【深度技术】天地波雷达回波的直达波抑制

Original 2017-05-08 学术plus

今日荐文

今日荐文的作者为武汉大学电子信息学院专家朱道建，皮小珊，岳显昌，中国电子科学研究院专家徐心毅。本篇节选自论文《天地波雷达回波的直达波抑制》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第1期。

摘要：高频天地波雷达是一种天发地收的新体制雷达，其信号传播信道主要包括电离层反射传播信道和海面绕射传播信道。电离层反射造成信号相位污染以及多径效应，接收机所接收到的天波直达波会发生频移和展宽，其强度一般远高于海洋回波，受污染后的直达波将会覆盖部分回波信息，影响海洋回波/海面目标的提取。本文根据天地波雷达直达波特性，提出了基于距离域自适应滤波抑制天地波雷达中的直达波强干扰的方法。该方法选择只含有直达波或直达波旁瓣信号的邻近距离元，作为自适应对消器的输入信号，实现天地波雷达回波信号中直达波及其旁瓣信号的抑制。实测结果表明，该方法能够很好的对直达波进行抑制，有利于海洋回波/海面目标信息的提取。

关键字：高频天地波雷达；直达波抑制；自适应滤波；多普勒展宽。

引言

高频天地波雷达是一种新体制雷达，与传统的地波雷达和天波雷达相比，有着其独特的优势。系统中天波发射的高功率信号经由低层大气进入电离层，被电离层反射后再经由低层大气传播。部分信号照射到海面，经海面散射后以绕射的方式到达地波雷接收机，而也有部分信号直接到达接收天线，成为直达波信号。直达波具有信号能量强，方向性强，其旁瓣影响多个距离元，多普勒频率反映电离层的运动状态以及存在多径现象等特点。

基于直达波能量强、方位性稳定的特点，可以将其作为参考信号，用于天地波雷达接收阵列的校正。但同时，直达波作为强干扰，其强大的旁瓣可能淹没附近的慢速目标和海洋信息；受多径效应的影响，不同层反射的直达波及其旁瓣将相互叠加，严重影响回波信号中有用信息的提取。因此，天地波雷达在进行信息提取之前，必须对直达波进行抑制，降低它对回波信号提取的影响。

利用自适应天线进行干扰置零、通过设置参考通道实现旁瓣对消是传统的对直达波进行抑制的方法，根据直达波的特性，主要从时域、空域和多普勒域对其加以抑制。时域中直达波及其多径信号抑制的方法有通道均衡和自适应方法，譬如利用时域置零法对双基地地波雷达中的直达波进行抑制，该方法简单易行，但当目标回波与直达波有部分重叠时，在抑制了直达波的同时也会造成目标回波能量的损失。在空域通常采用自适应波束形成的方法抑制直达波。另外，根据目标子空间和直达波子空间的正交性，利用空间相关矩阵来构造直达波子空间并通过空间投影实现直达波抑制。尽管这些方法都是有效的，但并不能完全解决直达波抑制问题。针对具体情况，需要综合运用这些方法，或者发展新的方法。

在天地波雷达回波多普勒谱中，直达波类似于高频雷达系统的射频干扰，在距离域有很强的相关性。高频雷达中的射频干扰在时域表现为短时性，根据干扰信号的带宽可分为窄带射频干扰(narrowband RFIs，NBRFI)和宽带射频干扰 (wideband RFIs，WBRFI)。其中，窄带射频干扰在时域具有较强的相关性，相关时间长，经过多普勒处理后，其所有距离元数据都有很强的相关性；而宽带射频干扰的时间相关性相对较差，且仅与相邻距离元数据有强的相关性。针对窄带射频干扰和宽带射频干扰在距离域的不同特性，C. Pan等人利用自适应滤波技术，通过选择不同的输入信号分别对它们进行处理，结果显示，射频干扰得到有效的抑制，海洋回波得以显现。因此考虑在距离域采用自适应滤波算法对电离层反射直达波及其旁瓣信号进行抑制。

本文取只含有直达波或直达波旁瓣信号的邻近距离元，作为自适应对消器的输入信号，在距离域进行自适应滤波来抑制天地波雷达中的直达波。

1. 自适应滤波算法

如图1为自适应对消器的结构框图，对消器的输入为期望信号和输入信号，期望信号为某一待处理距离元的回波信号：

输入信号为其它距离元的回波数

其中

为转置符号。一般，期望信号中包括目标信号和干扰，而输入信号只由干扰信号组成；并且要求期望信号和输入信号中的干扰信号成分是相关的。

图1 自适应对消器结构框图

定义自适应系统的权矢量为W，其中W=[W₁,W₂,...W_M]^T，通过寻找最优权矢量，从

其中W^HY_in为估计出的期望信号中的干扰成分，H表示共轭转置。

为保证杂波的抑制程度，W须使滤波器的输出功率最小，即：

由最小梯度法得到最佳权矢量为：

其中R_YY为输入信号Y_in的自相关矩阵，P_YY为输入信号与期望信号的互相关矩阵。将最优权矢量代入式(4)即可得带去除干扰的信号。

从雷达回波距离—多普勒谱出发，假设选取待处理距离元附近的M个距离元数据，其中第m(m＝1，2，…，M)个距离元的数据为x_m(n)，n＝0,1，…，N-1，N为扫频周期数，则输入信号矩阵为Y_in＝[]x(0),X(1),...X(N-1)]，其自相关矩阵由以下公式估计：

假设待处理距离元的数据为x(n)，则期望信号矩阵为X＝[x(0)，x(1)，…，x(N-1)]，其与输入信号矩阵的互相关矩阵由以下公式估计：

将式(7)、式(8)代入式(6)即可得到最优权矢量。

2. 实测数据分析

2015年1月，武汉大学海态实验室进行了天地波混合组网高频超视距雷达海洋环境观测试验。雷达系统中的天波发射站位于湖北咸宁，包含5台发射系统和电离层环境监测设备，雷达信号波形采用调频连续波FMCW体制；地波接收站位于福建龙海、赤湖和东山，采用小型相控阵接收阵列，每站包括8根鞭天线，单通道接收波束宽度为 120°。天波发射和地波接收系统都配有GPS模块以实现同步控制。

图2(a)为2015年1月19日龙海站接收的一个采样周期的回波距离-多普勒谱，此时天波站发射一路天波，频率为12.47MHz，信号扫频周期为0.125s，距离分辨率为10km，采样周期为5min。采样启动时间为12:31:56，有效的探测距离元数目为80。从探测结果图可以看到，直达波及其旁瓣占据了多个距离元，而且由于存在E层和F层两层反射，两种回波叠加在了一起，由于电离层造成的多普勒频偏的不同，使两层的直达波都对另一层的海洋回波信号造成了遮挡。

利用自适应滤波算法对数据中的直达波进行抑制。具体做法如下：对于第k(3＜k＜78)个距离元的待处理数据，选择其附近的第k-3、k-2、k+2、k+3共4个距离元回波数据作为输入信号，即M＝4；而对于k ≤3的距离元数据，相应的输入信号取为第k+2、k+3、k+4、k+5共4个距离元回波数据；对于k≥78的距离元数据，输入信号为第k-2、k-3、k-4、k-5共4个距离元回波数据。抑制直达波后的结果如图2(b)所示。

对比图2(a)和图2(b)可以看到，直达波及其旁瓣信号均得到了很大程度的抑制，被E层直达波旁瓣信号遮蔽的F层反射海洋回波负一阶谱以及E层反射海洋回波的正一阶谱清晰的显现出来。

图2直达波抑制结果

进一步地，给出典型距离元数据的抑制结果，如图3所示，采用的相干积累时间为64 s。其中图3(a)~(c)是E层反射回波的直达波所在距离元及其邻近距离元数据的多普勒谱，可以看到抑制后噪声基底都有所降低，直达波被抑制了将近30dB；图3(d)为E层反射的非直达波距离元数据的处理结果，可以看到直达波被抑制了将近40dB，原本被F层反射回波的直达波旁瓣遮蔽的正一阶Bragg峰正常显现，而负一阶Bragg峰的强度以及相对位置在处理前后基本没发生变化。

图3(e)~(h)是F层反射回波相应距离元数据的多普勒谱，同样可以看到处理后噪声基底降低，直达波及其旁瓣信号的能量将近30dB，图3(h)中负一阶谱区附近的直达波旁瓣信号被有效抑制，而原来被噪声基底掩盖的正一阶峰明显显现。

图3直达波及其旁瓣信号抑制前后对比 (数据采样时间12:31)

下面给出另一组采样数据的处理结果，数据同样来自于2015年1月19日龙海站，天波发射频率也为12.47MHz，采样起始时间为13:56，图4为直达波及其旁瓣信号抑制前后的距离多普勒谱图。从图4(a)可以看到，F层反射回波的谱展宽较严重，直达波旁瓣呈现宽条带状，而E层回波直达波旁瓣所占频谱宽度较窄；图4(b)是应用本文方法进行直达波抑制后的结果，可以看到抑制效果明显，一阶海洋回波均显现出来。

图5给出的是相应的E层和F层回波中直达波以及非直达波所在距离元的多普勒谱。图5(a) 、5(c)是直达波抑制结果，可以看到噪声基底降低，直达波能量极大的抑制；图5(b) 、5(d)是直达波旁瓣的抑制结果，可以看到图5(b)中被展宽严重的F层直达波旁瓣淹没的负一阶Bragg峰重新显现，而正一阶Bragg峰的信噪比亦得到提高，而图5(d)在能量极强的直达波旁瓣被有效抑制，抑制能量达30 dB。

分析图3和图5可知，直达波抑制前后海洋回波一阶Bragg峰的相对位置没发生改变，表明本文处理算法未造成回波中的海流信息的损失。

图4直达波抑制结果

图5直达波及其旁瓣信号抑制前后对比(数据采样时间13:56)

结语

本文提出了基于距离域自适应滤波算法抑制天地波雷达回波中的直达波信号的方法。以只含有直达波或直达波旁瓣信号的邻近距离元，作为自适应对消器的输入信号，在距离域进行自适应滤波来抑制天地波雷达中的直达波及其多径效应。实测数据的处理结果表明，直达波及其旁瓣信号得到了明显有效的抑制，抑制能量在30dB左右，表现出很好的信噪比，并且抑制前后海洋有回波一阶谱的位置没有变化，证明本文算法是有效的。

另外，实测数据处理表明，对于沿距离域呈条形分布、具有强的距离相关性的直达波及其旁瓣信号，本文方法都有较好的抑制效果。在处理的过程中，需要注意如下几个问题：

由于海洋回波仅与相邻距离元回波的距离相关性较高，根据自适应滤波算法对输入信号和期望信号的要求，为避免在抑制直达波的同时损失海洋回波，在选择输入信号时需避开与待处理距离元数据紧邻的距离元回波信号；
由于直达波仅与相邻一到两个距离元数据有强的相关性，在进行距离域自适应滤波时，可供选用的输入信号有限，从而影响了抑制效果；
对处于边界的距离元数据，采用本文的抑制算法时需谨慎选择输入数据；
对于电离层污染严重回波信号，在进行直达波抑制后海洋回波仍然很模糊，因而在此之前应进行电离层解污染处理。

（参考文献略）

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