朱道建，皮曉珊，岳顯昌，徐心毅

(1.武漢大學電子信息學院,武漢 430072；2.中國電子科學研究院,北京 100041)

天地波雷達回波的直達波抑制

朱道建1，皮曉珊1，岳顯昌1，徐心毅2

(1.武漢大學電子信息學院,武漢 430072；2.中國電子科學研究院,北京 100041)

高頻天地波雷達是一種天發(fā)地收的新體制雷達，其信號傳播信道主要包括電離層反射傳播信道和海面繞射傳播信道。電離層反射造成信號相位污染以及多徑效應，接收機所接收到的天波直達波會發(fā)生頻移和展寬，其強度一般遠高于海洋回波，受污染后的直達波將會覆蓋部分回波信息，影響海洋回波/海面目標的提取。本文根據(jù)天地波雷達直達波特性，提出了基于距離域自適應濾波抑制天地波雷達中的直達波強干擾的方法。該方法選擇只含有直達波或直達波旁瓣信號的鄰近距離元，作為自適應對消器的輸入信號，實現(xiàn)天地波雷達回波信號中直達波及其旁瓣信號的抑制。實測結(jié)果表明，該方法能夠很好的對直達波進行抑制，有利于海洋回波/海面目標信息的提取。

高頻天地波雷達；直達波抑制；自適應濾波；多普勒展寬

0 引 言

高頻天地波雷達是一種新體制雷達，與傳統(tǒng)的地波雷達和天波雷達相比，有著其獨特的優(yōu)勢[1-4]。系統(tǒng)中天波發(fā)射的高功率信號經(jīng)由低層大氣進入電離層，被電離層反射后再經(jīng)由低層大氣傳播。部分信號照射到海面，經(jīng)海面散射后以繞射的方式到達地波雷接收機，而也有部分信號直接到達接收天線，成為直達波信號。直達波具有信號能量強，方向性強，其旁瓣影響多個距離元，多普勒頻率反映電離層的運動狀態(tài)以及存在多徑現(xiàn)象等特點。基于直達波能量強、方位性穩(wěn)定的特點，可以將其作為參考信號，用于天地波雷達接收陣列的校正。但同時，直達波作為強干擾，其強大的旁瓣可能淹沒附近的慢速目標和海洋信息[5]；受多徑效應的影響，不同層反射的直達波及其旁瓣將相互疊加，嚴重影響回波信號中有用信息的提取。因此，天地波雷達在進行信息提取之前，必須對直達波進行抑制，降低它對回波信號提取的影響。

利用自適應天線進行干擾置零、通過設(shè)置參考通道實現(xiàn)旁瓣對消[6-8]是傳統(tǒng)的對直達波進行抑制的方法，根據(jù)直達波的特性，主要從時域、空域和多普勒域?qū)ζ浼右砸种?。時域中直達波及其多徑信號抑制的方法有通道均衡和自適應方法[9-11]，譬如利用時域置零法對雙基地地波雷達中的直達波進行抑制[12]，該方法簡單易行，但當目標回波與直達波有部分重疊時，在抑制了直達波的同時也會造成目標回波能量的損失。在空域通常采用自適應波束形成的方法抑制直達波[13-14]。另外，根據(jù)目標子空間和直達波子空間的正交性[15]，利用空間相關(guān)矩陣來構(gòu)造直達波子空間并通過空間投影實現(xiàn)直達波抑制。盡管這些方法都是有效的，但并不能完全解決直達波抑制問題。針對具體情況，需要綜合運用這些方法，或者發(fā)展新的方法。

在天地波雷達回波多普勒譜中，直達波類似于高頻雷達系統(tǒng)的射頻干擾，在距離域有很強的相關(guān)性。高頻雷達中的射頻干擾在時域表現(xiàn)為短時性[16]，根據(jù)干擾信號的帶寬可分為窄帶射頻干擾(narrowband RFIs，NBRFI)和寬帶射頻干擾 (wideband RFIs，WBRFI)。其中，窄帶射頻干擾在時域具有較強的相關(guān)性，相關(guān)時間長，經(jīng)過多普勒處理后，其所有距離元數(shù)據(jù)都有很強的相關(guān)性；而寬帶射頻干擾的時間相關(guān)性相對較差，且僅與相鄰距離元數(shù)據(jù)有強的相關(guān)性[16-19]。針對窄帶射頻干擾和寬帶射頻干擾在距離域的不同特性，C. Pan等人[19]利用自適應濾波技術(shù)，通過選擇不同的輸入信號分別對它們進行處理，結(jié)果顯示，射頻干擾得到有效的抑制，海洋回波得以顯現(xiàn)。因此考慮在距離域采用自適應濾波算法對電離層反射直達波及其旁瓣信號進行抑制。

本文取只含有直達波或直達波旁瓣信號的鄰近距離元，作為自適應對消器的輸入信號，在距離域進行自適應濾波來抑制天地波雷達中的直達波。

1 自適應濾波算法

如圖1為自適應對消器的結(jié)構(gòu)框圖[20]，對消器的輸入為期望信號和輸入信號，期望信號為某一待處理距離元的回波信號：

(1)

輸入信號為其它距離元的回波數(shù)

(2)

其中

(3)

T為轉(zhuǎn)置符號。一般，期望信號中包括目標信號和干擾，而輸入信號只由干擾信號組成；并且要求期望信號和輸入信號中的干擾信號成分是相關(guān)的。

圖1 自適應對消器結(jié)構(gòu)框圖

定義自適應系統(tǒng)的權(quán)矢量為W，其中W=[w1,w2,…,wM]T，通過尋找最優(yōu)權(quán)矢量，從而估計出期望信號中的干擾成分，進而將其消除以實現(xiàn)干擾的抑制。系統(tǒng)的輸出為：

(4)

其中WHYin為估計出的期望信號中的干擾成分，H表示共軛轉(zhuǎn)置。

為保證雜波的抑制程度，W須使濾波器的輸出功率最小，即：

(5)

由最小梯度法得到最佳權(quán)矢量為：

(6)

其中RYY為輸入信號Yin的自相關(guān)矩陣，PYY為輸入信號與期望信號的互相關(guān)矩陣。將最優(yōu)權(quán)矢量代入式(4)即可得帶去除干擾的信號。

(7)

假設(shè)待處理距離元的數(shù)據(jù)為x(n)，則期望信號矩陣為X=[x(0)，x(1)，…，x(N-1)]，其與輸入信號矩陣的互相關(guān)矩陣由以下公式估計：

(8)

將式(7)、式(8)代入式(6)即可得到最優(yōu)權(quán)矢量。

2 實測數(shù)據(jù)分析

2015年1月，武漢大學海態(tài)實驗室進行了天地波混合組網(wǎng)高頻超視距雷達海洋環(huán)境觀測試驗。雷達系統(tǒng)中的天波發(fā)射站位于湖北咸寧，包含5臺發(fā)射系統(tǒng)和電離層環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，雷達信號波形采用調(diào)頻連續(xù)波FMCW體制；地波接收站位于福建龍海、赤湖和東山，采用小型相控陣接收陣列，每站包括8根鞭天線，單通道接收波束寬度為 120°。天波發(fā)射和地波接收系統(tǒng)都配有GPS模塊以實現(xiàn)同步控制。具體實驗過程及參數(shù)設(shè)置請參考文獻[18]。

圖2(a)為2015年1月19日龍海站接收的一個采樣周期的回波距離-多普勒譜，此時天波站發(fā)射一路天波，頻率為12.47 MHz，信號掃頻周期為0.125 s，距離分辨率為10 km，采樣周期為5 min。采樣啟動時間為12:31:56，有效的探測距離元數(shù)目為80。從探測結(jié)果圖可以看到，直達波及其旁瓣占據(jù)了多個距離元，而且由于存在E層和F層兩層反射，兩種回波疊加在了一起，由于電離層造成的多普勒頻偏的不同，使兩層的直達波都對另一層的海洋回波信號造成了遮擋。

利用自適應濾波算法對數(shù)據(jù)中的直達波進行抑制。具體做法如下：對于第k(3

對比圖2(a)和圖2(b)可以看到，直達波及其旁瓣信號均得到了很大程度的抑制，被E層直達波旁瓣信號遮蔽的F層反射海洋回波負一階譜以及E層反射海洋回波的正一階譜清晰的顯現(xiàn)出來。

圖2 直達波抑制結(jié)果

進一步地，給出典型距離元數(shù)據(jù)的抑制結(jié)果，如圖3所示，采用的相干積累時間為64 s。其中圖3(a)～(c)是E層反射回波的直達波所在距離元及其鄰近距離元數(shù)據(jù)的多普勒譜，可以看到抑制后噪聲基底都有所降低，直達波被抑制了將近30 dB；圖3(d)為E層反射的非直達波距離元數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，可以看到直達波被抑制了將近40dB，原本被F層反射回波的直達波旁瓣遮蔽的正一階Bragg峰正常顯現(xiàn)，而負一階Bragg峰的強度以及相對位置在處理前后基本沒發(fā)生變化。圖3(e)～(h)是F層反射回波相應距離元數(shù)據(jù)的多普勒譜，同樣可以看到處理后噪聲基底降低，直達波及其旁瓣信號的能量將近30 dB，圖3(h)中負一階譜區(qū)附近的直達波旁瓣信號被有效抑制，而原來被噪聲基底掩蓋的正一階峰明顯顯現(xiàn)。

圖3 直達波及其旁瓣信號抑制前后對比 (數(shù)據(jù)采樣時間12:31)

下面給出另一組采樣數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，數(shù)據(jù)同樣來自于2015年1月19日龍海站，天波發(fā)射頻率也為12.47 MHz，采樣起始時間為13:56，圖4為直達波及其旁瓣信號抑制前后的距離多普勒譜圖。從圖4(a)可以看到，F(xiàn)層反射回波的譜展寬較嚴重，直達波旁瓣呈現(xiàn)寬條帶狀，而E層回波直達波旁瓣所占頻譜寬度較窄；圖4(b)是應用本文方法進行直達波抑制后的結(jié)果，可以看到抑制效果明顯，一階海洋回波均顯現(xiàn)出來。

圖4 直達波抑制結(jié)果

圖5 直達波及其旁瓣信號抑制前后對比(數(shù)據(jù)采樣時間13:56)

圖5給出的是相應的E層和F層回波中直達波以及非直達波所在距離元的多普勒譜。圖5(a) 、5(c)是直達波抑制結(jié)果，可以看到噪聲基底降低，直達波能量極大的抑制；圖5(b) 、5(d)是直達波旁瓣的抑制結(jié)果，可以看到圖5(b)中被展寬嚴重的F層直達波旁瓣淹沒的負一階Bragg峰重新顯現(xiàn)，而正一階Bragg峰的信噪比亦得到提高，而圖5(d)在能量極強的直達波旁瓣被有效抑制，抑制能量達30 dB。

分析圖3和圖5可知，直達波抑制前后海洋回波一階Bragg峰的相對位置沒發(fā)生改變，表明本文處理算法未造成回波中的海流信息的損失。

3 結(jié) 語

本文提出了基于距離域自適應濾波算法抑制天地波雷達回波中的直達波信號的方法。以只含有直達波或直達波旁瓣信號的鄰近距離元，作為自適應對消器的輸入信號，在距離域進行自適應濾波來抑制天地波雷達中的直達波及其多徑效應。實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，直達波及其旁瓣信號得到了明顯有效的抑制，抑制能量在30 dB左右，表現(xiàn)出很好的信噪比，并且抑制前后海洋有回波一階譜的位置沒有變化，證明本文算法是有效的。

另外，實測數(shù)據(jù)處理表明，對于沿距離域呈條形分布、具有強的距離相關(guān)性的直達波及其旁瓣信號，本文方法都有較好的抑制效果。在處理的過程中，需要注意如下幾個問題：1) 由于海洋回波僅與相鄰距離元回波的距離相關(guān)性較高，根據(jù)自適應濾波算法對輸入信號和期望信號的要求，為避免在抑制直達波的同時損失海洋回波，在選擇輸入信號時需避開與待處理距離元數(shù)據(jù)緊鄰的距離元回波信號；2)由于直達波僅與相鄰一到兩個距離元數(shù)據(jù)有強的相關(guān)性，在進行距離域自適應濾波時，可供選用的輸入信號有限，從而影響了抑制效果；3) 對處于邊界的距離元數(shù)據(jù)，采用本文的抑制算法時需謹慎選擇輸入數(shù)據(jù)；4) 對于電離層污染嚴重回波信號，在進行直達波抑制后海洋回波仍然很模糊，因而在此之前應進行電離層解污染處理。

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A Method on Direct Arrival Wave Suppression for High Frequency Hybrid Sky-surface Wave Radar

ZHU Dao-jian1, PI Xiao-shan1, YUE Xian-chang1, XU Xin-yi2

(1. Electronic Information School, Wuhan University,Wuhan 430072; 2. China Academy of Electronic and Information Technology, Beijing 100041)

High Frequency hybrid sky-surface wave radar is a new mode of radar system with sky wave transmitting and surface wave receiving, whose signal path is mainly composed of the ionosphere reflection propagation and the sea surface diffraction propagation. The modulation by perturbations of ionosphere will result in the frequency shift and band width in the electromagnetic wave and induce multi-path effect in radar signal. The direct arrival wave of the radar is usually decades dB stronger than the sea echoes in intensity, therefore the sea echoes are partly covered by the contaminated direct arrival wave which bring more difficulty to extract the sea echoes from radar signal. Considering the high correlation of the direct arrival wave in range domain in hybrid sky-wave radar, a method based on adaptive filtering in range dimension to suppress the strong direct arrival wave interference is developed in this article. Data of adjacent range cells containing the direct arrival wave or its side-lobes are chosen as the input of the adaptive canceler to achieve the suppression of the direct arrival wave or its side-lobes in radar echoes at each range bin. Results of the processing of radar measurements indicate that this method works to suppress the direct arrival wave echoes and improve significantly the signal-to-noise-ratio of sea echoes.

high-frequency hybrid sky-surface wave radar; direct wave suppression; adaptive filtering; doppler broadening

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.006

2016-12-30

2017-01-15

“十二五”國家863課題(2012AA091701,2012AA091702)、國家自然科學(61401316)

朱道建(1991—)，男，湖北人，碩士，主要研究方向為海洋動力學及海洋遙感；

E-mail：zhudaojian@whu.edu.cn

皮曉珊(1989—)，女，湖北人，碩士，主要研究方向為無線電海洋遙感；

岳顯昌(1976—)，男，遼寧人，副教授，主要研究方向為中高層大氣動力學及無線電海洋遙感；

徐心毅(1981—),女，吉林人，博士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)空間安全。

P733.6

A

1673-5692(2017)01-031-06