陳 錕 朱正平 寧百齊 藍(lán)加平 孫奉?yuàn)?/p>

（1.中南民族大學(xué)電信學(xué)院，湖北 武漢430074；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029）

引 言

大量存在的高頻干擾電波對(duì)工作在高頻段的各種雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了不良影響［1-3］，早期的電離層數(shù)字測(cè)高儀采用的脈沖壓縮、數(shù)字濾波、頻域相關(guān)疊加等技術(shù)均不能直接消除落入接收機(jī)信號(hào)帶寬內(nèi)的干擾［4-6］，這一情況隨著高頻發(fā)射源的增多而日趨嚴(yán)重［7］.現(xiàn)有技術(shù)中，有的通過(guò)天線探測(cè)信號(hào)的極化方向、極化方式和到達(dá)角等信息，識(shí)別出干擾信號(hào)并扣除［8-9］；有的利用信號(hào)處理算法消除干擾.美國(guó)麻州大學(xué)洛厄爾分校大氣研究中心研制的數(shù)字電離層測(cè)高儀DPS-4D［10］和武漢大學(xué)研制的武漢電離層斜向入射探測(cè)儀［11］都采用了干擾消除算法來(lái)抑制干擾.其原理是基于Rife雙譜線方法［12］從回波中識(shí)別并估算出干擾的頻率、幅度和相位，然后從原始信號(hào)中扣除該干擾，達(dá)到消除和抑制干擾的目的.本文對(duì)現(xiàn)有的雙譜線方法進(jìn)行了改進(jìn)，并在自主研發(fā)的數(shù)字掃頻接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了干擾消除實(shí)驗(yàn)，給出了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析結(jié)果.

1 干擾消除原理

在電離層測(cè)高儀接收回波的時(shí)間窗口內(nèi)，沒(méi)有混疊干擾和噪聲的電離層測(cè)高儀回波信號(hào)為脈沖信號(hào)，實(shí)際接收信號(hào)中混疊的噪聲和干擾可看作空間環(huán)境中的高斯噪聲和人工電臺(tái)產(chǎn)生的窄帶（＜10kHz）干擾，其中窄帶干擾信號(hào)可以視為多個(gè)單頻正弦波干擾疊加而成，且干擾幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度［13］.通過(guò)合理設(shè)置幅度閾值，可以將干擾從脈沖回波與噪聲中區(qū)分出來(lái)［14］.估算出每個(gè)干擾正弦波的頻率、幅度和相位，就能夠通過(guò)時(shí)域扣除來(lái)消除或抑制干擾.

消除干擾的首要問(wèn)題是測(cè)量出干擾頻率，基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）插值方法原理［15-18］，改進(jìn)的三譜線頻率估算方法如下.

設(shè)混疊入回波信號(hào)中的一個(gè)單頻正弦干擾為

式中：a為干擾幅度；f為干擾頻率；Φ為干擾初相.采樣間隔時(shí)間為T(mén)s（采樣頻率fs＝1/Ts）；采樣序列長(zhǎng)度為N.將干擾頻率表示為偏離FFT頻譜中主峰譜線頻率的形式，有

式中km為正整數(shù).FFT頻譜中干擾主峰及其兩旁譜線的強(qiáng)度分別為

利用式（3）～（5）中的實(shí)部列方程組求解δ，可得到

利用（3）～（5）中的虛部列方程組求解δ，可得到

式（6）和（7）均可用于計(jì)算δ，實(shí)際計(jì)算時(shí)，為了提高計(jì)算精度，當(dāng)S（km）實(shí)部絕對(duì)值大于虛部絕對(duì)值時(shí)，使用式（6）計(jì)算δ，否則使用式（7）計(jì)算δ.

計(jì)算出δ后，在f＝（km＋δ）fs/N 頻率處，

利用式（8）計(jì)算單頻干擾I（t）的復(fù)數(shù)幅度Sf為

從接收信號(hào)序列中扣除式（9）描述的干擾序列即實(shí)現(xiàn)干擾消除.考慮通帶內(nèi)可能存在多個(gè)頻率的干擾，干擾抑制和消除算法被設(shè)計(jì)為循環(huán)處理，具體流程如下：

1）使用FFT方法，計(jì)算單次回波在信號(hào)帶寬內(nèi)所有譜線的平均幅度，然后搜尋幅度最高的譜線，利用干擾復(fù)數(shù)幅度Sf構(gòu)造出干擾數(shù)字序列當(dāng)最高譜線與平均幅度的比值大于閾值時(shí)，繼續(xù)下面的干擾消除過(guò)程，否則干擾消除處理結(jié)束.

2）利用式（6）～（9）構(gòu)造干擾序列，然后從原始信號(hào)中扣除該干擾.

3）若循環(huán)次數(shù)未達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)，重復(fù)1）、2）、3）這三個(gè)過(guò)程.

2 仿真結(jié)果

將式（1）中干擾幅度a設(shè)為1，干擾頻率設(shè)為f＝（104＋δ′Δf）Hz，其中δ′為隨機(jī)數(shù)，在［-0.5，0.5］區(qū)間均勻分布，初相Φ也取隨機(jī)數(shù)，在［-180°，180°］區(qū)間均勻分布.干擾采樣間隔時(shí)間設(shè)為5μs，采樣時(shí)間窗口設(shè)為5ms，則回波序列長(zhǎng)度為1 000點(diǎn)，F(xiàn)FT譜線間隔Δf＝200Hz.將干擾看作“信號(hào)”，按設(shè)定的信噪比疊加高斯白噪聲n（t），得到干擾信號(hào)

利用Monte-Carlo方法，在設(shè)定信噪比條件下，隨機(jī)產(chǎn)生10 000次干擾信號(hào)，分別用Rife雙譜線方法和優(yōu)化后的三譜線方法對(duì)式（10）描述干擾的頻率、幅度和相位進(jìn)行估計(jì).圖1顯示兩種方法都能夠提高FFT的頻率粗估計(jì)精度，且誤差隨著信噪比的提高而下降；三譜線方法在所有信噪比條件下都獲得了更高的頻率、幅度和相位精度，在頻率參數(shù)的估計(jì)上，三譜線方法的誤差均方差降低了50%.圖1中頻率誤差為頻率絕對(duì)誤差fe的均方差與Δf的比值，幅度誤差為幅度絕對(duì)誤差ae的均方差與a的比值，相位誤差用相位絕度誤差Φe的均方差表示.

圖1 雙譜線與三譜線干擾識(shí)別誤差隨信噪比變化圖

3 電離層測(cè)高儀上的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

采用上述干擾消除算法在數(shù)字電離層測(cè)高儀探測(cè)系統(tǒng)上開(kāi)展干擾消除實(shí)驗(yàn).該系統(tǒng)基于脈沖雷達(dá)原理，綜合應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字電離層測(cè)高儀技術(shù)［10，19］，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，脈沖載波掃描頻率工作在1～30MHz，脈沖寬度為533μs，采用16位脈沖壓縮編碼2PSK調(diào)制，碼元寬度33μs，虛高分辨力為5km，脈沖重復(fù)頻率為100Hz，脈沖發(fā)射峰值功率為600W，發(fā)射與接收天線均采用折疊偶極子天線.

圖2 電離層回波干擾消除實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖3給出了應(yīng)用三譜線干擾消除方法前后的時(shí)域波形與頻譜對(duì)比圖.圖3（b）顯示干擾消除算法扣除了信號(hào)帶寬內(nèi)5.06kHz處的強(qiáng)干擾信號(hào)，并抑制了-2.28kHz處的干擾信號(hào)，從干擾消除前后的時(shí)域波形圖3（a）可以看出，干擾抑制效果明顯，干擾消除后虛高271km處的回波（圖中圓圈處）更易識(shí)別.

圖4顯示了三譜線干擾消除方法對(duì)頻高圖整體質(zhì)量的改善，應(yīng)用干擾消除方法后，對(duì)多個(gè)頻點(diǎn)存在的干擾抑制效果明顯，其中7.3MHz，9.8MHz和11.8MHz附件的干擾被消除，干擾消除后，有效回波正確顯現(xiàn).部分頻點(diǎn)如4.3MHz附近，由于干擾被抑制后信噪比提高，頻高圖描跡有效點(diǎn)增多，使得頻高圖的描跡更準(zhǔn)確.圖5出了對(duì)圖4探測(cè)數(shù)據(jù)分別應(yīng)用Rife雙譜線和三譜線方法進(jìn)行干擾抑制的效果.設(shè)干擾信號(hào)能量的抑制比值為IS，單位為dB，計(jì)算公式為

式中：Vb為干擾消除前回波有效值；Va為干擾消除后回波有效值.圖5顯示：兩種方法都能夠起到干擾抑制作用，干擾信號(hào)的最大抑制比出現(xiàn)在9.6 MHz處，三譜線和雙譜線方法分別使干擾抑制44 dB和40dB.相比雙譜線方法，在大多數(shù)頻點(diǎn)三譜線方法均獲得了更優(yōu)的干擾抑制效果，抑制能力提高1～6dB.尤其在2～5MHz范圍內(nèi)，在干擾強(qiáng)度與信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，三譜線方法對(duì)信噪比的提升具有更大的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，這與圖1的信噪比改善效果相吻合，圖5中5～7MHz頻率段，由于不存在窄帶干擾信號(hào)，干擾消除算法不產(chǎn)生干擾抑制效果，不提升信噪比.

4 結(jié) 論

改進(jìn)后的三譜線干擾消除算法，通過(guò)循環(huán)運(yùn)算可扣除多個(gè)頻點(diǎn)的干擾，并保證了干擾扣除過(guò)程的收斂.實(shí)驗(yàn)證明該方法對(duì)窄帶干擾抑制能力可達(dá)20～60dB，相比現(xiàn)有的雙譜線算法具有更強(qiáng)的干擾抑制能力.顯著提高了電離層測(cè)高儀的抗干擾能力和頻高圖的質(zhì)量.作為下一步的工作，針對(duì)非窄帶信號(hào)，采用調(diào)制識(shí)別技術(shù)對(duì)寬帶干擾信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，可進(jìn)一步提高強(qiáng)干擾環(huán)境下的回波信號(hào)識(shí)別能力，這對(duì)于利用數(shù)字電離層測(cè)高儀開(kāi)展電離層精細(xì)結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)的觀測(cè)研究，具有重要意義.

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