一種基于局部相關性的改進子空間海雜波抑制方法
【專利摘要】本發明公開一種基于局部相關性的改進子空間海雜波抑制方法。海雜波的抑制能夠提高目標信雜比，有助于提高高頻地波雷達(high?frequency?surface?wave?radar,HFSWR)對艦船目標的檢測性能。原始子空間法抑制海雜波時對所有距離單元構造的協方差矩陣是相同的，造成對雜波空間估計不準從而抑制效果不佳，距離多普勒譜上反映為不同距離海雜波抑制效果類似。本發明通過計算待檢測距離單元與相鄰距離單元之間的相關系數，自適應的確定組成協方差矩陣的參考單元，對構成的協方差矩陣進行奇異值分解(singular?value?decomposition,SVD)分解得到海雜波所在的子空間，并最終將其抑制。該方法具有同時抑制一階和高階海雜波的能力，提高了目標信雜比，對所有距離單元的抑制效果都較理想。
【專利說明】一種基于局部相關性的改進子空間海雜波抑制方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種高頻地波雷達海雜波抑制方法，特別涉及一種基于局部相關性的 改進子空間海雜波抑制方法。
【背景技術】：
[0002] 高頻地波雷達工作在3?30MHz頻段，是超視距雷達的一種，其利用垂直極化的電 磁波沿海表面繞射傳播損耗小的特點，可實現對海洋動力學參數、海上慢速目標及低空飛 機的監視與定位，近年來廣泛應用于軍事與民用領域。
[0003] 高頻地波雷達回波情況復雜，除了包括射頻干擾、瞬態干擾和電離層干擾等各類 干擾外，還包括很強的海雜波。海雜波能量主要集中在兩個由雷達工作頻率決定的一階海 雜波，即Bragg峰處，實際情況時，一階Bragg峰會有不同程度的展寬。對于艦船目標檢測 來說，由于艦船目標的多普勒頻率和強大的海雜波相近，海雜波才是限制檢測性能的主要 因素。因此相對于飛機目標，艦船目標檢測也更為困難。所以，在進行艦船目標檢測時，一 個重要的思想就是要先抑制海雜波，提高信雜比，以期對后面的檢測有所幫助。
[0004] 現有較常用的海雜波抑制方法主要有以下兩個思路：一類是時域對消類方法， 如循環對消方法和基于幅度相位估計（amplitude and phase estimation, APES)的對 消方法。這類方法通過估計強雜波對應諧波分量的頻率、幅度和相位3個參數，有選擇 性的對消掉強雜波分量，使目標信號從雜波中顯露出來，這類方法的性能取決于上述3 個參數的估計精度。（如文獻 l:R〇〇t B.HF radar ship detection through clutter cancellation[C]//Radar Conference, 1998. RADARC0N98. Proceedings of thel998IEEE. IEEE，1998:281-286.)(如文獻2 :郭欣，倪晉麟，劉國歲.短相干積累條件下天波超視距雷 達的艦船檢測[J].電子與信息學報，2004, 26(4) :613-618)。另一類是基于矩陣分解的海 雜波方法，如基于子空間的方法、基于奇異值分解（singular-value decomposition, SVD) 的方法和通過多普勒頻率估計雜波子空間（estimate subspace via Doppler, ESVID)的方 法，這類方法根據雜波在子空間的聚集特性來實現海雜波抑制。其中，基于子空間方法通過 參考單元數據來估計雜波子空間，（如文獻3 :邢孟道，保錚，強勇.天波超視距雷達瞬態干 擾抑制[J].電子學報，2002, 30(6) :823-826.) ;SVD方法通過待檢測單元來估計雜波子空 間，（如文獻4 :Poon M W Y, Khan R H，Le_Ngoc S. A singular value decomposition (SVD) based method for suppressing ocean clutter in high frequency radar[J]. Signal Processing, IEEE Transactions on, 1993, 41 (3) :1421-1425.) ;ESVID 方法根據雜波子 空間與信號矢量張成子空間的等價性，通過多普勒頻率估計來估計雜波子空間，（如文 獻 5 :Zhiguo Z,Chen J, Zheng B.A method to estimate subspace via Doppler for ocean clutter suppression in skywave radars[C]//Radar(Radar), 2011IEEE CIE International Conference on.IEEE,2011, 1:145-148.)〇
[0005] 除了上述較常用的兩大類方法外，一些新穎的方法也被提出。如中國專利公開 CN102928823B基于二次雷達應答信號相關特征的海雜波抑制方法中提出將受到海雜波影 響的探測目標計算其真實應答信號和受海雜波效應的反射信號之間的相對時間差，根據不 同相對時間差的碼位值演變方式，生成與真實目標相對應的目標航管代碼并保存；將真實 目標航管代碼與歷史探測點跡數據進行代碼相關，相關成功后對探測目標航管代碼進行糾 碼并實現海雜波的抑制。如中國專利公開CN103645467A海雜波抑制以及海雜波背景中目 標檢測的方法和系統中提出對海面搜索雷達實測的一維距離像的歷程圖進行二維傅里葉 變換后得到估計的海雜波一維距離像的歷程圖；將實測的一維距離像的歷程圖的圖像數據 減去估計的海雜波一維距離像的歷程圖的圖像數據，得到抑制海雜波的一維距離像的歷程 圖的圖像數據。如中國專利公開CN102779336A基于混沌的光電圖像海雜波抑制方法中提 出利用光電圖像海雜波所具有的混沌特性，采用RBF神經網絡方法預測與抑制海雜波。如 中國專利公開CN102169175B基于FRFT域非相參積累的海雜波抑制和動目標檢測方法中通 過對FRFT域延遲數據的迭代平滑，分別采用FRFT域均值積累方法和FRFT域單極點反饋積 累方法，完成非相參積累，將FRFT域信號與積累后的數據對消，抑制海雜波。
[0006] 時域對消類海雜波抑制方法的效果很難保證，當脈沖相干積累時間較短時則頻率 分辨力低，此時對Bragg峰的頻率和幅度進行估計時精度下降，無法得到較好的初相估計， 造成循環對消次數增加，而隨著對消的不斷進行，剩余雜波將會在多普勒中擴散開來，影響 目標的檢測。
[0007] 子空間的海雜波抑制方法中，對于一個進行完距離向脈沖壓縮和方位向波束形成 后的三維數據塊，取整個數據塊進行協方差估計，即認為整個數據塊的海雜波是高度相關 的，用的是同一個標準進行海雜波抑制，這顯然是不合理的。海雜波確實在一定的范圍內高 度相關，但這個范圍并沒有大到整個雷達探測的范圍。對于整體用一個標準來進行海雜波 抑制，有可能出現近處海雜波抑制不干凈或遠處海雜波抑制過多的情況。
[0008] 那么，對于不同距離不同方位的待抑制回波數據，應該設計不同的參考單元個數 來構造與其對應的協方差矩陣，從而進行海雜波的抑制。參考單元的個數，以及協方差矩陣 的構造直接影響到海雜波抑制效果。參考單元個數取的過大，海雜波空間相關性減弱，協方 差估計不準，在很大一片區域都用同一個標準進行抑制不符合海雜波在空間分布的特點； 參考單元個數取的過小，則樣本數太小也無法進行準確估計。
【發明內容】
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[0009] 本發明為了提高高頻地波雷達艦船目標檢測性能，提出了基于局部相關性的改進 子空間海雜波抑制方法，對于每個特定的方位和距離單元的待抑制數據，通過計算周圍單 元與待抑制單元的相關系數，自適應的調整塊的大小以期獲得更精確的協方差矩陣估計， 繼而進行后續的海雜波抑制。
[0010] 本發明采用如下技術方案：一種基于局部相關性的改進子空間海雜波抑制方法， 其包括如下步驟：
[0011] (a)、設輸入數據為距離向脈沖壓縮，方位向數字波束形成后的距離-慢時間-方 位三維數據塊；
[0012] (b)、每次抑制的對象為一固定方位固定距離門的一維慢時間數據，
[0013] 設當前待檢測的某確定方位和距離的距離單元的K個回波慢時間數據為矢 量s。= [Sc;(o)，s。⑴，...，Sc;(K-i)]T，第i個距離單元的K個回波慢時間數據為Si =
[Si(o)，Si(i)，...，Si(K-i)]T，其中 T為轉置；
[0014] (c)、遍歷出與當前待檢測距離單元相鄰的且方位與待檢測距離單元相同的距離 單元慢時間數據Sy并計算其與待檢測距離單元S。的相關系數
[0015]
【權利要求】
1. 一種基于局部相關性的改進子空間海雜波抑制方法，其特征在于：包括如下步驟 (a) 、設輸入數據為距離向脈沖壓縮，方位向數字波束形成后的距離-慢時間-方位三 維數據塊； (b) 、每次抑制的對象為一固定方位固定距離門的一維慢時間數據， 設當前待檢測的某確定方位和距離的距離單元的K個回波慢時間數據為矢量 S。= [Sc;(0)，Sc;(l)，...，Sc;(K-l)]T，第i個距離單元的K個回波慢時間數據為Si = [Si(o)，Si(i)，...，Si(K-i)] T，其中 T為轉置； (C)、遍歷出與當前待檢測距離單元相鄰的且方位與待檢測距離單元相同的距離單元 慢時間數據Si，并計算其與待檢測距離單元S。的相關系數
其中η代表共軛轉置，11112代表二范數，其中〇< | Pil < 1，1表示相關性最大，〇表 示相關性最小，設計門限a找到P彡a的P個對應S。的參考單元數據Si(i = 1，2，...P)， 和對應的相關系數P i (i = 1，2,. . . P); (d) 、按距離從近到遠將所選P個參考單元數據排列，得到X = [S,, S9,. . . S丄按照對應 的順序，構造 w = diag( P P 2,. . · P p),則S。的估計協方差矩陣戈 (e) 、將R進行SVD奇異值分解
R = V Σ VH Σ = diag ( λ丨，λ 2, · · · , λ κ)，得到K個奇異值（λ丨彡λ 2彡…彡λ κ)，V = [Vl，ν2,. . . νκ]，Vi為對應λ i的特征向量，且V為酉矩陣，所述SVD分解為矩陣的一種正交 分解，矩陣的主要分量與大奇異值相對應，定義歸一化奇異值為： Η 貝U，〇<瓦引，選擇一個小正數作為閾值〇，則石比0大的前r個特征值對應的特征向 量所張成的空間為信號子空間即海雜波所在空間V。= [Vl，v2, ... vj，其余特征向量所張成 的空間為噪聲子空間； ⑴、將待抑制的S。投影到信號子空間V。= [Vl，v2, . . . vj上，得到濾波后的輸出為
其中I為KXK維單位矩陣； (g)、重復（b)?（f)的步驟，檢測當前距離-慢時間-方位三維數據塊中的待檢測方 位上的所有距離單元數據，接著選擇其它方位，直至得出最后一個方位上的最后一個距離 單元的數據，則當前距離-慢時間-方位三維數據塊海雜波抑制完成。
【文檔編號】G01S7/36GK104155632SQ201410346178
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】趙慧俊, 周濤, 張弓, 徐坤, 胡文, 王鑫海, 萬明雪, 張璐, 季秀霞 申請人:南京航空航天大學
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