基于ICA的外輻射源雷達(dá)同頻干擾抑制技術(shù)

游 鴻，于文震

（1.南京電子技術(shù)研究所預(yù)選研究部，江蘇南京 210039；2.第二炮兵工程學(xué)院訓(xùn)練部，陜西西安710025；）

基于ICA的外輻射源雷達(dá)同頻干擾抑制技術(shù)

游 鴻1，2，于文震1

（1.南京電子技術(shù)研究所預(yù)選研究部，江蘇南京 210039；2.第二炮兵工程學(xué)院訓(xùn)練部，陜西西安710025；）

介紹了一種新體制外輻射源雷達(dá)。針對采用民用廣播電臺信號的外輻射源雷達(dá)所面臨的嚴(yán)重同頻干擾問題，提出了采用獨(dú)立成分分析的方法進(jìn)行干擾抑制，并進(jìn)行了仿真研究和部分實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，研究結(jié)果有利于提高其目標(biāo)檢測性能，改善雷達(dá)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。

外輻射雷達(dá)；獨(dú)立成分分析；同頻干擾

外輻射源雷達(dá)是無源雷達(dá)的一種，它不是利用目標(biāo)本身輻射的信號來進(jìn)行定位，而是利用第三方外輻射源（例如民用廣播電臺、電視、移動電話基站等）照射目標(biāo)的散射信號來進(jìn)行定位。

1935年，英國利用BBC電臺的短波發(fā)射機(jī)，用一部距發(fā)射臺（9～18）km的裝在運(yùn)輸車上的接收機(jī)探測到了附近的轟炸機(jī)。二次世界大戰(zhàn)中，美、法、德、俄羅斯等國的早期雷達(dá)防御系統(tǒng)中都出現(xiàn)了這種體制的雷達(dá)。隨著20世紀(jì)30年代天線收發(fā)開關(guān)和高功率脈沖磁控管的發(fā)明，單基地雷達(dá)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、配置方便、探測精度高及便于集中控制逐漸成為雷達(dá)的主流。

現(xiàn)代信息戰(zhàn)和雷達(dá)對抗技術(shù)的飛速發(fā)展，對軍用雷達(dá)對抗隱身目標(biāo)、反輻射導(dǎo)彈、低空突防和綜合電磁干擾四大威脅的能力提出了越來越高的要求。由于外輻射源雷達(dá)具有良好的“四抗”性能，可以有效增強(qiáng)防御系統(tǒng)的能力，在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力［1］。美國軍方明確指出：無源雷達(dá)是其對手對抗美國電子戰(zhàn)和空中隱身優(yōu)勢的核心技術(shù)［2］。這種情況下，外輻射源雷達(dá)又開始受到重視并取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。美、英、法、俄羅斯、瑞典等國家都開發(fā)了這一類系統(tǒng)。

外輻射源雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：

1）無需發(fā)射機(jī)、造價(jià)低、機(jī)動性強(qiáng)、架設(shè)簡便、維護(hù)簡單；

2）由于利用了外輻射源信號，目標(biāo)雷達(dá)橫截面積（RCS）將隨視角產(chǎn)生變化，且電波與飛機(jī)等目標(biāo)的共振效應(yīng)會增加目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積；同時(shí)由于利用的多是波長在分米及米波波段的信號，其所處的3～450 MHz頻率范圍通常超過了飛機(jī)隱身涂料的有效范圍，從而提高低可觀測目標(biāo)的探測能力；

3）利用的電波是外輻射源發(fā)出的，雷達(dá)本身不發(fā)射電波，因此能有效防止敵方雷達(dá)偵察和反輻射武器攻擊，具有良好的隱蔽性和生存能力；

4）外輻射源雷達(dá)的工作頻率與普通電磁設(shè)備不重疊，能避免電磁兼容和頻率擁擠的問題。

1 外輻射源雷達(dá)工作原理

如圖1所示，外輻射源雷達(dá)一般采用2個(gè)天線，主天線用于接收目標(biāo)的散射信號，常采用陣列天線，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測向（direction of arrival，DOA），輔助天線接收外輻射源直達(dá)波，為主信道提供參考信號，利用匹配濾波原理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相干檢測，測量目標(biāo)信號的時(shí)延（time delay of arrival，TDOA）和多普勒頻移，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離和速度的估計(jì)。

圖1 外輻射源雷達(dá)工作原理示意圖

目標(biāo)的DOA通過主天線陣列采用波束定向原理進(jìn)行估計(jì)，隨著陣列高分辨方位估計(jì)方法的研究進(jìn)展，DOA估計(jì)的精度可以得到有效提高。

目標(biāo)距離通過式（1）和式（2）進(jìn)行估計(jì)：

其中r1和r2分別為目標(biāo)到接收站和外輻射源的距離，r0為外輻射源到接收站的距離，θ為目標(biāo)方位角，td為時(shí)延估計(jì)，C為電波傳播速度。

目標(biāo)速度通過式（3）和式（4）進(jìn)行估計(jì)：

其中v1和v2是沿r1和r2方向的速度，f c為系統(tǒng)工作頻率，w d為多普勒頻移。

時(shí)延和多普勒頻移參數(shù)是通過主通道回波信號x r（t）與時(shí)延τ頻移φ的參考通道信號x（t）的匹配濾波輸出來獲取的，它是一個(gè)時(shí)頻二維相關(guān)函數(shù)：

理想的雷達(dá)信號匹配濾波輸出應(yīng)在時(shí)頻檢測曲面上目標(biāo)的距離和速度兩維坐標(biāo)處應(yīng)形成一個(gè)尖銳的譜峰，使雷達(dá)目標(biāo)檢測的精度、分辨力達(dá)到最高，而模糊度達(dá)到最小。與其他外輻射源相比，調(diào)頻（FM）廣播信號是隨機(jī)相位調(diào)制信號，模糊函數(shù)具有較大的優(yōu)越性。同時(shí)因?yàn)槊裼脧V播電臺較多、功率較大，因此目前大多數(shù)成熟、實(shí)用的外輻射源系統(tǒng)都使用FM廣播信號［3］。

2 基于ICA的同頻干擾抑制技術(shù)

在外輻射源雷達(dá)裝備的使用過程中，由于民用廣播系統(tǒng)的地域性，在目標(biāo)探測區(qū)域周邊有與系統(tǒng)所使用的廣播信號同頻的其他電臺的廣播信號時(shí)，將形成同頻干擾。此時(shí)，在接收站天線收到的信號中除了已知位置的發(fā)射塔所發(fā)射的廣播信號和該信號經(jīng)過感興趣的動目標(biāo)以及靜物所反射的信號外，還包括臨近區(qū)域廣播發(fā)射塔的同頻廣播信號，該信號成為定位系統(tǒng)的干擾信號。由于外輻射源雷達(dá)采用連續(xù)波體制，同頻干擾信號從頻域、空域和時(shí)域均無法有效抑制，受到干擾的目標(biāo)反射信號在與直達(dá)信號進(jìn)行后處理時(shí)，將直接影響雷達(dá)的目標(biāo)測距和測向性能，在研制設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，如果所在區(qū)域廣播信號環(huán)境復(fù)雜，同頻干擾信號將嚴(yán)重影響雷達(dá)性能，進(jìn)而極大限制外輻射源雷達(dá)的部署和使用。如何抑制這類同頻干擾信號是基于外輻射源定位的一項(xiàng)重要課題。

由于各電臺廣播信號具有的獨(dú)立性，考慮采用獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）方法分離和抑制同頻干擾信號。ICA是信號處理領(lǐng)域在20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的信號處理和數(shù)據(jù)分析方法。其基本含義是將多通道觀測信號根據(jù)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立原則通過優(yōu)化算法分解為若干獨(dú)立成分，從而實(shí)現(xiàn)信號的增強(qiáng)和分解，在語音識別、通信、圖像處理、醫(yī)學(xué)信號處理和雷達(dá)信號處理等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［4－5］。

陣列信號處理和獨(dú)立分量分析有相通之處，它們都采用多通道模型，陣列流形矩陣可視為信號混合矩陣。但另一方面，常規(guī)的陣列信號處理是空域處理，通常適用于窄帶信號。它通過已知的陣列流形利用信號在陣元之間的相位差進(jìn)行空域?yàn)V波。而ICA處理是統(tǒng)計(jì)域的處理，要求源信號獨(dú)立并具有非高斯性。

獨(dú)立成分分析方法的應(yīng)用一般有2個(gè)關(guān)鍵前提：一個(gè)是要求原始信號之間相互獨(dú)立，另一個(gè)是要求高斯噪聲信號的數(shù)量不多于1個(gè)。但外輻射源雷達(dá)實(shí)際的應(yīng)用條件并不理想，由于采用非合作的民用廣播電臺信號，工作信號和同頻干擾信號之間常有部分相關(guān)性，這將影響信號分離的效果；另外雷達(dá)天線各通道噪聲是相互獨(dú)立的，因此造成最終信號數(shù)多于通道數(shù)和分離數(shù)，這將使分離過程變成一個(gè)欠定問題，它也會對信號分離造成影響。通過研究這些非理想的條件可以準(zhǔn)確掌握信號分離和干擾噪聲的抑制效果。

通過計(jì)算機(jī)仿真和對部分實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，有以下結(jié)論：多通道獨(dú)立噪聲是影響最終信號分離度的重要因素，而目標(biāo)信號與干擾信號的非完全獨(dú)立性是影響單個(gè)分離信號純度的重要因素。由于這2個(gè)因素的影響，實(shí)際分離出的信號將會是目標(biāo)信號與干擾信號的疊加，但相比常規(guī)多波束數(shù)據(jù)的處理，波束分離信號可以有效地提高信噪比。目前已經(jīng)對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了波束數(shù)據(jù)信號分離與原始波束域數(shù)據(jù)情況下的目標(biāo)提取對比實(shí)驗(yàn)，對2種處理方法得到的信號進(jìn)行時(shí)頻處理，通過時(shí)頻相關(guān)譜檢驗(yàn)其中的信號，以某一批次數(shù)據(jù)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 常規(guī)方法與波束數(shù)據(jù)ICA分離方法提取的目標(biāo)信噪比d B

表1反映了采用獨(dú)立成分分離算法對波束輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，常規(guī)方法提取的3個(gè)目標(biāo)信號強(qiáng)度得到有效提升，同時(shí)常規(guī)方法在檢測門限之下的若干目標(biāo)也得到加強(qiáng)并被有效檢測到。其余批次的數(shù)據(jù)也有類似結(jié)果。

采用連續(xù)批次的實(shí)測數(shù)據(jù)處理得到的目標(biāo)時(shí)頻歷程圖如圖2所示。

圖2 外輻射源雷達(dá)檢測目標(biāo)時(shí)頻歷程圖

從兩圖的對比明顯可以看出，采用ICA方法處理過的數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)點(diǎn)跡較采用常規(guī)波束形成方法得到的目標(biāo)點(diǎn)跡要密集，說明ICA方法有效地抑制了同頻干擾，改善了信噪比。

3 結(jié) 語

總的來看，采用獨(dú)立成分分析的方法對外輻射源雷達(dá)進(jìn)行波束信號分離是有較好的干擾抑制效果，但在使用中仍然還有不少需要進(jìn)一步解決和改進(jìn)的地方。比如其分離信號次序具有隨機(jī)性，與波束處理得到的方位信息不能自然對應(yīng)；分離出的信號和干擾信號往往疊加在同一個(gè)分離成分中，因此所有分離信號都需要進(jìn)行時(shí)頻相關(guān)處理，從而導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度增加等。這些問題可以通過工程化研究進(jìn)行解決。

［1］楊振起，張永順.雙（多）基地雷達(dá)系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［2］知 遠(yuǎn)，于 君.無源雷達(dá)與穩(wěn)身技術(shù)之爭［J］.現(xiàn)代軍事，2009（12）：10-15.

［3］張宣衛(wèi)，楊宇華.對無源雷達(dá)發(fā)展的述評和探討［J］.電子工程 ，2003（4）：1-4.

［4］周宗潭，董國華.獨(dú)立成分分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］馬建倉，牛奕龍，陳海洋.盲信號處理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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1008-1542（2011）12-0015-03

2011-06-20；責(zé)任編輯：王海云

游 鴻（1974-），男，四川樂山人，講師，博士后，主要從事陣列信號處理和盲信號處理方面的研究工作。