[发明专利]一种基于子空间技术的海杂波抑制方法

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1.一种基于子空间技术的海杂波抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：构建雷达系统单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量，根据单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵中第一单极子或第二单极子的距离多普勒谱矩阵统计出高信噪比的谱点在相应单极子的距离多普勒谱矩阵中的位置向量；

步骤2：针对步骤1得到的高信噪比的谱点的位置向量，对每个单极子交叉环的距离多普勒谱矩阵进行校准，统计每个单极子交叉环a环天线的距离多普勒谱矩阵在位置向量的元素与单极子的距离多普勒谱矩阵在位置向量的元素幅度比与相位差，计算得到每个单极子交叉环中a环天线的幅度校准值与相位校准值，通过该幅度校准值与相位校准值对每个单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱矩阵进行校准，统计每个单极子交叉环b环天线的距离多普勒谱矩阵在位置向量的元素与单极子的距离多普勒谱矩阵在位置向量的元素幅度比与相位差，计算得到每个单极子交叉环中b环天线的幅度校准值与相位校准值，通过该幅度校准值与相位校准值对每个单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱矩阵进行校准；

步骤3：根据第一单极子交叉环与第二单极子的幅度比值计算单极子交叉环间的幅度校准值，根据第一单极子交叉环与第二单极子的相位差结合AIS系统计算单极子交叉环间的相位校准值，根据单极子交叉环间的幅度校准值以及相位校准值对第一单极子交叉环以及第二单极子的距离多普勒谱进行校准，根据单极子交叉环间的幅度校准值以及相位校准值对校准后第一单极子交叉环以及第二单极子的环天线的距离多普勒谱进行校准，并构建校准后单极子交叉环组阵的距离多普勒谱向量；

步骤4：从第一单极子的距离多普勒谱以及第二单极子的距离多普勒谱中任意取一个单极子的距离多普勒谱的行向量，进行数据平滑以及差谱划分处理，在大致海杂波正负一阶谱区域分别得到正一阶峰边界以及负一阶峰边界，通过正一阶峰边界以及负一阶峰边界构建正负一阶峰区域；

步骤5：通过校准后单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量分别构建第一单极子的距离多普勒谱矩阵以及第二单极子的距离多普勒谱矩阵，第一单极子的距离多普勒谱矩阵在正负一阶峰区域范围内根据相邻参考单元计算第一海杂波空域子空间，第二单极子的距离多普勒谱矩阵在正负一阶峰区域内根据相邻参考单元计算第二海杂波空域子空间，通过第一海杂波空域子空间构建第一正交投影矩阵,通过第二海杂波空域子空间构建第二正交投影矩阵,通过第一正交投影矩阵对第一单极子以及第二单极子的距离多普勒谱检矩阵进行校准，或通过第二正交投影矩阵对第一单极子以及第二单极子的距离多普勒谱检矩阵进行校准；

步骤5中所述校准后单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量为步骤3中所述校准后单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量：

calibS_total＝[calibS_mono1,calibS_mono2,calibS_ringa1,calibS_ringa2,calibS_ringb1,calibS_ringb2]

步骤5中所述第一单极子的距离多普勒谱检矩阵为：

x₁＝[calibS_mono1,calibS_ringa1,calibS_ringb1]

其中，第一单极子的距离多普勒谱检矩阵中元素为：

x₁(r,n₁)r∈[1,R],n₁∈[1,3*N]

步骤5中所述第二单极子的距离多普勒谱检矩阵为：

x₂＝[calibS_mono2,calibS_ringa2,calibS_ringb2]

其中，第二单极子的距离多普勒谱检矩阵中元素为：

x₂(r,n₂)r∈[1,R],n₂∈[1,3*N]

步骤5中所述正负一阶峰区域范围内为步骤4中所述正负一阶峰区域范围：

[B_r,1B_r,2]∪[B_r,3 B_r,4]r∈[1,R]

步骤5中所述根据相邻参考单元计算第一海杂波空域子空间为：

若x₁(r,n₁)r∈[1,R],n₁∈[1,3*N]在[B_r,1 B_r,2]∪[B_r,3 B_r,4]r∈[1,R]范围内，将x₁(r,n₁)周围取12个相邻参考单元为：

x₁(r-1,n₁-2),x₁(r-1,n₁-1),x₁(r-1,n₁),x₁(r-1,n₁+1),x₁(r-1,n₁+2),

x₁(r,n₁-2),x₁(r,n₁+2),

x₁(r+1,n₁-2),x₁(r+1,n₁-1),x₁(r+1,n₁),x₁(r+1,n₁+1),x₁(r+1,n₁+2),

所述12个相邻参考单元行的范围为row_x1∈[r-1,r+1]，列的范围为若则

若则

第一单极子的阵元数据为：

计算所述12个相邻参考单元的最大似然协方差矩阵：

对协方差矩阵进行特征分解得到特征值对角矩阵Λ₁(r,n₁)和特征向量矩阵Q₁(r,n₁)，找到Λ₁(r,n₁)最大特征值对应的Q₁(r,n₁)中的特征向量为步骤5中所述第一海杂波空域子空间；

步骤5中所述根据相邻参考单元计算第二海杂波空域子空间为：

若x₂(r,n₂)r∈[1,R],n₂∈[1,3*N]在[B_r,1 B_r,2]∪[B_r,3 B_r,4]r∈[1,R]范围内，将x₂(r,n₂)周围取12个相邻参考单元为：

x₂(r-1,n₂-2),x₂(r-1,n₂-1),x₂(r-1,n₂),x₂(r-1,n₂+1),x₂(r-1,n₂+2),

x₂(r,n₂-2),x₂(r,n₂+2),

x₂(r+1,n₂-2),x₂(r+1,n₂-1),x₂(r+1,n₂),x₂(r+1,n₂+1),x₂(r+1,n₂+2),

所述12个相邻参考单元行的范围为列的范围为若则

若则

第二单极子的阵元数据为：

计算所述12个相邻参考单元的最大似然协方差矩阵：

对协方差矩阵进行特征分解得到特征值对角矩阵Λ₂(r,n₂)和特征向量矩阵Q₂(r,n₂)，找到Λ₂(r,n₂)最大特征值对应的Q₂(r,n₂)中的特征向量为步骤5中所述第二海杂波空域子空间；

步骤5中所述通过第一海杂波空域子空间构建第一正交投影矩阵为：

其中，I为单位矩阵，表示的共轭转置；

步骤5中所述通过第二海杂波空域子空间构建第二正交投影矩阵为：

其中，I为单位矩阵，表示的共轭转置；

步骤5中所述通过第一正交投影矩阵对第一单极子以及第二单极子的距离多普勒谱检矩阵进行校准为：P₁(r,n₁)x₁(r,n₁),P₁(r,n₁)x₂(r,n₂)得到海杂波抑制的数据；

步骤5中所述通过第二正交投影矩阵对第一单极子以及第二单极子的距离多普勒谱检矩阵进行校准为：

P₂(r,n₂)x₁(r,n₁),P₂(r,n₂)x₂(r,n₂)得到海杂波抑制的数据；

步骤1中所述单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量为：

S_total＝[S_mono1,S_mono2,S_ringa1,S_ringa2,S_ringb1,S_ringb2]

其中，S_mono1表示第一单极子交叉环中单极子的距离多普勒谱矩阵，S_mono2表示第二单极子交叉环中单极子的距离多普勒谱矩阵，S_ringa1表示第一单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱矩阵，S_ringa2表示第二单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱矩阵，S_ringb1表示第一单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱矩阵，S_ringb2表示第二单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱矩阵；

步骤1中所述单极子交叉环组阵的距离多普勒谱向量中每个元素可以表示为：

其中，R表示距离元的数量，N表示多普勒频点的数量，S_r,n(l)表示S_total中第l个元素第r个距离元第n个多普勒频点的多普勒数据，r∈[1,R],n∈[1,N]；

步骤1中所述第一单极子的距离多普勒谱矩阵为S_total(1)；

步骤1中所述第二单极子的距离多普勒谱矩阵为S_total(2)；

步骤1中所述统计出高信噪比的谱点在距离多普勒谱矩阵S_total(l)中的位置向量Pos，该位置向量Pos可从S_total(1)或S_total(2)中统计得到，以S_total(1)为例，得到的位置向量Pos为：

统计S_total(1)满足条件20*log10(||S_r,n(1)||)-σ＞high的元素在第一单极子的距离多普勒谱矩阵中的位置，将这些满足条件的元素的位置(r,n)组成位置向量Pos，其中σ为噪声功率，high为人为设定的信噪比门限，单位为dB；

步骤2中所述根据每个单极子交叉环a环天线的幅度比值计算每个单极子交叉环a环天线的幅度校准值以第一个单极子交叉环为例，a环天线的幅度校准值为：

其中，Num为高信噪比谱点的向量位置Pos的元素数量；

步骤2中所述根据第一单极子交叉环环天线的相位差计算第一单极子交叉环环天线的相位校准值：

针对第一单极子交叉环高信噪比谱点的行向量位置序列Pos，根据第一单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱矩阵元素与第一单极子的距离多普勒谱相位差计算第一单极子交叉环a环天线的相位校准值：

P_1,a＝mode(angle(S_Pos(3))-angle(S_Pos(1)))

其中，mode(·)表示求取序列的众数，angle(·)表示求取相位

针对第一单极子交叉环高信噪比谱点的位置向量Pos，根据第一单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱矩阵的Pos的元素与第一单极子的距离多普勒谱矩阵的Pos的元素幅度比值计算第一单极子交叉环b环天线的幅度校准值：

针对第一单极子交叉环高信噪比谱点的行向量位置序列Pos，根据第一单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱的行向量与第一单极子的距离多普勒谱的行向量相位差计算第一单极子交叉环b环天线的相位校准值：

P_1,b＝mode(angle(S_Pos(5))-angle(S_Pos(1)))

步骤2中所述根据第二单极子交叉环环天线的幅度校准值与相位校准值的计算方法和第二单极子交叉环相同，幅度校准值与相位校准值为：

第二单极子交叉环a环天线幅度校准值为：

第二单极子交叉环a环天线相位校准值为：

P_2,a＝mode(angle(S_Pos(4))-angle(S_Pos(2)))

第二单极子交叉环b环天线幅度校准值为：

第二单极子交叉环b环天线相位校准值为：

P_2,b＝mode(angle(S_Pos(6))-angle(S_Pos(2)))

步骤2中所述通过第一单极子交叉环环天线的幅度校准值以及相位校准值对第一单极子交叉环环天线的距离多普勒谱校准为：

第一单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱校准为：

cS_ringa1＝S_ringa1/A_1,a/exp(i·P_1,a)

第一单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱校准为：

cS_ringb1＝S_ringb1/A_1,b/exp(i·P_1,b)

步骤2中所述通过第二单极子交叉环环天线的幅度校准值以及相位校准值对第二单极子交叉环环天线的距离多普勒谱校准为：

第二单极子交叉环中a环天线的距离多普勒谱校准为：

cS_ringa2＝S_ringa2/A_2,a/exp(i·P_2,a)

第二单极子交叉环中b环天线的距离多普勒谱校准为：

cS_ringb2＝S_ringb2/A_2,b/exp(i·P_2,b)；

步骤3中所述第一单极子交叉环与第二单极子的幅度比值计算单极子交叉环间的幅度校准值为：

步骤3中所述根据第一单极子交叉环与第二单极子的相位差结合AIS系统计算单极子交叉环间的相位校准值为

其中，Pos_km表示与AIS信息相符的船只回波在距离多普勒中的位置，从AIS信息中可得到船只速度v_p与经纬度，将船只经纬度与雷达经纬度转换为相对距离d_p,d_p/R_res可得到船只信号在距离多普勒谱中的行数r，R_res为雷达的距离分辨率，v_p/V_res可得到船只信号在距离多普勒谱中的列数n，V_res为雷达的多普勒速度分辨率，V_res与R_res由雷达系统参数给出,若(20*log10(S_r,n(1))-σ)＞threshold，threshold为检测门限值(dB)，则认为雷达与AIS接收到了相同的船只，可得到该船只的方位角信息θ_km，θ_km为根据的AIS信息得到的方位角；

步骤3中所述根据单极子交叉环间的幅度校准值以及相位校准值对第一单极子交叉环以及第二单极子的距离多普勒谱进行校准：

calibS_mono1＝S_mono1

calibS_mono2＝S_mono2/A_mono/exp(i·P_mono)

步骤3中所述根据单极子交叉环间的幅度校准值以及相位校准值对校准后第一单极子交叉环以及第二单极子的环天线的距离多普勒谱进行校准为：

calibS_ringa1＝cS_ringa1

calibS_ringb1＝cS_ringb1

calibS_ringa2＝cS_ringa2/A_mono/exp(i·P_mono)

calibS_ringb2＝cS_ringb2/A_mono/exp(i·P_mono)

步骤3中所述校准后单极子交叉环组阵的距离多普勒谱向量为：

calibS_total＝[calibS_mono1,calibS_mono2,calibS_ringa1,calibS_ringa2,calibS_ringb1,calibS_ringb2]；

步骤4中所述任意取一个单极子的距离多普勒谱的行向量为步骤1中所述单极子交叉环组阵的距离多普勒谱向量中行向量S_total(l)l∈[1,6]；

步骤4中所述行向量进行平滑处理为：

其中，S_r,n(l)表示S_total中第l个元素第r个距离元第n个多普勒频点的多普勒数据，r∈[1,R],n∈[1,N]

步骤4中所述行向量进行平滑处理后进行差谱划分为：

diff_r,n＝smooth_r,n-smooth_r,n-1

步骤4中所述大致海杂波负一阶谱区域[-f_B-0.5f_B,-f_B+0.5f_B]中，搜索diff_r,nn∈[1,N]的最小值为B_r,1，搜索diff_r,nn∈[1,N]的最大值为B_r,2，步骤4中所述负一阶峰边界为：

[B_r,1 B_r,2]r∈[1,R]

步骤4中所述大致海杂波正一阶谱区域[f_B-0.5f_B,f_B+0.5f_B]中，搜索diff_r,nn∈[1,N]的最小值为B_r,3，搜索diff_r,nn∈[1,N]的最大值为B_r,4，步骤4中所述正一阶峰边界为：

[B_r,3 B_r,4]r∈[1,R]

步骤4中所述通过正一阶峰边界以及负一阶峰边界构建的正负一阶峰区域为：

[B_r,1 B_r,2]∪[B_r,3 B_r,4]r∈[1,R]

其中，f_B为布拉格频率，R表示单极子交叉环组阵的距离多普勒谱矩阵向量中行向量的数量。