劉愛(ài)軍　邱云香　于長(zhǎng)軍　毛興鵬　鄧維波

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001)

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基于分?jǐn)?shù)傅里葉極化估計(jì)的高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾抑制

劉愛(ài)軍1邱云香1于長(zhǎng)軍1毛興鵬2鄧維波2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001)

摘要目標(biāo)探測(cè)高頻雷達(dá)工作在短波波段的低頻段(3～15 MHz),該波段內(nèi)密集的短波電臺(tái)對(duì)高頻雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)能力造成嚴(yán)重影響,必須對(duì)電臺(tái)干擾加以抑制才能保證高頻雷達(dá)全天候正常工作. 極化濾波是抑制高頻雷達(dá)中短波電臺(tái)干擾的有效方法,但需要對(duì)干擾和目標(biāo)信號(hào)的極化參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì). 文章在基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform, FrFT)準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)和干擾極化參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用估計(jì)的目標(biāo)和干擾極化參數(shù)來(lái)構(gòu)建極化子空間,通過(guò)極化斜投影算子對(duì)高頻雷達(dá)中的電臺(tái)干擾進(jìn)行抑制. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,基于FrFT的估計(jì)方法能準(zhǔn)確估計(jì)出回波信號(hào)中電臺(tái)干擾的極化狀態(tài),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的斜投影極化濾波能有效抑制高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾,提高雷達(dá)探測(cè)性能.

關(guān)鍵詞高頻雷達(dá);電臺(tái)干擾;FrFT;斜投影算子;極化濾波

DOI10.13443/j.cjors.2015031001

FrFT polarization estimation based radio interference suppression for high frequency surface wave radar

LIU Aijun1QIU Yunxiang1YU Changjun1MAO Xingpeng2DENG Weibo2

(1.HarbinInstituteofTechnologyatWeihai,Weihai264209,China;2.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract The performance of the high frequency surface wave radar (HFSWR), which works at the shortwave band (3-15 MHz), degrades heavily in an intensive radio interference environment. The radio interferences must be suppressed to ensure HFSWR all-weather operations. Polarization filtering is an effective method to suppress radio interferences, but the polarization parameters of signal and interference must be accurately estimated. On the basis of polarization parameters exact estimation by fractional Fourier transform (FrFT), a subspace is constructed using those estimated parameters, and the oblique projection operator is used to suppress radio interferences for HFSWR. The processed real data indicate that: the polarized parameters of the target and the radio interference can be estimated exactly by FrFT; the radio interferences can be effectively suppressed; the detection performance of HFSWR is further improved.

Keywords HF radar; radio interferences; FrFT; oblique projection operator; polarization filtering

引言

高頻地波雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)一般都工作在短波波段的低頻段(3～15 MHz),利用發(fā)射的垂直極化電磁波能夠沿著海面繞射傳播機(jī)理,實(shí)現(xiàn)海面艦船及超低空飛行目標(biāo)的超視距探測(cè),在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]. 然而該工作頻段內(nèi)存在著密集的短波電臺(tái),這些短波電臺(tái)極大地影響了高頻雷達(dá)的探測(cè)性能,特別是夜間,密集的短波電臺(tái)干擾甚至使高頻雷達(dá)無(wú)法正常工作. 為提高高頻雷達(dá)的探測(cè)性能,保證其全天候工作,必須采取有效方法抑制短波電臺(tái)干擾. 在眾多的抗電臺(tái)干擾方法[2-4]中,極化濾波利用干擾和目標(biāo)信號(hào)在極化參數(shù)上的差異來(lái)抑制干擾、增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào),并且該方法不受干擾空間分布及頻域分布的限制,是一種行之有效的抗干擾技術(shù)[5-7].

極化濾波需要建立與干擾極化參數(shù)相正交的極化濾波矢量,極化濾波效果很大程度上取決于對(duì)干擾信號(hào)極化參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確程度,傳統(tǒng)的信號(hào)極化參數(shù)估計(jì)通常都是在時(shí)域通過(guò)計(jì)算Stokes矢量參數(shù)得到,但該方法只能估計(jì)回波中存在單個(gè)干擾的情形,當(dāng)回波中存在多個(gè)干擾時(shí)估計(jì)得到的只是多個(gè)干擾的平均極化參數(shù). 文獻(xiàn)[8]提出了一種在頻域估計(jì)多個(gè)干擾的極化參數(shù)方法,解決了時(shí)域中無(wú)法估計(jì)多個(gè)干擾的極化參數(shù)問(wèn)題,但該方法也只能估計(jì)頻域中信號(hào)頻譜互不重疊的干擾極化參數(shù),當(dāng)存在多個(gè)頻譜重疊的干擾信號(hào)時(shí)無(wú)能為力. 文獻(xiàn)[9]提出了一種基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform, FrFT)的信號(hào)極化參數(shù)估計(jì)方法,利用線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated, LFM)信號(hào)在分?jǐn)?shù)域的能量聚集特性,對(duì)于那些頻譜有重疊的LFM干擾信號(hào),該方法可以準(zhǔn)確地估計(jì)出它們的極化參數(shù).

前面提到,在干擾極化參數(shù)準(zhǔn)確估計(jì)的前提下,極化濾波是高頻雷達(dá)抗電臺(tái)干擾的一種有效方法.普通極化濾波是通過(guò)建立與干擾極化參數(shù)相正交的極化濾波矢量來(lái)抑制干擾.但是普通極化濾波中并沒(méi)有考慮目標(biāo)信號(hào)的極化參數(shù),通常在抑制干擾的同時(shí)會(huì)給目標(biāo)信號(hào)帶來(lái)一定的極化損失,引起目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位失真.高頻雷達(dá)是相參系統(tǒng),信號(hào)的相位失真會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)不能進(jìn)行累積進(jìn)而無(wú)法正常探測(cè),因此普通極化濾波無(wú)法在實(shí)際的高頻雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用.為此,文獻(xiàn)[10-11]提出了一種零相移極化濾波方法,通過(guò)對(duì)濾波后目標(biāo)信號(hào)的幅度和相位補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)普通極化濾波中目標(biāo)信號(hào)的極化損失,并應(yīng)用到實(shí)際高頻雷達(dá)系統(tǒng)中對(duì)電臺(tái)干擾進(jìn)行了抑制,取得了理想的效果. 文獻(xiàn)[12-14]提出了一種斜投影極化濾波的方法,通過(guò)目標(biāo)和干擾信號(hào)的極化參數(shù)子空間構(gòu)造斜投影極化濾波算子來(lái)抑制干擾,解決了目標(biāo)和干擾信號(hào)極化參數(shù)不正交時(shí)傳統(tǒng)極化濾波方法引起的目標(biāo)信號(hào)極化損失問(wèn)題,該方法并不需要對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行任何補(bǔ)償即可恢復(fù)出目標(biāo)信號(hào).

本文以文獻(xiàn)[9]提出的FrFT信號(hào)極化參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ),對(duì)實(shí)測(cè)的高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)中的電臺(tái)干擾進(jìn)行極化參數(shù)估計(jì),然后結(jié)合文獻(xiàn)[12]中的斜投影極化濾波方法,對(duì)實(shí)際錄取的高頻雷達(dá)回波中的電臺(tái)干擾進(jìn)行抑制. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明基于FrFT的方法可以準(zhǔn)確估計(jì)干擾極化參數(shù),在此基礎(chǔ)上采用斜投影極化濾波方法可以對(duì)高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾完全抑制.

1高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾FrFT極化估計(jì)

1.1高頻雷達(dá)目標(biāo)回波與電臺(tái)干擾

高頻雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)通常為線性調(diào)頻脈沖截?cái)噙B續(xù)波,可表示為

πα(t-mTs)2]}.

(1)

(2)

高頻雷達(dá)中的短波電臺(tái)干擾通常為單載頻信號(hào),可表示為

(3)

式中: l代表短波電臺(tái)干擾的個(gè)數(shù); Ai(t)代表第i個(gè)干擾的包絡(luò); fi表示第i個(gè)干擾的頻率; φi表示第i個(gè)干擾的初始相位. 雷達(dá)接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻處理后目標(biāo)回波變?yōu)閱我还潭l率的信號(hào),而載波頻率固定的電臺(tái)干擾信號(hào)變?yōu)長(zhǎng)FM信號(hào)[5].

1.2高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾FrFT極化估計(jì)

1) FrFT極化狀態(tài)估計(jì)原理

設(shè)雙極化天線接收信號(hào)為單個(gè)的初始頻率為ω0的LFM信號(hào),則

(4)

式中:EH(t),EV(t)分別是水平極化分量和垂直極化分量;Ea為信號(hào)的振幅;ω0為L(zhǎng)FM信號(hào)的初始頻率;m為信號(hào)調(diào)頻率;θ為極化角;δ為極化角相差. 對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行角度為α的FrFT,可得到信號(hào)在分?jǐn)?shù)域的表示為

Gα(u)=Fα[E(t)]=

(5)

式中: Gα(u)為信號(hào)E(t)進(jìn)行α角度FrFT后的值;Fα表示α階的FrFT算子,表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行α階的FrFT,其具體可描述為

(6)

(7)

式中,GαH(u)和GαV(u)分別為Gα(u)的水平和垂直分量.

(8)

所以,分?jǐn)?shù)域中信號(hào)的極化狀態(tài)可以表示為

(9)

式(9)表明:對(duì)極化信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換后,信號(hào)的極化信息將保留,即分?jǐn)?shù)傅里葉變換不改變信號(hào)的極化狀態(tài).

2) 高頻雷達(dá)回波目標(biāo)和干擾極化估計(jì)步驟

根據(jù)前面對(duì)高頻雷達(dá)接收信號(hào)的分析得到,經(jīng)過(guò)混頻后的目標(biāo)回波表現(xiàn)為中心頻率固定的信號(hào),電臺(tái)干擾則變?yōu)長(zhǎng)FM信號(hào). 通過(guò)分析可知,對(duì)于固定頻率的中頻信號(hào)在分?jǐn)?shù)域內(nèi)無(wú)法找到合適的α使信號(hào)匯聚為沖激函數(shù),但直接進(jìn)行傅里葉變換就可以使固定中頻的信號(hào)匯聚. 因此,對(duì)于實(shí)際高頻雷達(dá)系統(tǒng)中的目標(biāo)回波和電臺(tái)干擾的極化參數(shù)估計(jì)步驟如下:

① 對(duì)輸入信號(hào)作α0階FrFT;

② 然后找到其在分?jǐn)?shù)域能量的極大值點(diǎn)ui(對(duì)應(yīng)于每個(gè)LFM信號(hào)的沖激響應(yīng))并求出對(duì)應(yīng)的Gα0H(ui)和Gα0V(ui);

③ 利用公式(9)分別求出每個(gè)電臺(tái)干擾的極化狀態(tài);

④ 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,在頻域求出固定中頻信號(hào)的極化狀態(tài).

2斜投影極化濾波

假設(shè)雷達(dá)回波信號(hào)包含目標(biāo)信號(hào)、電臺(tái)干擾和噪聲,雷達(dá)回波信號(hào)X(t)可寫(xiě)為

(10)

(11)

(12)

式中:

ρ=(cosεssinεi)2+(cosεisinεs)2-

2cosεisinεscosεssinεicos(δi-δs);

exp[j(δi-δs)];

exp[(-j(δi-δs)].

根據(jù)斜投影算子的性質(zhì)有

EABA=A; EABB=0.

(13)

經(jīng)該斜投影算子(即極化濾波矢量)與接收的雷達(dá)回波信號(hào)作用后的輸出結(jié)果可寫(xiě)為

Xo(t)=ΕABX(t)

=EABAEss(t)+EABBEii(t)+EABn(t)

=AEss(t)+EABn(t)

(14)

可見(jiàn),經(jīng)斜投影極化濾波后目標(biāo)信號(hào)完整地保留下來(lái),干擾信號(hào)被完全抑制. 圖1給出了高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾的斜投影極化抑制處理流程.

圖1　高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾極化抑制流程

3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文算法的有效性,我們通過(guò)威海高頻雷達(dá)站實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)錄取了包含電臺(tái)干擾的實(shí)際雷達(dá)回波數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)錄取過(guò)程中發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖截?cái)嗑€性調(diào)頻信號(hào),每個(gè)掃頻周期內(nèi)有32個(gè)脈沖.

3.1實(shí)測(cè)電臺(tái)干擾的極化估計(jì)

圖2和圖3分別給出了32個(gè)脈沖的干擾極化角和極化角相差的頻域和FrFT估計(jì).從圖中可以看出:在干擾和目標(biāo)頻率相近的15～20個(gè)脈沖內(nèi),采用FrFT方法估計(jì)的干擾極化參數(shù)基本保持平穩(wěn);而采用頻域估計(jì)方法估計(jì)的干擾極化參數(shù)則波動(dòng)較大. 這主要是由于在15～20個(gè)脈沖內(nèi)干擾和目標(biāo)信號(hào)的頻譜基本接近或者重疊,導(dǎo)致頻域估計(jì)的干擾極化參數(shù)實(shí)際是目標(biāo)和干擾的合成極化參數(shù),而FrFT估計(jì)的為純干擾的極化參數(shù).

圖2　頻域和FrFT估計(jì)的極化角參數(shù)

圖3　頻域和FrFT估計(jì)的極化角相差參數(shù)

3.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)電臺(tái)干擾的極化抑制

在極化參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)實(shí)際雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的電臺(tái)干擾,采用斜投影濾波算法對(duì)其進(jìn)行抑制. 圖4是包含電臺(tái)干擾的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)距離多普勒譜,從圖中明顯看出,在多普勒譜-28m/s附近有較強(qiáng)的電臺(tái)干擾.

圖4　包含電臺(tái)干擾的雷達(dá)回波距離多普勒譜

圖5和圖6分別是在頻域和FrFT極化估計(jì)的基礎(chǔ)上,采用斜投影極化濾波后的效果.從處理結(jié)果圖可以明顯看出,基于FrFT估計(jì)的極化參數(shù)構(gòu)造的斜投影濾波算子濾波效果好于基于頻域估計(jì)極化參數(shù)的濾波效果.

圖5　基于FrFT估計(jì)的斜投影濾波效果

圖6　基于頻域估計(jì)的斜投影濾波效果

圖7和圖8給出了第15距離門基于兩種估計(jì)方法進(jìn)行斜投影濾波后的結(jié)果.從圖中可以看出,基于FrFT估計(jì)的電臺(tái)干擾抑制干噪比改善約為40dB,而基于頻域估計(jì)的電臺(tái)干擾抑制干噪比改善約為30dB,這主要是由于FrFT估計(jì)的電臺(tái)干擾極化參數(shù)比基于頻域估計(jì)的更加準(zhǔn)確,所以由FrFT估計(jì)的干擾極化參數(shù)構(gòu)造斜投影極化濾波器對(duì)電臺(tái)干擾抑制效果更好,干噪比改善能提高10dB左右.

圖7　基于FrFT估計(jì)的第15距離單元濾波結(jié)果

圖8　基于頻域估計(jì)的第15距離單元濾波結(jié)果

4結(jié)論

本文在高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾頻域和FrFT極化參數(shù)估計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)兩種估計(jì)方法得到的極化參數(shù)構(gòu)建斜投影算子,采用斜投影極化濾波的方法對(duì)高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾進(jìn)行抑制,并通過(guò)實(shí)際錄取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,基于FrFT估計(jì)方法可以有效地解決高頻雷達(dá)目標(biāo)回波和電臺(tái)干擾在時(shí)域和頻域同時(shí)發(fā)生重疊,導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)干擾信號(hào)極化狀態(tài)的問(wèn)題. 利用FrFT方法估計(jì)電臺(tái)干擾的極化狀態(tài)并通過(guò)斜投影極化濾波方法可以有效抑制高頻雷達(dá)中的電臺(tái)干擾,干噪比改善約為40dB,而且比基于頻域估計(jì)極化參數(shù)的斜投影濾波方法能提高10dB左右的干擾抑制能力.

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劉愛(ài)軍(1971-),男,河北人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)副教授、碩士生導(dǎo)師,從事極化信號(hào)處理、雷達(dá)陣列信號(hào)處理等方面的研究.

邱云香(1989-)，女，山東人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)碩士研究生，從事雷達(dá)極化信號(hào)處理方面的研究.

于長(zhǎng)軍 (1962-)，男，黑龍江人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)教授、博士生導(dǎo)師，從事新體制雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)天線理論等方面的研究.

毛興鵬 (1972-)，男，山西人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，從事雷達(dá)信號(hào)處理、電子偵察與對(duì)抗等方面的研究.

鄧維波 (1960-)，男，黑龍江人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，從事電磁場(chǎng)與電磁波、高頻雷達(dá)陣列信號(hào)處理等方面的研究.

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN957.51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)01-0025-06

收稿日期：2015-03-10

劉愛(ài)軍, 邱云香, 于長(zhǎng)軍, 等. 基于分?jǐn)?shù)傅里葉極化估計(jì)的高頻雷達(dá)電臺(tái)干擾抑制[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(1):25-30. DOI: 10.13443/j.cjors.2015031001

LIU A J, QIU Y X, YU C J, et al. FrFT polarization estimation based radio interference suppression for high frequency surface wave radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):25-30. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015031001

資助項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(61171188)； 海洋公益性科研專項(xiàng)(201505002)； 江蘇省博士后基金(1202074C)

聯(lián)系人： 劉愛(ài)軍 E-mail: mylaj@hitwh.edu.cn