介绍自适应时空处理

这个例子简要介绍自适应时空处理(堵塞)技术,并说明了如何使用相控阵系统工具箱™阻止算法应用于接收到的脉冲。堵塞技术用于机载雷达系统来抑制杂波和干扰机干扰。

介绍

在地面移动目标指示器(GMTI)效果系统,一个机载雷达收集返回的回声从地面移动目标。然而,接收到的信号不仅包含从目标反射的回波,也照亮地面的回报。返回从地面通常被称为杂乱。

杂乱返回来自所有地区被雷达波束,占据了所有垃圾箱范围和方向。杂乱的总回报往往强于返回的回声信号,构成巨大的挑战目标探测。因此,杂物过滤是GMTI系统效果的一个重要部分。

在传统的MTI系统,杂物过滤通常利用地面不移动的事实。因此,杂物占据了零多普勒频谱多普勒本。这一原则会导致许多Doppler-based杂物过滤技术,如脉冲消除器。有兴趣的读者可以参考地面杂波缓解与移动目标指示雷达(MTI)(雷达工具箱)脉冲补偿设备的详细例子。雷达平台本身也在移动时,例如在一个平面,地面回波的多普勒组件不再是零。此外,杂波的多普勒组件返回角的依赖。在这种情况下,混乱回报可能是能量多普勒频谱。因此,不能过滤杂波只对多普勒频率。

干扰是另一个重要的干扰来源,通常是在接收到的信号。最简单的形式的干扰是一连串干扰机,这是强,连续白噪声指向雷达接收机,接收机无法轻易探测到目标的回报。干扰机通常是在一个特定的位置,因此干扰信号与一个特定的方向。然而,由于白噪声的干扰机,接收到的干扰信号占据了整个多普勒乐队。

堵塞过滤信号的技术角度和多普勒域(因此,名称时空自适应处理)抑制杂波和干扰机的回报。在下面几节中,您将从目标模拟的回报,混乱,干扰机和说明堵塞技术过滤接收信号的干扰。

系统设置

首先定义一个雷达系统,从系统的例子模拟测试信号对雷达接收机。

负载BasicMonostaticRadarExampleData.mat;%加载单稳态脉冲雷达

天线的定义

假定天线元素有一个各向同性的响应在前面半球,所有零后面的半球。操作频率范围设置为8到12 GHz匹配10 GHz系统的工作频率。

天线= phased.IsotropicAntennaElement…(“FrequencyRange”(8 e9 12 e9),“BackBaffled”,真正的);%困惑各向同性

定义一个6-element均匀线性阵列与自定义元素(ULA)”模式。假设元素间距是一个波长的一半波形。

fc = radiator.OperatingFrequency;c = radiator.PropagationSpeed;λ= c / fc;齿龈= phased.ULA (“元素”、天线、“NumElements”6…“ElementSpacing”λ/ 2);模式(fc,齿龈“PropagationSpeed”c“类型”,“powerdb”)标题(“Six-Element困惑齿龈响应模式”)视图(60、50)

雷达的设置

接下来,安装散热器上的天线阵和收藏家。然后,定义雷达运动。雷达系统是安装在一架飞机,飞离地面1000米。飞机飞行的阵列轴齿龈速度,这样它旅行一半元素数组的间距在脉冲间隔。(一个解释这样的设置是神龙公司提供的技术部分。)

散热器。传感器=齿龈;收集器。传感器=齿龈;sensormotion = phased.Platform (“InitialPosition”,(0;0;1000));arrayAxis = [0;1;0);脉冲重复频率= waveform.PRF;vr = ula.ElementSpacing *脉冲重复频率;%(米/秒)sensormotion。速度= vr / 2 * arrayAxis;

目标

接下来,定义一个nonfluctuating目标的雷达截面1平方米的地面上移动。

目标= phased.RadarTarget (“模型”,“Nonfluctuating”,“MeanRCS”,1…“OperatingFrequency”、fc);tgtmotion = phased.Platform (“InitialPosition”,1000;1000;0),…“速度”,(30;30;0]);

干扰机

目标返回所需的信号;然而,一些干扰也存在于接收到的信号。如果你有一个雷达工具箱许可证,设置变量hasRadarToolbox真正的定义一个简单的阻塞干扰机的有效辐射功率100瓦。否则,模拟使用保存的干扰信号。

hasRadarToolbox = false;Fs = waveform.SampleRate;rngbin = c / 2 * (0:1 / Fs: 1 / prf-1 / Fs)。”;如果hasRadarToolbox干扰机= barrageJammer (“ERP”,100);干扰机。SamplesPerFrame =元素个数(rngbin);jammermotion = phased.Platform (“InitialPosition”,1000;1732;1000));结束

杂乱

这个例子使用constant-gamma模型模拟杂波γ的值 $- - - - - - 15$ dB。文献表明,这样一个伽马值可用于模型地形被森林覆盖。对于每个范围,杂乱的还可以被认为是一个组合的回报来自许多杂乱的小块范围环。由于天线是困惑,杂乱的贡献只是从前面。为了简化计算,使用每个补丁的方位宽度10度。再一次,如果你没有一个雷达工具箱许可证,模拟使用保存的杂波信号。

如果hasRadarToolbox征求= 5000;Azcov = 120;混乱= constantGammaClutter (“传感器”、齿龈“SampleRate”Fs,…“伽马”,-15,“PlatformHeight”,1000,…“OperatingFrequency”足球俱乐部,…“PropagationSpeed”c…脉冲重复频率的脉冲重复频率,…“TransmitERP”,transmitter.PeakPower * db2pow (transmitter.Gain),…“PlatformSpeed”、规范(sensormotion.Velocity),…“PlatformDirection”(90,0),…“ClutterMaxRange”做,…“ClutterAzimuthSpan”Azcov,…“PatchAzimuthSpan”10…“OutputFormat”,“脉冲”);结束

传播路径

最后,创建一个免费的空间环境来代表目标和干扰机的路径。因为示例使用一个单站雷达系统,目标通道设置为模拟双向传播延迟。干扰机路径计算只有单向的传播延迟。

tgtchannel = phased.FreeSpace (“TwoWayPropagation”,真的,“SampleRate”Fs,…“OperatingFrequency”、fc);jammerchannel = phased.FreeSpace (“TwoWayPropagation”假的,…“SampleRate”Fs,“OperatingFrequency”、fc);

模拟循环

你现在可以模拟的回报。收集10个脉冲。随机数生成器的种子从干扰机模型被设置为一个常数可重复的结果。

numpulse = 10;%的脉冲数tsig = 0(大小(rngbin, 1),齿龈。NumElements numpulse);jsig = tsig;tjcsig = tsig;tcsig = tsig;学会= tsig;如果hasRadarToolbox干扰机。SeedSource =“属性”;干扰机。种子= 5;杂乱。SeedSource =“属性”;杂乱。种子= 5;其他的负载STAPIntroExampleData;结束为m = 1: numpulse%更新传感器,目标和计算目标角度所看到的传感器[sensorpos, sensorvel] = sensormotion(1 /脉冲重复频率);[tgtpos, tgtvel] = tgtmotion(1 /脉冲重复频率);[~,tgtang] = rangeangle (tgtpos sensorpos);%更新干扰机干扰机和计算角度所看到的传感器如果hasRadarToolbox [jampos jamvel] = jammermotion(1 /脉冲重复频率);[~,jamang] = rangeangle (jampos sensorpos);结束%模拟脉冲的传播方向目标脉冲=波形();[脉搏,txstatus] =发射机(脉冲);脉冲=散热器(脉搏、tgtang);脉冲= tgtchannel(脉搏、sensorpos、tgtpos、sensorvel tgtvel);%收集目标返回传感器脉冲=目标(脉冲);tsig (:,:, m) =收集器(脉搏、tgtang);%收集干扰和杂波信号的传感器如果hasRadarToolbox jamsig =干扰机();jamsig = jammerchannel (jamsig jampos、sensorpos jamvel, sensorvel);jsig (:,:, m) =收集器(jamsig jamang);学会(:,:,m) =杂乱();结束%接收采集信号tjcsig(:,:,米)=接收机(tsig (:,:, m) + jsig (:,:, m) +学会(:,:,米),…~ (txstatus > 0));%的目标+干扰机+杂乱tcsig(:,:,米)=接收机(tsig (:,:, m) +学会(:,:,米),…~ (txstatus > 0));%的目标+杂乱tsig(:,:,米)=接收机(tsig(:,:,米),…~ (txstatus > 0));%的目标回波只结束

真正的目标区间,角度和多普勒

目标方位角是45度,仰角大约是-35.27度。

tgtLocation = global2localcoord (tgtpos,“rs”,sensorpos);tgtAzAngle = tgtLocation (1)

tgtAzAngle = 44.9981

tgtElAngle = tgtLocation (2)

tgtElAngle = -35.2651

目标范围是1732米。

tgtRng = tgtLocation (3)

tgtRng = 1.7320 e + 03

目标多普勒归一化频率约为0.21。

sp = radialspeed (tgtpos tgtmotion.Velocity,…sensorpos sensormotion.Velocity);tgtDp = 2 * speed2dop (sp,λ);%往返多普勒tgtDp /脉冲重复频率

ans = 0.2116

总接收信号包含返回从目标、杂波和干扰机的总和。信号与三维数据立方体(范围bins-by-number elements-by-number脉冲)。注意,杂乱返回占据了总回报和面具目标返回。目标(蓝色垂直线)不能检测到没有进一步处理。

ReceivePulse = tjcsig;情节([tgtRng tgtRng], [0 0.01], rngbin, abs (ReceivePulse (:,: 1)));包含(的范围(m)),ylabel (“级”);标题(“信号收集的齿龈内第一个脉冲间隔的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题信号收集的齿龈内第一个脉冲间隔,包含范围(m), ylabel级包含7线类型的对象。

现在,在二维角度多普勒检查回报(或空间)域。一般来说,扫描所有生成的响应范围为给定的仰角和方位角度。因为你知道目标在哪里,你可以计算它的范围和仰角对天线阵列。

tgtCellIdx = val2ind (tgtRng c / (2 * Fs));快照= shiftdim (ReceivePulse (tgtCellIdx,:,:));%去除单暗angdopresp = phased.AngleDopplerResponse (“SensorArray”、齿龈…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“PropagationSpeed”c…脉冲重复频率的脉冲重复频率,“ElevationAngle”,tgtElAngle);plotResponse (angdopresp快照,“NormalizeDoppler”,真正的);文本(tgtAzAngle tgtDp /脉冲重复频率,' +目标”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题Angle-Doppler响应模式,包含角(度),ylabel规范化多普勒频率包含2对象类型的图像,文本。

如果你看看angle-Doppler响应,由杂乱返回,你看到杂乱返回不仅占据了零多普勒,还有其他多普勒垃圾箱。杂波的多普勒返回也是一个角的函数。混乱还在整个看起来就像一个对角线的角度多普勒空间。这种通常被称为杂波脊。接收到的干扰信号是白噪声,蔓延在整个多普勒频谱在特定角度,60度左右。

杂波抑制神龙公司消除器

流离失所的天线相位中心(神龙公司)算法通常被认为是第一个阻止算法。该算法使用光圈转向补偿平台运动,这样混乱从脉冲脉冲返回并没有改变。因此,该算法可以消除杂波通过一个简单的减法连续的两个脉冲。

神龙公司消除器通常用于这种但是需要特殊的平台运动条件。平台必须沿着天线和阵列轴的速度,在一次脉冲间隔,平台传播完全元素间距的一半。这里使用的系统设置,如前面描述的部分,以满足这些条件。

假设N是齿龈元素的数量。杂乱返回通过天线接收天线1 N - 1在第一次脉冲一样杂乱返回通过天线接收天线2 N在第二次脉冲。减去两个子串脉冲收到这些两个脉冲的间隔期间,可以抵消杂乱。这种方法的成本是一个孔径小于原始数组的一个元素。

现在,定义一个神龙公司消除器。算法可能需要搜索所有组合的角度和多普勒定位目标,但是在这个例子中,因为你确切知道目标在哪里,你可以直接点的处理器。

rxmainlobedir = [0;0);stapdpca = phased.DPCACanceller (“SensorArray”、齿龈脉冲重复频率的脉冲重复频率,…“PropagationSpeed”c“OperatingFrequency”足球俱乐部,…“方向”rxmainlobedir,“多普勒”tgtDp,…“WeightsOutputPort”,真正的)

stapdpca =分阶段。DPCACanceller属性:SensorArray: [1 x1分阶段。齿龈]PropagationSpeed: 299792458 OperatingFrequency: 1.0000 e + 10 PRFSource:“财产”脉冲重复频率:2.9979 e + 04 DirectionSource:“财产”方向:[2 x1双]NumPhaseShifterBits: 0 DopplerSource:“财产”多普勒:6.3429 e + 03 WeightsOutputPort:真PreDopplerOutput:假

首先,将神龙公司消除器应用于目标回报和杂乱的回报。

ReceivePulse = tcsig;[y, w] = stapdpca (ReceivePulse tgtCellIdx);

处理过的数据结合了所有信息在空间和脉冲成为一个单脉冲。接下来,检查信号在时域处理。

情节([tgtRng tgtRng], [0 1.2 e-5], rngbin, abs (y));包含(的范围(m)),ylabel (“级”);标题(“神龙公司消除器输出(无干扰机)”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题神龙公司消除器输出(无干扰机),包含范围(m), ylabel级包含2线类型的对象。

现在的信号是清晰可辨的噪音和混乱已经过滤掉。angle-Doppler响应的神龙公司处理器重量下面,您还可以看到,权重产生沿着杂乱脊深空。

angdopresp。ElevationAngle = 0;plotResponse (angdopresp w,“NormalizeDoppler”,真正的);标题(“神龙公司权重角度多普勒反应在0度海拔的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题神龙公司重量多普勒反应在0度仰角,包含角(度),ylabel规范化多普勒频率包含一个类型的对象的形象。

尽管神龙公司获得的结果都很好,雷达平台必须满足非常严格的要求在其运动使用这种技术。此外,神龙公司技术不能抑制干扰机的干扰。

应用神龙公司处理总信号产生结果如下图所示。你可以看到,神龙公司不能过滤信号的干扰。由此产生的角多普勒模式前的重量是一样的。因此,处理器无法适应新添加的干扰机的干扰。

ReceivePulse = tjcsig;[y, w] = stapdpca (ReceivePulse tgtCellIdx);情节([tgtRng tgtRng],[0 8]的军医,rngbin, abs (y));包含(的范围(m)),ylabel (“级”);标题(“神龙公司消除器输出(干扰)”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题神龙公司消除器输出(干扰),包含范围(m), ylabel级包含2线类型的对象。

plotResponse (angdopresp w,“NormalizeDoppler”,真正的);标题(“神龙公司权重角度多普勒反应在0度海拔的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题神龙公司重量多普勒反应在0度仰角,包含角(度),ylabel规范化多普勒频率包含一个类型的对象的形象。

用一个重度Beamformer混乱和干扰抑制

同时抑制杂波和干扰机,你需要一个更复杂的算法。最优接收机的重量,当干扰系统,由[1]

$w = k R^{- - - - - - 1} 年代$

在哪里k是一个标量的因素,R时空干扰信号的协方差矩阵,然后呢年代是所需的时空控制向量。的确切信息R通常是不可用,所以这个例子使用样本矩阵求逆(SMI)算法。该算法估计R从training-cell样本,然后使用它在上述方程。

现在,定义一个重度beamformer并应用到信号。除了在神龙公司所需的信息,重度beamformer需要知道保卫细胞的数量和培养细胞的数量。该算法使用训练样本的细胞估计干扰。因此不要使用细胞接近估计的靶细胞,因为它们可以包含一些目标信息,也就是说,您需要定义保卫细胞。保卫细胞的数量必须是偶数平等划分在前面和后面的靶细胞。培养细胞的数量也必须是偶数和分裂同样在前面和后面的目标。通常情况下,培训细胞的数量越大,干扰估计就越好。

tgtAngle = [tgtAzAngle;tgtElAngle];stapsmi = phased.STAPSMIBeamformer (“SensorArray”、齿龈脉冲重复频率的脉冲重复频率,…“PropagationSpeed”c“OperatingFrequency”足球俱乐部,…“方向”tgtAngle,“多普勒”tgtDp,…“WeightsOutputPort”,真的,…“NumGuardCells”4“NumTrainingCells”,100)

stapsmi =分阶段。STAPSMIBeamformer属性:SensorArray: [1 x1分阶段。齿龈]PropagationSpeed: 299792458 OperatingFrequency: 1.0000 e + 10 PRFSource:“财产”脉冲重复频率:2.9979 e + 04 DirectionSource:“财产”方向:[2 x1双]NumPhaseShifterBits: 0 DopplerSource:“财产”多普勒:6.3429 e + 03 NumGuardCells: 4 NumTrainingCells: 100 WeightsOutputPort:真的

[y, w] = stapsmi (ReceivePulse tgtCellIdx);情节([tgtRng tgtRng], [0 2 e-6], rngbin, abs (y));包含(的范围(m)),ylabel (“级”);标题(“重度Beamformer输出(干扰)”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题重度Beamformer输出(干扰),包含范围(m), ylabel级包含2线类型的对象。

plotResponse (angdopresp w,“NormalizeDoppler”,真正的);标题(“重度权重角度多普勒反应在0度海拔的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题重度权重角度多普勒响应在0度海拔,包含角(度),ylabel规范化多普勒频率包含一个类型的对象的形象。

结果表明,重度beamformer可以区分信号和杂波和干扰机。重度重量的角度多普勒模式显示了沿着干扰机方向深空。

重度提供最大的自由度,因此,所有阻止算法之间的最大增益。通常用作比较不同堵塞一个基线算法。

降低计算成本与ADPCA消除器

尽管重度最佳堵塞算法,它也有先天不足之处,包括高计算成本,因为它使用每个细胞的完整的尺寸数据。更重要的是,重度需要一个固定的环境在许多脉冲。这种环境是不经常发现在真实的应用程序中。因此,许多维度堵塞减少算法已经提出。

一个适应性神龙公司(ADPCA)消除器过滤掉与神龙公司混乱以同样的方式,但它也有能力抑制干扰的估计使用两个连续的脉冲干扰协方差矩阵。因为只有两个脉冲,大大减少了计算。此外,由于该算法适应干扰,它还可以容忍一些运动障碍。

现在,定义一个ADPCA消除器,然后将其应用于接收到的信号。

stapadpca = phased.ADPCACanceller (“SensorArray”、齿龈脉冲重复频率的脉冲重复频率,…“PropagationSpeed”c“OperatingFrequency”足球俱乐部,…“方向”rxmainlobedir,“多普勒”tgtDp,…“WeightsOutputPort”,真的,…“NumGuardCells”4“NumTrainingCells”,100)

stapadpca =分阶段。ADPCACanceller属性:SensorArray: [1 x1分阶段。齿龈]PropagationSpeed: 299792458 OperatingFrequency: 1.0000 e + 10 PRFSource:“财产”脉冲重复频率:2.9979 e + 04 DirectionSource:“财产”方向:[2 x1双]NumPhaseShifterBits: 0 DopplerSource:“财产”多普勒:6.3429 e + 03 NumGuardCells: 4 NumTrainingCells: 100 WeightsOutputPort:真PreDopplerOutput:假

[y, w] = stapadpca (ReceivePulse tgtCellIdx);情节([tgtRng tgtRng], [0 2 e-6], rngbin, abs (y));包含(的范围(m)),ylabel (“级”);标题(“ADPCA消除器输出(与干扰机)”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题ADPCA消除器输出(干扰),包含范围(m), ylabel级包含2线类型的对象。

plotResponse (angdopresp w,“NormalizeDoppler”,真正的);标题(“ADPCA权重角度多普勒反应在0度海拔的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题ADPCA权重角度多普勒响应在0度海拔,包含角(度),ylabel规范化多普勒频率包含一个类型的对象的形象。

信号时域图显示,成功恢复。的多普勒角响应ADPCA重量产生的类似于一个重度权重。

总结

这个例子提出了简要介绍堵塞和演示了如何使用不同的阻止算法,即重度、神龙公司、ADPCA,抑制杂波和干扰机在接收到的脉冲干扰。

参考

[1]Guerci, j . R。时空自适应处理雷达。Artech房子雷达图书馆。波士顿:Artech房子,2003。