賈可新，張茹斌

(華東電子工程研究所 孔徑陣列與空間探測安徽重點實驗室，合肥 230088)

0 引 言

在雷達監(jiān)視環(huán)境中，雷達接收到的外界信號既包括運動目標的回波信號，也包括由地面物體、云雨、海浪、人為釋放箔條等物體散射生成的各種雜波信號。在實際環(huán)境中接收到各種雜波的功率往往比目標回波信號強得多。這些雜波信號將對運動目標的檢測能力產(chǎn)生嚴重影響。因此，雷達信號處理必須根據(jù)雜波特性自適應(yīng)抑制雜波，盡可能消除雜波對目標檢測的影響。[1-4]

自適應(yīng)雜波抑制采用的動目標檢測(MTD)技術(shù)主要是根據(jù)雜波的多普勒頻率變化特性，通過合理設(shè)計多普勒濾波器組來抑制各種雜波。該技術(shù)可極大提高雷達在復(fù)雜雜波環(huán)境下的運動目標檢測能力。目前，MTD多普勒濾波器組實現(xiàn)方法主要包括FFT濾波器組和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器組方法。與基于FFT的多普勒濾波器組相比，F(xiàn)IR型多普勒濾波器組在抑制零頻附近的雜波時更加靈活，其頻率響應(yīng)能在零頻附近靈活形成滿足指定帶寬的較深零陷。

為了在零頻附近靈活形成滿足要求的零陷，文獻[5]將陣列方向圖數(shù)字綜合算法[6-7]應(yīng)用到MTD濾波器設(shè)計中，給出了一種自適應(yīng)迭代MTD濾波器設(shè)計算法。該算法需要已知雜波的協(xié)方差矩陣，且假設(shè)雜波具有高斯型功率譜。借鑒文獻[6-7]的處理思想，文獻[8]提出了一種基于最大信雜比準則的MTD濾波器設(shè)計算法。該方法無需已知雜波功率譜，通過迭代運算可獲得滿足最大信雜比要求的最佳濾波器系數(shù)，但對調(diào)節(jié)因子和初始阻帶衰減值比較敏感。若初始參數(shù)選擇不合理，容易導(dǎo)致算法不收斂。為改善文獻[8]中算法的穩(wěn)健性，文獻[9]提出了一種改進型MTD濾波器設(shè)計算法，降低了對調(diào)節(jié)因子和初始阻帶衰減值的依賴性。文獻[9]采用的迭代算法以濾波器實際阻帶衰減不大于期望阻帶衰減作為迭代收斂條件。在調(diào)節(jié)因子和初始阻帶衰減及步進選擇不合適時，這一迭代條件會導(dǎo)致算法出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象，即在某些副瓣的極大值等于期望衰減值、其他副瓣的極大值小于期望衰減值時停止迭代。當算法出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象時，文獻[9]給出的濾波器系數(shù)將帶來額外的加權(quán)損失。

為避免算法出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象，降低濾波器的加權(quán)損失，本文提出了一種基于二階錐規(guī)劃的MTD濾波器組設(shè)計算法。相比于文獻[9]的算法，所提算法無需設(shè)置調(diào)節(jié)因子，無需迭代更新初始阻帶衰減值，收斂時的濾波器所有副瓣極大值均等于或近似等于期望衰減值，降低了濾波器的加權(quán)損失。

1 自適應(yīng)MTD濾波器設(shè)計算法

常規(guī)自適應(yīng)MTD濾波器設(shè)計方法通常需要已知雜波的統(tǒng)計特性，并根據(jù)自適應(yīng)濾波器的原理計算FIR濾波器的系數(shù)。設(shè)FIR濾波器的通帶中心頻率為ωi，則FIR濾波器的系數(shù)為

(1)

為改善常規(guī)自適應(yīng)MTD濾波器設(shè)計方法的性能，文獻[9]給出了一種迭代自適應(yīng)MTD濾波器設(shè)計方法。該方法不需要已知雜波統(tǒng)計特性，而是將雜波建模為均勻分布的許多窄帶雜波信號。為了能夠自動控制雜波處零陷深度和副瓣電平，算法在每次迭代結(jié)束都與預(yù)先設(shè)置的濾波器期望頻率響應(yīng)d(ω)進行比較，若未達到要求則獨立調(diào)節(jié)各窄帶雜波信號的功率值，重新進行迭代。

若G(ωm,k)為第k次迭代得到的濾波器頻譜，Gmax(k)為相應(yīng)的通帶范圍內(nèi)的最大值，則窄帶雜波功率由第k次到第k+1次調(diào)節(jié)時的迭代公式為

(2)

(3)

(4)

其中，rm(k)=Gmax(k)/d(ωm)，Δm(k)=G(ωm,k)-rm(k)，η為調(diào)節(jié)因子。第k次調(diào)節(jié)的濾波器系數(shù)為

(5)

前述迭代MTD濾波器設(shè)計算法以濾波器實際阻帶衰減不大于期望阻帶衰減作為迭代收斂條件。當調(diào)節(jié)因子和初始阻帶衰減及步進選擇不合適時，算法也會出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象，即在濾波器阻帶范圍內(nèi)某些副瓣的極大值等于或近似等于期望衰減值，其他副瓣的極大值小于期望衰減值時停止迭代。當算法出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象時，濾波器系數(shù)將帶來額外的加權(quán)損失。

2 基于二階錐規(guī)劃的MTD濾波器設(shè)計算法

為避免算法出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象，降低濾波器的加權(quán)損失，本節(jié)給出了一種基于二階錐規(guī)劃的MTD濾波器組設(shè)計算法。相比于前述MTD濾波器組設(shè)計方法，所提算法無需設(shè)置調(diào)節(jié)因子、無需迭代更新初始阻帶衰減值，收斂時的濾波器阻帶范圍內(nèi)的所有副瓣的極大值均等于或近似等于期望衰減值，降低了濾波器的加權(quán)損失。

設(shè)N階MTD濾波器的期望阻帶衰減為D(ω)dB，相應(yīng)的實際值為d(ω)=10D(ω)/20，MTD濾波器的系數(shù)矢量可表示為

(6)

則滿足期望阻帶衰減要求的MTD濾波器系數(shù)可通過如下優(yōu)化問題求得

(7)

其中，‖·‖2表示2-范數(shù)，a(ω)=[1ejω…ej(N-1)ω]T，ω0為MTD濾波器的中心頻率，Ω0為MTD濾波器的阻帶頻率范圍。

引入輔助變量t，前述優(yōu)化問題可改寫為

(8)

將阻帶頻率范圍離散化為P個頻點ω1,ω2,…,ωP，公式(8)可近似表示為

(9)

(10)

對于約束條件wHa(ω0)=1，可用等式約束Fx=g表示，即

(11)

(12)

對于約束條件|wHa(ωi)|≤d(ωi)，i=1,2,…,P，可用

(13)

進行重新表示，即要求

di=d(ωi),fi=0(2N+1)×1

(14)

給定濾波器的中心頻率、阻帶頻率范圍內(nèi)的離散頻點和期望阻帶衰減值，根據(jù)前述約束條件，通過求解公式(10)的二階錐規(guī)劃問題可獲得MTD濾波器系數(shù)。

3 仿真實驗

本節(jié)將通過仿真實驗驗證所提算法的有效性。設(shè)MTD濾波器的階數(shù)為12，濾波器總個數(shù)為13，零頻附近4個濾波器的阻帶衰減-35 dB，剩余9個濾波器的阻帶衰減-35 dB，在零頻附近歸一化頻率寬度0.05內(nèi)零陷深度低于-60 dB。本實驗僅考慮需在零頻附近形成零陷的某些濾波器的設(shè)計。

采用常規(guī)自適應(yīng)MTD濾波設(shè)計算法，假設(shè)雜波的功率譜密度為高斯譜，窗函數(shù)為切比雪夫窗。令歸一化中心頻率等于0.2283。通過人工調(diào)節(jié)窗函數(shù)的阻帶電平和雜波功率，其頻率響應(yīng)如圖1(a)所示。該濾波器的加權(quán)損失為1.2956 dB。將中心頻率設(shè)置為0.45，重新調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，其頻率響應(yīng)如圖1(b)所示。該濾波器的加權(quán)損失為1.1656 dB。由圖1可知，常規(guī)自適應(yīng)MTD濾波器設(shè)計算法可獲得滿足期望頻率響應(yīng)要求的濾波器，但阻帶電平和雜波功率需要人工反復(fù)調(diào)節(jié)，無法自動、準確地完成相關(guān)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)。另外，所設(shè)計的濾波器阻帶范圍內(nèi)僅有部分副瓣的極大值等于或近似等于期望阻帶衰減要求，其他副瓣的極大值小于期望阻帶衰減要求。

采用文獻[9]給出的迭代MTD濾波設(shè)計算法，窄帶雜波個數(shù)設(shè)置為128，算法迭代次數(shù)為100。令歸一化中心頻率等于0.2283，調(diào)節(jié)因子η=1，設(shè)置初始阻帶衰減值為-37 dB，逐次增加衰減值的步進為1 dB，經(jīng)100次迭代，其頻率響應(yīng)如圖2(a)所示。該濾波器的加權(quán)損失為1.2617 dB。保持調(diào)節(jié)因子和初始阻帶衰減不變，將歸一化中心頻率設(shè)置為0.45，其頻率響應(yīng)如圖2(b)所示。該濾波器的加權(quán)損失為1.1421 dB。由圖2可知，文獻[9]給出的迭代MTD濾波器設(shè)計算法可自動完成相關(guān)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，濾波器加權(quán)損失小于常規(guī)自適應(yīng)MTD設(shè)計方法，但在算法收斂后阻帶范圍內(nèi)同樣僅有部分副瓣的極大值等于或近似等于期望阻帶衰減要求，其他副瓣的極大值小于期望阻帶衰減要求。

圖1 不同中心頻點處常規(guī)算法的設(shè)計結(jié)果

圖2 不同中心頻點處迭代算法的設(shè)計結(jié)果

采用本文提出的二次規(guī)劃MTD濾波設(shè)計算法。取歸一化中心頻率等于0.2283，阻帶范圍內(nèi)的離散頻點個數(shù)為128。經(jīng)優(yōu)化計算，其頻率響應(yīng)如圖3(a)所示。該濾波器的加權(quán)損失為1.194 dB。優(yōu)化條件不變，將歸一化中心頻率改為0.45，其頻率響應(yīng)如圖3(b)所示。該濾波器也滿足要求，其加權(quán)損失為1.117 dB。由圖3可知，所提的二次規(guī)劃MTD濾波器設(shè)計算法在算法收斂后阻帶范圍內(nèi)所有副瓣的極大值均等于或近似等于期望阻帶衰減要求，濾波器的加權(quán)損失小于前述迭代算法。

4 結(jié)束語

為改善濾波器設(shè)計算法的收斂性能，本文提出了一種基于二階錐規(guī)劃的MTD濾波器設(shè)計算法。該算法通過將濾波器設(shè)計問題轉(zhuǎn)換為一個基于二階錐規(guī)劃的凸優(yōu)化問題，可獲得滿足期望阻帶衰減的最優(yōu)濾波器系數(shù)。相比于常規(guī)或迭代MTD算法，所提算法不需要人工設(shè)置調(diào)節(jié)因子、初始阻帶衰減值等參數(shù)，在阻帶范圍內(nèi)所有副瓣的極大值均等于期望阻帶衰減要求，不會出現(xiàn)過收斂現(xiàn)象，降低了濾波器系數(shù)的加權(quán)損失。因此，本文所提算法更具有實用價值。