高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法

摘要

本发明涉及雷达干扰技术，具体涉及高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法，包括选取距离多普勒谱60～200距离元的数据；计算距离多普勒谱多普勒元的平均功率，识别射频干扰；计算距离多普勒谱距离维的平均功率，判断电离层杂波；选取不含电离层杂波的距离单元作为干扰参考单元；取近距离单元射频干扰的功率峰值点处的距离单元，计算它与干扰参考单元的相关系数，并进行滑动搜索，以窗内相关系数平均值最大为准则，确定自适应干扰估计区间；构建协方差矩阵；特征分解，提取干扰子空间；近距离元信号投影到干扰的正交子空间；得到射频干扰抑制后的雷达数据。该方法能准确估计干扰估计区间，获得较好的射频干扰抑制效果。

说明书

技术领域

本发明属于雷达干扰技术领域，特别涉及高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法。

背景技术

高频雷达是获取风场、浪场、流场等海洋表面动力学参数以及空中和海面目标信息的重要设备，具有低成本、超视距、全天候的监测能力。雷达接收信号不仅包含海浪及目标散射回波等有用信号，同时还包含射频干扰和电离层杂波等非感兴趣信号，严重影响高频地波雷达的数据质量。在距离多普勒谱上射频干扰一般表现为平行于距离轴的条带，且在多普勒域也可能存在较大展宽，从而对大量距离多普勒单元产生影响。为保证高频雷达的工作性能，射频干扰的抑制尤为重要。

大口径相控阵雷达可采用自适应波束形成算法在干扰方向形成零陷，从而达到抑制射频干扰的目的，但是该方法不能适用于目前在海洋环境监测领域大量应用的小口径高频雷达，且无法抑制主瓣干扰。例如，美国的SeaSonde和我国的OSMAR-S采用紧凑型单极子交叉环天线，德国的WERA在仅需流速测量时采用4元鞭天线阵(以上三种雷达占领国际海态雷达市场90％以上份额)，这些阵列都无法应用波束形成算法抗射频干扰。

距离域正交子空间投影滤波是一种适用于小口径高频雷达射频干扰抑制的方法，利用射频干扰的距离相关性，在雷达有效探测距离范围之外选择某距离单元段作为参考信号，构造干扰子空间与接收信号进行对消(Hao Zhou,Biyang Wen,Shicai Wu.Dense RadioFrequency Interference Suppression in HF Radars,IEEE Signal ProcessingLetters,2005,12(5):361-364.)。该方法对单个天线元或天线阵列作波束形成后的信号均可进行处理，具有良好的滤波性能，且具有主瓣干扰抑制能力。正交子空间投影滤波算法的关键是选择纯净的干扰数据以获取良好的干扰子空间估计。

在调频连续波(Frequency-Modulated Continuous Wave,FMCW)波形体制下的射频干扰，抑或是在调频中断连续波(Frequency-Modulated Interrupted ContinuousWave,FMICW)波形体制下的连续射频干扰，在距离域均具有近似连续分布的强相关性，相关系数通常高于0.8。然而，实践中发现在调频中断连续波体制下(SeaSonde和OSMAR-S均采用这一体制)，常常出现一种在距离上呈现周期性起伏的射频干扰图样，其距离域相关系数随距离起伏也较大，如图1(a)、图1(b)所示。因此，在使用传统的固定参考距离单元时，可能正好落入距离相关系数较低的距离段，从而降低干扰子空间估计的准确度，进而导致最终正交子空间投影滤波法干扰抑制效果变差，如图2所示。此外，在雷达回波信号中还常常含有电离层杂波、闪电、流星等干扰信号，其距离多普勒位置不固定且能量强，有可能落入固定选择的参考距离段，从而也会影响对干扰子空间的准确估计。因此，在使用正交子空间投影滤波方法抑制射频干扰时，传统的固定参考距离选择方法存在局限性，不能有效应对射频干扰存在距离相关起伏及参考距离段内存在杂波等复杂情况。因此，需要开发一种能提高干扰特征子空间估计准确度的自适应参考距离单元选择方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用正交子空间投影滤波方法进行射频干扰估计时获得准确的干扰特征子空间，提高高频雷达射频干扰抑制性能的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法，包括以下步骤：

步骤1、读取雷达数据，得到距离多普勒谱，选取距离多普勒谱60～200距离元的数据；

步骤2、计算距离多普勒谱多普勒元的平均功率，识别射频干扰；

步骤3、若存在射频干扰，则计算距离多普勒谱距离维的平均功率，判断是否含有电离层杂波；

步骤4、选取不含电离层杂波的距离单元作为干扰参考单元；取近距离单元射频干扰的功率峰值点处的距离单元，计算它与干扰参考单元的相关系数，设定长度为30的滑窗，对相关系数进行滑动搜索，以窗内相关系数平均值最大为准则，确定自适应干扰估计区间；

步骤5、构建协方差矩阵；

步骤6、特征分解，提取干扰子空间；

步骤7、近距离元信号投影到干扰的正交子空间；

步骤8、得到射频干扰抑制后的雷达数据；

步骤9、对交叉环数据重复步骤5～8操作。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤2的具体实现包括：

步骤2.1、计算距离多普勒谱60～200距离元的各多普勒元的平均功率，比较1～100和925～1024两部分多普勒元的平均功率大小，选取两者中平均功率最小的功率作为噪底；

步骤2.2、计算距离多普勒谱60～200距离元的各多普勒元的平均功率，采用大于噪底的一个功率值作为射频干扰门限；如果单极子交叉环天线3个通道均识别到射频干扰，则这一场数据存在射频干扰。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，射频干扰的门限值取8dB。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤3的具体实现包括：计算距离多普勒谱60～200距离元的距离维平均功率，采用大于噪底的一个功率值作为电离层杂波门限，如果单极子交叉环天线3个通道均识别到电离层杂波，则这一场数据存在电离层杂波。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，电离层杂波的门限值取3dB。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤4所述不含电离层杂波的距离单元的选取包括：计算距离多普勒谱60～200距离元的距离维平均功率，选取各距离元平均功率小于噪底与电离层杂波门限之和的距离单元。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤5的具体实现包括以下步骤：

设射频干扰区间选取M个距离单元，射频干扰区间为P+i，i＝1,...,M，射频干扰信号为s

其中，R是干扰协方差矩阵，上标H表示共轭转置，X

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤6的具体实现包括以下步骤：

将步骤5所估算的距离域中干扰的相关矩阵特征分解为：

式中，λ

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，干扰特征值个数选取4。

在上述高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法中，步骤7的具体实现包括以下步骤：

R的秩是M，λ

P＝I-VV

式中，P为正交矩阵，I为单位矩阵，V

射频干扰抑制后的信号为：

s

与现有技术相比，本发明利用自适应参考距离单元选择方法，能够获得准确的干扰特征子空间，保证了射频干扰的良好抑制效果，同时海洋回波信号保持完好。同时，本发明的干扰抑制方法是在每个天线通道上分别进行的，对于窄波束大型相控阵和宽波束紧凑型雷达均适用，同时适用于雷达实测数据中有电离层杂波、闪电、流星等其它干扰信号的射频干扰抑制。

附图说明

图1(a)为现有技术在距离上呈现周期性起伏的射频干扰图样；

图1(b)为现有技术距离域相关系数曲线；

图2为使用传统的固定参考距离单元时，正交子空间投影滤波法干扰抑制效果图；

图3为本发明实施例算法流程图；

图4为本发明实施例含有射频干扰的雷达回波60～200距离元的多普勒谱图；

图5为本发明实施例含有电离层杂波的雷达回波距离谱图；

图6为本发明实施例不同雷达实测数据的射频干扰特征值分布图；

图7(a)为本发明实施例采用自适应参考距离单元选择方法射频干扰抑制后的RD谱；

图7(b)为本发明实施例采用固定参考距离单元和自适应参考距离单元两种方法在第15距离元射频干扰抑制前后的功率谱；

其中，1—射频干扰，2—射频干扰检测门限，噪底，3—噪声基底电平，功率谱的最小值，4—电离层杂波。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例采用自适应选取干扰参考距离单元，可准确估计干扰估计区间，对射频干扰抑制效果较好，同时海洋回波信号保持完好。对雷达数据中含有电离层杂波、闪电、流星等其它干扰信号时射频干扰抑制亦有效。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图3所示，高频雷达射频干扰抑制的自适应参考距离单元选择方法，具体包括以下步骤：

S1、读取雷达数据，得到距离多普勒谱，选取距离多普勒谱60～200距离元的数据。

S2、计算距离多普勒谱多普勒元的平均功率，识别射频干扰。

S3、若存在射频干扰，则计算距离多普勒谱距离维的平均功率，判断是否含有电离层杂波。

S4、取近距离单元射频干扰的功率峰值点处的距离单元，计算它与不含电离层杂波的距离单元的相关系数，设定长度为30的滑窗，对相关系数进行滑动搜索，以窗内相关系数平均值最大为准则，确定自适应干扰估计区间。

S5、构建协方差矩阵。

S6、特征分解，提取干扰子空间。

S7、近距离元信号投影到干扰的正交子空间。

S8、射频干扰抑制后的雷达数据。

S9、对交叉环数据重复S5～8操作。

而且，S2的具体实现包括：计算距离多普勒谱60～200距离元的各多普勒元的平均功率，采用大于噪底某一个功率值作为门限，如果单极子交叉环天线3个通道均识别到了射频干扰，则认为这一场数据存在射频干扰。

而且，噪底是根据以下步骤求得，首先，计算距离多普勒谱60～200距离元的各多普勒元的平均功率，其次，比较1～100和925～1024两部分多普勒元的平均功率大小。最后，选取两者中平均功率最小的功率作为噪底。射频干扰的门限的经验值取8dB。

而且，S3的具体实现包括：计算距离多普勒谱60～200距离元的距离维平均功率，采用大于噪底某一个功率值作为门限，如果单极子交叉环天线3个通道均识别到了电离层杂波，则认为这一场数据存在电离层杂波。电离层杂波的门限的经验值取3dB。

而且，S4中不含电离层杂波的距离单元的选取根据以下步骤求得，首先，计算距离多普勒谱60～200距离元的距离维平均功率，其次，选取各距离元平均功率小于噪底与电离层杂波门限之和的距离单元。

而且，S5的实现包括：假设射频干扰区间选取M个距离单元，即射频干扰区间为P+i(i＝1,...,M)，那么射频干扰信号可表示为s

其中，R是干扰协方差矩阵，上标H表示共轭转置，X

而且，S6的实现包括：矩阵可特征分解为：

式中，λ

S6中干扰特征值的个数选取为4。

而且，S7的实现包括：根据S6，R的秩是M，因此，λ

P＝I-VV

式中，P为正交矩阵，I为单位矩阵，V

射频干扰抑制后的信号为

s

本实施例射频干扰抑制算法的实际抑制过程如下：

如图4所示，为含有射频干扰的雷达回波60～200距离元的多普勒谱图，该图显示了典型的含有射频干扰的雷达回波沿多普勒维的能量分布。雷达在每个天线上采集的回波，对每个脉冲重复周期做一次傅里叶变换，获得距离信息。然后对每个距离元做傅里叶变换，得到一个二维复数矩阵，每一行对应一个距离元，每一列对应一个扫频周期，将该数据矩阵在行的方向进行叠加，即得到各多普勒元的回波能量分布，可简称多普勒谱，多普勒谱能量是否在某个多普勒元的异常凸起，即可判断是否含有射频干扰，其中，射频干扰1、射频干扰检测门限2、噪声基底电平3；一般，通过统计60-200距离元，雷达回波多普勒谱的噪声基底电平3，设置一定的射频干扰检测门限2，则判决电平值为噪声基底电平3加上射频干扰检测门限2，若某多普勒段能量超过该判决电平值即判决存在射频干扰1。

如图5所示，为含有电离层杂波的雷达回波距离谱图，该图显示了典型的含有电离层杂波的高频雷达回波距离多普勒谱距离维的能量分布。当距离单元含有电离层杂波时，在该距离功率谱中会有凸起，因此，在选取干扰的参考单元时，采用阈值法可避开电离层杂波所在的距离单元。

如图6所示，为不同雷达实测数据的特征值分布。采用连续30个距离元用于构造干扰子空间，计算射频干扰的特征值。这里显示的是最大的20个非零特征值，并且被最大特征值归一化。从图中可以看出不同数据的特征值差别比较大。如果采用固定的特征值作为阈值，阈值太小，只会选择到部分的射频干扰的特征值，会导致后面射频干扰抑制效果不好。如果阈值设置过大，不仅会包含全部的射频干扰特征值，还会包含噪底的特征值，因此传统的选用-30dB作为阈值是不合适的，本实施例选择4个特征值个数作为射频干扰的特征值。

如图7(a)所示，为采用自适应参考距离单元射频干扰抑制后的RD谱，从图中可以看出，雷达回波谱中的强射频干扰被明显抑制，海洋回波凸显出来。为展示本实施例的优势，通过对比固定参考距离单元和自适应参考距离单元两种方法在第15距离元射频干扰抑制前后的功率谱，如图7(b)所示，从图中可以看出，固定参考距离单元的方法干扰噪声比大约降低了10dB，而本实施例的方法干扰噪声比降低了20dB。其中，固定距离的正交子空间投影滤波算法的干扰区间为160～190距离元，自适应距离的正交子空间投影滤波采用本实施例方法。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。