一種基于時(shí)域信號(hào)處理的同頻干擾抑制方法

閆馮軍,汪永軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種基于時(shí)域信號(hào)處理的同頻干擾抑制方法

閆馮軍,汪永軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：船用導(dǎo)航雷達(dá)工作時(shí)同時(shí)開(kāi)機(jī)數(shù)量多、距離近、頻率等參數(shù)相同或相近,故同頻干擾已成為急需解決的問(wèn)題。本文介紹了同頻干擾的產(chǎn)生機(jī)理和特性,分析了抗同頻干擾的常規(guī)方法及其局限性,重點(diǎn)闡述了一種抗同頻干擾時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞:船用導(dǎo)航雷達(dá)；同頻干擾；脈沖相關(guān)；視頻積累

0引言

在近海特別是在港口附近時(shí),由于同時(shí)開(kāi)機(jī)的雷達(dá)頻率相同或相近,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的同頻干擾現(xiàn)象,且數(shù)量越多、距離越近干擾就越嚴(yán)重。同頻干擾會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)飽和,影響回波畫(huà)面、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤性能等[1]。對(duì)于船用導(dǎo)航雷達(dá)而言,由于其磁控管自動(dòng)頻率調(diào)諧特性和使用環(huán)境的特殊性等,決定了常規(guī)的抗同頻干擾方法失效或抑制效果有限[2]。本文從船用導(dǎo)航雷達(dá)信號(hào)處理的角度,介紹了一種時(shí)域抗同頻干擾的方法,并進(jìn)行理論仿真和實(shí)驗(yàn)室、近海試驗(yàn)。

1同頻干擾描述

1.1　同頻干擾特性

由于單站雷達(dá)距離相距較遠(yuǎn)且數(shù)量有限,陸基雷達(dá)同頻干擾現(xiàn)象不是很?chē)?yán)重。而對(duì)于船用導(dǎo)航雷達(dá)則不同,同一條船上可能會(huì)安裝多部雷達(dá),且船只距離近、視野通透和數(shù)量多,同頻干擾越來(lái)越成為船用導(dǎo)航雷達(dá)必須解決的問(wèn)題。船用導(dǎo)航雷達(dá)的同頻干擾分為同頻同步干擾和同頻異步干擾。同型雷達(dá)出廠前參數(shù)基本相同或相近。公式(1)中的△t為任意兩部同型雷達(dá)間的干擾參數(shù):

(1)

一般認(rèn)為△t小于發(fā)射脈沖寬度時(shí)雷達(dá)相互干擾為同步干擾。同步干擾在雷達(dá)顯示器上的畫(huà)面表現(xiàn)為占有一定寬度的同心圓。同時(shí)開(kāi)機(jī)雷達(dá)的數(shù)量越多同心圓就越多。干擾的寬度與雷達(dá)的發(fā)射脈寬相匹配。同心圓根據(jù)重復(fù)頻率的細(xì)微變化也會(huì)出現(xiàn)向外(內(nèi))緩慢移動(dòng)。典型的同頻同步干擾畫(huà)面如圖1所示。如果雷達(dá)脈沖重復(fù)周期間的參差度很高,或者通過(guò)人為改變相鄰重復(fù)周期的脈沖間隔(即將同步干擾異步化),此時(shí)一般△t大于發(fā)射脈沖寬度,雷達(dá)顯示器上出現(xiàn)異步干擾,畫(huà)面表現(xiàn)為向外擴(kuò)展的螺旋線,同時(shí)開(kāi)機(jī)雷達(dá)數(shù)量越多,螺旋線也越多,并在方位上不斷轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。船用導(dǎo)航雷達(dá)的抗同頻干擾能力已成為衡量其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

圖1　同頻同步干擾

圖2　同頻異步干擾

1.2　常規(guī)方法局限性

常規(guī)的雷達(dá)抗同頻干擾方法有采用低副瓣天線、錯(cuò)開(kāi)雷達(dá)頻點(diǎn)(如寬帶跳頻或捷變頻技術(shù))、錯(cuò)開(kāi)雷達(dá)發(fā)射周期和反異步相關(guān)等。其中低副瓣天線屬于微波范疇,本文不作討論。將同型雷達(dá)工作頻點(diǎn)錯(cuò)開(kāi),能夠避免相互干擾,這種方法理論上效果很好,但由于接收機(jī)鏡像頻率、頻綜雜散以及濾波器帶寬展寬等影響,很難做到完全消除。同時(shí),船用導(dǎo)航雷達(dá)一般基于磁控管自動(dòng)頻率調(diào)諧處理,無(wú)法實(shí)現(xiàn)跳頻。相鄰周期反異步處理,通過(guò)將同型雷達(dá)脈沖重復(fù)周期參差化,同時(shí)對(duì)同一距離單元相鄰周期信號(hào)作比較,如果信號(hào)相同或滿足差異準(zhǔn)則就判為正?；夭ㄝ敵?否則判為同頻干擾禁止。當(dāng)發(fā)射脈沖寬度較大、脈沖間參差度小以及同時(shí)開(kāi)機(jī)雷達(dá)數(shù)目多的時(shí)候,這種方法抑制效果非常有限,畫(huà)面上仍然會(huì)出現(xiàn)快變的螺旋線干擾和斑狀干擾。同時(shí),這種處理方法對(duì)于低信噪比小目標(biāo)以及淹沒(méi)在干擾單元內(nèi)的目標(biāo)容易誤判和丟失。

2時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)

2.1　功能框圖

圖3所示為抗同頻干擾時(shí)域信號(hào)處理技術(shù)框圖,主要包括綜合時(shí)序控制模塊、改進(jìn)型反異步相關(guān)模塊和視頻積累模塊等。

圖3　抗同頻干擾時(shí)域處理功能框圖

2.2　綜合時(shí)序控制

設(shè)船用導(dǎo)航雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為

(2)

其中

(3)

其中,Tr為脈沖重復(fù)周期,φ(t)為相位,f0為載頻,τ為脈沖寬度,A為信號(hào)幅度。船用導(dǎo)航雷達(dá)一般為磁控管體制,重復(fù)周期間相位非相參,送往信號(hào)處理的回波信號(hào)是經(jīng)過(guò)檢波后的視頻信號(hào),只含時(shí)域上的幅度信息,表達(dá)式如公式(4)所示,其中k(t)為散射系數(shù)。

(4)

如果同型雷達(dá)按照上述的參數(shù)產(chǎn)生發(fā)射波形,多部雷達(dá)間必然產(chǎn)生同頻干擾。在波形時(shí)序設(shè)計(jì)上,一般采用多周期脈間參差的方法,簡(jiǎn)單的脈間參差理論上可將干擾錯(cuò)開(kāi),但當(dāng)同時(shí)開(kāi)機(jī)的雷達(dá)數(shù)量多、距離近,天線的副瓣性能差時(shí),抑制效果非常有限。為此,本文提出了一種三脈間隨機(jī)參差的時(shí)序產(chǎn)生方法,對(duì)于同型雷達(dá)在脈間參差基礎(chǔ)上增加了隨機(jī)參數(shù)產(chǎn)生和干擾模式修正功能。此時(shí)對(duì)應(yīng)公式(3)中的Tr是三脈沖參差循環(huán)的,同時(shí)疊加了隨機(jī)參數(shù)ε和動(dòng)態(tài)干擾模式修正參數(shù),即Tr是時(shí)間t的函數(shù),則綜合后的相鄰三重復(fù)周期值Tr1、Tr2、Tr3分別為T(mén)r1(t)、Tr2(t)+ε、Tr3(t)+2ε,其中ε為關(guān)聯(lián)開(kāi)機(jī)時(shí)刻狀態(tài)的隨機(jī)參數(shù),而干擾模式修正可在三脈沖周期的任意時(shí)刻進(jìn)行,通過(guò)上述的時(shí)序控制設(shè)計(jì)進(jìn)一步保證了多部雷達(dá)同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)的非相關(guān)性。在三脈沖參差量的選擇上要確保以下三點(diǎn):一要保證相鄰脈間同頻干擾能錯(cuò)開(kāi)多個(gè)距離分辨單元；由于重復(fù)周期變化影響雷達(dá)平均功率,二要保證在不同工作模式下目標(biāo)作用距離不受影響[4]；三要保證在不同的量程下目標(biāo)在距離上不會(huì)出現(xiàn)模糊。

2.3　改進(jìn)型三脈沖相關(guān)反異步處理

將同步干擾異步化后,常規(guī)的相鄰周期反異步基本原理是,將當(dāng)前周期距離單元上的信號(hào)和上一周期同一距離單元上的信號(hào)作比較,相鄰周期信號(hào)相同則判為正?；夭ㄐ盘?hào),否則判為異步干擾信號(hào)。如果采用三脈沖相關(guān)反異步,則關(guān)聯(lián)連續(xù)3個(gè)脈沖重復(fù)周期的回波信號(hào)作比較,進(jìn)行正?；夭ㄅc干擾的判別[5]。

這種簡(jiǎn)單的反異步處理雖能取得一定的干擾抑制效果,但存在如下問(wèn)題:

(1) 多周期比較準(zhǔn)則很難建立,特別是船用導(dǎo)航雷達(dá)使用環(huán)境決定了目標(biāo)脈間具有很大的起伏特性,對(duì)于低信噪比小目標(biāo)則更加難以處理；

(2) 當(dāng)同頻干擾數(shù)量很多時(shí),參差量的選擇不能完全保證干擾在相鄰周期內(nèi)有足夠大的幅度差異；

(3) 如果目標(biāo)與干擾在處理周期內(nèi)距離單元上重合,即目標(biāo)淹沒(méi)在干擾中時(shí),反異步方法在消除干擾的同時(shí)也丟失了目標(biāo)信號(hào)(干擾單元輸出被禁止)[6]。為此,本文提出了一種改進(jìn)型三脈沖相關(guān)反異步處理方法。首先依據(jù)正常通道視頻回波,產(chǎn)生相鄰連續(xù)3個(gè)周期回波信號(hào),工程設(shè)計(jì)上用雙口RAM讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)延遲線處理。基于中間周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行判決,相應(yīng)的后續(xù)其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和時(shí)序都與之對(duì)齊。然后將中間周期數(shù)據(jù)與前后周期數(shù)據(jù)作比較,考慮到船用導(dǎo)航雷達(dá)動(dòng)平臺(tái)環(huán)境下目標(biāo)多周期起伏性,將幅度差異值設(shè)置較小,確保目標(biāo)尤其是小目標(biāo)不被誤判舍棄。最后對(duì)于判決為目標(biāo)的回波送原值,對(duì)于判決為干擾的回波進(jìn)行三脈沖相關(guān)處理,輸出其前后兩個(gè)周期回波的平均值。

(5)

其中a,b為相互間隔一個(gè)重復(fù)周期的脈沖序號(hào),1≤a≤3,1≤b≤3且b=rem[(a-1)/3],rem為求余函數(shù)。改進(jìn)后的三脈沖相關(guān)反異步方法,對(duì)于誤判的小目標(biāo),通過(guò)后續(xù)的前后兩周期相關(guān)處理后幾乎不損失,前后周期相關(guān)處理降低了多干擾源剩余,對(duì)于異步干擾則能更好地去除。同時(shí)相比于干擾單元直接“挖去”的常規(guī)做法,此方法可以最大程度地保留疊加或淹沒(méi)在干擾單元中的目標(biāo)。改進(jìn)型三脈沖相關(guān)反異步處理方法的仿真圖如圖4所示,上半部分分別模擬了目標(biāo)所在距離單元疊加了干擾、干擾單獨(dú)出現(xiàn)和小目標(biāo)信號(hào)3種情況,下半部分仿真了經(jīng)過(guò)處理后的回波情況?？梢钥闯?目標(biāo)所在距離單元內(nèi)的干擾被剔除的同時(shí)目標(biāo)信號(hào)被最大限度保留,獨(dú)立區(qū)域內(nèi)的干擾信號(hào)被完全剔除,小目標(biāo)信號(hào)沒(méi)有被誤判而丟失。

圖4　改進(jìn)型三脈沖相關(guān)反異步處理仿真圖

2.4　視頻積累

(6)

其中θα是雷達(dá)波瓣水平寬度角；θscan是天線掃描速率；fr是雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率,針對(duì)本文所述脈間參差的情況,fr取多周期最小值?；皩挾葍?nèi)始終保持同一距離單元內(nèi)當(dāng)前m個(gè)周期信號(hào),設(shè)某一距離單元多周期的值為Ii,則雷達(dá)探測(cè)的第j個(gè)周期,該距離單元的Ij進(jìn)入積累器,而最先的信號(hào)Ij-m離開(kāi)積累器:

(7)

圖5模擬了小目標(biāo)信號(hào)及剩余干擾,圖6仿真了8點(diǎn)視頻積累后輸出,可以看出剩余干擾進(jìn)一步剔除,同時(shí)小目標(biāo)的信噪比得到提高。

圖5　剩余干擾和小目標(biāo)示意圖

圖6　視頻積累目標(biāo)輸出仿真圖

3試驗(yàn)驗(yàn)證

抗同頻干擾驗(yàn)證試驗(yàn)分別在實(shí)驗(yàn)室和港口進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下多臺(tái)同型船用導(dǎo)航雷達(dá)同時(shí)開(kāi)機(jī),多臺(tái)天線單元放置樓頂,天線單元相互距離小于5m。圖7、圖8為常規(guī)參差和反異步處理后的回波畫(huà)面,可以看出當(dāng)多部雷達(dá)同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí),局部區(qū)域出現(xiàn)隨機(jī)斑狀干擾和快變的拖尾干擾現(xiàn)象。圖9所示為采用本文提出的抗同頻干擾時(shí)域信號(hào)處理后的回波畫(huà)面,可以看出同頻干擾抑制效果很好,對(duì)于偶爾出現(xiàn)的少量干擾剩余還可以輔以手動(dòng)抗干擾模式切換進(jìn)行優(yōu)化。港口環(huán)境下外場(chǎng)試驗(yàn)中,由于天線間隔距離大,抗干擾試驗(yàn)也得到了滿意的結(jié)果。

圖7　本文抗干擾處理前回波(一)

圖8　本文抗干擾處理前回波(二)

圖9　本文抗干擾處理后回波

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出的抗同頻干擾時(shí)域信號(hào)處理技術(shù),主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域的船用導(dǎo)航雷達(dá)。針對(duì)同型雷達(dá)數(shù)量多、距離近及船舶大起伏動(dòng)平臺(tái)載體等港口和近海惡劣環(huán)境下,通過(guò)理論仿真并工程實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了該方法的有效性,同時(shí)該方法對(duì)脈沖壓縮體制等相參雷達(dá)的時(shí)域抗同頻干擾處理也具有很好的借鑒意義。

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A shared frequency interference suppression method based on

time-domain signal processing technology

YAN Feng-jun, WANG Yong-jun

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:Multiple adjacent marine navigation radars with the same or similar frequency are operating simultaneously. Therefore, the shared frequency interference has become an issue that needs to be solved urgently. The generation mechanism and characteristics of the shared frequency interference are introduced, and the conventional methods of resisting the shared frequency interference and their limitations are analyzed with an emphasis on the time-domain signal processing technology. The simulation and test results indicate that the method is effective.

Keywords:marine navigation radar; shared frequency interference; pulse correlation; video accumulation

中圖分類(lèi)號(hào):TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0021-05

作者簡(jiǎn)介:閆馮軍(1978-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理；汪永軍(1981-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)終端處理。

收稿日期:2015-04-09