朱永恒,黎 明,牛 炯,張 玲,紀(jì)永剛

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省高校海洋機(jī)電裝備與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(yùn)動(dòng)船只、低空飛行目標(biāo)的探測，以及流場、風(fēng)場、浪場等海態(tài)信息的提取。雷達(dá)的工作頻段為3～30 MHz，受到短波電臺(tái)和短波通訊等射頻干擾的影響嚴(yán)重。射頻干擾的能量大，嚴(yán)重影響了目標(biāo)信號(hào)的檢測和海態(tài)信息的提取，甚至?xí)?dǎo)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(diào)整雷達(dá)工作頻率，以避開射頻干擾。但由于短波信號(hào)的工作時(shí)間和頻率都是隨機(jī)的，選擇相對(duì)“寂靜”的工作頻帶是比較困難的。因此，針對(duì)射頻干擾的特點(diǎn)，發(fā)展射頻干擾抑制技術(shù)，減小射頻干擾對(duì)有效信號(hào)的影響，是非常有意義的。

近年來國內(nèi)外的學(xué)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(shí)域抑制、頻域抑制、空域抑制。在時(shí)域進(jìn)行抑制的有：用AR模型進(jìn)行預(yù)測抑制[1]，運(yùn)用獨(dú)立分量分析(ICA)方法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)回波與射頻干擾的分離[2]；在頻域進(jìn)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(jìn)行抑制[7]；在空域進(jìn)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(dá)在射頻干擾下的目標(biāo)探測研究[12]。這些方法對(duì)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(yù)測算法和時(shí)域剔除法適合于射頻干擾較弱和持續(xù)時(shí)間較短的瞬時(shí)信號(hào)，對(duì)于長時(shí)間存在并且信號(hào)較強(qiáng)的連續(xù)電臺(tái)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(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。實(shí)踐證明僅在單一作用域?qū)ι漕l干擾進(jìn)行抑制，效果有限。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到處理流程和計(jì)算量等因素，常規(guī)的射頻干擾抑制流程為對(duì)單個(gè)通道距離多普勒(RD)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：選取遠(yuǎn)距離的射頻干擾進(jìn)行位置和幅值估計(jì)；基于單元格對(duì)消方法對(duì)射頻干擾進(jìn)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(huì)使得近距離目標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)幅值小于或等于遠(yuǎn)距離的射頻干擾的狀況，采用常規(guī)的射頻干擾抑制會(huì)使得目標(biāo)點(diǎn)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(dá)射頻干擾抑制改進(jìn)算法，在分析射頻干擾特性的基礎(chǔ)上，利用射頻干擾的方向性特點(diǎn),提出了一種先進(jìn)行方向分解，再在各個(gè)方向上進(jìn)行射頻干擾抑制，最后按波束指向進(jìn)行幅值合成的信號(hào)處理方法。該方法對(duì)于目標(biāo)和射頻干擾方向不同情況，效果尤其明顯。仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)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(hào)回波中通過天線進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，與回波信號(hào)一起進(jìn)行處理。

天線接收到信號(hào)模型為：

r(t)=sR(t)+x(t)+n(t)，

(1)

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

通常電臺(tái)通信等射頻干擾為窄帶信號(hào)，其信號(hào)頻率變化相對(duì)于地波雷達(dá)信號(hào)為慢變信號(hào)，因此可以把射頻干擾信號(hào)看為一單頻信號(hào)。由于電臺(tái)等造成的射頻干擾是有源的，在其持續(xù)時(shí)間內(nèi)功率基本保持穩(wěn)定，因此射頻干擾強(qiáng)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(hào)，由于到達(dá)每個(gè)天線的波程不同，波程差產(chǎn)生相位差，第k根天線接收到的射頻干擾信號(hào)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(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)作為發(fā)射信號(hào)[5]，其信號(hào)的模型為：

(3)

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

接收的信號(hào)r(t)經(jīng)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(yùn)算均為線性運(yùn)算，因此可以單獨(dú)對(duì)射頻干擾x(t)進(jìn)行上述處理，進(jìn)一步分析其在RD譜上的特性。

通過單獨(dú)對(duì)射頻干擾進(jìn)行處理，獲得射頻干擾解速度之后數(shù)學(xué)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(gè)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(gè)距離元的幅值相同，并呈條帶狀分布。

對(duì)解速度后的數(shù)據(jù)通過DBF在指向角β進(jìn)行處理，公式如下：

(6)

式中：wk為權(quán)系數(shù)，采用切比雪夫加權(quán)；c為光速。

加權(quán)后公式如下：

(7)

由式(7)可知在β=θ時(shí)Q(β)取得最大值，因此射頻干擾通過DBF進(jìn)行加權(quán)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(qiáng)度大，在距離向上具有強(qiáng)相關(guān)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(shí)際中，考慮到目標(biāo)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(duì)目標(biāo)的影響程度不同。因此，本文的思路是首先進(jìn)行方向分解，在不同方向上分別抑制射頻干擾，然后再進(jìn)行合成。這樣可以最大限度地降低射頻干擾抑制對(duì)目標(biāo)的影響。

2 改進(jìn)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(diǎn)考慮在方向上對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，把射頻干擾和目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，使目標(biāo)點(diǎn)所在方向上的數(shù)據(jù)，射頻干擾削弱、目標(biāo)點(diǎn)增強(qiáng)。如圖1所示在0°目標(biāo)點(diǎn)所在方向圖內(nèi)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(qiáng)相關(guān)性，并且在所有距離元上均有出現(xiàn)，考慮選取無目標(biāo)和海態(tài)信息的遠(yuǎn)距離元數(shù)據(jù)作為預(yù)測單元，估計(jì)射頻干擾的強(qiáng)度和位置信息并在其他距離元上相減消除。在實(shí)際工程應(yīng)用中，改進(jìn)的射頻干擾抑制流程如圖2所示。

2.2 DBF處理

對(duì)回波數(shù)據(jù)經(jīng)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(jìn)行加權(quán)，獲取不同角度內(nèi)的數(shù)據(jù)，分解角度數(shù)為N，加權(quán)公式如式(6)所示。

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

圖2 改進(jìn)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(jì)

對(duì)每個(gè)角度內(nèi)的數(shù)據(jù)分別處理，選取遠(yuǎn)距離處的數(shù)據(jù)作為估計(jì)樣本，通過自協(xié)方差矩陣對(duì)射頻干擾的多普勒頻偏位置進(jìn)行估計(jì)，通過求均值對(duì)射頻干擾的幅值進(jìn)行估計(jì)。

獲取射頻干擾估計(jì)樣本：

Xi=[xi(1),xi(j),…,xi(n)]T。

(8)

式中：xi(j)為第i個(gè)距離元第j個(gè)多普勒元對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

構(gòu)造自協(xié)方差矩陣模型：

(9)

式中：M為獲取遠(yuǎn)距離單元格的樣本數(shù)量。

對(duì)Q進(jìn)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(qiáng)度很大，因此尋找特征值明顯大的位置，對(duì)應(yīng)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(qiáng)相關(guān)性，遠(yuǎn)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(duì)回波中的目標(biāo)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?qū)Ψ岛铣?/h3>

按上述方法對(duì)每個(gè)小角度內(nèi)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行射頻干擾抑制，在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們不可能對(duì)每個(gè)小角度內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢測分析，由于我們通過DBF對(duì)每個(gè)角度進(jìn)行加權(quán)分解時(shí)，只是改變目標(biāo)點(diǎn)、海雜波、地雜波、射頻干擾的幅度值，對(duì)其位置沒有變化，因此我們可以直接對(duì)所有抑制射頻干擾后的數(shù)據(jù)按波束指向?qū)Ψ颠M(jìn)行求和，對(duì)所有的目標(biāo)點(diǎn)信息進(jìn)行融合使k個(gè)通道的數(shù)據(jù)變?yōu)閗-1個(gè)波束的數(shù)據(jù)。如上圖1黃線標(biāo)示內(nèi)的各個(gè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，以方便目標(biāo)點(diǎn)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(gè)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(biāo)和海態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)射頻干擾掩藏下的目標(biāo)信號(hào)，并提高目標(biāo)的信干比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 距離強(qiáng)相關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)上述分析射頻干擾在距離向上具有很強(qiáng)的相關(guān)性，由于這個(gè)性質(zhì)對(duì)射頻干擾實(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)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(gè)距離元與參考距離元的相關(guān)性(參考距離元為在距離單元上隨機(jī)選取，此時(shí)選取第50距離元)，相關(guān)系數(shù)如圖3所示，因?yàn)榍?0個(gè)距離單元為高頻地波雷達(dá)盲區(qū)不予考慮，可見相關(guān)系數(shù)均在0.98以上,通過實(shí)際數(shù)據(jù)證明了射頻干擾在距離域上的強(qiáng)相關(guān)性，因此我們可以選擇遠(yuǎn)距離單元的信號(hào)作為純的射頻干擾信號(hào)樣本進(jìn)行估計(jì)。

圖3 射頻干擾各距離元相關(guān)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(yàn)證兩個(gè)問題：(1)驗(yàn)證射頻干擾和目標(biāo)點(diǎn)來波方向不同時(shí)的抑制效果；(2)驗(yàn)證同時(shí)有多個(gè)來波方向的射頻干擾時(shí)的抑制效果。仿真的方法是在實(shí)測數(shù)據(jù)背景上，仿真產(chǎn)生射頻干擾和目標(biāo)船只信號(hào)，進(jìn)行抑制方法驗(yàn)證。具體設(shè)計(jì)了如下三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一 目標(biāo)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(biāo)其坐標(biāo)為：頻偏0.09 Hz，距離元44，方向0度。同時(shí)添加一相同頻偏的射頻干擾對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掩蓋并覆蓋整條頻帶，方向0度。采用本文所述方法對(duì)射頻干擾進(jìn)行抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4a、b所示。

實(shí)驗(yàn)二 目標(biāo)與射頻干擾來自不同方向的干擾抑制效果仿真。仿真目標(biāo)點(diǎn)和背景均和實(shí)驗(yàn)一相同，依次更改射頻干擾的方向?yàn)?0、20、30、40度。采用本文所述方法對(duì)射頻干擾進(jìn)行抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4c(射頻干擾方向?yàn)?0度)，表1所示。

結(jié)果分析 圖4b、c顯示本文所述方法對(duì)不同方向射頻干擾均有良好的抑制效果。選取仿真目標(biāo)點(diǎn)位置距離元進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4d所示。對(duì)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(shí)驗(yàn)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(biāo)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(biāo)點(diǎn)，均為第44個(gè)距離元，方向均為0度。采用本文所述方法對(duì)射頻干擾進(jìn)行抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 單源射頻干擾仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(biāo)點(diǎn)幅值②/dB-35.3-27.6-26.9-26.6-26.5目標(biāo)點(diǎn)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(jié)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(duì)多個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The simulation experiment results of multi-source radio frequency interference

3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證及分析

選取高頻地波雷達(dá)對(duì)黃海某海域的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取的帶有射頻干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將上述抑制算法和常規(guī)射頻干擾抑制算法進(jìn)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(duì)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(biāo)信息獲得了保留并且幅度值獲得了增強(qiáng)。選取其中第36個(gè)距離元進(jìn)行分析并進(jìn)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(biāo)點(diǎn)(用紅色圓圈標(biāo)出)，比周圍背景提高約20 dB。通過圖6e、f對(duì)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(biāo)信息更加易于提取。

圖6 雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of radar measured data

4 結(jié)語

本文通過分析高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程，推導(dǎo)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(qiáng)相關(guān)性，在射頻干擾的來波方向上幅度達(dá)到最大。由此對(duì)常規(guī)通過單通道射頻干擾抑制方法進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠有效的進(jìn)行射頻干擾抑制，并且減小抑制過程中對(duì)目標(biāo)幅值信息的影響。

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