海上通信抗干擾技術研究

海南省公安邊防總隊海警第二支隊 任嘉慧

大氣中的電離層存在長短不同的電波，反射雷達發(fā)射的各種信號，形成雜波，借助自身空間內的介質傳播電臺遠距離發(fā)射的電波信號，將其反射到雷達的接收機，形成干擾性電臺天波。海上通信使用高頻地波雷達，可以抑制電離層雜波和電臺天波的干擾。

1.高頻地波雷達

沿海岸線架設的高頻地波雷達的全稱是高頻地波超視距雷達，該種雷達主要沿著海岸線架設，是海上通信抗干擾的關鍵技術。其系統(tǒng)構件包括發(fā)射天線、接收天線、運行軟件和運行硬件[1]。

1.1 抑制垂直向電離層雜波

高頻地波雷達抑制電離層雜波之前，通常首先變換探測目標常規(guī)的距離和速度，獲取每一道信號通道的距離速度譜，然后利用自適應對消算法對消處理所有獨立的距離單元的電離層雜波。旁瓣對消法依靠合適的輔助通道分離目標和雜波，準確估測主通道的干擾信息。在傳播路徑上，電離層中的垂直向雜波與目標電波、海浪發(fā)射波具有明顯的差異。因此，旁瓣對消法的輔助通道依靠水平極化天線或者設置水平向凹口來建立。

旁瓣對消抑制垂直向電離層雜波的方法依托于水平極化輔助天線和L陣輔助天線，需要增設非常多的天線陣子和接收機才能實現(xiàn)，而且，旁瓣對消法還會破壞部分回波信號，進而深入破壞抑制海面?zhèn)鞑ルs波的作用，減小雷達對電離層雜波的抗干擾效力。因此，在保持原有設備的處理信號復雜度的基礎上，構造新式的接收天線，增強雷達抑制垂直向電離層雜波的效力。

垂直向電離層雜波沿著天線垂直面?zhèn)魉偷嚼走_接收器，因此，天線垂直面形成了干擾電波的傳播通道。雷達的接收天線陣沿海岸線建設的一維陣線，由許多接收天線單元組成，每個單元由4個單極振子構成，而且每個單極振子都垂直于海岸線，由4個單極振子構成的天線子陣增強了抑制垂直向電離層雜波的能力，有效地控制各個接收天線傳送過來的垂直平面圖，提高天線陣抑制近垂直平面干擾電波的能力，能增強雷達抗電離層雜波干擾的能力。

1.2 抑制海面?zhèn)鞑ル婋x層雜波

海面?zhèn)鞑ル婋x層雜波是雜波中影響高頻雷達最嚴重的雜波。經電離層調制的雜波，沿海面?zhèn)鬏數(shù)礁哳l雷達的接收機，其傳播方式、垂直入射角度和極化特性都與目標不存在較大的差異，所以，在數(shù)據(jù)處理器中難以分離目標和雜波。而且，電離層水平方向雜波具有較強的特性，只能通過控制其空域角度來實現(xiàn)抑制作用，以保護目標信息為目的，采用單凹口濾波器輔助通道對消方案，準確分離平面電離層雜波和目標的角度，降低高頻地波雷達系統(tǒng)的虛警概率[2]。

1.2.1 單凹口濾波器對消

由于單凹口濾波器干擾目標的作用旁瓣的干擾作用小，能夠有效地分離高頻地波雷達接收的目標和水平電離層雜波，所以一般采用單凹口濾波器對消海面上水平方向的電離層雜波。水平面電離層雜波具有多個回波傳播方向，必須相應的構建多個只存在波束方向零陷的輔助單凹口濾波器，以實現(xiàn)同時接收和處理多個方向的雜波，擴大分離目標和雜波的能力，提高對消雜波的自由度和效力。再則，加寬的單凹口采用嵌入旋轉式安裝在濾波器上，通過全方位的自動化旋轉，增強接收不同頻率的水平方向雜波，進而增大處理雜波的強度，減少海面?zhèn)鞑ル婋x層雜波的影響。

1.2.2 預檢測對消

使用各種對消法抑制電離層雜波的過程中，由于接收天線陣列架設結構不理想，或者由于濾波器單凹口旋轉時的口面與電離層雜波的傳播存在較大的時間差，無方向的一階海雜波會和大目標一同傳播進輔助通道，大大增大了對消海雜波和目標的強度，導致對消系統(tǒng)的自由度不夠，同時也會抑制目標和損失目標，破壞回波輸出譜結構；此外，目標信號不在輔助通道，經過對消后同樣會出現(xiàn)破壞譜結構的弊端，最終抑制目標生成數(shù)據(jù)信息。由此可見，必須采用預檢測對消法剔出存在的目標和海雜波的單元，減小對消效果對系統(tǒng)性能的制約和破壞。

基于CFAR和海雜波檢測的預檢測對消法，可以通過檢測目標和海雜波的波幅估測海雜波和大目標共同存在的單元，進而剔除能夠檢測到海雜波和大目標的單元和目標位置的過渡區(qū)域，獲取只有電離層雜波的單元。

由于電離層的雜波傳播能力較強，陣列誤差又大，抑制雜波和保護目標信號在操作中存在突出的矛盾。這種自相矛盾體現(xiàn)在設備的加載系數(shù)上，加載系數(shù)小，對消雜波時也會抑制雜波中的小目標，加載系數(shù)大難以完全抑制雜波。為解決雜波抑制和目標保護之間的矛盾，在此，可以采用迭代變加載預檢測對消法多次檢測單元中目標和雜波，有效地排除雜波和保護目標。先用比較大的加載處理數(shù)據(jù)，抑制一定量的雜波，減小抑制雜波中目標信息的量，再進行二次檢測，獲取含有新目標信息的新單元，最后使用比較小的加載二次對消和處理新單元的較少目標的雜波。每進行一次迭代都檢測樣本中的目標量和雜波量，降低破壞目標信息的程度，保證目標的信噪比。

1.3 抑制電臺干擾天波

電臺干擾天波存在于雷達短波頻段低端，電臺信號經過電離層遠距離的傳播后進入雷達接收機，使系統(tǒng)難以獲取頻率相對平穩(wěn)的單元，嚴重干擾目標的接收工作；同時，經過電離層調制，電臺干擾天波失去了較好的穩(wěn)定性，影響高頻雷達正常的運行。為此，必須采用各種抑制干擾天波的技術，提高目標的信干噪比，保護好檢測背景，提高檢測目標的正確率和精度[3]。

1.3.1 穩(wěn)健天波電臺干擾抑制法

高頻雷達的運行環(huán)境，電離層沒有固定的變化規(guī)律，其夜間的平穩(wěn)性更差，其中的無規(guī)律伏動和多層反射，形成電臺干擾天波的多徑效應和極差的平穩(wěn)性，造成高頻干擾系統(tǒng)結構較短積累時間發(fā)生較大的時間變化；而且，目標和海浪回波的垂直極性達不到理想的標準，接收天線的結構和假設也會存在問題，等等，都會使一些目標回波隱藏在海雜波中，大幅度降低主輔通道的抗干擾性能，削弱舊式旁瓣對消干擾波的有效性。由于高頻雷達的運行環(huán)境比較特殊，目標和海浪回波具有較強的垂直極化性，而經電離層長距離反射的電臺干擾天波具有較強的橢圓極化性，因此，抑制電臺干擾天波的對消方法應聯(lián)合水平天線旁瓣，平復還雜波和目標傳播波幅的穩(wěn)定性，保護接收天線和數(shù)據(jù)處理器的性能。

1.3.2 超分辨譜估計電臺干擾抑制法

由于超分辨譜估計電臺干擾抑制法具有高分辨，廣泛應用于處理陣列信號的操作。這種抑制方法依靠處理雷達系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)和超分辨處理，抑制海雜波和電臺干擾天波，以有效性地探測和顯示目標。但是，超分辨譜估計電臺干擾抑制法極易被電離層的無規(guī)律變化影響，而且嚴重受陣列模式和通道誤差的制約。與目標同向的干擾天波在主瓣上會顯示出多個峰值，產生雜亂無序的超分辨譜，造成巨大的虛警現(xiàn)象，難以處理后續(xù)操作。

2.海上通信抗干擾技術在海警部隊執(zhí)勤中的應用

海警部隊在執(zhí)勤過程中把高頻雷達使用于海警艦艇上，發(fā)射和接收回波在雷達顯示器和總控臺生成的矢量線、尾跡顯示、物標警戒圈等圖譜圖標，探測和判斷目標的距離、方位、運動路線等外觀信息。雷達顯示器上的矢量線在海警部隊執(zhí)勤工作中用途最廣，海警部隊航海技術人員根據(jù)矢量線的起點位置、方向和長短準確判斷目標的位置、外形，估測目標于執(zhí)勤航船的相遇態(tài)勢以及估計其危險性和破壞力，以便做好防御決策和指揮，以及實施應對措施，避免暗礁破壞、航船擱淺和海底敵艦襲擊等危險，進而明確目標的特性。

雷達的尾跡，實際上是指目標在海上連續(xù)運動產生的軌跡圖譜，基于先進的電子信息處理技術，分析目標回波的數(shù)據(jù)，以形成目標在某個時間段移動路線平面圖譜，在雷達的顯示屏幕上延時顯露。通過跟蹤和標繪目標的運動路線，再把繪制與目標實際運動一致的軌跡圖譜顯示在雷達顯示屏上，用以判斷目標的運動速度、航向和航行路線。由于雷達尾跡的顯示屏和操作設備都架設在軍艦中，所以，海警部隊執(zhí)勤人員可以在通航密度高的執(zhí)勤區(qū)全天候地觀測目標，避免在室外風吹、日曬、雨淋、多霧和夜間的惡劣條件下執(zhí)行觀測任務。

高頻地波雷達在海上通信抗干擾方面的應用具有巨大的優(yōu)越性和技術發(fā)展空間，其系統(tǒng)設備完善，功能完備，操作靈活，以先進的天線列陣和高超的信息波段分離對消技術，抵御電離層各種雜波對目標回波的干擾，以清晰、精確地探測海上的所有目標，有效地保障船只和艦艇在海上航行的安全。

[1]曲翠萍.毛滔.超視距雷達綜述[J].雷達與對抗，2006，3(15)：1111-1114.

[2]李雷.高頻雷達自適應抗干擾技術研究[J].電波科學學報，2009，24(3)：991-992.

[3]尚尚.高頻地波雷達電離層雜波監(jiān)測技術關鍵問題研究[J].現(xiàn)代雷達，2012，27(1)：1363-1364.