非正侧视阵列机载STAP雷达目标探测性能研究

张永祥

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

空时自适应处理(STAP)[1-3]是改善机载雷达目标检测性能的一项关键技术，可有效抑制杂波和干扰，改善强杂波背景下雷达对低速小目标的探测性能。这是因为STAP技术针对地杂波和干扰在机载情况下的分布特性，利用雷达提供的空域和时域自由度对回波数据进行联合处理，能够在空时二维平面内自适应地形成与杂波和干扰相匹配的凹口，从而实现对杂波和干扰的抑制，提高雷达对运动目标的检测能力。

现代机载预警雷达广泛采用有源相控阵天线结构，通过几副天线的共同作用实现雷达的全方位搜索。此时，无论采用何种天线架设方式，必然会涉及天线为非正侧视阵的情况，即天线阵面与载机平台飞行方向的夹角不为零，也即非正侧视阵[4-7]。传统的STAP算法大多是针对正侧视条件下均匀线性阵列，在此情况下，各距离单元的杂波特性满足独立同分布(IID)条件，可以轻易获得足够多的满足IID条件的训练样本来估计待检测单元的杂波协方差矩阵，从而提高STAP的性能，可达到理论最优。但在实非正侧视阵下，杂波分布会出现非均匀现象，使得训练样本与待检测单元的杂波不再满足IID条件，明显削弱STAP方法的杂波抑制能力。因此，针对非正侧视阵下的STAP相关研究，有着迫切的现实需要和重大意义。

1 非正侧视阵列机载雷达杂波分布

设载机水平飞行，且载机的飞行速度为v，雷达发射波长为λ，天线机扫角为θp(天线轴与载机飞行速度v的夹角)，如图1所示[8-9]。

图1 雷达阵面和杂波散射体的几何关系图

若杂波小散射体单元相对于天线的轴向方位角和俯仰角分别为θa和φ，则该散射体的多普勒频率为：

(1)

式中：fdm=2v/λ，代表最大多普勒频率；ψ为相对于天线轴的锥角。

对于空时二维处理，控制时域滤波的权相当于改变其多普勒响应特性，而控制空域等效线阵的权相当于改变其锥角余弦的波束响应。因此，从空时二维滤波的角度研究二维杂波谱，取2fd/fr和cosψ做坐标是合适的，其中fr为脉冲重复频率。因而式(1)可改为：

cos2φcos2θp

(2)

对针对θp的值不同，将杂波分为3种情况进行讨论：

(1) 如果θp=0，雷达天线平面平行于载机的飞行方向，此时为正侧视阵情形，式(2)变为：

(3)

(2) 当天线的机扫角变化时，θp不为零，当φ为常数时，式(2)为椭圆方程。此时为斜侧视阵的情况。

(3) 如果θp=π/2，即前向阵，那么式(2)为圆方程：

(4)

图2为θp取0°、45°和90°下的杂波分布。可以看出，杂波谱严重展宽，由此而得到的自适应权值在待检单元的杂波处形成的凹口宽而浅，其宽度近似为所有训练单元杂波谱所呈现出的环宽度，故易将慢动弱目标信号滤除而造成大范围的目标漏检。

2 非正侧视阵列机载STAP雷达性能仿真

2.1 不同侧视角下的机载STAP雷达性能仿真

下面选取仿真参数如下：雷达天线单元16个，相参处理脉冲数目16个，雷达频率420 MHz，脉冲重复间隔(PRI)为1.8 ms，脉宽120 μs，线性调频带宽2 MHz，平台运动速度120 m/s，目标回波功率0 dB，方位角为10°，多普勒频率为150 Hz，选取的处理距离单元为100～200个，目标所处距离单元为第160个距离单元，地杂功率为50 dB，目标速度为10 m/s。

图2 不同θp的杂波功率谱

图3 不同θp下的目标提取结果

图3为θp为0°、30°、60°和90°时，经过STAP处理后目标提取结果。可以看出，当θp=0°时，经过STAP处理后目标出现在第160个距离单元内，信噪比为29 dB，随着θp的增大，目标的信噪比逐渐恶化，在30°、60°和90°的时候分别为24 dB、20 dB和8.5 dB，并且距离旁瓣逐渐变高，但在此条件下仍能对目标的信息进行提取。

2.2 不同目标回波功率下的非正侧视阵列机载STAP雷达性能仿真

仿真参数与上一节一致，选取的侧视角为30°时，目标回波功率分别为-20 dB、-10 dB、0 dB和10 dB下，经过STAP处理后目标提取结果如图4所示。

图4 不同目标回波功率下的目标提取结果

由图4可以看出，随着目标回波功率的增大，目标的信噪比逐渐增大，当目标回波功率为-20 dB时，经过STAP处理后目标出现在第160个距离单元内，信噪比为9 dB，当目标回波功率为-10 dB、0 dB和10 dB时，信噪比分别为21 dB、24 dB和26 dB，并且距离旁瓣逐渐变低。

2.3 不同目标速度下的非正侧视阵列机载STAP雷达性能仿真

仿真参数与2.1一致，选取的侧视角为30°时，目标速度分别为0 m/s、5 m/s、10 m/s和15 m/s，经过STAP处理后目标提取结果如图5所示。

图5 不同目标速度下的目标提取结果

由图5可以看出，随着目标速度的增大，目标的信噪比逐渐增大。当目标速度为0 m/s时，经过STAP处理后无法找到目标位置，此时目标被地杂波覆盖。因为目标静止，并且目标功率只有0 dB，此时通过STAP处理无法提取目标。当目标速度为5 m/s、10 m/s和15 m/s时，经STAP处理后信噪比分别为9 dB、23 dB和26 dB，并且距离旁瓣逐渐变低。

3 结束语

本文针对非正侧视阵列机载STAP雷达的目标探测进行研究，分析了非正侧视阵列机载STAP雷达的原理，对不同侧视角下的杂波功率谱进行仿真分析，最后对不同侧视角、不同目标回波功率和不同目标速度的非正侧视阵列机载STAP雷达性能进行仿真。结果表明：减小侧视角、提高目标回波功率和提高目标速度可以提高处理后的信噪比，降低距离旁瓣。