基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法

摘要

一种基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法，将高频地波雷达天线阵设计成前后两排均匀直线阵形式，并将天线阵前后相对的两天线设置成子阵；通过对子阵中两天线接收的信号前后相减，以对消来自近垂直方向的电离层自干扰回波信号。本发明基于现有天线阵，无须增加接收天线、接收通道和天线占地面积；无须使用任何参考信号，采用软件的方法即可对消严重影响雷达性能的外界强干扰；通过改进的功率倒置自适应算法不仅可以抑制强外界干扰，还可以很好地抑制若干扰；采用一些加速运算方法，能满足实时性要求；采用前后两天线接收信号魔T相减的办法，可对消近垂直方向的电离层强干扰；在提高探测性能的同时，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用；具有出色的实用性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法。

背景技术

高频表面波超视距雷达利用垂直极化高频电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机和导弹等运动目标。另外，高频表面波超视距雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶和二阶散射机制，从雷达海洋回波中提取风场、浪场、流场等海洋动力学参数，可实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

然而，根据经典电磁场理论，当垂直极化天线位于无限大理想导电平面时，天线在其轴线方向上无辐射，但当天线架设地面为非无限大理想导电平面时，如地网大小和密度有限、地面存在损耗等，天线波束不仅会上翘一定的角度，而且在天线的轴线方向上还存在辐射。图1表示某垂直极化发射天线与地网的示意图。如图2表示某垂直极化发射天线在有耗地面和在敷有地网情况下E面的辐射方向图(图中，实线和虚线分别对应有耗地面和敷设有限地网情况的方向图)。在实际雷达工程中，天线架设的场地不可能做到理想的无限大导电平面，因此发射天线在其轴线方向上一定存在近垂直向上的电磁辐射。同时由于天线在E面存在一定的波瓣宽度，因此发射天线在其它仰角方向上也一定存在斜向上的电磁辐射。

众所周知，从离地面60km高度开始，部分大气分子被太阳电磁辐射、粒子辐射电离，形成一个由电子、正离子和负离子以及中性粒子组成的空间电离介质区域。这个存在于高层大气中的电离介质区域被称为电离层。电离层一直延伸到大气层外缘几千公里高度的空间。根据电子浓度的变化，电离层也可分成几个区域，即D层(60-90km)、E层(90-140km)、F1层(140-200km)、F2层(200-1000km或2000km)和外电离层(F2层以上)。

由于电离层的存在，当发射天线辐射波束在垂直面有一定的宽度或向上有一定的仰角时，其辐射的电磁波能量除了沿海面绕射传播外，还有一部分能量以一定的角度斜向上辐射，与电离层相互作用后以天波形式传播，与海空目标相互作用后，其后向散射信号又以原路径回到雷达。如图3表示地波雷达天线辐射能量在海洋表面与电离层之间的一跳传播路线。

大量的雷达观测实验结果表明，高频地波雷达电离层回波经常发生在E层、F1层和F2层，有时甚至电离层D层也具有反射(或散射)特性。白天来自电离层F层回波之强，有时甚至可以与近海回波相比拟(如图4所示)，而这极为严重地影响着雷达的性能，有时甚至使雷达无法正常工作。如图5表示海面回波受电离层回波“污染”后的海流图。从这些图明显可见，在被电离层“污染”的距离元，海洋回波全被隐没在强大的电离层回波中，在被“污染”的距离元由于电离层的干扰而没有反演出海流，从而形成了一定范围的距离“盲区”。

另外，由于高频地波雷达工作在短波段，雷达回波信号极其复杂，有海浪回波信号、海面目标回波信号、岛屿及陆地的回波信号、零频干扰、电离层自干扰、射频干扰、大气噪声、雷电干扰、宇宙噪声、工业噪声等。

现有的高频地波雷达对消电离层干扰方法基本上都采用极化滤波方法，其方法是通过设置若干水平天线，利用一定的算法实现电离层强自干扰的对消。但该方法需增加额外的辅助天线、接收通道和天线场地，这种方法费时费力，成本高，代价大，天线阵孔径接收通道损失大[H Leong：‘Adaptive nulling of skywave interference using horizontal dipole antennas in acoastal surface HF surface wave radar system’，Radar 97，14-16October 1997，Publication No.49：26-30.]。

本项发明将利用现有的接收天线阵，并将天线阵设计成若干子阵，从天线阵的空间滤波特性出发，提出了一种基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法。大量的观测试验说明，本发明提出的方法可以有效对消电离层干扰，满足了本发明提出的基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰基本要求，因此下面将对其进行重点介绍。

发明内容

针对现有方法的局限性，本发明的目的是提供一种基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法，该方法基于现有天线阵，无须增加接收天线、接收通道和天线占地面积，可以抑制强外界干扰，在提高探测性能的同时，降低雷达的研制成本和维护费用。

为了实现上述目的，本发明采用一种基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法，将高频地波雷达天线阵设计成前后两排均匀直线阵形式，并将天线阵前后相对的两天线设置成子阵；通过对子阵中两天线接收的信号前后相减，以对消来自近垂直方向的电离层自干扰回波信号。

上述对子阵中两天线接收的信号前后相减为将子阵中两天线接收的信号直接相减，或者利用等长的电缆将两天线接收的信号直接利用魔T反向相加。

本发明还可将天线阵中任一天线设计成主天线，周围相邻的两至四根天线设计成辅助天线，用功率倒置算法对消非近垂直方向的强电离层自干扰和/或除电离层以外的其它方位的强干扰。

由于现有的功率倒置算法所形成的零陷随着外界干扰的增加而加深，但是当存在相对弱的干扰时，传统的自适应算法形成的零陷不够深，本发明可在传统的功率倒置算法(R.T.Compton，Jr.：‘The power inversion array：concept and performance’，IEEE Trans.，1979，AES-15：803-814.)的基础上，通过改进传统的功率倒置算法，基于阵列协方差矩阵的特征空间分解，通过摒弃权矢量中的干扰特征分量，得到一组新的权值，并将该权值与构成子阵的天线接收的信号乘积形成自适应波束，来加深弱干扰条件下的零限深度，以更好对消相对弱小的干扰。

本发明的优势在于其出色的实用性能：基于现有天线阵，无须增加接收天线、接收通道和天线占地面积；无须使用任何参考信号，采用软件的方法即可对消严重影响雷达性能的外界强干扰；通过改进的功率倒置自适应算法不仅可以抑制强外界干扰，还可以很好地抑制相对微弱的干扰；采用一些加速运算方法，能满足实时性要求；采用前后两天线接收信号魔T相减或软件的办法，可对消近垂直方向的电离层强自干扰；在提高探测性能的同时，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用；本发明在实际应用中简单易行，实用性强，效果好。

附图说明

图1某垂直极化发射天线与地网结构示意图；

图2某垂直极化发射天线在有耗地面和在敷有地网情况下E面的辐射方向图；

图3高频电磁波在海空之间的传播路线；

图4实测的强电离层回波和海洋海波多普勒谱图；

图5海面回波受电离层回波“污染”后的海流图；

图6双排均匀直线阵及坐标定义示意图；

图7高频雷达信号环境与对消近垂直方向干扰的原理图；

图8利用前后两天线构成的子阵在H面的方向图；

图9基于功率倒置算法的子阵构成示意图；

图10雷达阵列子阵构成与信号处理原理图；

图1170km回波干扰对消前后的Doppler谱图；

图12140km回波干扰对消前后的Doppler谱图；

图13200km回波干扰对消前后的Doppler谱图；

图14流星余迹回波干扰对消前后的Doppler谱图；

图15去干扰后的Doppler；

图16图去干扰后的海流图。

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。

本发明的关键在于通过建立设置双排均匀直线阵，通过构建子阵和前后两天线干扰相消技术，以及改进的功率倒置自适应算法，对消来自雷达外的强干扰。

如图6表示设计的双排均匀直线阵。为了对消来自近垂直方向的自干扰，可将前后两天线分别设计成子阵，然后将接收的信号采用前后相减的方法即可对消近垂直方位的强干扰。从硬件上，也可将前后两天线利用等长的电缆直接利用魔T反相相加，以对消来自近垂直方向的电离层自干扰。如图7表示雷达信号环境与近垂直方向干扰对消的原理示意图。如图8表示子阵的方向图，本天线子阵的方向图很宽，天线间距8米左右。

为了对消近垂直方向以外强干扰，将天线阵列任一天线设计成主天线，周围相邻两至三或四根天线设计成辅助天线(如图9所示)，利用功率倒置算法对消非近垂直方向的强电离层自干扰或其它形式的强干扰。由于现有的功率倒置算法所形成的零陷随着外界干扰的增加而加深，但是当存在相对弱的干扰时，传统的自适应算法形成的零陷不够深，本发明通过改进传统的功率倒置算法，基于阵列协方差矩阵的特征空间分解，通过摒弃权矢量中的干扰特征分量，来加深弱干扰条件下的零限深度，以更好对消相对微弱的干扰。

(一)对消近垂直方向强干扰的信号模型

将高频地波雷达接收天线设计为两排平面阵列形式，设天线1来自海面后向散射的回波信号为S₁，来自电离层近垂直方向后向散射的回波信号为J₁，噪声为N₁。同样，设天线2来自海面后向散射的回波信号为S₂，来自电离层近垂直方向后向散射的回波信号为J₂，噪声为N₂(如图7所示)。则天线1、2接收的信号

x₁＝S₁+J₁+N₁                           (1)

x₂＝S₂+J₂+N₂                           (2)

由(1)-(2)得

X＝x₁-x₂＝(S₁-S₂)+(J₁-J₂)+(N₁-N₂)  (3)

其中来自电离层自干扰信号可表达为

$>>>J>1>>>(>t>)>>=>\sigma \rho >>(>t>)>>exp>>(>j>2>\pi \Delta >>f>d>>t>)>>exp>[>jk>>d>2>>sin>>(>>\theta >J>>)>>]>->->->>(>4>)>>>s>$

$>>>J>2>>>(>t>)>>=>\sigma \rho >>(>t>)>>exp>>(>j>2>\pi \Delta >>f>d>>t>)>>exp>[>->jk>>d>2>>sin>>(>>\theta >J>>)>>]>->->->>(>5>)>>>s>$

其中，σ电离层自干扰信号幅度的均方值，ρ(t)多普勒时变扩展宽函数，θ_J电离层干扰方向(与z轴的夹角)，Δf_d有规律的多普勒频移，d是天线1、2间的空间距离，且典型的多谱勒扩展函数ρ(t)可表达为

                        ρ(t)＝exp(jxsin(2πεt))         (6)

由此

$>>X>=>>x>1>>->>x>2>>=>>(>>S>1>>->>S>2>>)>>+>2>j\sigma \rho >>(>t>)>>exp>>(>j>2>\pi \Delta >>f>d>>t>)>>sin>[>jk>>d>2>>sin>>(>>\theta >J>>)>>]>+>>(>>N>1>>->>N>2>>)>>->->->>(>7>)>>>s>$

当干扰信号来自电离层近垂直方向时，即θ_J～0°，则

                         X＝x₁-x₂～(S₁-S₂)+(N₁-N₂)        (8)

综合以上分析，当将前后两相邻天线作为一个子阵，并将天线1、2接收信号进行倒相合成，则可直接对消来自电离层的近垂直方向自干扰信号。或利用前后两单元天线形成子阵，再利用自适应算法实现对消来自近垂直方向的自干扰。不难证明，子阵的方向图函数为

                        f(θ)＝1-exp(jkdcos)            (9)子阵方向图如图8所示。

(二)改进的功率倒置自适应算法

要实现雷达对消外界强干扰，关键之一是选择合适的自适应算法。不失一般性，对任意平面阵(阵元数为M)，为简化分析，设参考阵元位于坐标原点，阵元m在(x，y)平面上的位置用它到坐标原点的距离r_m和与x轴的夹角θ_m来表示(如图6表示双排均匀直线阵及坐标定义示意图)。信号源的仰角α_d定义为波达方向与z轴的夹角，方位角β_d定义为波达方向在(x，y)平面投影与x轴的夹角，则空间D个信号源以不同二维方向角(α_d，β_d)入射到M元天线阵，阵列输出数据向量为

                      X(t)＝AS(t)+N(t)                  (10)式中，

                      X(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，...，x_M(t)^T

                      A＝[a(α₁，β₁)，a(α₂，β₂)，...，a(α_D，β_D)^T，

           S(t)＝[s₁(t)，s₂(t)，..，s_M(t)]^T

           N(t)＝[n₁(t)，n₂(t)，...，n_M(t)]^T

$>>a>>(>>\alpha >d>>,>>\beta >d>>)>>=>\{>1>,>exp>[>->j>>>2>\pi >>\lambda >>>\Delta >1>>]>,>·>·>·>,>exp>[>->j>>>2>\pi >>\lambda >>>\Delta >m>>]>,>·>·>·>,>exp>[>->j>>>2>\pi >>\lambda >>>\Delta >M>>]>\}>>s>$

           Δ_m＝r_msinα_d cos(β_d-θ_m)

传统的功率倒置自适应算法的基本思想是保持第一支路阵元的输出功率恒定，其它阵元的加权系数可以调整，通过调整其它M-1个加权系数使最后阵元的输出最小。由于有一个阵元的输出功率恒定，所以在调整加权系数使输出功率最小时，即在干扰方向上形成零点，并且干扰越强，零陷越深。

功率倒置自适应阵的最优权为

               W_opt＝R^-1a(α₀，β₀)                   (11)

式中

               a(α₀，β₀)＝[1，0，...，0]^H          (12)

通过(11)式形成的最优权，可以在干扰方向上形成零陷，而且干扰越强，零陷越深。

算法分析与改进

考虑到接收矢量协方差矩阵R，对R做特征值分解

$>>R>=>>\Sigma >>i>=>1>>M>>>\lambda >i>>>q>i>sup>>q>i>Hsup>>=>>\Sigma >>i>=>1>>D>>>\lambda >i>>>q>i>sup>>q>i>Hsup>>+>>\Sigma >>i>=>D>+>1>>M>>>\sigma >2>>>q>i>sup>>q>i>Hsup>>->->->>(>13>)>>>s>$

式中，λ为矩阵R的第i个特征值，q_i为改特征值对应的特征向量，由于R为埃尔米特矩阵，

所以对应不同的特征值，其特征向量相互正交，则有

$>>>R>>->1>>>=>>\Sigma >>i>=>1>>D>>>>\lambda >>->1>>>i>>>q>i>sup>>q>i>Hsup>>+>>\Sigma >>i>=>D>+>1>>M>>>\sigma >>->2>>>>q>i>sup>>q>i>Hsup>>->->->>(>14>)>>>s>$

将结合(12)式，并将(13)代入(11)

$>>>w>opt>>=>>\Sigma >>i>=>1>>D>>>>\lambda >>->1>>>i>sup>>sup>>q>>i>1>>*sup>>q>>i>Hsup>>+>>\Sigma >>i>=>D>+>1>>M>>>\sigma >>->2>>sup>>q>>i>1>>*sup>sup>>q>i>Hsup>>->->->>(>15>)>>>s>$

从式(13)可见，功率倒置自适应算法的最优权值其实是特征值对应特征矢量的加权和。前一项为干扰特征值对应的特征矢量和，后一项为干扰特征值对应的特征矢量加权和；后一项是由噪声特征值矢量构成，由子空间理论得知，噪声特征矢量和干扰导向矢量正交，而干扰特征矢量组成的子空间和干扰导向矢量组成的子空间相同，并且对于强干扰源，其特征值较大，倒数比较小，对于所形成的最优加权贡献就比较小，所以能在强干扰的地方形成较深的零陷，而对于相对弱小的干扰。奇特征值接近噪声特征值，因此干扰特征向量在最优权中的影响比较大，不能形成较深的零陷。但如果舍弃第一项，而只采用噪声特征矢量的加权作为最优权，可在干扰的地方形成更深的零陷，此时的权值为

$>>>w>opt>>=>>\Sigma >>i>=>D>+>1>>M>>>\sigma >>->2>>>sup>>sup>>q>>i>1>>*sup>>q>>i>Hsup>>=>>Q>n>sup>>Q>n>Hsup>>->->->>(>16>)>>>>s>$

式中，Q_n＝[q_D+1，q_D+2，...，q_M1]为噪声特征向量组成的噪声子空间。

(三)子阵构成方法

本发明的关键在于构建一种双排均匀直线阵，通过设计子阵和前后两天线干扰相消技术，以及改进的功率倒置自适应算法，来对消来自雷达外的强干扰。

为了对消来自近垂直方向的自干扰，可将前后两天线分别设计成子阵，然后将接收的信号采用前后相减的方法即可对消近垂直方位的强干扰。从硬件上，也可将前后两天线利用等长的电缆直接利用魔T反相相加，以对消来自近垂直方向的电离层自干扰(如图7所示)。

为了对消近垂直方向以外强干扰，将天线阵列任一天线设计成主天线(如图10A中以1、2、3、4天线作主天线，或图10B中以5、6、7、8天线作主天线)，周围相邻两至三或四根天线设计成辅助天线，利用改进的功率倒置算法对消非近垂直方向的强电离层自干扰或其它形式的强干扰。如图10表示雷达阵列子阵构成与信号处理原理图。

理论和实践表明，本发明所提出的方法可相当好地对消外界强干扰。为了说明本发明方法的有效性，下面以武汉大学电波传播实验室研制的OSMARXP高频雷达系统试验数据为例来说明发明提出对抗近垂直方向电离层干扰方法的有效性。

(1)一般文献均称电离层D层为吸收层，它不反射高频电磁波，但我们在每天白天、有时候甚至晚上也能观测到该距离的电离层回波。例如，作者在实验中发现，在白天很多相同的时间段，经常发现来有来自60-70km处的近垂直方向的回波，该回波有时还很强，甚至将海洋回波都完全淹没了。如图11表示70km的回波Doppler谱图。其中，虚线表示对消近垂直方向来波前的回波谱图，实线表示对消近垂直方向来波后的回波谱图(下同)。从此图可见，由于电离层的反射，海洋回波被完全隐没在电离层回波中，从来波干扰的距离看，此干扰显然来自电离层D层。此结果不仅说明电离层D层对高频电磁波具有一定反射或散射特性，也说明本发明提出对消干扰方法的有效性。

(2)Es是电离层突然增强的E区薄层，是偶尔出现在地球上空120km高处的电离层。Es的形态结构非常复杂，影响其形成的因素也很多。2003狮子座流星雨爆发期间，雷达观察发现，流星雨爆发对Es层的形成有一定的影响。如图12表示140km某时间段雷达的回波Doppler谱图(在本次流星雨爆发前后几天很少出现此类现象)。由此图可见，流星雨爆发期间出现Es层，海洋回波被完全隐没在电离层Es的反射回波中，但利用本发明提出的对消干扰的方法，对消后的回波谱得到极大的改善，海洋回波的Bragg峰明显可见了。

(3)对短波通信和高频天波雷达而言，F层是最重要的，在一般情况下，远距离通信都选用F层作反射层。在白天F层有两层：F1层位于地球上空150km-200km高度处；F2层位于地球上空200km以上。它们的高度在不同的季节和一天不同的时刻是不一样的。F2层和其它层次不同，在日落后并没有完全消失，仍然保持有剩余的电离。如图13表示200km的回波Doppler谱图。从此图可见，由于电离层的反射，海洋回波被完全隐没在电离层回波中。从来波干扰的距离看，此干扰显然来自电离层F层。从此对消的结果看，对消干扰的效果也非常明显。

(4)流星余迹回波类似脉冲波，幅度快速增加到最大，持续几秒钟后消退。根据流星雨的回波特征，在午夜和中午的实验中经常能观测流星雨回波(一般在下午数小时内较少)，其回波一般来自上层大气层80-120km的范围内。流星雨回波Doppler谱较宽，它们的幅度高出噪声基底约30-40dB。如图14一方面显示了流星余迹回波对的海洋回波Doppler谱影响的严重性，另一方面也说明本发明提出的对消近垂直方位流星余迹回波的可行性。

(5)为了说明本发明提出对消近垂直方向电离层干扰方法的有效性，这里将图4和图5的数据进行了进一步处理，得到图15和图16的结果。从此结果不难看出，电离层自干扰对海面回波多谱勒谱的影响基本消除，反演的海流盲区也消除。