田潤瀾,張國毅 ,于巖

(1.吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春　130011； 2. 空軍航空大學(xué) 信息對抗系， 吉林 長春　130022)

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探測跟蹤技術(shù)

雷達(dá)偵察中移動通信干擾的極化抑制*

田潤瀾1，2,張國毅2,于巖2

(1.吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春130011； 2. 空軍航空大學(xué) 信息對抗系， 吉林 長春130022)

摘要：雷達(dá)偵察設(shè)備通常采用閉鎖措施消除移動通信頻段的同頻干擾，嚴(yán)重降低了脈沖截獲概率，且極易被敵方雷達(dá)利用。針對此問題，提出一種基于極化濾波的移動通信信號抑制方法，該方法依據(jù)移動通信信號與雷達(dá)信號極化差，設(shè)置合理的極化濾波矢量，在極化域?yàn)V除移動通信信號，提高了移動通信頻段的脈沖截獲概率。給出了極化濾波偵察接受機(jī)的設(shè)計(jì)方案。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)偵察；同頻干擾；移動通信干擾；極化濾波；極化估計(jì)；Jones矢量

0引言

雷達(dá)偵察設(shè)備的工作頻帶通常為2～18 GBZ，而民用3G通信頻率為1.8～2.2 GBZ，4G通信頻率為2.3～2.7 GBZ。因此，雷達(dá)偵察設(shè)備工作時，會受到移動通信信號的干擾，且移動通信信號的功率大，密度高，這使得雷達(dá)偵察設(shè)備在移動通信頻段無法正常工作。為了克服移動通信信號對雷達(dá)偵察設(shè)備的干擾，實(shí)際偵察中均對移動通信頻段進(jìn)行閉鎖，即不接收此頻段信號。這種措施雖然避免了移動通信信號對偵察設(shè)備的干擾，但同時偵察設(shè)備也無法截獲位于此頻段的有用信號，這不僅降低了偵察截獲概率，而且極易被敵方雷達(dá)所利用。

電磁波的極化信息已經(jīng)在雷達(dá)抗干擾、目標(biāo)檢測、識別和成像中得到廣泛應(yīng)用[1-4]，但將其應(yīng)用雷達(dá)偵察中的研究還較少。文獻(xiàn)[5]為使電子偵察裝備更好地利用極化信息，提出了一種變極化雷達(dá)信號的仿真方法。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于極化域的機(jī)載雷達(dá)偵察設(shè)備克服載機(jī)雷達(dá)干擾的方法。文獻(xiàn)[7]分析了極化技術(shù)在雷達(dá)偵察中的優(yōu)勢，并給出了一種極化偵察接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[8]研究了全極化技術(shù)在雷達(dá)偵察中的應(yīng)用，分析了全極化接收機(jī)相對于傳統(tǒng)單極化接收的優(yōu)勢。可見，極化技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)偵察設(shè)備是一種必然的趨勢[9-10]。為了解決移動通信頻段的偵察截獲問題，本文提出一種基于極化濾波的移動通信信號抑制方法。

極化濾波是依據(jù)移動通信信號與雷達(dá)信號具有的極化差別，通過設(shè)置與移動通信信號極化形式正交的極化濾波器來濾除移動通信信號。經(jīng)過極化濾波后的偵察信號中除了與移動通信信號極化方式一致的雷達(dá)信號外，其他雷達(dá)信號均可以通過極化濾波器有效保留。本文首先分析了移動通信信號對雷達(dá)偵察設(shè)備的影響；然后提出極化濾波器抑制移動通信信號的具體模型，給出了估計(jì)移動通信信號極化參數(shù)的方法，并詳細(xì)分析了該模型的性能；最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1問題描述

雷達(dá)偵察接收機(jī)的頻域完全覆蓋了民用3G，4G移動通信頻段。移動通信信號的發(fā)射基站距離偵察設(shè)備的距離通常較近，其進(jìn)入偵察接收機(jī)的功率較大；敵方雷達(dá)信號距離偵察設(shè)備通常較遠(yuǎn)，其進(jìn)入偵察接收機(jī)的功率較小。因此，進(jìn)入偵察接收機(jī)的移動通信信號將完全壓制雷達(dá)信號，造成無法檢測出敵方雷達(dá)信號。移動通信信號幾乎常態(tài)化存在，即覆蓋整個偵察時間段，導(dǎo)致偵察接收機(jī)在移動通信頻段無法正常工作。

假設(shè)民用3 G通信基站發(fā)射功率為10 W，發(fā)射頻率為2.1 GBZ，距離偵察接收機(jī)10 km，敵方雷達(dá)的脈沖功率為50 kW，發(fā)射頻率為2.1 GBZ，距離偵察接收機(jī)200 km。電磁波傳輸?shù)暮喕匠蘙11]如下：

(1)

式中：Pr為偵察接收機(jī)收到的信號功率；Pt為信號的發(fā)射功率；Gr為偵察天線的天線增益；λ為發(fā)射信號的波長；R為信號傳輸距離。

根據(jù)電磁波傳輸簡化方程可計(jì)算出進(jìn)入偵察接收機(jī)的3G信號功率Prc和雷達(dá)信號功率Prs之比為

(2)

式(2)表明，偵察接收機(jī)截獲的3G信號將完全淹沒雷達(dá)信號。

移動通信信號對偵察接收機(jī)的影響除了表現(xiàn)在其功率完全淹沒雷達(dá)信號外，其存在時間的常態(tài)化也是影響偵察接收機(jī)的另一個嚴(yán)重問題。

目前偵察接收機(jī)對移動通信頻段采用閉鎖措施，這在屏蔽移動通信信號的同時，也導(dǎo)致無法獲取同頻段的雷達(dá)信號，嚴(yán)重影響了偵察接收機(jī)的整體偵察性能。此外，移動通信頻段的通信信號與雷達(dá)信號在時頻域完全交疊，這也導(dǎo)致傳統(tǒng)濾波方法失去作用。為此，本文提出一種基于極化濾波的移動通信信號抑制方法，該方法在濾除移動通信信號的同時有效保留了雷達(dá)信號，保證了偵察接收機(jī)在移動通信頻段的正常工作。

2極化濾波原理

對電磁波而言，極化描述了電場矢量端點(diǎn)作為時間函數(shù)所形成的空間軌跡的形狀和旋向。電磁波的極化同幅度、相位、頻率一樣，是描述電磁波的一個重要參量。極化濾波的實(shí)質(zhì)是利用電磁波在極化域呈現(xiàn)的不同特征來改善有用信號的質(zhì)量，極化濾波技術(shù)可以濾除頻域?yàn)V波、時域?yàn)V波、空域?yàn)V波等無法去除的干擾。

偵察接收機(jī)天線通常只有一種極化形式，對應(yīng)于單極化接收。為了實(shí)現(xiàn)極化濾波，需要增加一個與偵察天線極化形式正交的輔助天線，相應(yīng)的也要增加一路輔助接收通道，并要求該通道與原始偵察通道保持幅相一致性。假設(shè)偵察天線為右旋圓極化，則需要增加的輔助天線的極化形式應(yīng)該為左旋圓極化。在左旋圓極化和右旋圓極化基il/ir下，正交圓極化天線接收的信號可以用Jones矢量描述[12]。雷達(dá)信號和移動通信信號的Jones矢量分別表示為

(3)

(4)

式中：(εs,δs)為雷達(dá)信號的幅相極化描述子；(εc,δc)為移動通信信號幅相極化描述子；ωs和ωc分別為雷達(dá)信號與移動通信信號的角頻率；θs和θc分別為雷達(dá)信號與移動通信信號的初相。

設(shè)極化濾波器的極化矢量為H為

(5)

根據(jù)極化濾波原理[13]，在濾除移動通信信號時需要將極化濾波器參數(shù)設(shè)置為

(6)

δr=δc，

(7)

極化濾波器的輸出信號為入射波矢量與濾波矢量的標(biāo)量積

Sr(t)=(Es(t)+Es(t))TH*.

(8)

將雷達(dá)信號和通信信號的Jones矢量代入式(8)并取模值可得

(9)

按照式(6)和式(7)設(shè)置極化濾波器參數(shù)時，需要預(yù)先估計(jì)移動通信信號的極化參數(shù)。由前述分析可知，在偵察接收機(jī)截獲的移動通信頻段偵察信號中，通信信號的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷達(dá)信號，且通信信號幾乎存在于整個時域范圍內(nèi)，因此可以將移動通信信號極化參數(shù)估計(jì)近似為直接估計(jì)偵察信號的極化參數(shù)。考慮實(shí)際偵察環(huán)境中存有噪聲，而時域極化參數(shù)估計(jì)方法的抗噪性較差，因此選取頻域極化參數(shù)估計(jì)方法估計(jì)移動通信信號的極化參數(shù)。

左旋圓極化和右旋圓極化基下偵察信號的復(fù)電場矢量分別為[14]

El(t)=ej(ωt+θ)cosε，

(10)

Er(t)=ej(ωt+θ+δ)sinε，

(11)

假設(shè)采樣周期為ts，計(jì)算左旋圓極化通道信號的頻率響應(yīng)為

(12)

同理可得右旋圓極化通道信號的頻率響應(yīng)

(13)

由式(12)和式(13)可知，當(dāng)ω=ω0時可在頻域內(nèi)計(jì)算出信號的極化參數(shù)為

(14)

(15)

即移動通信信號的極化參數(shù)可近似估計(jì)為

(15)

(16)

根據(jù)移動通信信號極化參數(shù)的估計(jì)值即可設(shè)計(jì)極化濾波器，完成對偵察信號的極化濾波。

3極化濾波模型

為有效利用極化信息濾除移動通信信號對偵察設(shè)備的干擾，需要在雷達(dá)偵察設(shè)備中安裝2個正交的極化天線，相應(yīng)的也要有2個接收通道。極化濾波偵察接收機(jī)組成框圖如圖1所示。

圖1　極化濾波接收機(jī)組成Fig.1　Polarization filter receiver

極化濾波接收機(jī)主要由高度隔離的正交雙極化天線、雙通道接收機(jī)和極化濾波器等組成。雙極化正交天線可以采用雙極化曲折天線來實(shí)現(xiàn)[15]。雙極化曲折天線由一個左旋和一個右旋圓極化天線組成，他們被刻蝕在一個介質(zhì)基片上，具有共用口徑和共同的相位中心，且尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于極化接收機(jī)對天線特征的要求。接收機(jī)通道有左旋圓極化接收通道和右旋圓極化接收通道，并且要求2個接收通道保持高度的幅相一致性。

極化濾波接收機(jī)的工作原理是，雙極化天線接收的正交雙極化信號分別送至左旋圓極化通道和右旋圓極化通道，每個接收機(jī)通道均首先將信號下變頻到中頻，由A/D采樣后變?yōu)閿?shù)字信號，然后通過FFT提取信號的頻率響應(yīng)。移動通信信號極化參數(shù)估計(jì)部分接收信號的頻率響應(yīng)后并估計(jì)信號的極化參數(shù)，根據(jù)估計(jì)出來的移動通信信號極化參數(shù)，極化濾波器建立相應(yīng)的濾波矢量完成對偵察信號的濾波處理。

4仿真校驗(yàn)

當(dāng)接收機(jī)截獲的偵察信號中沒有雷達(dá)信號時，理論上極化濾波器的輸出為0。當(dāng)截獲雷達(dá)信號的極化形式與移動通信信號極化形式相同時，極化濾波器輸出也為0，即此時濾波失去作用。而當(dāng)截獲雷達(dá)信號的極化形式與移動通信信號極化形式不同時，極化濾波器能夠有效濾除移動通信信號，并輸出雷達(dá)信號。極化濾波會對雷達(dá)信號產(chǎn)生極化損失，

極化損失由雷達(dá)信號與移動通信信號的極化差別決定，極化差別越小，極化損失越大；極化差別越大，極化損失就越小。

下面通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的基于極化濾波移動通信信號抑制方法的有效性。仿真條件如下：進(jìn)入偵察接收機(jī)的移動通信信號的為垂直線極化，經(jīng)下變頻后中頻為160MBZ，采樣頻率為500MBZ，雙極化接收機(jī)通道內(nèi)的FFT點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)。圖2a)為進(jìn)入偵察接收機(jī)的雷達(dá)信號，共包含5個雷達(dá)脈沖。其中脈沖1和脈沖5來自同一部雷達(dá)發(fā)射機(jī)，極化方式為水平線極化，脈沖2和脈沖4來自同一部雷達(dá)發(fā)射機(jī)，極化方式為45°斜極化，脈沖3來自第3部雷達(dá)發(fā)射機(jī)，極化方式為垂直線極化。圖2b)和圖2c)分別為極化濾波器的輸入和輸出。

圖2　移動通信信號干擾的極化濾波Fig.2　Polarization filter of communication signal

仿真結(jié)果表明，當(dāng)雷達(dá)信號與移動通信信號的極化形式相同時，極化濾波器輸出為零，如圖2c)中脈沖3所示。當(dāng)雷達(dá)信號與移動通信信號的極化形式正交時，極化濾波器去除了移動通信信號的干擾，輸出信號為雷達(dá)信號，如圖2c)中脈沖1和脈沖5。而當(dāng)雷達(dá)信號和移動通信信號的極化形式即不相同也不正交時，極化濾波器輸出為存在極化損失的雷達(dá)信號，如圖2c)中脈沖2和脈沖4。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

5結(jié)束語

為解決雷達(dá)偵察設(shè)備在移動通信頻段受同頻干擾嚴(yán)重的問題，本文提出了一種采用極化濾波去除移動通信信號干擾的方法。電磁波的極化特征受信號波形、頻率、相位及功率的影響較小，因此能夠有效濾除移動通信信號的干擾，實(shí)現(xiàn)移動通信頻段雷達(dá)偵察設(shè)備工作的正?；?。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)均表明，本文提出的極化濾波方法能夠有效抑制移動通信信號對雷達(dá)偵察接收機(jī)的影響。

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Polarization Suppression of Mobile Communication Interference in Radar Reconnaissance

TIAN Run-lan1，2,ZHANG Guo-yi2,YU Yan2

(1.Jilin University, College of Electronic Science and Engineering, Jilin Changchun 130011，China；2.Aviation University of Air Force, Electronic Countermeasure Dept., Jilin Changchun 130022，China)

Abstract:Radar reconnaissance equipment usually uses locking measure against the interference of mobile communication signal in the communication frequency. This measure would decrease the pulse acquisition probability, and easily be utilized by the enemy. Therefore, a polarization filtering method is proposed to suppress the mobile communication signal interference. The method firstly sets the polarization filter based on the polarization difference between the radar signal and the mobile communication signal. And then, the mobile communication signals are filtered out in the polarization domain. The design scheme of the polarization filter reconnaissance receiver is also given. The simulation result has proved the effectiveness of the proposed method．

Key words:radar reconnaissance; same frequency interference; mobile communication interference; polarization filter; polarization estimation; jones vector

*收稿日期：2015-04-06；修回日期：2015-07-27

作者簡介：田潤瀾(1973-)，女，吉林長春人。副教授，博士生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理，電子對抗。

通信地址：130022吉林省長春市南湖大路2222號信息對抗系E-mail：252636257@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.016

中圖分類號：TN731；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0099-05