR 濾波器的權(quán)矢量;其中，σ。2表示地雜波功率譜方差；
[0041] (6b)將期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，加入有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器中，獲得最優(yōu)雜波改善因子的一個有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器；
[0042] (7)設(shè)計變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器：
[0043] 重復(fù)執(zhí)行上述6個步驟，直至得到滿足設(shè)計者要求的所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器，將所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組成變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器。
[0044] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0045] 第一，本發(fā)明方法通過搜索地雜波功率譜方差，從所有地雜波改善因子的值中搜 索最大的地雜波改善因子值，將最大地雜波改善因子值所對應(yīng)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器的權(quán)矢量作為期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，克服了現(xiàn)有技術(shù)中沒有利用 雷達周圍場景的雜波先驗信息，其雜波的相關(guān)矩陣是通過查不同場景的地雜波功率譜方差 和地雜波功率表得到的，導(dǎo)致所有濾波器零陷的凹口寬度都是固定的，對于不同的雷達雜 波環(huán)境，濾波器的凹口寬度不能同雜波信號的譜寬相匹配的問題，使得本發(fā)明具有對于設(shè) 計的MTD濾波器中不同的通帶中心頻率有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器有不同的期望凹口寬度， 能夠在保證好的雜波抑制性能的同時，降低濾波器對信號的濾波損失的優(yōu)點。
[0046] 第二，由于本發(fā)明使有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器輸出端雜波改善因子保持最優(yōu)的 方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的當(dāng)濾波器通帶中心頻率較低時濾波器零頻的凹口寬度會使濾波 器的主瓣發(fā)生畸變，濾波器的主瓣將會偏離中心頻率，使得輸出的目標信號有損失，而不能 有效的檢測到目標的問題。使得本發(fā)明具有增強了對于低速運動目標檢測的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0048]圖2為使用本發(fā)明對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值的仿真效果圖；
[0049] 圖3為在與圖2不同的雜波背景下，使用本明對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值的 仿真效果圖。
【具體實施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的步驟做進一步詳細描述。
[0051]參照圖1，本發(fā)明的具體實施步驟如下。
[0052] 步驟1，查尋參數(shù)。
[0053]通過查尋不同場景的地雜波功率譜方差和地雜波功率表，得到雷達工作場景地雜 波的功率譜方差和地雜波功率。
[0054]本發(fā)明的實例采用對空情報雷達，收發(fā)共用等距線陣。查尋得到的雷達工作場景 的地雜波功率譜方差用σ。2表示，查尋得到的雷達工作場景的地雜波功率用δ。2表示。
[0055]步驟2,獲得地雜波的協(xié)方差矩陣。
[0056]按照下式高斯功率譜密度公式，計算雷達工作場景地雜波功率譜密度：
[0058] 其中，Sjf)表示雷達工作場景地雜波功率譜密度，c表示雷達工作場景地雜波，f 表示雷達工作場景地雜波功率譜密度的頻率，·/:表示取根號操作，31表示圓周率，exe表示 以e為底數(shù)的指數(shù)操作，σ。 2表示雷達工作場景地雜波功率譜方差。
[0059] 按照下式維納辛欽公式，計算地雜波協(xié)方差矩陣的元素值：
[0060] Rc (X, y) = IFT [ Sc (f) ] = 5〇2exp ( -2jt2〇c2 (y-χ) 2Tr2)
[0061] 其中，Κ(χ，5〇表示地雜波協(xié)方差矩陣第xRy列的元素值，c表示雷達工作場景地 雜波，X和y分別表示協(xié)方差矩陣的行和列，χ = 1，2···η，γ = 1，2···η，η表示有限長脈沖響應(yīng) FIR濾波器的階數(shù)，IFT表示逆傅里葉變換操作，Sdf)表示雷達工作場景地雜波功率譜密 度，f表示雷達工作場景地雜波功率譜密度的頻率，δ。 2表示雷達工作場景地雜波功率，exp表 示以e為底數(shù)的指數(shù)操作，π表示圓周率，〇。 2表示雷達工作場景地雜波功率譜方差，Tr表示脈 沖重復(fù)周期。
[0062]步驟3,獲得初始化干擾信號功率。
[0063] 將L個干擾信號添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)，覆蓋在有限長脈沖響應(yīng) FIR濾波器頻率響應(yīng)的整個脈沖周期，每個干擾信號所對應(yīng)的頻率分別為fi，f2，···，&，L的 取值范圍為有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的階數(shù)的整數(shù)倍以上。
[0064] 將有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)的L個干擾信號功率初始化為0。
[0065]步驟4，設(shè)計數(shù)字綜合法的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器。
[0066] 第一步，將當(dāng)前搜索迭代次數(shù)k初始化為1。
[0067] 第二步，按照下式，計算當(dāng)前搜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣：
[0069]其中，Rb(k)表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣，k表示當(dāng) 前搜索迭代次數(shù)，R。表示地雜波的協(xié)方差矩陣，心2表示雷達內(nèi)部接收單元的噪聲功率，I表 示單位矩陣，Σ表示求和操作，L表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)干擾信號的 個數(shù)，1表示第1個干擾，Si 2表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號功 率，fi表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率，a(fi)表 示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的導(dǎo)頻矢量，Η表示共輒轉(zhuǎn)置操 作。
[0070] 第三步，按照下式自適應(yīng)權(quán)公式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前搜索迭代 次數(shù)時的權(quán)矢量：
[0071] ff(k)=Rb_1(k)a(fi)
[0072] 其中，W(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，k表 示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，R^a)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣 的逆，aaO表示通帶中心頻率為h的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的導(dǎo)頻矢量。
[0073] 第四步，按照下式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時的頻率 響應(yīng)：
[0074] H(k,f)=ffH(k)a(f)
[0075] 其中，H(k，f)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的頻率響應(yīng)， k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，f表示多普勒頻率，WH(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖 響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量的共輒轉(zhuǎn)置，a( f)為多普勒頻率f處的導(dǎo)頻矢量。
[0076] 第五步，按照下式，計算在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 副瓣區(qū)干擾期望的電平值：
[0077] d(kJ^ = h[k)![Qnu：]：ii
[0078] 其中，d(k，f〇表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣 區(qū)第1個干擾期望的電平值，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，h表示添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾 波器副瓣區(qū)第1個干擾的多普勒頻率，h(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR 濾波器的響應(yīng)，D (fi)表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器頻率響應(yīng)的副瓣電平在第1個干擾信 號處低于主瓣峰值的大小。
[0079] 第六步，按照下式，計算下次搜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)L個干 擾信號的功率：
[0081] 其中，δ^α+Ι)表示下次搜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾 信號的功率，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)，h表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1 個干擾信號的多普勒頻率，firft(k)，f right(k)分別表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖 響應(yīng)FIR濾波器主瓣寬度的左右邊界值，fzl(k)，f z2(k)分別表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有 限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器凹口寬度的左右邊界值，U表示或操作，F(xiàn) r表示脈沖重復(fù)周期，max 表示求最大值操作，δ^α)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時，添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 副瓣區(qū)第1個干擾信號的功率，K表示一常數(shù)標量，稱為迭代增益，H(k，f〇表示在當(dāng)前搜索 迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在頻率fi時的頻率響應(yīng)，d(k，fi)表示在當(dāng)前搜索迭 代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號期望的電平值，h表示添 加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率。
[0082] 第七步，判斷W(k)-W(k-1)=0是否成立，若是，則得到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 副瓣區(qū)干擾信號功率后執(zhí)行步驟5,否則，將當(dāng)前搜索迭代次數(shù)k加1后執(zhí)行本步驟的第二 步;其中，W(k)表示在當(dāng)前搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，W(k-l)表 示上一次搜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，k表示當(dāng)前搜索迭代次數(shù)。 [0083]步驟5,搜索地雜波功率譜方差。
[0084] 第一步，將當(dāng)前的地雜波功率譜方差σ2初始化為0。
[0085] 第二步，按照下式自相關(guān)公式，計算當(dāng)前搜索的地雜波協(xié)方差矩陣元素值：
[0086] R(x，y) =5c2exp(-2JT2o2(y-x) 2Tr2)
[0087] 其中，R(x，y)表示當(dāng)前搜素的地雜波協(xié)方差矩陣第xRy列的元素值，c表示雷達工 作場景地雜波，X和y分別表示協(xié)方差對角矩陣的行和列，χ=1，2···η，γ = 1，2···η，η表示有限 長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的階數(shù)，δ2。表示地雜波功率，exp表示以 e為底數(shù)的指數(shù)操作，π表示圓 周率，〇2表示當(dāng)前搜索的地雜波功率譜方差，T r表示脈沖重復(fù)周期。
[0088] 第三步，由當(dāng)前搜索的地雜波協(xié)方差矩陣和步驟4的干擾信號功率，計算出當(dāng)前搜 索的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣。
[0089] 第四步，按照下式自適應(yīng)權(quán)公式，計算當(dāng)前搜索的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢 量。
[0090] ff=R-Wfi)
[0091] 其中，W表示當(dāng)前搜索的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，IT1表示當(dāng)前搜索的 干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣的逆，aaO表示通帶中心頻率為h的有限長脈沖響應(yīng)FIR 濾波器的導(dǎo)頻矢量。
[0092] 第五步，將目標信號和地雜波輸入到由新權(quán)矢量構(gòu)成的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器中，獲得當(dāng)前搜索的輸出端的目標信號功率和地雜波功率。
[0093] 其中目標信號采用的為仿真數(shù)據(jù)，地雜波采用的為雷達工作場景的地雜波數(shù)據(jù)。
[0094] 第六步，按照下式雜波改善因子公式，計算當(dāng)前搜索的地雜波改善因子：
[0096]其中，I表示當(dāng)前搜素的地雜波改善因子，So表示當(dāng)前搜素的有限長脈沖響應(yīng)FIR 濾波器輸出端的目標信號功率，Co表示當(dāng)前搜素的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器輸出端的地 雜波功率，Si表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器當(dāng)前搜素的輸入端的目標信號功率，(^表示當(dāng) 前搜素的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器輸入端的地雜波功率。
[0097]第七步，判斷|〇2-〇。2| <0.1是否成立，若是，則得到所有地雜波改善因子的值執(zhí)行 步驟6,否則，則將地雜波的功率譜方差σ2加0.1后執(zhí)行本步驟的第二步;其中，| · |表示取 絕對值操作，σ2表示當(dāng)前搜索的地雜波的功率譜方差，σ。2表示地雜波功率譜方差。
[0098]步驟6,獲得最優(yōu)雜波改善因子的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器。
[0099] 從所有地雜波改善因子的值中搜索最大的地雜波改善因子值，將最大地雜波改善 因子值所對應(yīng)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量作為期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器的權(quán)矢量。
[0100] 將期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，加入有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 中，獲得最優(yōu)雜波改善因子的一個有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器。
[0101] 步驟7，設(shè)計變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器。
[0102] 重復(fù)執(zhí)行上述6個步驟，直至得到滿足設(shè)計者要求的所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器，將所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組成變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器。
[0103] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的效果做進一步描述。
[0104] 1.仿真條件：
[0105] 本發(fā)明仿真實驗的軟件運行系統(tǒng)為64位windows操作系統(tǒng)，仿真軟件為MATLAB (R2007b)。
[0106] 仿真本發(fā)明的MTD濾波器對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值所采用的仿真參數(shù)為： 有限長脈沖響應(yīng)FTR濾波器的階數(shù)為32,脈沖重復(fù)周期PRT = 2370us，接收單元的噪聲功率 為1，濾波器的迭代增益K=l，目標信號為根據(jù)雷達參數(shù)模擬產(chǎn)生的多普勒頻率由35Hz變化 到220HZ的仿真數(shù)據(jù)，雜波數(shù)據(jù)采用某型號對空情報雷達采集的某段雜波信號作為雜波背 景，得到仿真圖2。
[0107] 在與圖2不同的雜波背景下，仿真本發(fā)明的MTD濾波器對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比 改善值所采用的仿真參數(shù)為:有限長脈沖響應(yīng)FTR濾波器的階數(shù)為32,脈沖重復(fù)周期PRT = 2370us，接收單元的噪聲功率為1，濾波器的迭代增益K= 1，目標信號為根據(jù)雷達參數(shù)模擬 產(chǎn)生的多普勒頻率由35Hz變化到220Hz的仿真數(shù)據(jù)，雜波數(shù)據(jù)采用與圖2相同的某型號對空 情報雷達采集的另一段雜波信號作為雜波背景，得到仿真圖3。
[0108] 2.仿真內(nèi)容及結(jié)果分析：
[0109] 圖2為本發(fā)明方法對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值的仿真效果圖。其中橫坐標表 示多普勒頻率，縱坐標表示本發(fā)明方法對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值，該條信雜比改善 值曲線是通過讓雜波信號和目標信號分別通過基于先驗信息的變凹口寬度的動目標檢測 MTD濾波器和傳統(tǒng)的數(shù)字綜合法MTD濾波器，比較兩個濾波器輸出端的信雜比改善值得到 的，由圖2可以得到信雜比改善平均值在2.8dB以上，所以本發(fā)明方法具有較傳統(tǒng)MTD濾波器 設(shè)計方法有更好的信雜比改善性能。
[0110] 圖3為在與圖2不同的雜波背景下，本發(fā)明方法對傳統(tǒng)MTD濾波器的信雜比改善值 的仿真效果圖。其中橫坐標表示多普勒頻率，縱坐標表示本發(fā)明方法對傳統(tǒng)MTD濾波器的信 雜比改善值，該條信雜比改善值曲線是通過讓雜波信號和目標信號分別通過基于先驗信息 的變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器和傳統(tǒng)的數(shù)字綜合法MTD濾波器，比較兩個濾波器輸 出端的信雜比改善值得到的，由圖2可以得到信雜比改善平均值在3.8dB以上，所以本發(fā)明 方法具有較傳統(tǒng)MTD濾波器設(shè)計方法有更好的信雜比改善性能。
【主權(quán)項】
1. 一種基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，包括如下步驟： (1) 查尋參數(shù)： 通過查尋不同場景的地雜波功率譜方差和地雜波功率表，得到雷達工作場景地雜波的 功率譜方差和地雜波功率； (2) 獲得地雜波的協(xié)方差矩陣： (2a)利用高斯功率譜密度公式，計算雷達工作場景地雜波功率譜密度； (2b)利用維納辛欽公式，計算地雜波協(xié)方差矩陣的元素值； (3) 獲得初始化干擾信號功率： (3a)將L個干擾信號添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)，覆蓋在有限長脈沖響應(yīng) FIR濾波器頻率響應(yīng)的整個脈沖周期，每個干擾信號所對應(yīng)的頻率分別為fi，f2，-'，fL，L的 取值范圍為有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的階數(shù)的整數(shù)倍，W上； (3b)將有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)的L個干擾信號功率初始化為0; (4) 設(shè)計數(shù)字綜合法的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器： (4a)將當(dāng)前捜索迭代次數(shù)k初始化為1; (4b)按照下式，計算當(dāng)前捜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣：其中，化化)表示當(dāng)前捜索迭代次數(shù)的干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣，k表示當(dāng)前捜索 迭代次數(shù)，R。表示地雜波的協(xié)方差矩陣，Sn2表示雷達內(nèi)部接收單元的噪聲功率，I表示單位 矩陣，Σ表示求和操作，L表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)干擾信號的個數(shù)，1 表示第1個干擾，Si2表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號功率，fi表 示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率，a(fi)表示添加 在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的導(dǎo)頻矢量，Η表示共輛轉(zhuǎn)置操作； (4c)利用自適應(yīng)權(quán)公式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時的權(quán) 矢量； (4d)按照下式，計算有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時的頻率響應(yīng)： Η 化，f)=wH 化)a(f) 其中，Η化，f)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的頻率響應(yīng)，k表 示當(dāng)前捜索迭代次數(shù)，f表示多普勒頻率，wH(k)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響 應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量的共輛轉(zhuǎn)置，a(f)為多普勒頻率f處的導(dǎo)頻矢量； (4e)按照下式，計算在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū) 干擾期望的電平值：其中，cKk，fi)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1 個干擾期望的電平值，k表示當(dāng)前捜索迭代次數(shù)，fi表示添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 副瓣區(qū)第1個干擾的多普勒頻率，h化)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器的響應(yīng)，D(fi)表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器頻率響應(yīng)的副瓣電平在第1個干擾信號處 低于主瓣峰值的大??； (4f)按照下式，計算下次捜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)L個干擾信號 的功率：其中，δι2化+1)表示下次捜索迭代時，有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號 的功率，k表示當(dāng)前捜索迭代次數(shù)，fi表示添加在有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干 擾信號的多普勒頻率，fleft化），fright化)分別表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng) FIR濾波器主瓣寬度的左右邊界值，fzl(k)，fz2化)分別表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長 脈沖響應(yīng)FIR濾波器凹口寬度的左右邊界值，U表示或操作，F(xiàn)r表示脈沖重復(fù)周期，max表示 求最大值操作，Si2化)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時，添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣 區(qū)第1個干擾信號的功率，K表示一常數(shù)標量，稱為迭代增益，Η化，fi)表示在當(dāng)前捜索迭代 次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器在頻率fi時的頻率響應(yīng)，cKk，fi)表示在當(dāng)前捜索迭代次 數(shù)時添加到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號期望的電平值，fi表示添加在 有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)第1個干擾信號的多普勒頻率； (4g)判斷W化)-W化-1)=0是否成立，若是，則得到有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器副瓣區(qū)干 擾信號功率后執(zhí)行步驟(5)，否則，將當(dāng)前捜索迭代次數(shù)k加1后執(zhí)行步驟(4b);其中，W化)表 示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，W化-1)表示上一次捜索迭 代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，k表示當(dāng)前捜索迭代次數(shù)； (5) 捜索地雜波功率譜方差： 巧a)將當(dāng)前的地雜波功率譜方差σ2初始化為0; 巧b)利用自相關(guān)公式，計算當(dāng)前捜索的地雜波協(xié)方差矩陣元素值； (5c)由當(dāng)前捜索的地雜波協(xié)方差矩陣和步驟(4)的干擾信號功率，計算出當(dāng)前捜索的 干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣； 巧d)利用自適應(yīng)權(quán)公式，計算當(dāng)前捜索的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器權(quán)矢量； (5e)將目標信號和地雜波輸入到由新權(quán)矢量構(gòu)成的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器中，獲 得當(dāng)前捜索的輸出端的目標信號功率和地雜波功率； 巧f)利用雜波改善因子公式，計算當(dāng)前捜索的地雜波改善因子； (5g)判斷I 1 <0.1是否成立，若是，則得到所有地雜波改善因子的值執(zhí)行步驟(6)， 否則，則將地雜波的功率譜方差σ2加0.1后執(zhí)行步驟(5b);其中，I · I表示取絕對值操作，曰2 表示當(dāng)前捜索的地雜波的功率譜方差，σ。2表示地雜波功率譜方差； (6) 獲得最優(yōu)雜波改善因子的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器： (6a)從所有地雜波改善因子的值中捜索最大的地雜波改善因子值，將最大地雜波改善 因子值所對應(yīng)的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量作為期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器的權(quán)矢量； (6b)將期望的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，加入有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 中，獲得最優(yōu)雜波改善因子的一個有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器； (7)設(shè)計變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器： 重復(fù)執(zhí)行上述6個步驟，直至得到滿足設(shè)計者要求的所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器， 將所有有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器組成變凹口寬度的動目標檢測MTD濾波器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(2a)所述的高斯功率譜密度公式如下：其中，ScXf)表示雷達工作場景地雜波功率譜密度，C表示雷達工作場景地雜波，f表示雷 達工作場景地雜波功率譜密度的頻率，λΓ表示取根號操作，η表示圓周率，exe表示W(wǎng)e為底 數(shù)的指數(shù)操作，σ。2表示雷達工作場景地雜波功率譜方差。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(2b)所述的維納辛欽公式如下：其中，Rt(x，y)表示地雜波協(xié)方差矩陣第X行y列的元素值，C表示雷達工作場景地雜波，X 和y分別表示協(xié)方差矩陣的行和列，χ=1，2'''n，y = l，2···η，η表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波 器的階數(shù)，IFT表示逆傅里葉變換操作，Sc(f)表示雷達工作場景地雜波功率譜密度，f表示 雷達工作場景地雜波功率譜密度的頻率，δ。2表示雷達工作場景地雜波功率，exp表示W(wǎng)e為 底數(shù)的指數(shù)操作，η表示圓周率，σ。2表示雷達工作場景地雜波功率譜方差，Tr表示脈沖重復(fù) 周期。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(4c)所述的自適應(yīng)權(quán)公式如下：其中，W化)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，k表示當(dāng) 前捜索迭代次數(shù)，Rb^i(k)表示在當(dāng)前捜索迭代次數(shù)時干擾、雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣的 逆，a(fi)表示通帶中屯、頻率為fi的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的導(dǎo)頻矢量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(5b)所述的自相關(guān)公式如下：其中，R(x，y)表示當(dāng)前捜素的地雜波協(xié)方差矩陣第X行y列的元素值，C表示雷達工作場 景地雜波，X和y分別表示協(xié)方差對角矩陣的行和列，又=1，2-'11，7=1，2-'11，11表示有限長脈 沖響應(yīng)FIR濾波器的階數(shù)，δ2。表示地雜波功率，exp表示W(wǎng)e為底數(shù)的指數(shù)操作，31表示圓周 率，表示當(dāng)前捜索的地雜波功率譜方差，Tr表示脈沖重復(fù)周期。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(5d)所述的自適應(yīng)權(quán)公式如下：其中，W表示當(dāng)前捜索的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器的權(quán)矢量，擴1表示當(dāng)前捜索的干擾、 雜波、加噪聲的協(xié)方差矩陣的逆，a(fi)表示通帶中屯、頻率為fi的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 的導(dǎo)頻矢量。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(5e)所述的目標信號采用的為仿真數(shù)據(jù)，地雜波采用的為雷達工作場景的地雜波 數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于先驗信息的變凹口寬度MTD濾波器設(shè)計方法，其特征在 于，步驟(5f)所述的雜波改善因子公式如下：其中，I表示當(dāng)前捜素的地雜波改善因子，So表示當(dāng)前捜素的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器 輸出端的目標信號功率，Co表示當(dāng)前捜素的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器輸出端的地雜波功 率，Si表示有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器當(dāng)前捜素的輸入端的目標信號功率，Cl表示當(dāng)前捜素 的有限長脈沖響應(yīng)FIR濾波器輸入端的地雜波功率。
【文檔編號】G01S7/36GK106093888SQ201610511506
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】趙永波, 孫林, 程增飛, 劉宏偉, 何學(xué)輝, 蘇洪濤
【申請人】西安電子科技大學(xué)