地波雷達(dá)電離層雜波干擾及抑制措施

韋有平

（福建廈門同安海軍92985 部隊(duì)，福建 廈門361100）

地波雷達(dá)運(yùn)行過程中會受到一定程度的干擾，并非處理理想的運(yùn)行狀態(tài)，存在著向上發(fā)射經(jīng)天波傳播、沿海面?zhèn)鞑シ绞剑渲胁糠帜芰吭谶\(yùn)行過程中會經(jīng)過電離層而放射，天線能夠接收這部分能量，在一定程度上干擾了電離層雜波的運(yùn)行，現(xiàn)實(shí)工作中，經(jīng)常出現(xiàn)的干擾因素為3～10 MHz 電離層雜波干擾，屬于高頻段的低端，表現(xiàn)最為明顯的運(yùn)行雷達(dá)為距離在400 km 的遠(yuǎn)程地波雷達(dá)，往往具有3～5 MHz工作頻率。電離層雜波干擾原因復(fù)雜，其原因包括電離層分層結(jié)構(gòu)不夠平穩(wěn)、分層結(jié)構(gòu)不夠均勻。為了有效解決這一問題，可以設(shè)置一個(gè)較大的工作頻率，比相應(yīng)電離層臨界頻率大，以此緩解地波雷達(dá)電離層雜波干擾，使電波傳播過程中能夠穿透電離層，這種運(yùn)用方式在消除干擾的同時(shí)也增加了發(fā)射功率，為了確保探測距離，一般要求在3～5 MHz 波段以獲得較小的衰減。對電離層雜波特性的解讀影響著對抑制電離層雜波干擾以及所能夠取得的干擾效果。

1 典型的電離層雜波干擾多普勒頻譜

地波雷達(dá)探測基于獲得目標(biāo)的多普勒回波。大量的地波雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)表明，電離層雜波可以出現(xiàn)在100 km 以外的區(qū)間，不同的晝夜時(shí)間、不同的季節(jié)，電離層雜波干擾所影響的距離元、雜波的多普勒頻移、多普勒擴(kuò)展度，以及電離層雜波的強(qiáng)度不同。有效探測距離200 km 以內(nèi)的電離層雜波干擾出現(xiàn)的概率相對較低，200 km 以外的電離層雜波干擾（主要是F 層雜波）出現(xiàn)的概率卻很高。對于工作在3～5 MHz、設(shè)計(jì)探測距離為400 km 的高頻地波雷達(dá)，電離層雜波（除F 層回波外，還包括E 層回波）出現(xiàn)的區(qū)域剛好位于有效探測距離以內(nèi)，這樣就給海態(tài)反演和目標(biāo)檢測帶來很大困難。為了很好地實(shí)現(xiàn)對電離層雜波干擾的抑制，必須認(rèn)真分析其特性。

電離層具有多層性和不規(guī)則性，使電離層難以對地波雷達(dá)電磁波形成一種良好狀態(tài)的反射效果，高頻地波雷達(dá)信號在傳輸過程中經(jīng)過了一系列的相關(guān)處理，包括極化域、空間、頻率、時(shí)間等層面的處理，處理過程等同于時(shí)變?yōu)V波器的輸出。電離層雜波呈現(xiàn)出多普勒頻移狀態(tài)，這主要是由于多普勒形態(tài)較為多樣且具有一定寬度，且調(diào)制過程整體處于調(diào)制狀態(tài)。其中常見的地波雷達(dá)典型電離層雜波干有條型干擾、點(diǎn)型干擾、擴(kuò)展型干擾、彗尾型干擾、擴(kuò)展阻塞型干擾等。分析大量的實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，有的電離層雜波具有較好的方向性，而且多普勒譜中不同的多普勒單元具有相似方向性；有的電離層雜波譜并沒有表現(xiàn)出較好的方向性。

2 電離層雜波干擾的傳播模式

D 層、E 層、F 層是電離層的主要構(gòu)成部分，這主要是基于電離層電子濃度差異而進(jìn)行劃分的，電離層受雜波干擾原因有多種，包括電離層自身不夠平穩(wěn)、其自身的傳播模式以及分層方式并不均勻等。電離層由于自身濃度的差異能夠放射不同頻率的信號，產(chǎn)生的最大頻率稱為臨界頻率，且（N 為每立方米電子數(shù)），D 層一般只在白天出現(xiàn)，高度為60 km 左右，由于D 層對高頻信號主要以吸收為主，一般不會形成地波雷達(dá)的電離層雜波；E 層高度可以在90～120 km 間變化；F 層高度在140 km 以上；在E 層高度區(qū)偶然產(chǎn)生ES層，特別是在中國沿海區(qū)域夏季，這種ES層的產(chǎn)生非常頻繁，而且電子濃度非常高，甚至能對超高頻以上信號產(chǎn)生反射。通常E 層、ES層和F 層都可能產(chǎn)生反射回波，從而形成地波雷達(dá)高頻信號干擾雜波，造成地波雷達(dá)干擾。多普勒譜可呈現(xiàn)多種類型的形態(tài)與E 層、ES層和F層回波傳播模式有關(guān)。

電離層對地波雷達(dá)產(chǎn)生干擾的可能傳播模式有：①ES（或E）層直接回波干擾，干擾距離為100～400 km；②F層直接回波干擾，干擾距離大于200 km；③ES（或E）層海面模式回波干擾，干擾距離大于200 km；④F 層海面模式回波干擾，干擾距離大于500 km；⑤包括①～④的多種組合合成干擾。

從上述分析可知，根據(jù)不同的電離層狀態(tài)、設(shè)備性能水平、工作頻率，地波雷達(dá)在大于100 km 距離都會接收到電離層的回波而被干擾，并出現(xiàn)多種復(fù)雜形態(tài)。

3 對電離層雜波干擾的抑制措施

電離層雜波的抑制是中遠(yuǎn)程高頻地波雷達(dá)的一個(gè)技術(shù)難題，根據(jù)電離層雜波形成的機(jī)理、特點(diǎn)等，可結(jié)合特殊天線陣性能實(shí)現(xiàn)對電離層雜波的抑制。

3.1 極化濾波抗干擾

極化濾波技術(shù)是地波雷達(dá)抗干擾的一種途徑。它的優(yōu)點(diǎn)是可以抑制自適應(yīng)選頻方法無法抑制的同頻干擾以及波束合成技術(shù)無法抑制的同向干擾。高頻地波雷達(dá)進(jìn)行極化抗干擾主要是針對干擾通過電離層折射產(chǎn)生的橢圓極化波。當(dāng)傳播媒質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，電磁波水平極化分量與垂直極化分量間存在確定的幅相關(guān)系。因此可以利用水平極化天線接收的電磁波對消垂直極化天線接收的電磁波，從而實(shí)現(xiàn)對干擾的抑制。當(dāng)然，電離層傳播媒質(zhì)是不斷變化的，為此必須采用一種自適應(yīng)算法來解決，在地波雷達(dá)站安裝水平極化天線。實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，多數(shù)干擾都能得到較好的抑制，并且在速度域進(jìn)行極化濾波的效果要優(yōu)于時(shí)域。

3.2 時(shí)頻分析，自適應(yīng)旁瓣消隱

根據(jù)電離層干擾在時(shí)域、空域和多普勒域的特征，對被電離層干擾的數(shù)據(jù)段（時(shí)間上與距離上）進(jìn)行檢測并消除。先采用大相干積累時(shí)間的FFT 變換檢測干擾的距離元，然后對可能存在干擾的距離元回波進(jìn)行短時(shí)積累的時(shí)頻分析，利用恒虛警率（CFAR）檢測方法確定受電離層干擾的距離元和時(shí)間段，并對回波中受到干擾的海洋回波數(shù)據(jù)進(jìn)行置零抑制，重做第二次FFT，即可得到抑制電離層干擾的距離多普勒普，這種抑制電離層方法效果好，算法結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)性好，虛警率低，是一種可實(shí)時(shí)應(yīng)用的穩(wěn)健算法。

3.3 雙頻雙工抑制電離層干擾

對于沒有方向性的電離層雜波，可采用雙頻工作抑制電離層雜波的措施，即雷達(dá)在積累周期工作在兩個(gè)頻率上，使一個(gè)頻率fE工作在E 層臨界頻率以下，另一個(gè)頻率fF工作在E 層臨界頻率以上F 層臨界頻率以下。當(dāng)雷達(dá)工作在fE頻率時(shí)，由于大部分能量被E 層反射，干擾主要為E 層雜波；當(dāng)雷達(dá)工作在fF頻率時(shí)，電磁波將穿透E 層，主要被F 層反射，此時(shí)干擾主要為F 層雜波。這樣對于其中一個(gè)工作頻率，當(dāng)雷達(dá)受到E 層雜波干擾時(shí)，將不受F 層干擾；對于另外一個(gè)頻率，當(dāng)雷達(dá)受到F 層雜波干擾時(shí)，將不受E 層雜波干擾。當(dāng)然，即使雷達(dá)斗工作在E 層臨界頻率以上，兩個(gè)不同的工作頻率受F 層雜波影響的距離區(qū)間也不同。這樣就使得兩個(gè)工作頻率同時(shí)工作而以互補(bǔ)的方式消除電離層雜波干擾。這種處理方式的運(yùn)用能夠有效抑制電離層雜波，還對目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別、海態(tài)參數(shù)反演有利。

3.4 虛擬調(diào)頻技術(shù)與小波分析結(jié)合抑制電離層干擾

運(yùn)用頻率捷變技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行照射時(shí)，由于頻率不同，天線口徑上分布能量存在一定的差異，為促進(jìn)信號檢測，電離層雜波干擾能流密度與天線口徑之間應(yīng)具有一定的夾角。運(yùn)用一般捷變頻技術(shù)增大了相鄰發(fā)射脈沖雷達(dá)載頻數(shù)值，由此能消減相鄰回波脈沖之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。虛擬跳頻技術(shù)具有一般頻率捷變技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，能針對相位序列進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，并運(yùn)用相關(guān)技術(shù)綜合性分析系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，能進(jìn)行正確的信號檢測，避免出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。并對雜波建立了新的處理方式，改變了原有簡單剔除的處理方式，對雜波進(jìn)行逐次加權(quán)處理。運(yùn)用虛擬跳頻技術(shù)中可在一定程度上擾動(dòng)小波系數(shù)，改變平移參數(shù)。若改變虛擬跳頻技術(shù)中相位，可能擾動(dòng)時(shí)域信號實(shí)部小波系數(shù)、虛部小波系數(shù)，會在一定程度上改變平移參數(shù)。高頻部分頻率分辨率較有限，與系統(tǒng)要求之間存在著一定差異，由此可以適當(dāng)調(diào)整平移參數(shù)、尺度參數(shù)，與小波變換中的要求達(dá)成一致。當(dāng)然，該方法中的小波選取、小波函數(shù)的分解層次及電離層雜波的檢測等需依賴一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

3.5 雷達(dá)組網(wǎng)抑制電離層干擾

在組網(wǎng)高頻地波雷達(dá)中，雷達(dá)發(fā)射信號在傳播過程中受自然物體的影響能夠發(fā)生一定的變化，可被其他雷達(dá)收到而構(gòu)成多路雷達(dá)信號。目前組網(wǎng)高頻地波雷達(dá)回波分離技術(shù)主要是頻份和時(shí)分兩種。頻份和時(shí)分從不同的角度進(jìn)行分離與處理，前者能夠在信號處理過程中將其搬移到其他載波頻率處，后者則在信號處理過程中融入了時(shí)延因素，將信號從原有區(qū)域挪至其他區(qū)域中，從而實(shí)現(xiàn)分離。網(wǎng)絡(luò)化觀測處理過程中均建立了網(wǎng)絡(luò)化觀測方式，均是在較小的組織內(nèi)部進(jìn)行改造，對比實(shí)現(xiàn)路徑發(fā)現(xiàn)，時(shí)分方式更易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度低。電離層雜波較易混雜至近距離元回波信號之中，出現(xiàn)被遮蔽現(xiàn)象，電離層雜波具有較強(qiáng)的能量，距離擴(kuò)展性不大，研究可見不同路電離層雜波之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。利用電離層雜波相關(guān)性進(jìn)行自適應(yīng)濾波，實(shí)現(xiàn)電離層雜波對消。相對于單站模式而言兩種方法都能對電離層干擾起到很好的抑制作用。