基于稀疏重构的机载雷达训练样本挑选方法-刘汉伟.pdf
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1、第38卷第7期 系统工程与电子技术 v0138 No72016年7月 Systems Engineering and Electronics July 2016文章编号:1001506x(2016)071532一06 网址:wwwsyselecom基于稀疏重构的机载雷达训练样本挑选方法刘汉伟1,张永顺1,王 强1,吴亿锋2(1空军工程大学防空反导学院,陕西西安710051;2西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安710071)摘 要:针对空时自适应处理中训练样本受目标信号污染时检测性能下降的问题,提出了一种基于稀疏重构技术的训练样本选取方法。该方法首先将接收数据由阵元一脉冲一距离
2、域转换到阵元一多普勒一距离域,然后采用改进的正则化F0cuSs算法进行空域稀疏重构,估计待检测多普勒通道对应的阵元一距离域数据得到高分辨角度一距离谱,利用杂波多普勒与角度的先验关系,剔除角度一距离谱上明显偏离角度期望的样本,实现对训练样本的有效选择。仿真表明,相比传统样本选择方法,该方法无须估计协方差矩阵,在小样本集情况下依然能够剔除被污染的样本,有较大优势。关键词:空时自适应处理;干扰目标;先验知识;稀疏重构;训练样本中图分类号:TN 957 文献标志码:A DOI:103969jissn100卜506X20160708Training sample selection for airbOr
3、ne radar algorithmbased on sparse reconstructionLIU Hanweil,ZHANG Yongshunl,WANG Qian91,WU Yifen92(jAir口行d MissizP De竹5P CozzPge,Air Forcg E行gi雄Per锄g U矗i可口rsiy,Xi口行7j005】,Ci以口;2N口io行nZ KPy Ln6 o厂R口dnr Sig竹nZ ProcPssi九g,Xid缸行U规i口Pr5iy,Xin九7j007j,Ci竹口)Abstract:Performance of the sampIe covariance matr
4、ix,which is estimated with training samples contaminated by target一1ike signals,decreases in space time adaptive processing(STAP)To mitigate the problem,anovel training sampIe selection algorithm based on sparse reconstruction is proposed This algorithm firstlytransforms the domain of the received d
5、ata from array elementpulse-distance to array elementDopplerdistance,then recover the treated data to obtain the high resoIution angledistance spectrum using spatial sparse reconstruction based on the refined FOCal underdetermined system solver(FOCUSS) Later,find and discard thesamples of the measur
6、ed angle,which significantly differs from the expected angle of the angledistance spectrum,with the prior knowledge of clutter DoppIer and angle of incidence,and finally make an efficient choice ofthe training sample The theory analysis and experimental results illustrate that compared with the trad
7、itionalmethod,with small sample set the proposed method screens out the contaminated training sample effectively andimproves the performance of STAP without estimating the sample covariance matrixKeywords:space time adaptive processing(STAP);jamming target;prior knowledge;sparse reconstruction;train
8、ing sample0 引空时自适应处理(space time adaptive processing,STAP)是机载雷达抑制地面杂波,检测地面慢速目标的有效手段”“。STAP需要由待处理单元的协方差矩阵来计算最优权值,而实际中,机载雷达观测场景多样,面临着水陆交界、城乡交界、山区或平原等空间变化的地理环境,另外,还受到照射遮挡、地形起伏、人造强散射目标(桥梁、铁塔)等因素的影响,造成机载雷达接收到的训练样本数据很难满足独立同分布的特性,影响了协方差矩阵估计精度,使得杂波抑制效果欠佳。解决非均匀问题的思想是设法获得足够多的与待检测收稿日期:2015一0527;修回日期:201511一03;网
9、络优先出版日期:2016一0223。网络优先出版地址:http:wwwcnkinetkcmsdetail112422TN201602230833010html基金项目:国家自然科学基金(61372033)资助课题言目万方数据第7期 刘汉伟等:基于稀疏重构的机载雷达训练样本挑选方法单元满足近似独立同分布的训练样本。针对由功率变化引起的非均匀问题,现在主要采用挑选训练样本的方法,如邻近对称窗法4、距离分段法5、采样矩阵求逆哺1(samplematrix inverse,SMI)非同态检测器(nonhomogeneity detector,NHD)、功率选择训练法o(power selected t
10、rainingmethod,PST)和基于外界知识选择样本方法83等。早期STAP主要关注空中高速飞行器,而地面低速目标并不在考虑范畴,通常采用地面交通过滤等手段将低速目标滤除,动目标个数较少。但随着人们对sTAP技术研究的不断深入及应用领域的进一步拓展,对STAP技术低速目标检测性能提出了更高要求,从而大大增加了机载雷达录取数据中动目标的数量。如果不能剔除被目标信号污染的训练样本,由此得到的自适应权值会使STAP处理后出现目标自相消凹“。为防止目标自相消现象的发生,有学者提出了基于先验信息的sTAP方法11。”,利用高程数据、地形分类、雷达构型参数等先验知识,挑选出与待测距离单元地表类型相似
11、的训练样本,然后进行空时自适应处理,间接剔除了被目标信号污染的训练样本,取得了很好的效果。文献13利用已知的机载雷达构型参数(如运动参数、系统参数)得到杂波分布的先验规律,对样本中相位明显偏离相位期望的样本进行剔除,有效解决了样本中包含目标信号带来的目标自相消问题,然而这种方法在干扰目标密集分布、目标和杂波多普勒相近时,相位变化不明显、分辨能力不足,均匀样本和被污染奇异样本难以区分。针对文献13的不足,本文利用稀疏重构技术小样本、超分辨u们的特性,提出了一种基于稀疏重构技术1”7的训练样本选择方法。该方法首先将接收数据由阵元一脉冲一距离域转换到阵元一多普勒一距离域,然后采用改进正则化FOCUS
12、S(FOCal undetermined system solver)算法进行空域稀疏重构,估计待检测多普勒通道对应的阵元一距离域数据得到高分辨角度一距离谱,利用杂波多普勒与角度的先验关系,剔除角度一距离谱上明显偏离角度期望的样本,实现了对训练样本的有效选择。仿真表明,相比传统样本选择方法,本文方法无须估计协方差矩阵,在小样本集情况下依然能够剔除被目标污染的样本,有较大优势。l信号模型与问题描述11信号模型假设一个机载雷达系统,阵列为等距线阵,正侧放置。如图1所示,天线由N个阵元组成,阵元间距为d,载机速度为。,与地面X轴正方向平行,杂波块的方位角、俯仰角和空间锥角分别为a、J9和缈。设一个相
13、干处理间隔(coherent processing interval,CPI)内,每个阵元接收脉冲数为K,则第z个距离单元雷达接收的回波数据可以表示为NfH。:却一npyp(s?O s?)+n 互 Hl:而一口pyp(s?os?)+五+n、 口=1式中,H。表示该距离单元不含动目标信号;H,表示包含动目标信号;z,表示动目标信号;行表示高斯白噪声;N,表示杂波块数;口,和y,分别表示第p个杂波块的等效增益和等效后向散射系数;o表示Kronecker积;s?一1,e”。片,eJ2”片“7和s?一1,ej2。r,eJ2。#州_11分别表示第户个杂波块的时间导向矢量和空间导向矢量。T表示转置,=2口
14、cos帅A,表示归一化多普勒频率,表示脉冲重复频率,只一dcos帅A表示归一化空间频率。图1正侧视示意图Fig1 Illustration of side100king airborne array1-2问题描述全空时自适应处理性能优越,但计算量巨大且所需训练样本为自由度两倍,实际中很难实现,通常考虑降维空时自适应处理方法。本文采用工程上常用的3一CAP蚓方法。首先利用KxK傅里叶变换矩阵F把第z个距离单元数据x。由阵元一脉冲域变换到阵元一多普勒域:;,=n, (2)第女(七一1,2,K)个多普勒通道的工,记为x一工?(:,志) (3)表示由第z个距离单元矩阵x,第志列全部行对应的数据组成N1
15、维的矢量。根据STAP基本原理1,该多普勒通道进行空时自适应处理的权矢量为,。叭:。一卢R盎S, (4)式中,肛为一常数;袁。表示待检测单元的杂波协方差矩阵。通常该协方差矩阵未知,需要由邻近距离门独立同分布的L训练样本估计获得,采用最大似然估计蛊妯一墨。x& “石i计算。当目标信号污染训练样本时,会造成杂波协方差矩阵的估值不准,由此得到的自适应权值会使得STAP处理后出现目标自相消、杂波抑制效果欠佳等问题。2 基于稀疏重构的卿训练样本挑选方法传统GIP(generalized inner product)NHD样本挑选方法是建立在近似准确估计协方差矩阵前提下进行的。考虑GIP”1统计量为G(z
16、)一础詹二2墨。其物理意义是数据被袁一胆白化后输出功率的度量。均匀样本时,GIP检验统计量的期望值约为处理器的维数NK1。GIP NHD认为当训练样本X。的真值协方差矩阵偏离袁。,则GIP检验统万方数据1534 系统工程与电子技术 第38卷计量偏离NK,x1。判定为奇异样本;如果相同或近似,则x“判定为均匀样本。这是因为袁矗n并不能将非均匀数据完全白化,其GIP检验统计量将明显大于均值NK。也就是说传统GIP NHD算法依据GIP检验统计量偏离期望值程度来判断训练样本是否均匀。然而,在小样本条件下,传统GIP NHD难以获得近似准确的协方差矩阵估计,性能恶化严重。第21节提出一种无需协方差矩阵
17、估计的样本挑选方法,大大改善了小样本条件下的数据样本挑选的有效性。21 基于稀疏重构的STAP雷达样本挑选方法在时域滤波后,每个多普勒通道的杂波输出按角度局域化了,也就是说,每个多普勒通道相应的杂波只对应于一个角度,动目标、杂波在角度域上是满足稀疏性条件的。因此,我们考虑利用稀疏重构技术的小样本、超分辨n41 7 3特性在角度域进行样本挑选,具体过程如下。首先将第z个距离单元第个多普勒通道对应的全维域空间角度量化为N,一胁N个分辨单元,这里肛表示分辨尺度。A取值太大时,计算量增加,取值太小时,则不能利用网格点对应空时导向矢量很好地近似整个角度子空间。考虑兼顾计算量和恢复分辨力,肛经验取值为10
18、,=6,7,81 42“。这样式(3)中的快拍信号就可以用矩阵形式表示为N,五t一艺巩(j)妒(只)+m一赃t+ (5)J=1式中,巩(j)、9(,J)分别表示第z个距离单元第女个多普勒通道内第j个独立散射源的信号幅度和空域导向矢量;n。为噪声。在高分辨条件下,有B1,由于矩阵掣中妒(只)个数N,(即掣的列数)远大于妒(只)维度N(即掣的行数),所以矩阵甲是由空域导向矢量构成的超完备基,具体可表示为甲=9(),妒(s)c“, (6)巩一巩(1),峨(M)c“s (7)待恢复向量仉具有稀疏性,即使存在观测噪声m,式(5)中的欠定问题仍可通过最小化z。范数优化求解n们舐一arg min ff巩ff
19、。st1I xf,一、I| (8)对式(8)求解算法主要有zl凸优化20、MP(matching pur-suit)“、FOCUSS”3等。凸优化方法计算量较大,占用内存较多,不适用于大规模计算,贪婪算法需要预知稀疏度,而且输入向量要求高样本数量与稀疏度比率,适用性较差,较其他算法,F()CUsS算法具有收敛速度快、计算量低、无需额外信息等特点,适合仿真条件,故本文采用F()CUss算法n“。文献25利用svD分解预处理共轭梯度法求解线性方程组对正则化FOCUsS算法进行改进,提高了算法收敛速度,第22节在充分研究线性方程组求解的预处理方法后,提出利用比sVD分解更快的Cholesky分解,进
20、一步提高收敛速度。在求解出第1个距离单元第个多普勒通道内独立散射源的信号幅度;。后,将待检测多普勒通道数据逐距离单元按照式(5)式(8)进行空域稀疏重构得到角度一距离谱。给定检测通道,杂波对应的锥角余弦为c。s_|f,:一尝 (9)而动目标对应的角度余弦为 c。s一熹c。,式中,z为检测通道的多普勒频率;可。是动目标相对于机载雷达的径向速度。由式(9)和式(10)可知,在给定检测通道中,动目标和杂波对应的角度余弦不同。当机载雷达系统参数先验已知的情况下,杂波在角度一距离谱上的分布可以由先验信息推算得到,利用杂波多普勒与角度的先验关系,剔除角度一距离谱上明显偏离角度期望的样本,实现了对训练样本的
21、有效选择。22改进的正则化FOCUss算法FOCUSS算法是采用逐步迭代使解的能量局部化的过程,由Gorodnitsky等提出。为使得稀疏解能量集中,首先通过线性变换仉一wj口。,将式(8)重写为如下的约束最优求解问题:min|吼|2st 墨女一明帆口I (11)式中,wjc“,为权值矩阵;吼c“,。迭代求解吼、wj即可得到第z个距离单元第志个多普勒通道内独立散射源的信号幅度盯。一wj口。,迭代过程为仉一W“(卿帆,)X。 (12)文献23提出在噪声环境中正则化F0cuss算法,迭代过程为仉,一帆,。州。(掣眠。州。y“+“)+x“ (13)式中,(-)+代表矩阵的M。o睁PenroSe伪逆;
22、眦。一d堍(I仉,。I一),O户1;A为正则化系数,与噪声水平有关,可根据正则化选择算法确定,当A=o时,式(13)退化为式(12)。式(13)中,令A。一(!唧。州。掣“十U),则求(,眠。州。甲“+U)_1墨。等效为求线性方程组A。K。=X。的解,其中,矩阵A。和x。均已知。文献24利用sVD分解预处理共轭梯度法求解线性方程组对正则化FOCUSS算法进行改进,提高了算法的收敛速度,我们此基础上,采用比SVD分解更快的Ch01esky分解,进一步提高收敛速度。实现过程如下。首先,对系数矩阵A,。进行Ch01esky分解。由氐。=(,毗。州掣“+U)知,系数矩阵A。是正定厄米特矩阵,则系数矩阵
23、屯。能够进行Cholesky分解,分解为一个具有正的对角线元素的下三角矩阵G。和其经过共轭转置后的上三角矩阵乘积G只。,即A一G,G (14)其次,对线性方程组进行预处理。采用G。G皇矩阵作为预处理矩阵,对方程组进行等价变换,则线性方程组A。K,一X。变为(G,。G。)“AK一(G,G。)_1x。 (15)对式(15)左乘矩阵础,有Al,“一X“ (16)五,。一瓯;A。(础。),敬。一础。K,宕。一瓯;x。最后,由式(14)式(1 6)知,屯。J,因此其条件数接近为1,且Gf和(GP。)1容易求得。利用共轭梯度法对方程(16)进行求解得到或。则K一(础。)-1 R。从而FOCUSS迭代过程为
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