快速扫描机载气象雷达多普勒解模糊算法

喻庆豪， 王沛尧， 张喜峰， 吴 迪， 朱岱寅

(1. 南京航空航天大学电子信息工程学院雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室, 江苏南京 211106； 2. 中国航天科工集团八五一一研究所， 江苏南京 210007)

0 引言

在机载气象雷达的天气信号检测、地杂波抑制等任务中，多普勒信息的获取非常重要[1-4]。一般来说，气象雷达需要的观测范围比较广，因此在设计系统时，通常选择较低的脉冲重复频率(Pulse Recurrence Frequency, PRF)来避免距离模糊。然而，低PRF会导致接收信号在多普勒域的混叠，造成多普勒信息的恶化，从而导致目前许多气象信号检测和地杂波抑制方法的失效[5-6]。因此，由于PRF的选择不能同时满足距离和多普勒的不模糊性要求，对机载气象雷达提出了挑战。因此，有必要探索有效的解决机载气象雷达多普勒模糊度的算法。

近几十年来，多普勒解模糊算法得到了广泛的研究，现有的多普勒解模糊算法可分为多种类型。在脉冲多普勒雷达中，可以使用单中脉冲重复频率下基于概率数据关联的解模糊算法[7]。在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)中，可以使用改进的二阶Keystone变换(MSOKT)和Keystone(KT)变换方法对多普勒模糊地面运动目标进行聚焦[8]。而对称三角线性调频连续波(LFMCW)雷达中，可以通过实现正确配对，得到真实目标，并解得最大模糊重数[9]。还有一些算法利用多方位子孔径的独立空间样本来补充低PRF导致的慢时样本不足。为了在不增加子孔径数目的情况下增加独立空间样本，以此引入了多输入多输出(Multiple-Input and multiple-Output, MIMO)技术[10-13]。多通道SAR高分辨率宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath, HRWS)成像中，采用了基于方位向数字波束形成(Digital Beam-Forming, DBF)的方法，即通过方位向多通道波束形成技术处理来重建清晰的多普勒频谱[14-15]。

现有的多通道SAR成像技术大多采用正侧视的工作方式，而机载气象雷达往往工作在前视的快速扫描下。因工作模式存在的差异，设计机载气象雷达多普勒解模糊算法是十分必要的。本文提出了两种多普勒解模糊算法。算法一基于方位向波束形成技术，利用每个多普勒频点中混叠信号的不同方位角特性，在每个多普勒频点中保留期望的多普勒频谱分量，并抑制其他非期望的多普勒频谱分量。在波束形成过程中采用了非期望信号协方差矩阵重构方法，进一步提高了算法的鲁棒性；并为了减少前视高速扫描模式下的角度估计误差，采用空间谱积分的方法估计出更准确的导向矢量。算法二利用导向矢量计算阻塞矩阵，将接收信号进行多普勒模糊相消预处理，阻塞每个多普勒频点的模糊多普勒分量。仿真结果表明，两种算法能有效地从混叠频谱重建出正确的多普勒频谱，而算法二与算法一在处理相同数据情况下，有更优良的性能，并有更小的运算量，对系统要求更低。

1 多通道回波模型

假设机载气象雷达方位多通道系统共有N个通道，垂直于航向均匀分布，如图1所示，Y轴为飞机速度方向，Z轴背向地球中心，X轴垂直于飞行方向，构成右手坐标系，其中φ为俯仰角，θ为方位角。

图1 三维空间几何接收模型

假设参考通道的起始坐标(等效相位中心坐标)为(0, 0,H)，时刻t时为(0,vat, 0) (va为卫星速度)，第n个(n=1, 2, …,N)通道的起始坐标(等效相位中心坐标)为(xn, 0, 0)，时刻t时为(xn,vat, 0) 。对地面某个目标来说, 参考通道接收的回波信号为

exp{jπKa(τ-r0(t)/c)2}·

exp{-j2πfc·(r0(t)/c)}+n(t,τ)

(1)

式中，Ka为线性调频信号的线性调频率，Tr为脉冲持续时间，c为电磁波传播速度，η为信号幅度，r0(t)/c表示电磁波从发射机传播到某一散射点再由该散射点反射回接收机的总时间，n(t,τ)为信号中的干扰成分。其中

(2)

相应地，第n个通道接收的回波信号为

exp{jπKa(τ-rn(t)/c)2}·

exp{-j2πfc·(rn(t)/c)}+n(t,τ)

(3)

式中，

(4)

由此可见，对于某一点目标来说，不同通道接收的回波在时间上存在固定差异。但变换到多普勒域，与正侧视情况不同，前视情况下不同通道接收的回波在同一距离-多普勒单元上不仅仅相差一个线性相位项。假设fd为多普勒频率，每个多普勒单元均包含所有相同空间锥角下的回波，在多普勒不模糊的情况下，对于静止目标，其多普勒频率和角度的关系是

(5)

因此在前视条件下，多普勒频率和方位角的正弦值在空时平面上应该表现为椭圆曲线。如图2中的空时二维谱所示，图2(a)、(b)中，在无偏航角，即在飞机正前方处时，PRF的变化不会引起多普勒模糊；但在图2(c)、(d)中，在飞机具备一定偏航角时(图中为60°)，较低的PRF会造成信号在多普勒域的混叠，由此每一个通道接收的回波都发生了多普勒模糊，无法利用信号中的多普勒信息，因此需要利用相关技术对该问题进行解决。

图2 不同偏航角不同PRF下的理论空时二维谱

2 多普勒解模糊算法2.1 传统Capon波束形成解模糊算法

在合成孔径雷达(SAR)中，通常采用Capon波束形成算法来解决多普勒模糊问题。利用方位多通道系统具有多个空间自由度的特性，将阵列响应的主波束指向期望多普勒频谱分量的方向，而波束零点则指向其他多普勒模糊分量的方向以此抑制非期望模糊分量。假设多通道机载气象雷达存在多普勒模糊，每个多普勒频率的回波信号来自多个不同的方向，每个频率单元包含K个模糊分量(K

(6)

(7)

上标T表示转置运算符。因此，导向矢量ak(θ)也是关于fd的变量，即fd可以用来代替方位角θ表示导向矢量ak(θ)。为了提取第k个模糊度对应的多普勒频谱分量，Capon波束形成算法的最优权矢量由以下准则得到。

(8)

式中，上标H表示共轭转置运算符。R(τ,fd)是接收数据在多普勒频域的自相关矩阵。在实际处理中，接收信号的统计特性往往是未知的，因此在处理中通常由相邻的距离门数据来估计，可以表示为R(τ,fd)=E{x(τ,fd)x(τ,fd)H}，其中x(τ,fd)是多普勒域中阵列的回波数据矢量。求解式(8)中的准则，Capon波束形成器的最优权向量可以描述为

(9)

所以，利用最优权矢量可以将对应于第k个模糊度的多普勒频谱分量提取为

(10)

然而，许多其他雷达不同于SAR，例如机载气象雷达，这些雷达工作在高速扫描模式下，使得机载气象雷达的相干脉冲数远小于成像雷达。另外，机载气象雷达的多普勒频率间隔远大于成像雷达的多普勒频率间隔。由于计算方位角需要利用多普勒频率，多普勒频率间隔越大，方位角计算误差越大，而传统的Capon波束形成算法对角度误差非常敏感，会在期望的多普勒频谱分量上形成零点，无法提取期望的多普勒频谱分量。为了提高Capon波束形成算法的鲁棒性，需要采用协方差矩阵重构和空间导向矢量估计算法。

2.2 基于改进方位向波束形成解模糊算法

当期望信号导向矢量失配或是期望信号包含在采样协方差矩阵中时，传统自适应波束形成器的性能会下降。而协方差矩阵重构可以有效地提高自适应波束形成算法的鲁棒性。根据协方差矩阵的表达式，进一步得到如下形式。

R(τ,fd)=E{x(τ,fd)x(τ,fd)H}=

Rs+Ri+n=

(11)

(12)

(13)

(14)

在重构过程中，首先根据采样协方差矩阵R计算每个角度下的Capon空间谱。

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

其中ρ{·}表示计算协方差矩阵最大特征值对应的特征向量。因此，Capon波束形成器的最优权向量可以再次重写为

(20)

基于上述协方差矩阵重构和导向矢量估计方法，Capon波束形成算法将具有更好的性能。由此，可以利用如下数据处理流程进行多普勒解模糊处理。首先，需要确定一次处理的脉冲数和模糊数。然后，将原始数据按方位角进行分段。对于每段数据，需要利用多个距离门的数据估计原始样本协方差矩阵来计算Capon空间谱。对于不同的多普勒模糊度分量，可以通过计算最优权向量来恢复每个多普勒频谱分量。再将不同片段的多普勒频谱进行拼接，通过方位逆傅里叶变换并将数据按照顺序存储，即可得到解模糊后的数据。

2.3 基于阻塞矩阵的解模糊算法

阻塞矩阵通常被应用于阵列抗主瓣干扰中，其利用均匀线阵各阵元间存在均匀相位差的特点，通过构造阻塞矩阵阻塞预处理将主瓣干扰去除。当信号中存在主瓣干扰时，阻塞矩阵抗干扰方法首先对主瓣干扰进行方位估计，并构建阻塞矩阵对阵列接收信号进行预处理，抑制掉主瓣干扰。在多普勒解模糊任务中，非期望的多普勒频谱分量可以视为来自不同方位角的主瓣干扰，因此该方法的具体步骤如下：

首先需要确定模糊数K，然后以获取第k次模糊多普勒频谱模糊分量为例，需要确定其他非期望多普勒频谱分量在空间中所对应的方位角范围，设为Θ1,…,Θk-1,Θk+1,…,ΘK；根据上一小节介绍的导向矢量的估计方法，利用上述方位角范围作为积分范围，以式(18)为例对每一个非期望多普勒频谱分量进行空间谱积分即可得到非期望多普勒频谱分量的协方差矩阵，记为R1,…,Rk-1,Rk+1,…,RK。再对协方差矩阵进行主成分分析，通过协方差矩阵特征值分解，取最大特征值对应的特征向量，即为每一个非期望多普勒分量的估计导向矢量，记为a1,…,ak-1,ak+1,…,aK。以此可以确定除第k次多普勒模糊分量以外其他模糊分量的干扰方向。

然后根据干扰方向设计阻塞矩阵B。B可以由下式表示：

B=I-A(AHA)-1AH

(21)

式中，I是N×N的单位阵，A是非期望多普勒模糊分量特征向量组成的矩阵，即

A=[a1,…,ak-1,ak+1,…,aK]

(22)

因此对接收快拍信号x(τ,fd)进行阻塞处理后的信号为

yk(τ,fd)=Bx(τ,fd)

(23)

同理可以得到所有多普勒模糊分量的信号多普勒频谱y1(τ,fd),…,yk(τ,fd),…,yK(τ,fd)。根据理论的多普勒频谱位置对每一段频谱进行排序存储，再对整体进行方位向逆傅里叶变换，即可得到多普勒不模糊的时域数据。

3 实验结果与分析

在前一节中详细分析了两种多普勒解模糊算法的原理和处理流程，本节用仿真机载雷达数据对两种算法进行了验证。有关仿真数据的主要参数见表1。在验证过程中，分为两个实验：第一个实验通过扫描真实的雷达图像生成数据，这样得到的数据的频谱不是规律的，以对比解模糊前后多普勒频谱的细节。第二个实验对气象目标和地杂波数据进行了仿真，并用基于多普勒信息的检测方法对解模糊前后的数据进行气象目标检测，验证了算法的可行性。

在第一个实验中，通过扫描真实的雷达图像来生成仿真数据。首先，从数据中提取100个距离门和64个脉冲的数据，通过方位傅里叶变换进行处理，得到其多普勒频谱，其结果如图3所示。

为了构造多普勒模糊的数据，在上述数据的时域方位向上进行三抽一操作，即将数据的PRF降到原来的三分之一。然后可以得到抽取后数据的MVDR谱和多普勒频谱，如图4所示。

表1 两组仿真数据的主要参数

图3 原始数据的多普勒频谱

图4 进行方位向三抽一后的数据

通过对数据的MVDR频谱和多普勒频谱的分析，不难发现PRF降低后数据在多普勒域已经变得模糊。利用本文提出的两种算法可以恢复多普勒信息。对于改进的自适应波束形成解模糊算法，为了观察每组最优权矢量在不同方位角上的响应，使用每组最优权矢量来绘制自适应方向图；对于基于阻塞矩阵的解模糊算法，通过不同的阻塞矩阵可以抑制不同方位角上的模糊分量，因此在数据经过阻塞矩阵处理后也可以得到不同的自适应方向图。两种方法得到的自适应方向图分别由图5、图6所示。

图5 改进波束形成算法最优权矢量的自适应方向图

图6 阻塞矩阵算法处理数据后的自适应方向图

通过两种方法自适应方向图的观察，波束形成方法的权矢量和阻塞矩阵都可以按照设计要求在期望的方向上产生主瓣，在非期望的方向上产生零陷，因此可以按照要求抑制非期望的多普勒频谱分量并可以利用这些最优权值向量对数据进行空域滤波以及利用阻塞矩阵对频域快拍数据进行处理，恢复数据的多普勒频谱成分。再根据多普勒频率的实际位置对数据进行拼接，可以恢复原始的多普勒频谱。图7给出了两种不同的多普勒解模糊方法的结果，并作为对比，分别给出了将未进行导向矢量估计和未进行协方差矩阵重构的波束形成算法的解模糊结果。将图7(c)、(d)与图3原始数据频谱之间的比较，这两种算法均可以恢复信号的多普勒频谱；而图7(a)在导向矢量失配时，传统的波束形成算法失去了解多普勒模糊的能力；图7(b)在算法性能鲁棒性较差时，解模糊结果也会存在较大误差。

为了更加直观地比较两种算法解多普勒频谱模糊的性能，如图8所示，在原始数据，利用改进波束形成算法解模糊后的结果以及利用阻塞矩阵算法解模糊后的结果中分别取第50个距离门数据的归一化幅度进行对比。从图中曲线可以看出两种算法对多普勒模糊频谱均有一定的恢复能力，且在信号频谱能量较强的频率位置均有很好的重构效果；但对于信号频谱本应能量较弱的频率位置，基于改进波束形成解模糊算法的空域滤波效果不及基于阻塞矩阵解模糊算法。

图7 传统算法的处理结果和本文两种算法的处理结果

图8 两种算法处理结果性能对比

图9 两种算法处理后气象目标的检测结果

4 结束语

本文针对工作在前视快速扫描下的机载气象雷达系统，提出了两种多普勒解模糊算法，分别是：基于改进方位向波束形成的多普勒解模糊算法和基于阻塞矩阵的多普勒解模糊算法。针对两种不同的算法，本文分别给出了两种算法的原理和处理流程。仿真结果表明，这两种算法均可以在低PRF条件下恢复机载气象雷达数据的混叠多普勒频谱，且基于阻塞矩阵的多普勒解模糊算法从性能和工程实现上都要优于基于改进波束形成的多普勒解模糊算法。