基于方向分解的高頻地波雷達射頻干擾抑制?

朱永恒,黎 明,牛 炯,張 玲,紀永剛

(1.中國海洋大學工程學院，山東省高校海洋機電裝備與儀器重點實驗室 山東 青島 266100；2.國家海洋局第一研究所 山東 青島 266061)

高頻地波雷達是海洋立體監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，可用于運動船只、低空飛行目標的探測，以及流場、風場、浪場等海態(tài)信息的提取。雷達的工作頻段為3～30 MHz，受到短波電臺和短波通訊等射頻干擾的影響嚴重。射頻干擾的能量大，嚴重影響了目標信號的檢測和海態(tài)信息的提取，甚至會導致接收通道飽和。

為了降低射頻干擾的影響，可以通過頻率監(jiān)測，并調整雷達工作頻率，以避開射頻干擾。但由于短波信號的工作時間和頻率都是隨機的，選擇相對“寂靜”的工作頻帶是比較困難的。因此，針對射頻干擾的特點，發(fā)展射頻干擾抑制技術，減小射頻干擾對有效信號的影響，是非常有意義的。

近年來國內外的學者提出了一系列的射頻干擾抑制算法。根據(jù)射頻干擾抑制算法的作用域可以分為時域抑制、頻域抑制、空域抑制。在時域進行抑制的有：用AR模型進行預測抑制[1]，運用獨立分量分析(ICA)方法實現(xiàn)了目標回波與射頻干擾的分離[2]；在頻域進行抑制的有：基于特征子空間的正交投影算法[3-6]，利用最小二乘法進行抑制[7]；在空域進行抑制的有：借助水平極化輔助天線的空間極化濾波[8-11]，高頻雷達在射頻干擾下的目標探測研究[12]。這些方法對于射頻干擾都能起到一定的抑制效果，但是他們都存在一些不足。如AR模型預測算法和時域剔除法適合于射頻干擾較弱和持續(xù)時間較短的瞬時信號，對于長時間存在并且信號較強的連續(xù)電臺干擾的抑制性能比較差；斜投影極化濾波方法需要增加一根極化天線，會增加系統(tǒng)的復雜度。實踐證明僅在單一作用域對射頻干擾進行抑制，效果有限。

在實際工程應用中，考慮到處理流程和計算量等因素，常規(guī)的射頻干擾抑制流程為對單個通道距離多普勒(RD)譜數(shù)據(jù)進行處理：選取遠距離的射頻干擾進行位置和幅值估計；基于單元格對消方法對射頻干擾進行抑制[3]。這樣做能夠直接消除射頻干擾，但是由于噪聲的影響，會使得近距離目標點出現(xiàn)幅值小于或等于遠距離的射頻干擾的狀況，采用常規(guī)的射頻干擾抑制會使得目標點被抑制，難以在后續(xù)的檢測中發(fā)現(xiàn)。

本文提出了一種基于方向分解的高頻地波雷達射頻干擾抑制改進算法，在分析射頻干擾特性的基礎上，利用射頻干擾的方向性特點,提出了一種先進行方向分解，再在各個方向上進行射頻干擾抑制，最后按波束指向進行幅值合成的信號處理方法。該方法對于目標和射頻干擾方向不同情況，效果尤其明顯。仿真和實測數(shù)據(jù)驗證了方法的有效性。

1 射頻干擾特性分析

射頻干擾混疊在信號回波中通過天線進入雷達系統(tǒng)，與回波信號一起進行處理。

天線接收到信號模型為：

r(t)=sR(t)+x(t)+n(t)，

(1)

式中：sR(t)為發(fā)射信號的回波；x(t)為射頻干擾信號；n(t)為隨機噪聲。

通常電臺通信等射頻干擾為窄帶信號，其信號頻率變化相對于地波雷達信號為慢變信號，因此可以把射頻干擾信號看為一單頻信號。由于電臺等造成的射頻干擾是有源的，在其持續(xù)時間內功率基本保持穩(wěn)定，因此射頻干擾強度大并且幅值基本保持穩(wěn)定。天線陣接收到射頻干擾信號，由于到達每個天線的波程不同，波程差產生相位差，第k根天線接收到的射頻干擾信號模型表示為：

xk(t,n)=Aej[2πfI(t+nT)+φ0]e-jkΔφ，

(2)

本文分析的高頻地波雷達采用線性調頻連續(xù)波(FMCW)作為發(fā)射信號[5]，其信號的模型為：

(3)

式中：f0為發(fā)射信號起始頻率；α=B/T為調頻斜率；B為調頻帶寬(Hz)。

接收的信號r(t)經過去載頻、去斜、解距離、解速度之后形成了RD譜。由于這一系列運算均為線性運算，因此可以單獨對射頻干擾x(t)進行上述處理，進一步分析其在RD譜上的特性。

通過單獨對射頻干擾進行處理，獲得射頻干擾解速度之后數(shù)學模型[5]為：

(4)

由δ(fn-(fI-fc))可知射頻干擾出現(xiàn)在RD譜上的頻率位置為fI-fc。根據(jù)公式f=αt=(B/T)(2R/c)可知射頻干擾在RD譜上每個距離元的幅值為：

|Z(f,fn)|=ADAaAb。

(5)

因此式(5)為常數(shù)，可知射頻干擾在每個距離元的幅值相同，并呈條帶狀分布。

對解速度后的數(shù)據(jù)通過DBF在指向角β進行處理，公式如下：

(6)

式中：wk為權系數(shù)，采用切比雪夫加權；c為光速。

加權后公式如下：

(7)

由式(7)可知在β=θ時Q(β)取得最大值，因此射頻干擾通過DBF進行加權后在其來波方向上幅值最大，其它方向上依次減弱。

由以上理論分析可知，射頻干擾在RD譜上通常具有以下特性：干擾強度大，在距離向上具有強相關性，具有方向性，在來波方向上最為明顯，而在其它方向上衰減較明顯。在實際中，考慮到目標的方向和射頻干擾的方向不完全一致，即在不同方向上，射頻干擾對目標的影響程度不同。因此，本文的思路是首先進行方向分解，在不同方向上分別抑制射頻干擾，然后再進行合成。這樣可以最大限度地降低射頻干擾抑制對目標的影響。

2 改進的射頻干擾抑制

2.1 基本流程

根據(jù)射頻干擾具有方向性的特點考慮在方向上對回波數(shù)據(jù)進行分解，把射頻干擾和目標數(shù)據(jù)進行分離，使目標點所在方向上的數(shù)據(jù)，射頻干擾削弱、目標點增強。如圖1所示在0°目標點所在方向圖內射頻干擾的幅度值削弱。在RD譜上由于射頻干擾在距離向上幅度值的強相關性，并且在所有距離元上均有出現(xiàn)，考慮選取無目標和海態(tài)信息的遠距離元數(shù)據(jù)作為預測單元，估計射頻干擾的強度和位置信息并在其他距離元上相減消除。在實際工程應用中，改進的射頻干擾抑制流程如圖2所示。

2.2 DBF處理

對回波數(shù)據(jù)經過解距離、解速度處理之后獲得的RD譜數(shù)據(jù)通過DBF公式進行加權，獲取不同角度內的數(shù)據(jù)，分解角度數(shù)為N，加權公式如式(6)所示。

圖1 目標和射頻干擾方向圖Fig.1 Direction of target and radio frequency interference

圖2 改進后的射頻干擾抑制流程Fig.2 Improved radio frequency interference suppression process

2.3 射頻干擾多普勒頻偏位置和幅值估計

對每個角度內的數(shù)據(jù)分別處理，選取遠距離處的數(shù)據(jù)作為估計樣本，通過自協(xié)方差矩陣對射頻干擾的多普勒頻偏位置進行估計，通過求均值對射頻干擾的幅值進行估計。

獲取射頻干擾估計樣本：

Xi=[xi(1),xi(j),…,xi(n)]T。

(8)

式中：xi(j)為第i個距離元第j個多普勒元對應的數(shù)值。

構造自協(xié)方差矩陣模型：

(9)

式中：M為獲取遠距離單元格的樣本數(shù)量。

對Q進行特征值分解，把特征值按大小排列，得到λ1>λ2>…>λn。由于射頻干擾強度很大，因此尋找特征值明顯大的位置，對應于射頻干擾出現(xiàn)的多普勒頻偏位置。

獲取射頻干擾的幅值：

(10)

式中：Pi=[pi(1),pi(j),…,pi(n)]，在射頻干擾出現(xiàn)的頻率元，pi(j)=xi(j)；在不含射頻干擾的頻率元，pi(j)=0。

2.3 射頻干擾去除

在RD譜上，由于射頻干擾在距離向上具有強相關性，遠距離單元估測出的射頻干擾的幅值和近距離元上的幅值相同，因此在近距離單元上通過相減則可以去除射頻干擾并不對回波中的目標和海態(tài)信息造成影響：

(11)

式中：Y0為去除射頻干擾后幅值；Y為近距離單元幅值。

2.4 按波束指向對幅值合成

按上述方法對每個小角度內的數(shù)據(jù)分別進行射頻干擾抑制，在實際工程應用中，我們不可能對每個小角度內的目標點進行檢測分析，由于我們通過DBF對每個角度進行加權分解時，只是改變目標點、海雜波、地雜波、射頻干擾的幅度值，對其位置沒有變化，因此我們可以直接對所有抑制射頻干擾后的數(shù)據(jù)按波束指向對幅值進行求和，對所有的目標點信息進行融合使k個通道的數(shù)據(jù)變?yōu)閗-1個波束的數(shù)據(jù)。如上圖1黃線標示內的各個角度數(shù)據(jù)進行合成，以方便目標點的檢測和后續(xù)信息處理，合成公式如下式：

(12)

式中：G為合成后各個波束的RD譜數(shù)據(jù)，1

通過以上步驟，就可以抑制回波數(shù)據(jù)中摻雜的射頻干擾，并保留其中目標和海態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)射頻干擾掩藏下的目標信號，并提高目標的信干比。

3 實驗結果分析

3.1 距離強相關性驗證

根據(jù)上述分析射頻干擾在距離向上具有很強的相關性，由于這個性質對射頻干擾實際抑制效果有重要的影響。因此我們選取含有射頻干擾的實測數(shù)據(jù)進行驗證，取包含射頻干擾但不包含海雜波部分的頻偏數(shù)據(jù)作為觀測樣本數(shù)據(jù)，求各個距離元與參考距離元的相關性(參考距離元為在距離單元上隨機選取，此時選取第50距離元)，相關系數(shù)如圖3所示，因為前10個距離單元為高頻地波雷達盲區(qū)不予考慮，可見相關系數(shù)均在0.98以上,通過實際數(shù)據(jù)證明了射頻干擾在距離域上的強相關性，因此我們可以選擇遠距離單元的信號作為純的射頻干擾信號樣本進行估計。

圖3 射頻干擾各距離元相關性Fig.3 Correlation between various distance elements of radio frequency interference

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

本節(jié)通過仿真驗證兩個問題：(1)驗證射頻干擾和目標點來波方向不同時的抑制效果；(2)驗證同時有多個來波方向的射頻干擾時的抑制效果。仿真的方法是在實測數(shù)據(jù)背景上，仿真產生射頻干擾和目標船只信號，進行抑制方法驗證。具體設計了如下三個仿真實驗。

實驗一 目標與射頻干擾來自同一方向的干擾抑制效果仿真。添加一仿真目標其坐標為：頻偏0.09 Hz，距離元44，方向0度。同時添加一相同頻偏的射頻干擾對目標點進行掩蓋并覆蓋整條頻帶，方向0度。采用本文所述方法對射頻干擾進行抑制，實驗結果如圖4a、b所示。

實驗二 目標與射頻干擾來自不同方向的干擾抑制效果仿真。仿真目標點和背景均和實驗一相同，依次更改射頻干擾的方向為10、20、30、40度。采用本文所述方法對射頻干擾進行抑制，實驗結果如圖4c(射頻干擾方向為30度)，表1所示。

結果分析 圖4b、c顯示本文所述方法對不同方向射頻干擾均有良好的抑制效果。選取仿真目標點位置距離元進行對比分析，結果如圖4d所示。對于來波方向不同的射頻干擾具有更好的抑制效果(提高8.7dB)。

實驗三 多源射頻干擾抑制效果仿真。增加三條來自不同方向的射頻干擾，其坐標分別為：頻偏-0.13 Hz，方向15度；頻偏-0.1 Hz，方向-10度；頻偏0.09 Hz，方向25度。添加射頻干擾覆蓋下的目標點，均為第44個距離元，方向均為0度。采用本文所述方法對射頻干擾進行抑制，實驗結果如圖5所示。

圖4 單源射頻干擾仿真實驗結果Fig.4 The simulation experiment results of single source radio frequency interference

射頻干擾方向①(度)010203040抑制后目標點幅值②/dB-35.3-27.6-26.9-26.6-26.5目標點與背景幅值差③/dB24.732.433.133.433.5

Note：①The direction of Radio frequency interference；②The amplitade of aim after interference suppression；③Amplitude difference betueen Aim and back ground

結果分析 抑制前和抑制后的RD譜分別如圖5a、b所示，表明此抑制方法對多個來波方向的射頻干擾仍然具有良好的抑制效果。

圖5 多源射頻干擾仿真數(shù)據(jù)實驗結果Fig.5 The simulation experiment results of multi-source radio frequency interference

3.3 實測數(shù)據(jù)驗證及分析

選取高頻地波雷達對黃海某海域的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取的帶有射頻干擾的數(shù)據(jù)進行實驗，并將上述抑制算法和常規(guī)射頻干擾抑制算法進行性能比較。

如圖6a為抑制前數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被大片射頻干擾污染。圖6b為采用常規(guī)基于單元格對消方法抑制后的數(shù)據(jù)，圖6c為采用本文方法抑制后的數(shù)據(jù)。我們可以看到采用上述兩種方法射頻干擾都能夠被抑制，但是本文提出方法射頻干擾抑制更加徹底，目標信息獲得了保留并且幅度值獲得了增強。選取其中第36個距離元進行分析并進行歸一化處理，未抑制前的數(shù)據(jù)如圖6d所示，常規(guī)方法抑制后的數(shù)據(jù)如圖6e所示，本文采用方法抑制后的數(shù)據(jù)如圖6f所示，綠線顯示地雜波所在位置，兩條紅線分別顯示海雜波所在位置。由圖可知，被射頻干擾掩蓋的地雜波和海雜波信息，在射頻干擾抑制后直接顯示出來，如圖6f所示在-0.127和0.233 5 Hz頻偏位置顯示出被射頻干擾掩蓋下的目標點(用紅色圓圈標出)，比周圍背景提高約20 dB。通過圖6e、f對比，可以看出本文提出方法比常規(guī)方法濾除射頻干擾后目標信息更加易于提取。

圖6 雷達實測數(shù)據(jù)實驗結果Fig.6 Experimental results of radar measured data

4 結語

本文通過分析高頻地波雷達數(shù)據(jù)處理流程，推導了射頻干擾在RD譜上的表現(xiàn)形式，得出了射頻干擾在RD譜的距離向上幅度具有強相關性，在射頻干擾的來波方向上幅度達到最大。由此對常規(guī)通過單通道射頻干擾抑制方法進行改進，提出了一種基于方向分解的射頻干擾抑制方法。采用仿真和實測數(shù)據(jù)進行驗證，結果表明該方法能夠有效的進行射頻干擾抑制，并且減小抑制過程中對目標幅值信息的影響。

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