基于先验信息的变凹口宽度MTD滤波器设计方法

摘要

本发明公开了一种基于先验信息的变凹口宽度MTD滤波器设计方法，其步骤包括：1.查寻参数；2.获得地杂波的协方差矩阵；3.获得初始化干扰信号功率；4.设计数字综合法的FIR滤波器；5.搜索地杂波功率谱方差；6.获得最优杂波改善因子的FIR滤波器；7.设计变凹口宽度的MTD滤波器。本发明利用雷达周围场景的先验信息，使滤波器输出端杂波改善因子保持最优的方法。克服了现有技术中的MTD滤波器零频处凹口宽度都固定的问题。使得本发明设计的MTD滤波器对不同的通带中心频率滤波器有不同的期望凹口宽度，而且增强了对于低速运动目标检测的优点。

主权项

一种基于先验信息的变凹口宽度MTD滤波器设计方法，包括如下步骤：(1)查寻参数：通过查寻不同场景的地杂波功率谱方差和地杂波功率表，得到雷达工作场景地杂波的功率谱方差和地杂波功率；(2)获得地杂波的协方差矩阵：(2a)利用高斯功率谱密度公式，计算雷达工作场景地杂波功率谱密度；(2b)利用维纳辛钦公式，计算地杂波协方差矩阵的元素值；(3)获得初始化干扰信号功率：(3a)将L个干扰信号添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区，覆盖在有限长脉冲响应FIR滤波器频率响应的整个脉冲周期，每个干扰信号所对应的频率分别为f₁,f₂,…,f_L，L的取值范围为有限长脉冲响应FIR滤波器的阶数的整数倍，以上；(3b)将有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区的L个干扰信号功率初始化为0；(4)设计数字综合法的有限长脉冲响应FIR滤波器：(4a)将当前搜索迭代次数k初始化为1；(4b)按照下式，计算当前搜索迭代次数的干扰、杂波、加噪声的协方差矩阵：$R_b\left(k\right)=R_c+{{\delta }_n}^{2}I+\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{{\delta }_l}^2\left(k\right)a\left(f_l\right)a^H\left(f_l\right)$其中，R_b(k)表示当前搜索迭代次数的干扰、杂波、加噪声的协方差矩阵，k表示当前搜索迭代次数，R_c表示地杂波的协方差矩阵，δ_n²表示雷达内部接收单元的噪声功率，I表示单位矩阵，∑表示求和操作，L表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区干扰信号的个数，l表示第l个干扰，δ_l²表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号功率，f_l表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的多普勒频率，a(f_l)表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的导频矢量，H表示共轭转置操作；(4c)利用自适应权公式，计算有限长脉冲响应FIR滤波器在当前搜索迭代次数时的权矢量；(4d)按照下式，计算有限长脉冲响应FIR滤波器在当前搜索迭代次数时的频率响应：H(k,f)＝W^H(k)a(f)其中，H(k,f)表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器的频率响应，k表示当前搜索迭代次数，f表示多普勒频率，W^H(k)表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器权矢量的共轭转置，a(f)为多普勒频率f处的导频矢量；(4e)按照下式，计算在当前搜索迭代次数时添加到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区干扰期望的电平值：$d(k,f_l)=h\left(k\right)/{10}^{D\left(f_l\right)/20}$其中，d(k,f_l)表示在当前搜索迭代次数时添加到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰期望的电平值，k表示当前搜索迭代次数，f_l表示添加到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰的多普勒频率，h(k)表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器的响应，D(f_l)表示有限长脉冲响应FIR滤波器频率响应的副瓣电平在第l个干扰信号处低于主瓣峰值的大小；(4f)按照下式，计算下次搜索迭代时，有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区L个干扰信号的功率：其中，δ_l²(k+1)表示下次搜索迭代时，有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的功率，k表示当前搜索迭代次数，f_l表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的多普勒频率，f_left(k),f_right(k)分别表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器主瓣宽度的左右边界值，f_z1(k),f_z2(k)分别表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器凹口宽度的左右边界值，∪表示或操作，F_r表示脉冲重复周期，max表示求最大值操作，δ_l²(k)表示在当前搜索迭代次数时，添加到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的功率，K表示一常数标量，称为迭代增益，H(k,f_l)表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器在频率f_l时的频率响应，d(k,f_l)表示在当前搜索迭代次数时添加到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号期望的电平值，f_l表示添加在有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区第l个干扰信号的多普勒频率；(4g)判断W(k)‑W(k‑1)＝0是否成立，若是，则得到有限长脉冲响应FIR滤波器副瓣区干扰信号功率后执行步骤(5)，否则，将当前搜索迭代次数k加1后执行步骤(4b)；其中，W(k)表示在当前搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器的权矢量，W(k‑1)表示上一次搜索迭代次数时有限长脉冲响应FIR滤波器的权矢量，k表示当前搜索迭代次数；(5)搜索地杂波功率谱方差：(5a)将当前的地杂波功率谱方差σ²初始化为0；(5b)利用自相关公式，计算当前搜索的地杂波协方差矩阵元素值；(5c)由当前搜索的地杂波协方差矩阵和步骤(4)的干扰信号功率，计算出当前搜索的干扰、杂波、加噪声的协方差矩阵；(5d)利用自适应权公式，计算当前搜索的有限长脉冲响应FIR滤波器权矢量；(5e)将目标信号和地杂波输入到由新权矢量构成的有限长脉冲响应FIR滤波器中，获得当前搜索的输出端的目标信号功率和地杂波功率；(5f)利用杂波改善因子公式，计算当前搜索的地杂波改善因子；(5g)判断|σ²‑σ_c²|<0.1是否成立，若是，则得到所有地杂波改善因子的值执行步骤(6),否则，则将地杂波的功率谱方差σ²加0.1后执行步骤(5b)；其中，|·|表示取绝对值操作，σ²表示当前搜索的地杂波的功率谱方差，σ_c²表示地杂波功率谱方差；(6)获得最优杂波改善因子的有限长脉冲响应FIR滤波器：(6a)从所有地杂波改善因子的值中搜索最大的地杂波改善因子值，将最大地杂波改善因子值所对应的有限长脉冲响应FIR滤波器的权矢量作为期望的有限长脉冲响应FIR滤波器的权矢量；(6b)将期望的有限长脉冲响应FIR滤波器的权矢量，加入有限长脉冲响应FIR滤波器中，获得最优杂波改善因子的一个有限长脉冲响应FIR滤波器；(7)设计变凹口宽度的动目标检测MTD滤波器：重复执行上述6个步骤，直至得到满足设计者要求的所有有限长脉冲响应FIR滤波器，将所有有限长脉冲响应FIR滤波器组成变凹口宽度的动目标检测MTD滤波器。