两种非均匀检测器STAP性能的研究

摘 要针对强度较强、空时耦合较大的非平稳近程杂波和较平稳的远区杂波，分析采用了GIP和APR两种NHD进行了性能对比，提出APR NHD更有利于非平稳近程杂波区的杂波抑制。数据分析也表明，和GIP NHD相比，APR NHD可以更有效的选取协方差估计样本，从而更利于近程杂波的抑制。

【关键词】空时自适应处理 非均匀检测器 自适应功率剩余 广义内积

1 引言

空时自适应处理（Space Time Adaptive Processing， STAP）是一种杂波抑制和反干扰的有效技术。但STAP技术性能的优劣很大程度上取决于待检测单元协方差矩阵估计的准确与否，协方差矩阵估计的越准确，越能精确的反映杂波和干扰特性，形成空时自适应权值，便可实现对杂波和干扰的有效抑制。理想情况下，假设雷达波束覆盖区域在地形、海拔、植被、地表建筑及其他覆盖是平稳的均匀的。这时，可以认为雷达回波是均匀的或平稳的，在统计学的意义上是独立同分布（IID）的，此时采用最大似然准则，便可从样本中较准确的训练出回波的协方差矩阵达到抑制杂波的功能。

然而，实际中受距离调制、方向图调制、孤立强杂波点以及各种干扰，机载雷达在实战中的杂波是非均匀的。如果将含有目标信息的非均匀样本用于协方差矩阵估计，将导致自适应方向图变形，抵消真实目标的能量，影响目标的检测。为了降低目标信息引起的非均匀性，须对回波数据样本进行非均匀检测，训练选取用来估计待检测单元协方差矩阵的均匀样本，提高STAP的杂波抑制和抗干扰性能00。Melvin与Adve等用NHD处理了MCARM数据，其输出信杂比在非均匀样本剔除后改善了7dB。

2 STAP算法简述

STAP的最优权系数要求对一定波束指向输出最大的信噪杂比，约束方程如下

S为归一化的导向矢量，R为空时协方差矩阵。

该问题的解为

其中

雷达阵面、载机航速和地面P点的几何关系如图1所示。

地物回波的多普勒有如下关系：

当α=0时，即天线阵面正侧视，距离-多普勒谱上的等方位回波线如图2所示。（仿真参数：PRF：2.2KHz，采样率2Msps）

从图中可以看出，在近程距离段（90-250距离门段），方位多普勒随距离的变化非常明显；而在较远区（250距离门以后），方位多普勒几乎不再随距离变化，同一频频率门在远区距离段有相同或相近的方位多普勒。即近区空（方位）时（多普勒）耦合性更强。

3 两种NHD原理

当训练样本中存在干扰信号时，会导致训练样本数据与待检测点不再满足IID条件，用非均匀样本估计出的协方差矩阵与待检测单元真实的协方差矩阵差异较大，杂波抑制性能变差，甚至失效。NHD检测器可以利用这种变化来判断该训练样本中是否存在干扰信号。常见的NHD检测器有广义内积（GIP）和自适应功率剩余（APR）。

GIP的检验统计量为

广义内积表示信号矢量X被白化后输出功率的量，GIP可以剔除在统计特性上明显偏离均值的非均匀样本。

APR的检验统计量为

APR对X进行白化后，再用导向矢量S进行空时二维滤波，输出的是滤波后的能量。用偏离的程序来进行非均匀检测。

在近程杂波区域，受高度线杂波和近程较强回波影响，杂波强度较强，会明显强于其他距离段。在选取STAP样本时，较依赖于数据强度的GIP准则会把这些点当成样本的“干扰点”剔除；而APR准则则时根据数据同导向矢量S的匹配程序进行筛选，能够在样本中保留该区域的数据。因此APR准则更能有效的抑制近程杂波；而在其他区域，由于杂波较平稳，两个准则的选取的样本是相似的。

4 处理性能分析

选用多通道机载雷达回波数据，分别采用上述两种NHD STAP算法处理。经常规DBF合成和波束，然后采用PD处理后的的距离-多普勒谱如图3所示。

已主杂波跟踪归零处理，将主杂波频率移，可以看出，约在图3中的A区域，主要表现为高度线杂波和近程杂波；在图3中的B区域，是较平稳的杂波区。

对该多通道数据，分别采用GIP和APR两种NHD，选取协方差估计样本，进行STAP处理，两种NHD处理分的结果如图4所示。

图5是两种样本选取准则处理后的杂波剩余统计，从图中可以看出，两种准则在平稳区域（B区域）的性能是相当的，而在近程非平稳区域，APR准则明显优于GIP准则，前者的杂波抑制比高后者4-10dB。

图6为两种NHD选取出的样本的分布图。

从位置分布上可以看出，APR准则选取的样本有效的覆盖了近程杂波区，特别是A2区域；而GIP准则则没有将该区域覆盖（A1区域）。而在平衡区域，两种准则的样本分布是一致的。这也正印证了APR准则在近程区域性能优于GIP准则，平稳区域二者相当的结果。

5 结论

广义内积（GIP）和自适应功率剩余（APR）作为两种常用的NHD，GIP强调统计上的离群点，APR则侧重于信号相关性，两都在较平稳区域表现的性能是相当的，但在空时耦合较强、幅度起伏较明显的近程杂波区，GIP会将强杂波点误删除，导致杂波抑制性能劣于APR准则。

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作者簡介

张学磊（1983-），男，工程师，研究方向为雷达信号处理算法研究和系统设计。

作者单位

南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039