一種基于時域信號處理的同頻干擾抑制方法

閆馮軍,汪永軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種基于時域信號處理的同頻干擾抑制方法

閆馮軍,汪永軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：船用導航雷達工作時同時開機數量多、距離近、頻率等參數相同或相近,故同頻干擾已成為急需解決的問題。本文介紹了同頻干擾的產生機理和特性,分析了抗同頻干擾的常規方法及其局限性,重點闡述了一種抗同頻干擾時域信號處理技術。仿真和試驗結果驗證了該方法的有效性。

關鍵詞:船用導航雷達；同頻干擾；脈沖相關；視頻積累

0引言

在近海特別是在港口附近時,由于同時開機的雷達頻率相同或相近,會出現嚴重的同頻干擾現象,且數量越多、距離越近干擾就越嚴重。同頻干擾會導致接收機飽和,影響回波畫面、目標檢測和跟蹤性能等[1]。對于船用導航雷達而言,由于其磁控管自動頻率調諧特性和使用環境的特殊性等,決定了常規的抗同頻干擾方法失效或抑制效果有限[2]。本文從船用導航雷達信號處理的角度,介紹了一種時域抗同頻干擾的方法,并進行理論仿真和實驗室、近海試驗。

1同頻干擾描述

1.1　同頻干擾特性

由于單站雷達距離相距較遠且數量有限,陸基雷達同頻干擾現象不是很嚴重。而對于船用導航雷達則不同,同一條船上可能會安裝多部雷達,且船只距離近、視野通透和數量多,同頻干擾越來越成為船用導航雷達必須解決的問題。船用導航雷達的同頻干擾分為同頻同步干擾和同頻異步干擾。同型雷達出廠前參數基本相同或相近。公式(1)中的△t為任意兩部同型雷達間的干擾參數:

(1)

一般認為△t小于發射脈沖寬度時雷達相互干擾為同步干擾。同步干擾在雷達顯示器上的畫面表現為占有一定寬度的同心圓。同時開機雷達的數量越多同心圓就越多。干擾的寬度與雷達的發射脈寬相匹配。同心圓根據重復頻率的細微變化也會出現向外(內)緩慢移動。典型的同頻同步干擾畫面如圖1所示。如果雷達脈沖重復周期間的參差度很高,或者通過人為改變相鄰重復周期的脈沖間隔(即將同步干擾異步化),此時一般△t大于發射脈沖寬度,雷達顯示器上出現異步干擾,畫面表現為向外擴展的螺旋線,同時開機雷達數量越多,螺旋線也越多,并在方位上不斷轉動[3]。船用導航雷達的抗同頻干擾能力已成為衡量其性能的一項重要指標。

圖1　同頻同步干擾

圖2　同頻異步干擾

1.2　常規方法局限性

常規的雷達抗同頻干擾方法有采用低副瓣天線、錯開雷達頻點(如寬帶跳頻或捷變頻技術)、錯開雷達發射周期和反異步相關等。其中低副瓣天線屬于微波范疇,本文不作討論。將同型雷達工作頻點錯開,能夠避免相互干擾,這種方法理論上效果很好,但由于接收機鏡像頻率、頻綜雜散以及濾波器帶寬展寬等影響,很難做到完全消除。同時,船用導航雷達一般基于磁控管自動頻率調諧處理,無法實現跳頻。相鄰周期反異步處理,通過將同型雷達脈沖重復周期參差化,同時對同一距離單元相鄰周期信號作比較,如果信號相同或滿足差異準則就判為正?；夭ㄝ敵?否則判為同頻干擾禁止。當發射脈沖寬度較大、脈沖間參差度小以及同時開機雷達數目多的時候,這種方法抑制效果非常有限,畫面上仍然會出現快變的螺旋線干擾和斑狀干擾。同時,這種處理方法對于低信噪比小目標以及淹沒在干擾單元內的目標容易誤判和丟失。

2時域信號處理技術

2.1　功能框圖

圖3所示為抗同頻干擾時域信號處理技術框圖,主要包括綜合時序控制模塊、改進型反異步相關模塊和視頻積累模塊等。

圖3　抗同頻干擾時域處理功能框圖

2.2　綜合時序控制

設船用導航雷達發射信號為

(2)

其中

(3)

其中,Tr為脈沖重復周期,φ(t)為相位,f0為載頻,τ為脈沖寬度,A為信號幅度。船用導航雷達一般為磁控管體制,重復周期間相位非相參,送往信號處理的回波信號是經過檢波后的視頻信號,只含時域上的幅度信息,表達式如公式(4)所示,其中k(t)為散射系數。

(4)

如果同型雷達按照上述的參數產生發射波形,多部雷達間必然產生同頻干擾。在波形時序設計上,一般采用多周期脈間參差的方法,簡單的脈間參差理論上可將干擾錯開,但當同時開機的雷達數量多、距離近,天線的副瓣性能差時,抑制效果非常有限。為此,本文提出了一種三脈間隨機參差的時序產生方法,對于同型雷達在脈間參差基礎上增加了隨機參數產生和干擾模式修正功能。此時對應公式(3)中的Tr是三脈沖參差循環的,同時疊加了隨機參數ε和動態干擾模式修正參數,即Tr是時間t的函數,則綜合后的相鄰三重復周期值Tr1、Tr2、Tr3分別為Tr1(t)、Tr2(t)+ε、Tr3(t)+2ε,其中ε為關聯開機時刻狀態的隨機參數,而干擾模式修正可在三脈沖周期的任意時刻進行,通過上述的時序控制設計進一步保證了多部雷達同時開機時的非相關性。在三脈沖參差量的選擇上要確保以下三點:一要保證相鄰脈間同頻干擾能錯開多個距離分辨單元；由于重復周期變化影響雷達平均功率,二要保證在不同工作模式下目標作用距離不受影響[4]；三要保證在不同的量程下目標在距離上不會出現模糊。

2.3　改進型三脈沖相關反異步處理

將同步干擾異步化后,常規的相鄰周期反異步基本原理是,將當前周期距離單元上的信號和上一周期同一距離單元上的信號作比較,相鄰周期信號相同則判為正?；夭ㄐ盘?否則判為異步干擾信號。如果采用三脈沖相關反異步,則關聯連續3個脈沖重復周期的回波信號作比較,進行正?；夭ㄅc干擾的判別[5]。

這種簡單的反異步處理雖能取得一定的干擾抑制效果,但存在如下問題:

(1) 多周期比較準則很難建立,特別是船用導航雷達使用環境決定了目標脈間具有很大的起伏特性,對于低信噪比小目標則更加難以處理；

(2) 當同頻干擾數量很多時,參差量的選擇不能完全保證干擾在相鄰周期內有足夠大的幅度差異；

(3) 如果目標與干擾在處理周期內距離單元上重合,即目標淹沒在干擾中時,反異步方法在消除干擾的同時也丟失了目標信號(干擾單元輸出被禁止)[6]。為此,本文提出了一種改進型三脈沖相關反異步處理方法。首先依據正常通道視頻回波,產生相鄰連續3個周期回波信號,工程設計上用雙口RAM讀寫實現延遲線處理?；谥虚g周期的數據進行判決,相應的后續其他實時數據和時序都與之對齊。然后將中間周期數據與前后周期數據作比較,考慮到船用導航雷達動平臺環境下目標多周期起伏性,將幅度差異值設置較小,確保目標尤其是小目標不被誤判舍棄。最后對于判決為目標的回波送原值,對于判決為干擾的回波進行三脈沖相關處理,輸出其前后兩個周期回波的平均值。

(5)

其中a,b為相互間隔一個重復周期的脈沖序號,1≤a≤3,1≤b≤3且b=rem[(a-1)/3],rem為求余函數。改進后的三脈沖相關反異步方法,對于誤判的小目標,通過后續的前后兩周期相關處理后幾乎不損失,前后周期相關處理降低了多干擾源剩余,對于異步干擾則能更好地去除。同時相比于干擾單元直接“挖去”的常規做法,此方法可以最大程度地保留疊加或淹沒在干擾單元中的目標。改進型三脈沖相關反異步處理方法的仿真圖如圖4所示,上半部分分別模擬了目標所在距離單元疊加了干擾、干擾單獨出現和小目標信號3種情況,下半部分仿真了經過處理后的回波情況。可以看出,目標所在距離單元內的干擾被剔除的同時目標信號被最大限度保留,獨立區域內的干擾信號被完全剔除,小目標信號沒有被誤判而丟失。

圖4　改進型三脈沖相關反異步處理仿真圖

2.4　視頻積累

(6)

其中θα是雷達波瓣水平寬度角；θscan是天線掃描速率；fr是雷達脈沖重復頻率,針對本文所述脈間參差的情況,fr取多周期最小值?；皩挾葍仁冀K保持同一距離單元內當前m個周期信號,設某一距離單元多周期的值為Ii,則雷達探測的第j個周期,該距離單元的Ij進入積累器,而最先的信號Ij-m離開積累器:

(7)

圖5模擬了小目標信號及剩余干擾,圖6仿真了8點視頻積累后輸出,可以看出剩余干擾進一步剔除,同時小目標的信噪比得到提高。

圖5　剩余干擾和小目標示意圖

圖6　視頻積累目標輸出仿真圖

3試驗驗證

抗同頻干擾驗證試驗分別在實驗室和港口進行。實驗室環境下多臺同型船用導航雷達同時開機,多臺天線單元放置樓頂,天線單元相互距離小于5m。圖7、圖8為常規參差和反異步處理后的回波畫面,可以看出當多部雷達同時開機時,局部區域出現隨機斑狀干擾和快變的拖尾干擾現象。圖9所示為采用本文提出的抗同頻干擾時域信號處理后的回波畫面,可以看出同頻干擾抑制效果很好,對于偶爾出現的少量干擾剩余還可以輔以手動抗干擾模式切換進行優化。港口環境下外場試驗中,由于天線間隔距離大,抗干擾試驗也得到了滿意的結果。

圖7　本文抗干擾處理前回波(一)

圖8　本文抗干擾處理前回波(二)

圖9　本文抗干擾處理后回波

4結束語

本文提出的抗同頻干擾時域信號處理技術,主要應用于民用領域的船用導航雷達。針對同型雷達數量多、距離近及船舶大起伏動平臺載體等港口和近海惡劣環境下,通過理論仿真并工程實現,驗證了該方法的有效性,同時該方法對脈沖壓縮體制等相參雷達的時域抗同頻干擾處理也具有很好的借鑒意義。

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A shared frequency interference suppression method based on

time-domain signal processing technology

YAN Feng-jun, WANG Yong-jun

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:Multiple adjacent marine navigation radars with the same or similar frequency are operating simultaneously. Therefore, the shared frequency interference has become an issue that needs to be solved urgently. The generation mechanism and characteristics of the shared frequency interference are introduced, and the conventional methods of resisting the shared frequency interference and their limitations are analyzed with an emphasis on the time-domain signal processing technology. The simulation and test results indicate that the method is effective.

Keywords:marine navigation radar; shared frequency interference; pulse correlation; video accumulation

中圖分類號:TN911.7

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0021-05

作者簡介:閆馮軍(1978-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理；汪永軍(1981-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達終端處理。

收稿日期:2015-04-09