抑制雷達(dá)主波束內(nèi)GSM干擾的極化濾波方法研究

任 博 施龍飛 王洪軍 李永禎 王國玉

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抑制雷達(dá)主波束內(nèi)GSM干擾的極化濾波方法研究

任 博*①②施龍飛①②王洪軍③李永禎①②王國玉①②

① (國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室 長沙 410073)②(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410073)③(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 武漢 430077)

針對雷達(dá)在實際中受到的GSM通信基站干擾問題，該文采用極化濾波抗干擾的方法，在現(xiàn)有自適應(yīng)極化對消(APC)算法基礎(chǔ)上提出了一種基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波算法，先估計GSM信號的部分極化Stokes矢量，后依據(jù)干擾功率最小原則計算最優(yōu)接收極化。通過開展極化抗干擾外場試驗，證明了極化濾波方法對于基站干擾抑制的有效性。與傳統(tǒng)算法的比較說明了該方法在保證濾波效果的基礎(chǔ)上，用于權(quán)值收斂的時間更短，性能更穩(wěn)定。

雷達(dá)；GSM干擾；極化濾波；部分極化；抗干擾

1 引言

當(dāng)前，隨著手機通信基站的廣泛建設(shè)，在帶來通信便利的同時也帶來一些隱患，例如，GSM通信基站信號對同頻段低空預(yù)警情報雷達(dá)和民航空管雷達(dá)造成的干擾事件近年來時有報道[1]，此類事件已經(jīng)威脅到國土防空和民航安全。通常的解決辦法是：預(yù)警情報雷達(dá)被迫放棄使用與GSM基站信號相同的頻段，空管雷達(dá)附近的通信基站被迫降低發(fā)射功率甚至關(guān)閉。

關(guān)于GSM基站信號對同頻段雷達(dá)的干擾問題僅有少量文獻(xiàn)進(jìn)行過報道[2]，但僅僅從功率對抗角度對干擾特性進(jìn)行了分析，未能涉及信號層面，且未能給出對此類干擾的抑制方法。劉愛軍等人[3]采用極化濾波方法就高頻地波雷達(dá)對電臺干擾的抑制問題進(jìn)行了研究，而對于GSM干擾抑制問題，目前尚未見報道。實際上由于通信基站往往是廣域網(wǎng)狀分布、時域持續(xù)存在，而雷達(dá)目標(biāo)可能從任意方位進(jìn)入，包括從接近于基站方位的方向進(jìn)入，因此，傳統(tǒng)的基于空域、時域濾波的抗干擾措施(如旁瓣對消、旁瓣匿影)對于通信基站干擾往往是無效的。而限于技術(shù)水平，只能采用上述頻域隔斷的辦法解決同頻段互擾問題，造成了頻譜資源的極大浪費，尤其是隨著手機用戶數(shù)量的迅速增長和通信基站的建設(shè)，該頻段雷達(dá)的可用頻率資源受到極大的壓縮。本文擬采用極化域濾波技術(shù)，利用基站信號電磁波的極化矢量特征，通過自適應(yīng)加權(quán)配置雷達(dá)雙極化天線接收通道的幅相系數(shù)來對消GSM基站信號，保證有效發(fā)揮其在戰(zhàn)場低空目標(biāo)探測方面的優(yōu)勢。

現(xiàn)有APC算法已日趨成熟，但在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，收斂步長因子難以自適應(yīng)，會直接影響到濾波器響應(yīng)時間及濾波效果。UHF波段雷達(dá)的工作場景通常比較復(fù)雜，受地形、建筑物反射以及基站本身發(fā)射信號復(fù)雜性的影響，到達(dá)雷達(dá)天線的GSM信號通常并非完全極化波，APC算法的性能受到進(jìn)一步的限制。

本文重點針對GSM干擾位于雷達(dá)主波束內(nèi)的情形，首先分析指出了GSM信號的部分極化波特性，進(jìn)而提出了基于Stokes矢量的最佳接收極化計算方法，推導(dǎo)了最佳接收極化的統(tǒng)計表達(dá)式。利用實測數(shù)據(jù)開展極化抗干擾實驗，驗證了極化濾波方法能夠有效抑制GSM基站干擾信號，且相比于傳統(tǒng)APC算法，本文提出的濾波方法無需考慮迭代收斂過程中步長因子的選取問題，具有更快的權(quán)值收斂速度和更為穩(wěn)定的干擾抑制性能。

2 GSM信號極化特性分析

3 針對部分極化波的極化濾波算法

3.1 APC迭代濾波方法

APC迭代濾波方法是以干擾輸出功率最小為準(zhǔn)則，通過矢量迭代的方式盡可能使接收極化與干擾極化互為交叉極化，以達(dá)到對干擾的抑制效果[19]。極化對消通常分兩步進(jìn)行：首先只接收干擾信號，進(jìn)行迭代計算，獲得輔助通道的最佳權(quán)系數(shù)；然后用最佳權(quán)系數(shù)對輔助極化通道加權(quán)以對消干擾，圖3給出了極化對消器的處理流程。

圖1 GSM信號在極化球上的分布

圖2 GSM信號極化度變化圖

圖3 APC權(quán)系數(shù)迭代過程

為使干擾信號輸出功率最小，需尋找使兩通道均方誤差最小的最優(yōu)權(quán)值，文獻(xiàn)[19]利用最陡梯度思想給出最優(yōu)權(quán)值遞推公式如下：

3.2 基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波方法

本節(jié)提出一種基于部分極化波最優(yōu)接收的濾波算法：對正交極化通道接收到的干擾信號進(jìn)行采樣，統(tǒng)計干擾信號的極化Stokes矢量，進(jìn)而針對該Stokes矢量推導(dǎo)得到了最佳接收極化矢量的表達(dá)式及極化通道加權(quán)系數(shù)，通過對兩極化通道加權(quán)合并可將干擾信號對消。

該方法對信號矢量進(jìn)行時間統(tǒng)計平均以及直接變換，替代了現(xiàn)有APC算法的時域迭代計算，從而尋找到最佳極化矢量，不存在迭代算法中因難以設(shè)定最佳步長因子帶來的性能損失，具有更為穩(wěn)定可靠的性能。算法具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 最佳接收極化計算實現(xiàn)流程

將式(10)代入式(11)可以得到用于對V通道加權(quán)的最優(yōu)權(quán)值如式(12)所示：

V通道加權(quán)后與H通道合并得到對消后的輸出為

4 干擾對消試驗與濾波算法性能分析

4.1 干擾對消試驗

干擾對消外場試驗仍選取第2節(jié)中提到的基站作為GSM干擾源，同時由信號源和線極化天線構(gòu)成的輻射源，用以模擬目標(biāo)回波，分別采用上述兩種極化濾波算法進(jìn)行干擾對消和干擾背景下的目標(biāo)檢測實驗。

4.2 濾波算法性能比較

5 結(jié)束語

為解決基站GSM信號對同頻段雷達(dá)引起的干擾問題，本文提出采用極化濾波抗干擾的方法。首先利用實驗數(shù)據(jù)分析了GSM基站信號在極化球上的分布特性，說明了利用極化方法抑制該類干擾的可行性；然后針對現(xiàn)有APC迭代算法在工程實現(xiàn)中存在的問題，提出一種新的基于部分極化波最優(yōu)接收的極化濾波算法，克服了迭代算法步長因子難以設(shè)定的問題，性能更為穩(wěn)定。最后開展外場極化抗干擾試驗，驗證了極化濾波算法對于GSM干擾信號抑制的有效性，并通過比較說明了本文算法相比現(xiàn)有APC迭代濾波方法，在保證濾波效果的同時用于計算權(quán)值的時間更短，性能更穩(wěn)定。本文主要針對位于主波束內(nèi)的單個基站信號，對雷達(dá)干擾的問題進(jìn)行了相關(guān)討論，對于多個基站多目標(biāo)的情況將作為下一步研究的工作。

圖5 濾波前后信號時域

圖6 濾波算法性能的比較

[1] 高云, 暢洪濤, 聶宏斌, 等. 一起公眾移動通信基站信號干擾民航二次雷達(dá)的案例分析[J]. 中國無線電, 2009(11): 67-71.

Gao Yun, Chang Hong-tao, Nie Hong-bin,.. A case analysis of civil aviation secondary radar interfered by public communication base station signal[J]., 2009(11): 67-71.

[2] 趙鐵英, 杜鵬程, 王永良.GSM移動通信系統(tǒng)對同頻段LFM雷達(dá)干擾的分析[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報, 2006, 20(3): 171-173.

Zhao Tie-ying, Du Peng-cheng, and Wang Yong-liang. Analysis of interference of GSM system to LFM radar in the same frequency channel[J]., 2006, 20(3): 171-173.

[3] 劉愛軍, 毛興鵬, 鄧維波. 基于斜投影極化濾波的高頻雷達(dá)電臺干擾抑制[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2011, 41(4): 1177-1182.

Liu Ai-jun, Mao Xing-peng, and Deng Wei-bo. Radio interference suppression for high frequency radar based on oblique projection polarization filtering[J].(), 2011, 41(4): 1177-1182.

[4] 王雪松, 汪連棟, 肖順平, 等. 自適應(yīng)極化濾波器的理論性能分析[J]. 電子學(xué)報, 2004, 32(4): 1326-1329.

Wang Xue-song, Wang Lian-dong, Xiao Shun-ping,.. Theoretical performance analysis of adaptive polarization filters[J]., 2004, 32(4): 1326-1329.

[5] Wang Xue-song, Chang Yu-liang, Dai Da-hai,.. Band characteristics of SINR polarization filter[J]., 2007, 55(4): 1148-1154.

[6] Dai Huan-yao, Wang Xue-song, Li Yong-zhen,.. Main-lobe jamming suppression method of using spatial polarization characteristics of antennas[J].,2012, 48(3): 2167-2179.

[7] 劉勇, 戴幻堯, 李金梁, 等. 空域虛擬極化濾波原理及實驗結(jié)果[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2011, 26(2): 272-279.

Liu Yong, Dai Huan-yao, Li Jin-liang,.. Principle and experimental results of spatial virtual polarization filtering algorithm[J]., 2011, 26(2): 272-279.

[8] 戴幻堯, 李永禎, 劉勇, 等. 單極化雷達(dá)的空域零相移干擾抑制極化濾波器[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(2): 290-295.

Dai Huan-yao, Li Yong-zhen, Liu Yong,.. Spatial null phase-shift interference suppression polarization filter design for single polarized radars[J]., 2011, 33(2): 290-295.

[9] Mao X P, Liu A J, Hou H J,.. Oblique projection polarisation filtering for interference suppression in high-frequency surface wave radar[J].,&, 2012, 6(2): 71-80.

[10] Hong Hong, Mao Xing-peng, and Hu Cui. A multi-domain collaborative filter for HFSWR based on oblique projection[C]. 2012 IEEE Radar Conference, Atlanta, GA, 2012: 0907-0912.

[11] 毛興鵬, 劉愛軍, 鄧維波, 等. 斜投影極化濾波器[J]. 電子學(xué)報, 2010, 38(9): 2003-2008.

Mao Xing-peng, Liu Ai-jun Deng Wei-bo,.. An oblique projecting polarization filter[J]., 2010, 38(9): 2003-2008.

[12] Nathanson F E. Adaptive circular polarization[C]. IEEE International Radar Conference, Arlington, VA, 1975: 221-225.

[13] Poelman A J. Virtual polarization adaptation, a method of increasing the detection capabilities of a radar system through polarization-vector processing[J].,, 1981, 128(5): 261-270.

[14] Poelman A J and Guy J R F. Multinotch logic-product polarization suppression filters: atypical design example and its performance in a rain clutter environment[J].,,1984, 131(7): 383-396.

[15] Giuli D, Fossi M, and Gheraadelli M. A technique for adaptive polarization filtering in radars[C]. Proceedings of IEEE International Radar Conference, Arlington, VA, 1985: 213-219.

[16] Gherardelli M. Adaptive polarization suppression of intentional radar disturbance[J]., 1990, 137(6): 407-417.

[17] 何希才, 盧孟夏. 現(xiàn)代蜂窩移動通信系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1999: 287-305.

He Xi-cai and Lu Meng-xia. Modern Cellular Mobile Communication System[M]. Beijing: Electronics Industry Press, 1999: 287-305.

[18] 莊釗文, 肖順平, 王雪松. 雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999: 101-109.

Zhuang Zhao-wen, Xiao Shun-ping, and Wang Xue-song. Radar Polarization Information Processing and Application [M]. Beijing: Defense Industry Press, 1999: 101-109.

[19] 施龍飛, 王雪松, 徐振海, 等. APC迭代濾波算法與性能分析[J]. 電子與信息學(xué)報, 2006, 28(9): 1560-1564.

Shi Long-fei, Wang Xue-song, Xu Zhen-hai,.. The iterative-filtering scheme and its performance analysis of APC[J].&, 2006, 28(9): 1560-1564.

任 博： 男，1986年生，博士生，研究方向為雷達(dá)極化信息處理、綜合電子信息系統(tǒng)建模與仿真.

施龍飛： 男，1978年生，副研究員，研究方向為雷達(dá)極化信息處理、雷達(dá)系統(tǒng)仿真.

王洪軍： 男，1986年生，工程師，研究方向為相控陣?yán)走_(dá)天饋線系統(tǒng)設(shè)計與仿真.

李永禎： 男，1977年生，副教授，研究方向為雷達(dá)極化信息處理、目標(biāo)識別.

Investigation on of Polarization Filtering Scheme to Suppress GSM Interference in Radar Main Beam

Ren Bo①②Shi Long-fei①②Wang Hong-jun③Li Yong-zhen①②Wang Guo-yu①②

①(,,410073,)②(,,410073,)③(,430077,)

A polarization filtering scheme is employed to resolve interference from GSM base station to the radar in practice. By analyzing the existing Auto Polarization Cancellation (APC) algorithm, a new filtering algorithm based on the optimal reception of partially polarized signal is proposed. The polarization Stokes vector of GSM signal is estimated, and then the optimal receptive polarization is calculated on the principle of the minimum interference power. The effectiveness of polarization filter is finally validated by the experiment of interference suppression. Compared with the existing algorithm, the proposed method not only achieves good performance in anti-interference, but needs shorter time in weight convergence, and it is more stable as well.

Radar; GSM interference; Polarization filter; Partially polarized; Anti-interference

TN95

A

1009-5896(2014)02-0459-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00257

任博 rb410@139.com

2013-03-04收到，2013-11-08改回