CN100472223C - 高频雷达抗射频干扰方法 - Google Patents

Abstract

一种高频雷达抗射频干扰方法，通过预设的信噪比门限在雷达采集的远距离元累积多普勒谱上检测出干扰信号，依据高频雷达接收的射频干扰的分布，采用不同的扫频脉冲相位调制方式，降低干扰对探测结果的不利影响。本发明通过简单的雷达扫频信号初相位设置，实现良好的抗干扰效果，降低了干扰抑制对辅助接收天线通道的依赖性，以廉价的方式提高了小口径雷达的实用性。

Description

高频雷达抗射频干扰方法

技术领域

本发明涉及一种高频雷达抗射频干扰的方法。

背景技术

高频(3—30MHz)雷达因其独特的超视距和全天候探测能力，已得到广泛研究并成功应用于海洋表面动力学参数测量中，并可实时探测舰船、飞机和导弹等运动目标。高频段内密集的短波通讯和广播电台等产生的射频干扰会严重影响雷达的探测性能，这是高频雷达运行中的一个主要问题。在现有的高频雷达抗干扰方法中，通常采用的自适应波束形成抗干扰方法依赖于大型相控天线阵，系统较为复杂，且不适用于小口径宽波束雷达；而从信号的时域或频域特征出发的抗干扰方法，如基于干扰瞬时特征的检测—截除—内插法和基于干扰距离分布特征的干扰信号子空间正交投影法等，都需要对含有射频干扰的接收信号进行滤波处理，因而不可避免地会对有用信号造成一定程度的损失和畸变(如信号谱主瓣展宽，旁瓣升高)，且当存在多个干扰时，这种影响则更为严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种高频雷达抗射频干扰方法，避免现有滤波处理方法的干扰抑制不完全及对信号产生畸变等不利影响，获得更为准确的干扰信息，完全恢复出干扰谱，使有用信号随机化，减小干扰和有用信号的相互影响，实现二者的独立分析，为高频雷达提供一种简捷有效和廉价的抗射频干扰方法，以提高高频雷达尤其是便携式高频雷达系统的探测性能。

本发明的技术方案是：一种高频雷达抗射频干扰方法，其特征在于：

通过预设的信噪比门限在雷达采集的远距离元累积多普勒谱上检测出干扰信号；

依据高频雷达接收的射频干扰的分布，采用不同的扫频脉冲相位调制方式，实现抗干扰：

当干扰在频域为密集型分布时，采用随机调相方式将干扰谱白化到一个平均的基底上；

当干扰在频域为稀疏分布时，采用线性调相方式将干扰谱搬移到感兴趣的谱区之外，恢复被掩盖的信号；

当干扰不存在或者其影响小到可以容许的程度时，采用恒定相位方式，不对信号作任何额外处理。

如上所述的方法，其特征在于：对调制相位序列进行补偿，完全恢复出干扰谱，使有用信号随机化，减小干扰和有用信号的相互影响，实现二者的独立分析。

在高频雷达接收的干扰距离—多普勒谱中，干扰条带的形成实际上是由于在相干处理时间内雷达发射的线性调频脉冲波形完全一致，因而干扰谱的形成类似于一种以雷达脉冲重复频率对射频干扰信号进行抽采的过程，干扰得到了相干积累。基于此，本发明沿另一种思路来考虑雷达抗干扰问题，即对雷达发射的线性调频脉冲进行相位调制，以改变干扰的谱形式，从而实现抗干扰。针对高频雷达中通常面临的集中型射频干扰，可采用线性调相方式，将干扰谱搬移至感兴趣的频率范围(如海浪一阶和二阶谱区)之外；而针对扩展分布型射频干扰，则可以采用随机调相的方式，将干扰谱随机化(白化)到一个均匀的基底电平上。由于雷达采用相干解调，本振信号与发射信号一致，因此调相对有用回波信号没有任何影响，却为雷达提供了便捷、低成本的抗干扰手段，尤其适用于用于海态监测的便携式高频地波雷达。特别地，采用脉冲调相方法的另一个好处是，若对接收信号进行相位补偿，则可以重构原干扰谱，而将有用回波谱随机化，从而可以得到更为精确的干扰参数估计。有用信号和干扰信号可以分开处理，而彼此间的相互影响达到最小。而当干扰不存在或者其强度低于容许电平时，又可以采用恒定初相位调频脉冲，不对信号作额外处理。本发明可以灵活有效地应用于高频雷达的抗干扰处理中，从而大大提高了雷达的工作效率和探测性能。

本发明的优势在于：无需设置任何辅助天线，使抗干扰更为廉价；没有复杂的信号处理过程，计算量非常小，处理方法非常便捷；在干扰数较少时，通过线形调相可以完全搬移开干扰谱而对有用信号没有任何损失，从而避免了现有滤波处理方法的干扰抑制不完全及对信号产生畸变等不利影响；在远距离元上的累积多普勒谱上检测干扰，能获得更为准确的干扰信息；对调制相位序列进行补偿，可以完全恢复出干扰谱，而使有用信号随机化，减小了干扰和有用信号的相互影响，实现二者的独立分析，而干扰的准确分析有利于进一步优化雷达系统的探测性能。

附图说明

图1，本发明实施例的高频雷达工作原理图。其中，1接收天线，2本振信号，3解距离变换，4多普勒变换

图2，集中分布型干扰的累积多普勒谱。

图3，扩展分布型干扰的累积多普勒谱。

图4，抗干扰装置工作原理框图。其中，11发射信号，12本振信号，13接收信号，14目标谱分析模块，15干扰谱分析模块，16调相方式选择模块，17后续信号处理模块，＊表示共轭。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。

线性调频体制高频雷达的工作原理和干扰谱的特征简单介绍如下：

高频地波雷达的工作原理框图如图1所示。雷达采用线性调频体制，在每个扫频周期内对解调后信号进行低通滤波、采样和快时域的离散傅立叶变换得到该扫频周期的距离谱，其中每个谱点对应于一个距离元上的一个谱值样本，在由多个扫频周期组成的相干积累时间内对多个距离谱序列进行慢时域离散傅立叶变换得到距离—多普勒二维谱(如图1所示，其中1为接收天线，2为本振信号，3为解距离变换，4为多普勒变换)。由多个接收天线通道上信号的距离—多普勒谱就可以提取海态信息和移动目标信息。

线性调频雷达的发射信号及本振信号可表示为

$g\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}(f_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{kt}}^2)},-T/2\&le;t<T/2---\left(1\right)$

其中f₀、k和T分别为雷达中心频率、线性调频斜率和扫频周期，t是快时间变量。

下面分析高频雷达通常面临的调幅(AM)型通讯干扰的谱形式。在第n(n＝0，…，N-1)个扫频周期内，干扰可以表示为

其中s_c(t′)和s_m(t′)分别是载波信号和调制信号，a、f_l和

分别是载波的幅度、频率和初相。t′＝nT+t是普通时间变量。

混频输出干扰信号为s(t′)＝s_i(t′)g(t)。通过基带低通滤波器H(f)后形成的第n个扫频周期内的距离谱为

$S^n\left(f\right)=F\left[s(t\&prime;)\right]H\left(f\right)=F\left[s_i(t\&prime;)g\left(t\right)\right]H\left(f\right)=F[s_c(t\&prime;)g\left(t\right)+s_m(t\&prime;)g\left(t\right)]H\left(f\right)$

                                        (3)

$=F\left[s_c(t\&prime;)g\left(t\right)\right]H\left(f\right)+F\left[s_m(t\&prime;)g\left(t\right)\right]H\left(f\right)\stackrel{\mathrm{def}}{=}{S}_c^n\left(f\right)+S_m^n\left(f\right),$

其中F[·]表示对快时t的傅立叶变换，上标”表示扫频周期序号。这里干扰谱由确定载波信号谱和随机调制信号谱两部分组成。

由式(2)有

因此干扰载波谱为

$S_c^n\left(f\right)=F\left[s_c(t\&prime;)g\left(t\right)\right]H\left(f\right)=\left\{F\left[s_c\left(t\right)g\left(t\right)\right]H\left(f\right)\right\}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_l\mathrm{nT}}=S_c^0\left(f\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_l\mathrm{nT}}.---\left(5\right)$

由此可见干扰载波谱的特性，在慢时域(以n为变量)它是一个正弦信号，因而在多普勒域呈现线谱形式，且这个形式与距离无关，干扰谱将出现在所有的距离元上。确切地，干扰载波在距离—多普勒谱上呈现为平行于距离轴的亮条带，其频率位置为

$f_D=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mod}(f_l,f_r),\mathrm{mod}(f_l,f_r)\&le;\frac{f_r}{2}\\ \mathrm{mod}(f_l,f_r)-f_r,\mathrm{mod}(f_l,f_r)>\frac{f_r}{2}\end{array}\right.,---\left(6\right)$

其中f_r＝1/T是雷达的脉冲重复频率。当干扰相位存在波动(如由于搭载船只运动或电离层变化)时，干扰谱线则有所展宽而成为条带形式。

再看干扰的调制信号部分。通常调制信号带宽为5-10kHz，其相关时间(约为带宽的倒数)小于1ms，而扫频周期通常为几百ms，于是在不同的扫频周期调制信号可视为独立噪声信号。经过多普勒处理后，载波与调制信号的功率比将提高，其增益等于扫频脉冲数N。在这一意义下，干扰的调制成分只对回波信号的噪声基底提高产生贡献，而载波则成为干扰雷达探测性能的主要成分，因此，干扰载波成分的抑制通常是更为重要的工作。

由上述分析可知，干扰载波呈现线谱是因为在不同扫频周期内得到了相干积累。如果各个扫频脉冲参数均相同，那么对干扰载波的处理将等价于以雷达脉冲重复频率对干扰进行抽采，干扰频率也将折叠到在多普勒分析带宽内相应的位置上。然而，如果扫频脉冲的参数是随时间变化的，那么就可以对干扰谱进行某种方式的改造，避开或降低其对感兴趣回波谱区的干扰。如在海态探测中，感兴趣的是海浪正负一阶Bragg谱和二阶谱区，且通常在提取海流和浪高信息时一般只利用信噪比较高的一侧谱区，因而可以考虑将干扰谱搬移到此有用谱区之外而去除其不利影响。考察干扰谱形成过程，可知对发射脉冲进行调相，改变各扫频脉冲的初始相位，就可以实现干扰谱搬移。假设干扰谱搬移量为Δf，则相应的相位调制序列为α(n)＝2πΔfnT，而调相后的发射脉冲为

g_m(t′)＝g(t)e^ja(n)，                   (7)

用g_m(t′)代替g(t)代入式(3)，并利用傅立叶变换的性质，有

$S_m^n\left(f\right)=F\left[s_i(t\&prime;)g_m(t\&prime;)\right]H\left(f\right)=F\left[s_i(t\&prime;)g\left(t\right)e^{j2\mathrm{\&pi;f}\mathrm{nT}}\right]H\left(f\right)=S^n(f-\mathrm{\&Delta;f}).--\left(8\right)$

通过选择合适的搬移量，就可以有效地去除干扰的影响，这种线性调相方法可以有效地应用于白天干扰较少呈集中分布时的情况。然而，在某些更为恶劣的情况下，如在傍晚或者晚上干扰一般呈密集扩展型分布，干扰搬移方法的应用则受到限制，此时可以采用随机相位调制的方法，将干扰谱随机化(或白化)，从而实现干扰的抑制。此时在式(7)中的相位调制序列α(n)选为一任意随机序列，而在式(8)中

也被相应地随机化，由于频谱扩展干扰载波被衰减N倍，信(号)干(扰)比则相应获得增益N。

如果对采用随机调相脉冲后的接收信号进行相位补偿，即将第n个扫频周期的信号乘以e^-ja(n)，则可以恢复原干扰谱，实现对有用信号和干扰信号的独立分析。在相位补偿后有用信号因受到随机相位调制而被白化，干扰信号比获得增益N，有利于更精确地提取干扰信息，而此信息可以用于后续处理以获得更优的系统探测性能。

本发明的关键在于在远距离元上的累积多普勒谱中检测出干扰信号，然后依据干扰的分布特征选用合适的方式进行调相以实现抗干扰。

在典型的含有射频干扰的回波距离—多普勒谱图中，有用信号集中分布在较近的距离元段内，强度随距离增加而降低，而射频干扰在距离—多普勒谱中呈平行于距离轴的亮条带状分布，其强度在不同距离上较为平稳，因此，通过合理的雷达参数设计，可以提供一个较远的距离段，使该距离段上不含有用信号而只含有干扰信号。

选择较远距离区间进行多普勒谱积累，得到干扰谱。典型的集中分布型干扰谱如图2所示，其中干扰以分离的单峰形式出现。典型的扩展分布型干扰谱如图3所示，干扰则以扩展分布的谱区形式出现。通过预设的信噪比门限，可以检测出射频干扰的存在及其频率区间，并通过干扰频率区间的长度判断干扰的分布类型。

判断出干扰分布类型后，选择相应的调相方式进行扫频脉冲初相位设置。对于随机调相方式，将初相α(n)(n＝0，…，N-1)设为任意的随机序列，而对于线性调相方式则将其设为α(n)＝2πΔfnT，若没有干扰或者干扰强度小于容许范围，则设其为任意常值序列。

对调制相位序列进行补偿，即将第n个扫频周期的信号乘以e^-ja(n)，完全恢复出干扰谱，获得干扰的准确信息，以供后续进一步处理。

调相抗干扰工作框图如图4所示。其中11是发射信号，12是本振信号，13是接收信号，14是目标谱分析模块，15是干扰谱分析模块，16是调相方式选择模块，17是后续信号处理模块，*表示共轭。

Claims (2)

1、一种高频雷达抗射频干扰方法，其特征在于：

通过预设的信噪比门限在雷达采集的远距离元累积多普勒谱上检测出干扰信号；

依据高频雷达接收的射频干扰的分布，采用不同的扫频脉冲相位调制方式，实现抗干扰：

当干扰在频域为密集型分布时，采用随机调相方式将干扰谱白化到一个平均的基底上；

当干扰在频域为稀疏分布时，采用线性调相方式将干扰谱搬移到感兴趣的谱区之外，恢复被掩盖的信号；

当干扰不存在或者其影响小到可以容许的程度时，采用恒定相位方式，不对信号作任何额外处理。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：对调制相位序列进行补偿，完全恢复出干扰谱，使有用信号随机化，减小干扰和有用信号的相互影响，实现二者的独立分析。

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