基于分數傅里葉極化估計的高頻雷達電臺干擾抑制

劉愛軍　邱云香　于長軍　毛興鵬　鄧維波

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海),威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱 150001)

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基于分數傅里葉極化估計的高頻雷達電臺干擾抑制

劉愛軍1邱云香1于長軍1毛興鵬2鄧維波2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海),威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱 150001)

摘要目標探測高頻雷達工作在短波波段的低頻段(3～15 MHz),該波段內密集的短波電臺對高頻雷達的目標探測能力造成嚴重影響,必須對電臺干擾加以抑制才能保證高頻雷達全天候正常工作. 極化濾波是抑制高頻雷達中短波電臺干擾的有效方法,但需要對干擾和目標信號的極化參數進行精確估計. 文章在基于分數階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform, FrFT)準確估計目標和干擾極化參數的基礎上,利用估計的目標和干擾極化參數來構建極化子空間,通過極化斜投影算子對高頻雷達中的電臺干擾進行抑制. 實測數據處理結果表明,基于FrFT的估計方法能準確估計出回波信號中電臺干擾的極化狀態(tài),在此基礎上進行的斜投影極化濾波能有效抑制高頻雷達電臺干擾,提高雷達探測性能.

關鍵詞高頻雷達;電臺干擾;FrFT;斜投影算子;極化濾波

DOI10.13443/j.cjors.2015031001

FrFT polarization estimation based radio interference suppression for high frequency surface wave radar

LIU Aijun1QIU Yunxiang1YU Changjun1MAO Xingpeng2DENG Weibo2

(1.HarbinInstituteofTechnologyatWeihai,Weihai264209,China;2.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract The performance of the high frequency surface wave radar (HFSWR), which works at the shortwave band (3-15 MHz), degrades heavily in an intensive radio interference environment. The radio interferences must be suppressed to ensure HFSWR all-weather operations. Polarization filtering is an effective method to suppress radio interferences, but the polarization parameters of signal and interference must be accurately estimated. On the basis of polarization parameters exact estimation by fractional Fourier transform (FrFT), a subspace is constructed using those estimated parameters, and the oblique projection operator is used to suppress radio interferences for HFSWR. The processed real data indicate that: the polarized parameters of the target and the radio interference can be estimated exactly by FrFT; the radio interferences can be effectively suppressed; the detection performance of HFSWR is further improved.

Keywords HF radar; radio interferences; FrFT; oblique projection operator; polarization filtering

引言

高頻地波雷達探測目標時一般都工作在短波波段的低頻段(3～15 MHz),利用發(fā)射的垂直極化電磁波能夠沿著海面繞射傳播機理,實現海面艦船及超低空飛行目標的超視距探測,在軍事和民用領域獲得了廣泛應用[1]. 然而該工作頻段內存在著密集的短波電臺,這些短波電臺極大地影響了高頻雷達的探測性能,特別是夜間,密集的短波電臺干擾甚至使高頻雷達無法正常工作. 為提高高頻雷達的探測性能,保證其全天候工作,必須采取有效方法抑制短波電臺干擾. 在眾多的抗電臺干擾方法[2-4]中,極化濾波利用干擾和目標信號在極化參數上的差異來抑制干擾、增強目標信號,并且該方法不受干擾空間分布及頻域分布的限制,是一種行之有效的抗干擾技術[5-7].

極化濾波需要建立與干擾極化參數相正交的極化濾波矢量,極化濾波效果很大程度上取決于對干擾信號極化參數估計的準確程度,傳統(tǒng)的信號極化參數估計通常都是在時域通過計算Stokes矢量參數得到,但該方法只能估計回波中存在單個干擾的情形,當回波中存在多個干擾時估計得到的只是多個干擾的平均極化參數. 文獻[8]提出了一種在頻域估計多個干擾的極化參數方法,解決了時域中無法估計多個干擾的極化參數問題,但該方法也只能估計頻域中信號頻譜互不重疊的干擾極化參數,當存在多個頻譜重疊的干擾信號時無能為力. 文獻[9]提出了一種基于分數階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform, FrFT)的信號極化參數估計方法,利用線性調頻(Linear Frequency Modulated, LFM)信號在分數域的能量聚集特性,對于那些頻譜有重疊的LFM干擾信號,該方法可以準確地估計出它們的極化參數.

前面提到,在干擾極化參數準確估計的前提下,極化濾波是高頻雷達抗電臺干擾的一種有效方法.普通極化濾波是通過建立與干擾極化參數相正交的極化濾波矢量來抑制干擾.但是普通極化濾波中并沒有考慮目標信號的極化參數,通常在抑制干擾的同時會給目標信號帶來一定的極化損失,引起目標信號的幅度和相位失真.高頻雷達是相參系統(tǒng),信號的相位失真會導致目標回波信號不能進行累積進而無法正常探測,因此普通極化濾波無法在實際的高頻雷達系統(tǒng)中應用.為此,文獻[10-11]提出了一種零相移極化濾波方法,通過對濾波后目標信號的幅度和相位補償來彌補普通極化濾波中目標信號的極化損失,并應用到實際高頻雷達系統(tǒng)中對電臺干擾進行了抑制,取得了理想的效果. 文獻[12-14]提出了一種斜投影極化濾波的方法,通過目標和干擾信號的極化參數子空間構造斜投影極化濾波算子來抑制干擾,解決了目標和干擾信號極化參數不正交時傳統(tǒng)極化濾波方法引起的目標信號極化損失問題,該方法并不需要對濾波后的信號進行任何補償即可恢復出目標信號.

本文以文獻[9]提出的FrFT信號極化參數估計為基礎,對實測的高頻雷達數據中的電臺干擾進行極化參數估計,然后結合文獻[12]中的斜投影極化濾波方法,對實際錄取的高頻雷達回波中的電臺干擾進行抑制. 實測數據處理結果表明基于FrFT的方法可以準確估計干擾極化參數,在此基礎上采用斜投影極化濾波方法可以對高頻雷達電臺干擾完全抑制.

1高頻雷達電臺干擾FrFT極化估計

1.1高頻雷達目標回波與電臺干擾

高頻雷達發(fā)射的信號通常為線性調頻脈沖截斷連續(xù)波,可表示為

πα(t-mTs)2]}.

(1)

(2)

高頻雷達中的短波電臺干擾通常為單載頻信號,可表示為

(3)

式中: l代表短波電臺干擾的個數; Ai(t)代表第i個干擾的包絡; fi表示第i個干擾的頻率; φi表示第i個干擾的初始相位. 雷達接收的回波信號經過混頻處理后目標回波變?yōu)閱我还潭l率的信號,而載波頻率固定的電臺干擾信號變?yōu)長FM信號[5].

1.2高頻雷達電臺干擾FrFT極化估計

1) FrFT極化狀態(tài)估計原理

設雙極化天線接收信號為單個的初始頻率為ω0的LFM信號,則

(4)

式中:EH(t),EV(t)分別是水平極化分量和垂直極化分量;Ea為信號的振幅;ω0為LFM信號的初始頻率;m為信號調頻率;θ為極化角;δ為極化角相差. 對接收的信號進行角度為α的FrFT,可得到信號在分數域的表示為

Gα(u)=Fα[E(t)]=

(5)

式中: Gα(u)為信號E(t)進行α角度FrFT后的值;Fα表示α階的FrFT算子,表示對信號進行α階的FrFT,其具體可描述為

(6)

(7)

式中,GαH(u)和GαV(u)分別為Gα(u)的水平和垂直分量.

(8)

所以,分數域中信號的極化狀態(tài)可以表示為

(9)

式(9)表明:對極化信號進行分數階傅里葉變換后,信號的極化信息將保留,即分數傅里葉變換不改變信號的極化狀態(tài).

2) 高頻雷達回波目標和干擾極化估計步驟

根據前面對高頻雷達接收信號的分析得到,經過混頻后的目標回波表現為中心頻率固定的信號,電臺干擾則變?yōu)長FM信號. 通過分析可知,對于固定頻率的中頻信號在分數域內無法找到合適的α使信號匯聚為沖激函數,但直接進行傅里葉變換就可以使固定中頻的信號匯聚. 因此,對于實際高頻雷達系統(tǒng)中的目標回波和電臺干擾的極化參數估計步驟如下:

① 對輸入信號作α0階FrFT;

② 然后找到其在分數域能量的極大值點ui(對應于每個LFM信號的沖激響應)并求出對應的Gα0H(ui)和Gα0V(ui);

③ 利用公式(9)分別求出每個電臺干擾的極化狀態(tài);

④ 對輸入信號進行傅里葉變換,在頻域求出固定中頻信號的極化狀態(tài).

2斜投影極化濾波

假設雷達回波信號包含目標信號、電臺干擾和噪聲,雷達回波信號X(t)可寫為

(10)

(11)

(12)

式中:

ρ=(cosεssinεi)2+(cosεisinεs)2-

2cosεisinεscosεssinεicos(δi-δs);

exp[j(δi-δs)];

exp[(-j(δi-δs)].

根據斜投影算子的性質有

EABA=A; EABB=0.

(13)

經該斜投影算子(即極化濾波矢量)與接收的雷達回波信號作用后的輸出結果可寫為

Xo(t)=ΕABX(t)

=EABAEss(t)+EABBEii(t)+EABn(t)

=AEss(t)+EABn(t)

(14)

可見,經斜投影極化濾波后目標信號完整地保留下來,干擾信號被完全抑制. 圖1給出了高頻雷達電臺干擾的斜投影極化抑制處理流程.

圖1　高頻雷達電臺干擾極化抑制流程

3實測數據驗證

為了驗證本文算法的有效性,我們通過威海高頻雷達站實驗系統(tǒng)錄取了包含電臺干擾的實際雷達回波數據,數據錄取過程中發(fā)射機發(fā)射脈沖截斷線性調頻信號,每個掃頻周期內有32個脈沖.

3.1實測電臺干擾的極化估計

圖2和圖3分別給出了32個脈沖的干擾極化角和極化角相差的頻域和FrFT估計.從圖中可以看出:在干擾和目標頻率相近的15～20個脈沖內,采用FrFT方法估計的干擾極化參數基本保持平穩(wěn);而采用頻域估計方法估計的干擾極化參數則波動較大. 這主要是由于在15～20個脈沖內干擾和目標信號的頻譜基本接近或者重疊,導致頻域估計的干擾極化參數實際是目標和干擾的合成極化參數,而FrFT估計的為純干擾的極化參數.

圖2　頻域和FrFT估計的極化角參數

圖3　頻域和FrFT估計的極化角相差參數

3.2實測數據電臺干擾的極化抑制

在極化參數估計的基礎上,針對實際雷達回波數據中的電臺干擾,采用斜投影濾波算法對其進行抑制. 圖4是包含電臺干擾的雷達回波數據距離多普勒譜,從圖中明顯看出,在多普勒譜-28m/s附近有較強的電臺干擾.

圖4　包含電臺干擾的雷達回波距離多普勒譜

圖5和圖6分別是在頻域和FrFT極化估計的基礎上,采用斜投影極化濾波后的效果.從處理結果圖可以明顯看出,基于FrFT估計的極化參數構造的斜投影濾波算子濾波效果好于基于頻域估計極化參數的濾波效果.

圖5　基于FrFT估計的斜投影濾波效果

圖6　基于頻域估計的斜投影濾波效果

圖7和圖8給出了第15距離門基于兩種估計方法進行斜投影濾波后的結果.從圖中可以看出,基于FrFT估計的電臺干擾抑制干噪比改善約為40dB,而基于頻域估計的電臺干擾抑制干噪比改善約為30dB,這主要是由于FrFT估計的電臺干擾極化參數比基于頻域估計的更加準確,所以由FrFT估計的干擾極化參數構造斜投影極化濾波器對電臺干擾抑制效果更好,干噪比改善能提高10dB左右.

圖7　基于FrFT估計的第15距離單元濾波結果

圖8　基于頻域估計的第15距離單元濾波結果

4結論

本文在高頻雷達電臺干擾頻域和FrFT極化參數估計的基礎上,通過兩種估計方法得到的極化參數構建斜投影算子,采用斜投影極化濾波的方法對高頻雷達電臺干擾進行抑制,并通過實際錄取的數據進行了驗證. 實測數據處理結果表明,基于FrFT估計方法可以有效地解決高頻雷達目標回波和電臺干擾在時域和頻域同時發(fā)生重疊,導致無法準確估計干擾信號極化狀態(tài)的問題. 利用FrFT方法估計電臺干擾的極化狀態(tài)并通過斜投影極化濾波方法可以有效抑制高頻雷達中的電臺干擾,干噪比改善約為40dB,而且比基于頻域估計極化參數的斜投影濾波方法能提高10dB左右的干擾抑制能力.

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劉愛軍(1971-),男,河北人,哈爾濱工業(yè)大學(威海)副教授、碩士生導師,從事極化信號處理、雷達陣列信號處理等方面的研究.

邱云香(1989-)，女，山東人，哈爾濱工業(yè)大學(威海)碩士研究生，從事雷達極化信號處理方面的研究.

于長軍 (1962-)，男，黑龍江人，哈爾濱工業(yè)大學(威海)教授、博士生導師，從事新體制雷達技術、雷達天線理論等方面的研究.

毛興鵬 (1972-)，男，山西人，哈爾濱工業(yè)大學教授、博士生導師，從事雷達信號處理、電子偵察與對抗等方面的研究.

鄧維波 (1960-)，男，黑龍江人，哈爾濱工業(yè)大學教授、博士生導師，從事電磁場與電磁波、高頻雷達陣列信號處理等方面的研究.

作者簡介

中圖分類號TN957.51

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0025-06

收稿日期：2015-03-10

劉愛軍, 邱云香, 于長軍, 等. 基于分數傅里葉極化估計的高頻雷達電臺干擾抑制[J]. 電波科學學報,2016,31(1):25-30. DOI: 10.13443/j.cjors.2015031001

LIU A J, QIU Y X, YU C J, et al. FrFT polarization estimation based radio interference suppression for high frequency surface wave radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):25-30. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015031001

資助項目: 國家自然科學基金(61171188)； 海洋公益性科研專項(201505002)； 江蘇省博士后基金(1202074C)

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