任 博 施龍飛 王洪軍 李永禎 王國(guó)玉

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抑制雷達(dá)主波束內(nèi)GSM干擾的極化濾波方法研究

任 博*①②施龍飛①②王洪軍③李永禎①②王國(guó)玉①②

① (國(guó)防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410073)②(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)③(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 武漢 430077)

針對(duì)雷達(dá)在實(shí)際中受到的GSM通信基站干擾問(wèn)題，該文采用極化濾波抗干擾的方法，在現(xiàn)有自適應(yīng)極化對(duì)消(APC)算法基礎(chǔ)上提出了一種基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波算法，先估計(jì)GSM信號(hào)的部分極化Stokes矢量，后依據(jù)干擾功率最小原則計(jì)算最優(yōu)接收極化。通過(guò)開(kāi)展極化抗干擾外場(chǎng)試驗(yàn)，證明了極化濾波方法對(duì)于基站干擾抑制的有效性。與傳統(tǒng)算法的比較說(shuō)明了該方法在保證濾波效果的基礎(chǔ)上，用于權(quán)值收斂的時(shí)間更短，性能更穩(wěn)定。

雷達(dá)；GSM干擾；極化濾波；部分極化；抗干擾

1 引言

當(dāng)前，隨著手機(jī)通信基站的廣泛建設(shè)，在帶來(lái)通信便利的同時(shí)也帶來(lái)一些隱患，例如，GSM通信基站信號(hào)對(duì)同頻段低空預(yù)警情報(bào)雷達(dá)和民航空管雷達(dá)造成的干擾事件近年來(lái)時(shí)有報(bào)道[1]，此類事件已經(jīng)威脅到國(guó)土防空和民航安全。通常的解決辦法是：預(yù)警情報(bào)雷達(dá)被迫放棄使用與GSM基站信號(hào)相同的頻段，空管雷達(dá)附近的通信基站被迫降低發(fā)射功率甚至關(guān)閉。

關(guān)于GSM基站信號(hào)對(duì)同頻段雷達(dá)的干擾問(wèn)題僅有少量文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)報(bào)道[2]，但僅僅從功率對(duì)抗角度對(duì)干擾特性進(jìn)行了分析，未能涉及信號(hào)層面，且未能給出對(duì)此類干擾的抑制方法。劉愛(ài)軍等人[3]采用極化濾波方法就高頻地波雷達(dá)對(duì)電臺(tái)干擾的抑制問(wèn)題進(jìn)行了研究，而對(duì)于GSM干擾抑制問(wèn)題，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。實(shí)際上由于通信基站往往是廣域網(wǎng)狀分布、時(shí)域持續(xù)存在，而雷達(dá)目標(biāo)可能從任意方位進(jìn)入，包括從接近于基站方位的方向進(jìn)入，因此，傳統(tǒng)的基于空域、時(shí)域?yàn)V波的抗干擾措施(如旁瓣對(duì)消、旁瓣匿影)對(duì)于通信基站干擾往往是無(wú)效的。而限于技術(shù)水平，只能采用上述頻域隔斷的辦法解決同頻段互擾問(wèn)題，造成了頻譜資源的極大浪費(fèi)，尤其是隨著手機(jī)用戶數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和通信基站的建設(shè)，該頻段雷達(dá)的可用頻率資源受到極大的壓縮。本文擬采用極化域?yàn)V波技術(shù)，利用基站信號(hào)電磁波的極化矢量特征，通過(guò)自適應(yīng)加權(quán)配置雷達(dá)雙極化天線接收通道的幅相系數(shù)來(lái)對(duì)消GSM基站信號(hào)，保證有效發(fā)揮其在戰(zhàn)場(chǎng)低空目標(biāo)探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有APC算法已日趨成熟，但在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，收斂步長(zhǎng)因子難以自適應(yīng)，會(huì)直接影響到濾波器響應(yīng)時(shí)間及濾波效果。UHF波段雷達(dá)的工作場(chǎng)景通常比較復(fù)雜，受地形、建筑物反射以及基站本身發(fā)射信號(hào)復(fù)雜性的影響，到達(dá)雷達(dá)天線的GSM信號(hào)通常并非完全極化波，APC算法的性能受到進(jìn)一步的限制。

本文重點(diǎn)針對(duì)GSM干擾位于雷達(dá)主波束內(nèi)的情形，首先分析指出了GSM信號(hào)的部分極化波特性，進(jìn)而提出了基于Stokes矢量的最佳接收極化計(jì)算方法，推導(dǎo)了最佳接收極化的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展極化抗干擾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了極化濾波方法能夠有效抑制GSM基站干擾信號(hào)，且相比于傳統(tǒng)APC算法，本文提出的濾波方法無(wú)需考慮迭代收斂過(guò)程中步長(zhǎng)因子的選取問(wèn)題，具有更快的權(quán)值收斂速度和更為穩(wěn)定的干擾抑制性能。

2 GSM信號(hào)極化特性分析

3 針對(duì)部分極化波的極化濾波算法

3.1 APC迭代濾波方法

APC迭代濾波方法是以干擾輸出功率最小為準(zhǔn)則，通過(guò)矢量迭代的方式盡可能使接收極化與干擾極化互為交叉極化，以達(dá)到對(duì)干擾的抑制效果[19]。極化對(duì)消通常分兩步進(jìn)行：首先只接收干擾信號(hào)，進(jìn)行迭代計(jì)算，獲得輔助通道的最佳權(quán)系數(shù)；然后用最佳權(quán)系數(shù)對(duì)輔助極化通道加權(quán)以對(duì)消干擾，圖3給出了極化對(duì)消器的處理流程。

圖1 GSM信號(hào)在極化球上的分布

圖2 GSM信號(hào)極化度變化圖

圖3 APC權(quán)系數(shù)迭代過(guò)程

為使干擾信號(hào)輸出功率最小，需尋找使兩通道均方誤差最小的最優(yōu)權(quán)值，文獻(xiàn)[19]利用最陡梯度思想給出最優(yōu)權(quán)值遞推公式如下：

3.2 基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波方法

本節(jié)提出一種基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波算法：對(duì)正交極化通道接收到的干擾信號(hào)進(jìn)行采樣，統(tǒng)計(jì)干擾信號(hào)的極化Stokes矢量，進(jìn)而針對(duì)該Stokes矢量推導(dǎo)得到了最佳接收極化矢量的表達(dá)式及極化通道加權(quán)系數(shù)，通過(guò)對(duì)兩極化通道加權(quán)合并可將干擾信號(hào)對(duì)消。

該方法對(duì)信號(hào)矢量進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)平均以及直接變換，替代了現(xiàn)有APC算法的時(shí)域迭代計(jì)算，從而尋找到最佳極化矢量，不存在迭代算法中因難以設(shè)定最佳步長(zhǎng)因子帶來(lái)的性能損失，具有更為穩(wěn)定可靠的性能。算法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 最佳接收極化計(jì)算實(shí)現(xiàn)流程

將式(10)代入式(11)可以得到用于對(duì)V通道加權(quán)的最優(yōu)權(quán)值如式(12)所示：

V通道加權(quán)后與H通道合并得到對(duì)消后的輸出為

4 干擾對(duì)消試驗(yàn)與濾波算法性能分析

4.1 干擾對(duì)消試驗(yàn)

干擾對(duì)消外場(chǎng)試驗(yàn)仍選取第2節(jié)中提到的基站作為GSM干擾源，同時(shí)由信號(hào)源和線極化天線構(gòu)成的輻射源，用以模擬目標(biāo)回波，分別采用上述兩種極化濾波算法進(jìn)行干擾對(duì)消和干擾背景下的目標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

4.2 濾波算法性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決基站GSM信號(hào)對(duì)同頻段雷達(dá)引起的干擾問(wèn)題，本文提出采用極化濾波抗干擾的方法。首先利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了GSM基站信號(hào)在極化球上的分布特性，說(shuō)明了利用極化方法抑制該類干擾的可行性；然后針對(duì)現(xiàn)有APC迭代算法在工程實(shí)現(xiàn)中存在的問(wèn)題，提出一種新的基于部分極化波最優(yōu)接收的極化濾波算法，克服了迭代算法步長(zhǎng)因子難以設(shè)定的問(wèn)題，性能更為穩(wěn)定。最后開(kāi)展外場(chǎng)極化抗干擾試驗(yàn)，驗(yàn)證了極化濾波算法對(duì)于GSM干擾信號(hào)抑制的有效性，并通過(guò)比較說(shuō)明了本文算法相比現(xiàn)有APC迭代濾波方法，在保證濾波效果的同時(shí)用于計(jì)算權(quán)值的時(shí)間更短，性能更穩(wěn)定。本文主要針對(duì)位于主波束內(nèi)的單個(gè)基站信號(hào)，對(duì)雷達(dá)干擾的問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)討論，對(duì)于多個(gè)基站多目標(biāo)的情況將作為下一步研究的工作。

圖5 濾波前后信號(hào)時(shí)域

圖6 濾波算法性能的比較

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任 博： 男，1986年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、綜合電子信息系統(tǒng)建模與仿真.

施龍飛： 男，1978年生，副研究員，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、雷達(dá)系統(tǒng)仿真.

王洪軍： 男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)天饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真.

李永禎： 男，1977年生，副教授，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、目標(biāo)識(shí)別.

Investigation on of Polarization Filtering Scheme to Suppress GSM Interference in Radar Main Beam

Ren Bo①②Shi Long-fei①②Wang Hong-jun③Li Yong-zhen①②Wang Guo-yu①②

①(,,410073,)②(,,410073,)③(,430077,)

A polarization filtering scheme is employed to resolve interference from GSM base station to the radar in practice. By analyzing the existing Auto Polarization Cancellation (APC) algorithm, a new filtering algorithm based on the optimal reception of partially polarized signal is proposed. The polarization Stokes vector of GSM signal is estimated, and then the optimal receptive polarization is calculated on the principle of the minimum interference power. The effectiveness of polarization filter is finally validated by the experiment of interference suppression. Compared with the existing algorithm, the proposed method not only achieves good performance in anti-interference, but needs shorter time in weight convergence, and it is more stable as well.

Radar; GSM interference; Polarization filter; Partially polarized; Anti-interference

TN95

A

1009-5896(2014)02-0459-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00257

任博 rb410@139.com

2013-03-04收到，2013-11-08改回