基于分数傅里叶极化估计的高频雷达电台干扰抑制-刘爱军.pdf

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1、第31卷 第1期201 6年2月电波科学学报CHINESE JoURNAL oF RADl0 SClENCEV0131，No1Februarv2016刘爱军，邱云香，于长军，等基于分数傅里叶极化估计的高频雷达电台干扰抑制J电波科学学报，2016，31(1)：2530D()I：1013443jcjors2015031001IIu A J，QIu Y X，Yu c J，et a1FrFT polarization estimation based radio interference suppreSsion for high frequency surface wave radarJChinese

2、 journal of radio science，201 6，31(1)：25 30(in Chinese)D()I：1013443jcjors201 5031001基于分数傅里叶极化估计的高频雷达电台干扰抑制刘爱军1 邱云香1 于长军1 毛兴鹏2 邓维波2(1哈尔滨工业大学(威海)，威海264209；2哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)摘 要 目标探测高频雷达工作在短波波段的低频段(315 MHz)，该波段内密集的短波电台对高频雷达的目标探测能力造成严重影响，必须对电台干扰加以抑制才能保证高频雷达全天候正常工作极化滤波是抑制高频雷达中短波电台干扰的有效方法，但需要对干扰和目标信号的极化参

3、数进行精确估计文章在基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)准确估计目标和干扰极化参数的基础上，利用估计的目标和干扰极化参数来构建极化子空间，通过极化斜投影算子对高频雷达中的电台干扰进行抑制实测数据处理结果表明，基于FrFT的估计方法能准确估计出回波信号中电台干扰的极化状态，在此基础上进行的斜投影极化滤波能有效抑制高频雷达电台干扰，提高雷达探测性能关键词 高频雷达；电台干扰；FrFT；斜投影算子；极化滤波中图分类号 TN95751 文献标志码 A 文章编号 1005一0388(2016)010025一06DoI 1013443jcjors201

4、5031001FrFT polarization estimation based radi0 interference suppressionfor high freq uency surface wave radarLIu Aijunl QIu Yunxian91 Yu chan舀unl MAo xingpen矛 DENG weib02(1Hnr6i行j行sfi“P o丁Pf行oZogy口f耽i口i，ini 264209，Ci挖口52Hnr6i行J行sif“P o厂Tf以oZogy，H“，_6in 150001，Ci以“)Abstract The performance of the hi

5、gh frequency surface wave radar(HFSWR)，which works at theshortwave band(315 MHz)，degrades heavily in an intensive radio interference environmentThe radiointerferences must be suppressed to ensure HFSWR allweather operations Polarization filtering is an effectiVe method to suppress radio interference

6、s， but the polarization parameters of signal and interferencemust be accurately estimated On the basis of polarization parameters exact estimation by fractional Fourier transform(FrFT)，a subspace is constructed using those estimated parameters，and the obIique projection operator is used to suppress

7、radio interferences for HFSWRThe processed real data indicate that：the polarized parameters of the target and the radio interference can be estimated exactly by FrFT；the radio interferences can be effectively suppressed；the detection performance of HFSWR is further improvedKeywords HF radar；radio in

8、terferences；FrFT；oblique projection operator；polarization filtering收稿日期：2015一0310资助项目：国家自然科学基金(61171188)；海洋公益性科研专项(201505002)；江苏省博士后基金(1202074C)联系人：刘爱军Emaii：myl ajhitwheducn万方数据26 电 波科 学 学报 第31卷引 言高频地波雷达探测目标时一般都工作在短波波段的低频段(315 MHz)，利用发射的垂直极化电磁波能够沿着海面绕射传播机理，实现海面舰船及超低空飞行目标的超视距探测，在军事和民用领域获得了广泛应用1然而该工作频

9、段内存在着密集的短波电台，这些短波电台极大地影响了高频雷达的探测性能，特别是夜间，密集的短波电台干扰甚至使高频雷达无法正常工作为提高高频雷达的探测性能，保证其全天候工作，必须采取有效方法抑制短波电台干扰在众多的抗电台干扰方法2“1中，极化滤波利用干扰和目标信号在极化参数上的差异来抑制干扰、增强目标信号，并且该方法不受干扰空间分布及频域分布的限制，是一种行之有效的抗干扰技术5171极化滤波需要建立与干扰极化参数相正交的极化滤波矢量，极化滤波效果很大程度上取决于对干扰信号极化参数估计的准确程度，传统的信号极化参数估计通常都是在时域通过计算Stokes矢量参数得到，但该方法只能估计回波中存在单个干扰

10、的情形，当回波中存在多个干扰时估计得到的只是多个干扰的平均极化参数文献8提出了一种在频域估计多个干扰的极化参数方法，解决了时域中无法估计多个干扰的极化参数问题，但该方法也只能估计频域中信号频谱互不重叠的干扰极化参数，当存在多个频谱重叠的干扰信号时无能为力文献9提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FractionalFourier Transform，FrFT)的信号极化参数估计方法，利用线性调频(Linear Frequency Modulated，LFM)信号在分数域的能量聚集特性，对于那些频谱有重叠的LFM干扰信号，该方法可以准确地估计出它们的极化参数前面提到，在干扰极化参数准确估计的前提下，

11、极化滤波是高频雷达抗电台干扰的一种有效方法普通极化滤波是通过建立与干扰极化参数相正交的极化滤波矢量来抑制干扰但是普通极化滤波中并没有考虑目标信号的极化参数，通常在抑制干扰的同时会给目标信号带来一定的极化损失，引起目标信号的幅度和相位失真高频雷达是相参系统，信号的相位失真会导致目标回波信号不能进行累积进而无法正常探测，因此普通极化滤波无法在实际的高频雷达系统中应用为此，文献10一11提出了一种零相移极化滤波方法，通过对滤波后目标信号的幅度和相位补偿来弥补普通极化滤波中目标信号的极化损失，并应用到实际高频雷达系统中对电台干扰进行了抑制，取得了理想的效果文献1214提出了一种斜投影极化滤波的方法，通

12、过目标和干扰信号的极化参数子空间构造斜投影极化滤波算子来抑制干扰，解决了目标和干扰信号极化参数不正交时传统极化滤波方法引起的目标信号极化损失问题，该方法并不需要对滤波后的信号进行任何补偿即可恢复出目标信号本文以文献9提出的FrFT信号极化参数估计为基础，对实测的高频雷达数据中的电台干扰进行极化参数估计，然后结合文献12中的斜投影极化滤波方法，对实际录取的高频雷达回波中的电台干扰进行抑制实测数据处理结果表明基于FrFT的方法可以准确估计干扰极化参数，在此基础上采用斜投影极化滤波方法可以对高频雷达电台干扰完全抑制1高频雷达电台干扰FrFT极化估计11 高频雷达目标回波与电台干扰高频雷达发射的信号通

13、常为线性调频脉冲截断连续波，可表示为s(f)一乜(一”T，)expj2兀f+7【d(一mT。)2) (1)热m)一：。霉T称为截断腓T为脉冲宽度；T，为脉冲重复周期；a=BT。为调频系数，B为调频带宽，T。为调频周期；户一T。丁，为一个调频周期内脉冲的个数；船一o，1，2，p一1表示脉冲数；N为扫频周期个数一个扫频周期内信号的表达形式为s7()一口(f一，2T，)expj(2 7cf+7【缸2)(2)高频雷达中的短波电台干扰通常为单载频信号，可表示为“()一A，()expj(2 7【f+钞) (3)式中：z代表短波电台干扰的个数；A，()代表第i个干扰的包络；厂，表示第i个干扰的频率；仇表示第

14、i个干扰的初始相位雷达接收的回波信号经过混频处理后目标回波变为单一固定频率的信号，而万方数据第1期 刘爱军等：基于分数傅里叶极化估计的高频雷达电台干扰抑制 27载波频率固定的电台干扰信号变为LFM信号嘲12 高频雷达电台干扰FrFT极化估计1)FrFT极化状态估计原理设双极化天线接收信号为单个的初始频率为叫。的LFM信号，则E()一EH一LE。(f)Jc。s觚p(j丌罟Hz)sin触p(j跏xp(j丌筹f2+j州)式中：EH(f)，E。()分别是水平极化分量和垂直极化分量；E。为信号的振幅；叫。为LFM信号的初始频率；m为信号调频率；口为极化角；艿为极化角相差对接收的信号进行角度为口的FrFT

15、，可得到信号在分数域的表示为G(“)一F。E(f)一E。F。c刚exp(j兀+t)sin觚p(j跏xp(j兀号2+j州)(5)式中：G(蹦)为信号E(f)进行口角度FrFT后的值；F。表示a阶的FrFT算子，表示对信号进行a阶的FrFT，其具体可描述为只z()一l z(f)志。(f，“)d (6)由于FrFT为线性变换，且Ea。in；蒌支i艿)为一常数向量，于是式(5)可以改写成G。c“，一基：；：；一E。in；三支j艿，exp(j兀等Hz)eXpI兀虿十J叫oJexp(j丌筹z2+t)eXpl丌虿十JoJ(7)式中，皖H(甜)和Ev(“)分别为Q(“)的水平和垂直分量定义R(“)=F。exp

16、(j 7c罟产+j叫。)【为LFM信号的a阶分数阶傅里叶变换的值，代人式(7)有r Pns艉(乱) G“一Emk融p(j潮(“)J 8Lsln口exp L】O，jt L“J一所以，分数域中信号的极化状态可以表示为 护arctan(揣)一l子一arg(G。v(“)一arg(G。H(“)一占式(9)表明：对极化信号进行分数阶傅里叶变换后，信号的极化信息将保留，即分数傅里叶变换不改变信号的极化状态2)高频雷达回波目标和干扰极化估计步骤根据前面对高频雷达接收信号的分析得到，经过混频后的目标回波表现为中心频率固定的信号，电台干扰则变为I。FM信号通过分析可知，对于固定频率的中频信号在分数域内无法找到合适

17、的a使信号汇聚为冲激函数，但直接进行傅里叶变换就可以使固定中频的信号汇聚因此，对于实际高频雷达系统中的目标回波和电台干扰的极化参数估计步骤如下：对输入信号作a。阶FrFT；然后找到其在分数域能量的极大值点“。(对应于每个LFM信号的冲激响应)并求出对应的GH(“，)和Gov(“。)；利用公式(9)分别求出每个电台干扰的极化状态；对输入信号进行傅里叶变换，在频域求出固定中频信号的极化状态2 斜投影极化滤波假设雷达回波信号包含目标信号、电台干扰和噪声，雷达回波信号x()可写为翮)一E。 刚s k)+X()一E。1 5()+Lsin口。exp(jd。)J广 cos曰。 E Ji(f)+行(f) (1

18、0)Lsin口，exp(j艿。)J式中：(臼，占。)和(曰，文)分别为目标和电台干扰的极化参数，可以通过FrFT方法估计得到；s()为目标信号的时域波形，为固定频率的中频信号；i()为干扰信号的时域表示，通常为LFM信号；咒()为均值为零的高斯噪声；E。和E分别为目标和干扰信号的幅度，为了方便计算，这里假定I E。lI E。J一，令A一兰踟一兰踟分 Lsin臼，exp(j艿。)J Lsin臼iexp(j艿。)J。别为目标和干扰信号的极化参数子空间，根据文献12知，斜投影极化滤波算子为EABA(A“P吉A)_1AHP吉 (11)式中，PjfP。一IB(BHB)_1BH为B的正交补空间上的投影算子

19、，J为单位矩阵将A和B分别代人式(11)得到1广盯11 盯1，EAj=；一二J 1 (12)万方数据28 电 波科 学 学报 第31卷式中：p一(cos e。sini)2+(cosisin。)22cosisin e。cos e。sinicos(占i一文)；一(cos e。sini)2一sin(2。)sin(2i)expj(a一艿。)；口12=去cos2eisin(2。)exp(一j艿。)一cos2e。sin(2i)exp(一j艿i)；口z1=sin2i sin(2e。)exp(jd。)一sin2e。sin(2ei)exp(j艿i)；毗=(cos eisin。)2一寺sin(2es)sin(2e

20、i)exp(一j(文一艿。)根据斜投影算子的性质有EABAA；E邶BD (13)经该斜投影算子(即极化滤波矢量)与接收的雷达回波信号作用后的输出结果可写为x0()一EABX()一EABAE。s()+EABBEii()+EAB咒(f)一AE。s()+EAB咒()_渤淼试邶 Lsin日。exp(j艿。)J 。 一(14)可见，经斜投影极化滤波后目标信号完整地保留下来，干扰信号被完全抑制图1给出了高频雷达电台干扰的斜投影极化抑制处理流程图l 高频雷达电台干扰极化抑制流程3实测数据验证为了验证本文算法的有效性，我们通过威海高频雷达站实验系统录取了包含电台干扰的实际雷达回波数据，数据录取过程中发射机发射

21、脉冲截断线性调频信号，每个扫频周期内有32个脉冲31 实测电台干扰的极化估计图2和图3分别给出了32个脉冲的干扰极化角和极化角相差的频域和FrFT估计从图中可以看出：在干扰和目标频率相近的1520个脉冲内，采用FrFT方法估计的干扰极化参数基本保持平稳；而采用频域估计方法估计的干扰极化参数则波动较大这主要是由于在1520个脉冲内干扰和目标信号的频谱基本接近或者重叠，导致频域估计的干扰极化参数实际是目标和干扰的合成极化参数，而FrFT估计的为纯干扰的极化参数脉冲序号图2频域和FrFT估计的极化角参数f 250械200150寰i 100500一FrFt估计方法 频域估计方法，、“。电口、。k-h。

22、脉冲序号图3频域和Fr丌估计的极化角相差参数32实测数据电台干扰的极化抑制在极化参数估计的基础上，针对实际雷达回波数据中的电台干扰，采用斜投影滤波算法对其进行抑制图4是包含电台干扰的雷达回波数据距离多普勒谱，从图中明显看出，在多普勒谱一28 ms附近有较强的电台干扰4035301譬25鑫zo斟15105图4包含电台干扰的雷达回波距离多普勒谱图5和图6分别是在频域和FrFT极化估计的万方数据第1期 刘爱军等：基于分数傅里叶极化估计的高频雷达电台干扰抑制 29基础上，采用斜投影极化滤波后的效果从处理结果图可以明显看出，基于FrFT估计的极化参数构造的斜投影滤波算子滤波效果好于基于频域估计极化参数的

23、滤波效果图7和图8给出了第15距离门基于两种估计方法进行斜投影滤波后的结果从图中可以看出，基于FrFT估计的电台干扰抑制干噪比改善约为40dB，而基于频域估计的电台干扰抑制干噪比改善约为30 dB，这主要是由于FrFT估计的电台干扰极化参数比基于频域估计的更加准确，所以由FrFT估计的干扰极化参数构造斜投影极化滤波器对电台干扰抑制效果更好，干噪比改善能提高10 dB左右径向速度(m，s)图7 基于FrFT估计的第15距离单元滤波结果径叫逑殷：(rTl，s)图8基于频域估计的第15距离单元滤波结果4结论本文在高频雷达电台干扰频域和FrFT极化参数估计的基础上，通过两种估计方法得到的极化参数构建斜

24、投影算子，采用斜投影极化滤波的方法对高频雷达电台干扰进行抑制，并通过实际录取的数据进行了验证实测数据处理结果表明，基于FrFT估计方法可以有效地解决高频雷达目标回波和电台干扰在时域和频域同时发生重叠，导致无法准确估计干扰信号极化状态的问题利用FrFT方法估计电台干扰的极化状态并通过斜投影极化滤波方法可以有效抑制高频雷达中的电台干扰，干噪比改善约为40 dB，而且比基于频域估计极化参数的斜投影滤波方法能提高10 dB左右的干扰抑制能力参考文献1 曲翠萍，李秀峰高频地波超视距雷达的特点和用途J雷达与对抗，2007(2)：13QU C P，LI X FThe characteristics and

25、applicationsof HF ground wave 0TH radarsJRadarECM，2007(2)：卜3(in Chinese)2 李雷，李高鹏，许荣庆高频地波雷达不同干扰抑制方法性能比较J电波科学学报，2006，21(3)：382385LI L，LI G P，XU R QComparison of different interference cancenation performance in high frequencysurface wave radarJ chinese journal of radio science，2006，21(3)：382385(in Chi

26、nese)3 邓巍，文必洋，周浩基于特征分解的高频地波雷达抗射频干扰研究J电波科学学报，2004，19(5)：565568DENG W，WEN B Y，ZHOU HSuppression of radiofrequency interference in HFGW radar based oneigen decompositionJ Chinese journal of radio science，2004，19(5)：565568(in Chinese)4 陈希信，韩彦明，于景兰高频雷达自适应波束形成万方数据30 电 波科 学 学报 第31卷抗干扰研究J电波科学学报，2010，25(6)：1

27、1691174CHEN X X，HAN Y M，YU J LResearch for inter-ference suppression in HF radar based on ADBFJChinese journal of radio science，2010，25(6)：11691 174(in Chinese)5 张国毅，刘永坦高频地波雷达多干扰的极化抑制J电子学报，2001，29(9)：12061209ZHANG G Y，LIU Y TPolarization suppression ofmultidisturbance in HF Ground wave RadarJActaele

28、ctronica sinica，2001，29(9)：12061209(in Chinese)6 周万幸一种新型极化抗干扰技术研究J电子学报，2009，37(3)：454458ZHOU W X Research of a new type techniques forantiinterference using polarizationJActa electronica sinica，2009，37(3)：454458(in Chinese)7 戴幻尧，李永祯，刘勇，等单极化雷达的空域零相移干扰抑制极化滤波器J系统工程与电子技术，2011，33(2)：290一295DAI H Y，LI Y Z

29、，LIU Y，et a1Spatial null phaseshift interference suppression polarization filter designfor single polarized radarsJ systems engineeringand electronics，2011，33(2)：290一295(in Chinese)8 毛兴鹏，刘永坦，邓维波频域零相移多凹口极化滤波器口电子学报，2008，36(3)：537542MA0 X P，LIU Y T，DENG W BFrequency domainnull phaseshift multinotch pol

30、arization filterJ Acta electronica sinica，2008，36(3)：537542(in Chinese)9 刘爱军，毛兴鹏，杨俊炜，等基于FrFT的高频雷达信号极化状态估计方法J电波科学学报，2010，25(5)：815822L1U A J，MA0 X P，YANG J W，et a1P01arizedstates estimation methods based on FrFT for HF radarJChinese journal of radio science，2010，25(5)：815822(in Chinese)10毛兴鹏，刘永坦，邓维波，

31、等零相移瞬时极化滤波器J电子学报，2004，32(9)：14951498MA0 X P，LIU Y T，DENG W B，et a1Null Dhase-shift instantaneous poIarization filterJ Acta electronica sinica，2004，32(9)：14951498(in Chinese)1 1 MA0 x P，LIu Y TNull phaseshift p01arizationfiltering for highfrequency radarJ IEEE transactions on aerospace and electronic

32、 systems， 2007， 43(4)：1397140812毛兴鹏，刘爱军，邓维波，等斜投影极化滤波器口电子学报，2010，38(9)：20032008MAO X P，LIU A J，DENG W B，et a1An obliqueproj ection p01arization mter口 Acta electronica sinica，2010，38(9)：20032008(in Chinese)13刘爱军，宋立众，王季刚，等斜投影三维极化滤波J哈尔滨工业大学学报，2012，44(3)：7580LIU A J，SONG L Z，WANG J G，et a1Three-dimension

33、s polarization filtering based on oblique projectionJJournal of harbin institute of technology，2012，44(3)：7580(in Chinese)14 MA0 x P，LIU A J，H0u H J，et a10blique projection p01arisation filtering for interference suppression in high frequency surface wave radarJ IET radar，sonar and navigation，2012，6

34、(2)：7180作者简介刘爱军 (1971一)，男，河北人，哈尔滨工业大学(威海)副教授、硕士生导师，从事极化信号处理、雷达阵列信号处理等方面的研究邱云香 (1989一)，女，山东人，哈尔滨工业大学(威海)硕士研究生，从事雷达极化信号处理方面的研究于长军 (1962一)，男，黑龙江人，哈尔滨工业大学(威海)教授、博士生导师，从事新体制雷达技术、雷达天线理论等方面的研究毛兴鹏 (1972一)，男，山西人，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，从事雷达信号处理、电子侦察与对抗等方面的研究邓维波 (1960一)，男，黑龙江人，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，从事电磁场与电磁波、高频雷达阵列信号处理等方面的研究万方数据