Пространственно-временная адаптивная обработка - Space-time adaptive processing

Доплеровский отклик двумерного формирователя луча

Пространственно-временная адаптивная обработка (STAP) это обработка сигналов техника, наиболее часто используемая в радар системы. Он включает в себя адаптивную обработку массива алгоритмы для помощи в обнаружении цели. Обработка радиолокационных сигналов выигрывает от STAP в областях, где помехи являются проблемой (например, на земле беспорядок, заклинивание, так далее.). За счет тщательного применения STAP можно добиться повышения чувствительности обнаружения целей на порядок.

STAP предполагает двумерное фильтрация техника с использованием фазированная решетка антенна с несколькими пространственными каналами. Соединение нескольких пространственных каналов с импульсный допплер волновые формы дает название «пространство-время». Применяя статистика среды помех формируется вектор адаптивных весов STAP. Этот весовой вектор применяется к последовательный образцы, полученные радаром.

История

Теория STAP была впервые опубликована Лоуренсом Э. Бреннаном и Ирвингом С. Ридом в начале 1970-х годов. На момент публикации и Бреннан, и Рид находились в Technology Service Corporation (TSC). Хотя он был официально представлен в 1973 году,^[1] он имеет теоретические корни, восходящие к 1959 году.^[2]

Мотивация и приложения

Для наземных радаров загроможденные возвратные сигналы, как правило, находятся на постоянном токе, что делает их легко различимыми. Индикация движущейся цели (MTI).^[3] Таким образом, может использоваться режекторный фильтр в ячейке с нулевым доплеровским сдвигом.^[2] Бортовые платформы с собственным движением испытывают относительное движение препятствий от земли, зависящее от угла, что приводит к угловой доплеровской связи на входе.^[2] В этом случае одномерной фильтрации недостаточно, поскольку помехи могут перекрывать доплеровский эффект желаемой цели с разных направлений.^[2] Результирующая интерференция обычно называется «гребнем препятствий», поскольку он формирует линию в области углового Доплера.^[2] Узкополосные сигналы глушения также являются источником помех и демонстрируют значительную пространственную корреляцию.^[4] Таким образом, необходимо учитывать шум и помехи приемника, а процессоры обнаружения должны пытаться максимизировать отношение сигнал-помеха и шум (SINR).

Хотя методы STAP в основном разрабатывались для радаров, они находят применение в системах связи.^[5]

Основная теория

Диаграмма верхнего уровня для адаптивного фильтра STAP 2-D

STAP, по сути, фильтрует в пространственно-временной области.^[2] Это означает, что мы осуществляем фильтрацию по нескольким измерениям, и необходимо использовать методы многомерной обработки сигналов.^[6] Цель состоит в том, чтобы найти оптимальные веса пространства-времени в ${\displaystyle NM}$-мерное пространство, где ${\displaystyle N}$ количество антенных элементов (наши пространственные степени свободы) и ${\displaystyle M}$ это количество интервал повторения импульсов (PRI) нажатий (наши временные степени свободы), чтобы максимизировать отношение сигнал-помеха и шум (SINR).^[2] Таким образом, цель состоит в том, чтобы подавить шум, беспорядок, глушилки и т. Д., Сохраняя при этом желаемую отдачу радара. Это можно рассматривать как 2-D конечный импульсный отклик (FIR) фильтр со стандартным 1-мерным КИХ-фильтром для каждого канала (управляемые пространственные каналы из массива с электронным управлением или отдельных элементов), и отводы этих 1-мерных КИХ-фильтров, соответствующих множественным возвратам (разнесенным по времени PRI).^[1] Наличие степеней свободы как в пространственной, так и во временной области имеет решающее значение, поскольку помехи могут быть коррелированы во времени и пространстве, в то время как источники помех имеют тенденцию пространственно коррелироваться (по определенному пеленгу).^[1]

Простой, тривиальный пример STAP показан на первом рисунке для ${\displaystyle N=M=10}$. Это идеализированный пример схемы управления, где реакция массива была направлена ​​на идеальную реакцию цели, ${\displaystyle s}$.^[2] К сожалению, на практике это упрощается, поскольку помехи, которые необходимо преодолеть путем управления показанными нулями, не детерминированы, а являются статистическими по своей природе.^[2] Это то, что требует, чтобы STAP был адаптивной техникой. Обратите внимание, что даже в этом идеализированном примере, как правило, мы должны управлять двумерной плоскостью углового допплера в дискретных точках для обнаружения потенциальных целей (перемещая местоположение главного лепестка двумерного синуса, показанного на рисунке), и так что для каждого из интервалов диапазона в нашей системе.

Основная функциональная схема показана справа. Для каждой антенны обычно выполняется преобразование с понижением частоты и аналого-цифровое преобразование. Затем для каждого канала управляемой антенны используется одномерный FIR-фильтр с элементами задержки длины PRI. Лексикографически упорядоченные веса ${\displaystyle W_{1}}$ к ${\displaystyle W_{NM}}$ - степени свободы, которые необходимо решить в задаче STAP. То есть STAP стремится найти оптимальные веса антенной решетки. Можно показать, что для данного ${\displaystyle MN\times MN}$ ковариационная матрица интерференции, ${\displaystyle \mathbf {R} }$, оптимальные веса, максимизирующие SINR, вычисляются как

${\displaystyle \mathbf {W} =\kappa \mathbf {R} ^{-1}s}$

куда ${\displaystyle \kappa }$ - это скаляр, не влияющий на SINR.^[2] Оптимальный вход детектора определяется следующим образом:

${\displaystyle y=\mathbf {W} x}$

куда ${\displaystyle x}$ это пространственно-временной снимок входных данных. Основная трудность STAP заключается в решении и обращении обычно неизвестной ковариационной матрицы помех, ${\displaystyle \mathbf {R} }$.^[1] Другие трудности возникают, когда ковариационная матрица интерференции плохо обусловлена, что делает инверсию численно нестабильной.^[5] В общем, эта адаптивная фильтрация должна выполняться для каждого однозначного диапазона значений в системе, для каждой представляющей интерес цели (угловые доплеровские координаты), что создает огромную вычислительную нагрузку.^[4] Потери на рулевом управлении могут возникать, когда истинные возвратные сигналы от цели не попадают точно в одну из точек в нашей двумерной угловой доплеровской плоскости, которую мы выбрали с помощью нашего вектора наведения. ${\displaystyle s}$.^[1]

Подходы

Различные подходы можно разбить, обработав таксономию,^[7] или за счет упрощения пространства данных / источников данных.^[2]

Прямые методы

Оптимальное решение - использование всех степеней свободы путем обработки адаптивного фильтра на антенных элементах. Для адаптивных прямых методов Образец инверсии матрицы (SMI) использует оценочную (выборочную) ковариационную матрицу помех вместо фактической ковариационной матрицы помех.^[8] Это связано с тем, что на практике фактическая ковариационная матрица помех неизвестна.^[1] Если он каким-либо образом известен, то его не нужно оценивать, и оптимальные веса фиксируются. Иногда это называют вариацией, не зависящей от данных. Вариация, зависящая от данных, оценивает ковариационную матрицу помех на основе данных. В системах связи MIMO это можно сделать с помощью обучающей последовательности.^[5] Детектор ясновидения дается, когда ковариационная матрица хорошо известна и определяется как:

${\displaystyle \mathbf {R_{k}} ={\mbox{E}}\left[x_{k}x_{k}^{H}\right]{\Bigr |}_{H_{0}}}$

куда ${\displaystyle x_{k}}$ статистика моментального снимка пространства-времени для ${\displaystyle k^{th}}$ ячейка диапазона согласно гипотезе только помех, ${\displaystyle H_{0}}$.^[1] Для SMI ковариационная матрица интерференции для ${\displaystyle k^{th}}$ Ячейка диапазона, состоящая из статистики от мешающего шума, помех и помех, оценивается следующим образом:^[4]

${\displaystyle \mathbf {\hat {R_{k}}} ={\frac {1}{P}}\sum _{m=0}^{P-1}x_{m}x_{m}^{H}}$

куда ${\displaystyle x_{m}}$ обучающие данные, полученные от входного процессора для ${\displaystyle m^{th}}$ ячейка диапазона. Следовательно, пространственно-временные снимки, окружающие желаемую ячейку диапазона, усредняются. Обратите внимание, что снимок пространственно-временного снимка ячеек желаемого диапазона обычно исключается (как и ряд дополнительных ячеек, или «защитных ячеек»), чтобы предотвратить ухудшение статистики.^[1]

Основная проблема прямых методов - большая вычислительная сложность, связанная с оценкой и обращением матриц, сформированных из многих степеней свободы (большое количество элементов и / или импульсов).^[1] Кроме того, для методов, где ${\displaystyle \mathbf {R} }$ должны быть оценены с использованием выборок данных, количество выборок, необходимых для достижения конкретной ошибки, сильно зависит от размерности ковариационной матрицы помех.^[4] В результате для систем большой размерности это может потребовать недостижимого количества ячеек однозначного диапазона.^[1] Кроме того, эти смежные ячейки данных должны содержать стационарную статистику как функцию диапазона, что редко является хорошим предположением для большого количества требуемых ячеек (${\displaystyle 2NM}$ для ухудшения SINR на 3 дБ от оптимального, ясновидящего STAP).^[2][1]

Методы пониженного ранга

Методы пониженного ранга направлены на преодоление вычислительной нагрузки прямого метода за счет уменьшения размерности данных или ранга ковариационной матрицы помех.^[2] Это может быть выполнено путем формирования лучей и выполнения STAP в пространстве лучей.^[7] В пространстве луча можно использовать как пре-, так и пост-доплеровские методы. Постдоплеровские методы также могут использоваться на входе полного антенного элемента, чтобы уменьшить данные только в этом измерении. Популярным примером является антенна со смещенным фазовым центром (DPCA), которая представляет собой форму независимого от данных STAP в пространстве луча, пре-доплеровском.^[7] Цель состоит в том, чтобы выполнить формирование луча так, чтобы луч казался неподвижным, поскольку бортовой радар находится в движении в течение дискретных периодов времени, чтобы помехи появлялись без доплеровского эффекта.^[2] Однако фазовые ошибки могут вызвать значительное ухудшение работы, поскольку алгоритм не адаптируется к возвращаемым данным.^[2] Многие другие методы могут использоваться для уменьшения ранга ковариационной матрицы помех, и поэтому все методы в категории пониженного ранга могут рассматриваться как упрощающие инвертирование ковариационной матрицы:

${\displaystyle \mathbf {R} \Rightarrow \mathbf {\widetilde {R}} }$

Постдоплеровские методы разлагают проблему STAP на ${\displaystyle MN\times MN}$ проблема адаптивной фильтрации ${\displaystyle M}$ индивидуальные адаптивные фильтры длины ${\displaystyle N}$ (ан ${\displaystyle N\times N}$ проблема адаптивного фильтра).^[2] При выполнении фиксированной доплеровской обработки адаптивные фильтры становятся только пространственными.^[2] Поскольку отклик цели уже направлен в заданное положение по доплеровскому углу, размерность может быть уменьшена путем предварительной обработки нескольких доплеровских интервалов и углов, окружающих эту точку.^[4] Помимо уменьшения размерности адаптивного процессора, это, в свою очередь, уменьшает количество требуемых кадров обучающих данных при оценке ковариационной матрицы помех, поскольку эта величина зависит от размерности.^[2]

Поскольку эти методы уменьшают размерность данных, они по своей сути неоптимальны.^[1] Существует ряд методов для сравнения производительности методов с пониженным рангом и предполагаемых прямых методов с ясновидящим STAP (напрямую с точным знанием ковариационной матрицы помех и вектора управления целью), в основном основанных на потерях SINR.^[1] Одним из таких примеров является

${\displaystyle L_{s,2}={\frac {{\mbox{SINR}}{\Bigr |}_{W={\hat {W}}}}{{\mbox{SINR}}{\Bigr |}_{W=W_{opt}}}}}$

где мы взяли отношение SINR, оцененного с субоптимальными весами ${\displaystyle {\hat {W}}}$ и SINR оценивается с оптимальными весами ${\displaystyle W_{opt}}$.^[1] Обратите внимание, что в целом эта величина является статистической, и для определения среднего значения потерь SINR необходимо рассчитывать. Потери SINR ясновидящего также можно вычислить, взяв отношение оптимального SINR к системному SNR, что указывает на потерю из-за помех.^[1]

Методы на основе модели

Существуют также методы, основанные на модели, которые пытаются заставить или использовать структуру ковариационной матрицы помех. Более широко применимым из этих методов является структура матрицы ковариационного конуса.^[2] Цель состоит в том, чтобы компактно смоделировать помехи, после чего они могут быть обработаны с использованием методов главных компонентов или SMI с диагональной загрузкой (где добавляется случайная диагональная матрица небольшой величины, чтобы попытаться стабилизировать матрицу перед инвертированием).^[2] Это моделирование имеет дополнительное преимущество в виде декорреляции интерференционной утечки подпространства (ISL) и устойчиво к движению внутренних помех (ICM).^[2] Сначала применяется метод главных компонентов Анализ главных компонентов для оценки доминирующих собственных значений и собственных векторов, а затем применяет ковариационную конусность и добавляет оценочный минимальный уровень шума:

${\displaystyle \mathbf {{\widetilde {R}}_{PC-CMT}} =\left(\sum _{m=0}^{P-1}\lambda _{m}v_{m}v_{m}^{H}\right)\circ T+\sigma _{n}^{2}}$

куда ${\displaystyle \lambda _{m}}$ это ${\displaystyle m^{th}}$ собственное значение, оцененное с помощью PCA, ${\displaystyle v_{m}}$ ассоциированный ${\displaystyle m^{th}}$ собственный вектор, оцененный с помощью PCA, ${\displaystyle A\circ B}$ подразумевает поэлементное умножение матриц ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$, ${\displaystyle T}$ - расчетная конусность ковариационной матрицы, а ${\displaystyle \sigma _{n}^{2}}$ - расчетный минимальный уровень шума.^[2] Оценка ковариационного сужения ${\displaystyle T}$ может быть сложным, в зависимости от сложности базовой модели, пытающейся имитировать среду помех. Читателю предлагается увидеть ^[2] для получения дополнительной информации по этой конкретной теме. После того, как этот конус в достаточной степени смоделирован, его можно также применить к более простой адаптации SMI CMT следующим образом:

${\displaystyle \mathbf {{\widetilde {R}}_{SMI-CMT}} =\mathbf {{\widetilde {R}}_{SMI}} \circ T+\delta I}$

куда ${\displaystyle \mathbf {{\widetilde {R}}_{SMI}} }$ типичная матрица оценки СМИ, рассматриваемая в приближенном прямом методе, ${\displaystyle \delta }$ - коэффициент загрузки по диагонали, а ${\displaystyle I}$ - единичная матрица подходящего размера. Следует заметить, что это предназначено для улучшения стандартного метода SMI, в котором SMI использует меньшее количество интервалов диапазона в своем среднем, чем стандартный метод SMI. Поскольку в обучающих данных используется меньше выборок, матрица часто требует стабилизации в виде диагональной загрузки.^[2]

Более ограничивающие примеры включают моделирование интерференции, чтобы заставить структуры Теплица, и могут значительно снизить вычислительную сложность, связанную с обработкой, используя эту структуру.^[2] Однако эти методы могут пострадать из-за несоответствия модели, или вычислительная экономия может быть сведена на нет проблемой подгонки модели (такой как нелинейная проблема подгонки к матрице Теплица или блочно-теплицевой матрицы) и оценки порядка.^[2]

Современные приложения

Несмотря на почти 40-летнее существование, STAP имеет современные приложения.

MIMO коммуникации

Для дисперсионных каналов связь с несколькими входами и несколькими выходами может сформулировать решения STAP. Компенсация частотно-избирательного канала может использоваться для расширения традиционных выравнивание методы для SISO системы, использующие STAP.^[5] Чтобы оценить передаваемый сигнал ${\displaystyle \mathbf {\hat {S}} }$ в приемнике MIMO мы можем линейно взвесить наш пространственно-временной вход ${\displaystyle \mathbf {\widetilde {Z}} }$ с матрицей весов ${\displaystyle \mathbf {\widetilde {W}} }$ следующее

${\displaystyle \mathbf {\hat {S}} =\mathbf {\widetilde {W}} ^{\mathrm {T} }\mathbf {\widetilde {Z}} }$

свести к минимуму среднеквадратичная ошибка (MSE).^[5] Использование STAP с обучающей последовательностью ${\displaystyle \mathbf {\widetilde {S}} }$, оценочная оптимальная матрица весов (коэффициенты STAP) определяется как:^[5]

${\displaystyle \mathbf {\widetilde {W}} \approx \left(\mathbf {\widetilde {Z}} \mathbf {\widetilde {Z}} ^{\mathrm {T} }\right)\mathbf {\widetilde {Z}} \mathbf {\widetilde {S}} ^{\mathrm {T} }}$

MIMO радар

STAP продлен на MIMO радар для улучшения пространственного разрешения для помех, используя модифицированные SIMO радиолокационные методы STAP.^[9] Требуются новые алгоритмы и формулировки, которые отходят от стандартной техники из-за большого ранга подпространства помех и помех, создаваемого виртуальными решетками радаров MIMO,^[9] который обычно включает использование блочно-диагональной структуры ковариационной матрицы интерференции MIMO, чтобы разбить проблему обращения большой матрицы на более мелкие. По сравнению с радиолокационными системами SIMO, которые будут иметь ${\displaystyle M}$ передавать степени свободы, и ${\displaystyle NL}$ получить степени свободы, всего ${\displaystyle M+NL}$, Радарные системы MIMO имеют ${\displaystyle MNL}$ степеней свободы, что обеспечивает гораздо большее адаптивное пространственное разрешение для уменьшения помех.^[9]

Смотрите также

• Обработка массива
• Формирование луча
• MIMO
• Мультистатический радар
• Фазированная антенная решетка
• Радар с синтетической апертурой

Рекомендации

1. Мелвин, W.L., Обзор STAP, Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine - Special Tutorials Issue, Vol. 19, № 1, январь 2004 г., стр. 19–35.
2. Гуэрчи, Дж. Р., Пространственно-временная адаптивная обработка для радара, Издательство Artech House, 2003. ISBN  1-58053-377-9.
3. Ричардс, М.А., Шеер, Дж. А., и Холм, В.А., Принципы современного радара, Издательство SciTech, 2010. ISBN  1-89112-152-9.
4. Ричардс, М.А., Основы обработки радиолокационных сигналов, McGraw-Hill Education, 2014 г. ISBN  0-07179-832-3.
5. Блисс, Д.В. и Говиндасами, С., Адаптивная беспроводная связь: каналы и сети MIMO, Cambridge University Press, 2013. ISBN  1-10703-320-9.
6. Даджен, Д. и Мерсеро, Р.М., Многомерная цифровая обработка сигналов, Серия обработки сигналов Прентис-Холла, 1984. ISBN  0-13604-959-1.
7. Уорд, Дж., Пространственно-временная адаптивная обработка для бортового радара, Коллоквиум НВО по пространственно-временной адаптивной обработке (Ref. No. 1998/241), апрель 1998 г., стр. 2 / 1–2 / 6.
8. Ван Трез, Х. Л., Оптимальная обработка массива, Вили, Нью-Йорк, 2002.
9. Ли, Дж. И Стойка, П., Обработка сигналов радара MIMO, Джон Уайли и сыновья, 2009. ISBN  0-47017-898-1.

дальнейшее чтение

• Бреннан, Л. и является. Рид, Теория адаптивного радара, IEEE AES-9, стр. 237–252, 1973
• Гуэрчи, Дж. Р., Пространственно-временная адаптивная обработка для радара, Издательство Artech House, 2003. ISBN  1-58053-377-9.
• Клемм, Ричард, Принципы пространственно-временной адаптивной обработки, Издательство IEE, 2002. ISBN  0-85296-172-3.
• Клемм, Ричард, Приложения пространственно-временной адаптивной обработки, Издательство IEE, 2004. ISBN  0-85296-924-4.
• Мелвин, W.L., Обзор STAP, Журнал IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine - Special Tutorials Issue, Vol. 19, № 1, январь 2004 г., стр. 19–35.
• Майкл Паркер, Основы работы с радаром - Часть 4: Адаптивная обработка пространства-времени, EETimes, 28.06.2011