高頻地波雷達(dá)干擾信號(hào)頻譜特性研究

高頻地波雷達(dá)干擾信號(hào)頻譜特性研究

高頻天線通常工作在短段的低段。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，10hz以下的短波用戶的工作頻率占所有低頻干擾頻率的62%。近年來，高頻地波雷達(dá)的工作環(huán)境非常惡劣。雷達(dá)檢測(cè)的目標(biāo)和波形特征的分析通過在多普勒頻率范圍內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)和波形回波來執(zhí)行。干擾的光譜特性是影響檢測(cè)的主要因素。干擾環(huán)境的檢測(cè)非常困難。然而，近年來，人們主要集中在干擾方法的研究上，對(duì)干擾背景的研究較少。由于干擾機(jī)制缺乏詳細(xì)的研究數(shù)據(jù)，我們?cè)诓煌潭壬舷拗屏艘恍┘夹g(shù)的應(yīng)用和開發(fā)。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)敿?xì)研究了波長干擾的光譜特性。根據(jù)干擾信號(hào)的調(diào)制方式,將干擾信號(hào)分為3類進(jìn)行分析:單頻干擾、調(diào)幅干擾和調(diào)頻干擾.根據(jù)干擾信號(hào)的速度譜形狀,最終將干擾分為4種類型:“條型”、“面型”、“段型”和“尖型”,并簡(jiǎn)述了各類干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)和海態(tài)特征提取時(shí)的影響.1干擾信號(hào)號(hào)的光譜特性1.1fft的基本原理采用LFMICW信號(hào)體制時(shí),高頻地波雷達(dá)的第一級(jí)混頻信號(hào)是與發(fā)射信號(hào)調(diào)制周期和調(diào)制斜率都相同的線性頻率調(diào)制連續(xù)波,第一本振信號(hào)為sL1(t)=cos(2πfL1t+πα(t?nT)2+φL1).sL1(t)=cos(2πfL1t+πα(t-nΤ)2+φL1).式中:α為調(diào)制斜率;T為線性頻率調(diào)制周期;n為重復(fù)周期序號(hào);t的取值范圍是nT<t≤(n+1)T;fL1為一本振信號(hào)載頻;φL1為初始相位.單頻干擾信號(hào)表示為si1(t)=cos(2πfit+φi1),單頻干擾信號(hào)與第一級(jí)線性調(diào)頻本振信號(hào)混頻以后,輸出的第一中頻信號(hào)的相位為Φ1(t)=2π(fL1-fi)t+πα(t-nT)2+φL1-φi1.再經(jīng)第二、第三級(jí)單頻本振解調(diào)后,輸出的零中頻干擾信號(hào)相位為Φ0(t)=2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2+φ0.(1)Φ0(t)=2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2+φ0.(1)式中:f0為發(fā)射信號(hào)載頻,并且f0=fL1+fL2+fL3,fL1、fL2、fL3為別為第一、第二、第三本振信號(hào)頻率,φ0=φL1+φL2+φL3,φL1、φL2、φL3為第二和第三本振信號(hào)初相.零中頻干擾信號(hào)為si0(t)=cos(2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2+φ0).(2)si0(t)=cos(2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2+φ0).(2)可見,單頻干擾信號(hào)經(jīng)線性調(diào)頻本振混頻后變?yōu)榫€性調(diào)頻信號(hào),其頻譜展寬,頻帶寬度與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)調(diào)頻帶寬相同,而單頻本振混頻不改變干擾信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu).高頻地波雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)是在速度譜內(nèi)進(jìn)行的,為此要對(duì)零中頻信號(hào)進(jìn)行兩次FFT處理,才能分析單頻干擾在距離域和速度域內(nèi)的頻譜特征.令t′=t-nT,因?yàn)?≤t-nT≤T,所以0≤t′≤T,將t′帶入式(1)得Φ0(t′)=2π(f0?fi)nT+2π(f0?fi)t′+παt′2+φ0.(3)Φ0(t′)=2π(f0-fi)nΤ+2π(f0-fi)t′+παt′2+φ0.(3)當(dāng)進(jìn)行一維FFT處理時(shí),信號(hào)在一個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)采樣,對(duì)式(2)中t′求導(dǎo)得到距離譜內(nèi)干擾信號(hào)的頻率fR(t′)=(f0-fi)+αt′.式中:fR(t′)為干擾信號(hào)所在距離門對(duì)應(yīng)的頻率(簡(jiǎn)稱距離頻率),由0≤t′≤T,得干擾最小距離頻率fRmin=f0-fi,最大距離頻率fRmax=(f0-fi)+αT.文獻(xiàn)給出高頻地波雷達(dá)探測(cè)距離范圍內(nèi)最大距離門所對(duì)應(yīng)的距離頻率fmax=(2BRmax)/(cT).式中:Rmax為雷達(dá)最大探測(cè)距離,c為電磁波傳播速度;B為調(diào)頻帶寬.實(shí)際中,一般有fmax?fRmax.例如當(dāng)Rmax=400km,調(diào)頻帶寬B=40kHz,調(diào)頻周期T=400ms,計(jì)算得fmax=266.7Hz,當(dāng)f0=fi時(shí),fRmax=40kHz,可見干擾信號(hào)的頻率范圍遠(yuǎn)大于距離頻率范圍,當(dāng)|f0-fi|<B/2時(shí),干擾信號(hào)就會(huì)進(jìn)入接收機(jī),干擾信號(hào)將在fRmin≤fR≤fRmax的距離頻率范圍內(nèi)出現(xiàn),但是,一般情況下零中頻采樣頻率fs<B,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象,所以通常情況下,單頻干擾信號(hào)將覆蓋所有的距離門.下面分析在速度域(多普勒頻域)內(nèi),干擾信號(hào)的速度域頻率(簡(jiǎn)稱速度頻率).零中頻干擾信號(hào)在單個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)完成FFT距離處理后,接下來要對(duì)不同調(diào)頻周期同一距離門的信號(hào)作FFT變換,即速度處理.忽略信號(hào)在一個(gè)掃頻周期內(nèi)的相位變化,對(duì)式(3)中調(diào)頻周期變量nT求導(dǎo),得速度譜內(nèi)干擾信號(hào)的速度頻率為fv=f0?fi.(4)fv=f0-fi.(4)式(4)說明單頻干擾在速度域內(nèi)為一個(gè)單頻分量,干擾將出現(xiàn)在某個(gè)確定的速度門內(nèi),這個(gè)速度門的位置由雷達(dá)發(fā)射載頻與干擾信號(hào)的頻率差決定.結(jié)合距離譜分析,得到單頻干擾信號(hào)的頻譜特征是:單頻干擾信號(hào)將覆蓋同一速度門內(nèi)的所有距離門,形成一個(gè)“條狀”頻譜,圖1所示為單頻干擾信號(hào)在速度域內(nèi)的仿真頻譜.1.2調(diào)幅干擾的距離頻率和單頻干擾的距離頻率特征分析按照傅里葉級(jí)數(shù),調(diào)幅干擾信號(hào)可表示為si2(t)=A(t)cos(2πfit+φi2).si2(t)=A(t)cos(2πfit+φi2).式中:A(t)=∑n=1∞Enmcos(Ωnt+φn)A(t)=∑n=1∞Enmcos(Ωnt+φn).經(jīng)混頻后的零中頻信號(hào)為si2(t)=∑n=1∞Enmcos(Ωnt+φn)cos[2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2+φ0]=12∑n=1∞Enm{cos[2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2+Ωnt+φ0+φn]+cos[2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2?Ωnt+φ0?φn]si2(t)=∑n=1∞Enmcos(Ωnt+φn)cos[2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2+φ0]=12∑n=1∞Enm{cos[2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2+Ωnt+φ0+φn]+cos[2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2-Ωnt+φ0-φn],其相位為Φn(t)=2π(f0?fi)t+πα(t?nT)2±Ωnt+(φ0±φn).(5)Φn(t)=2π(f0-fi)t+πα(t-nΤ)2±Ωnt+(φ0±φn).(5)同式(3),用t′=t-nT替換式(5)得Φn(t′)=2π(f0?fi)t′+2π(f0?fi)nT+παt′2±Ωnt′±ΩnnT+(φ0±φn).Φn(t′)=2π(f0-fi)t′+2π(f0-fi)nΤ+παt′2±Ωnt′±ΩnnΤ+(φ0±φn).同理得到距離頻率和速度頻率為fR(t′)=(f0?fi)+αt′±Ωn,fv=(f0?fi)±Ωn.fR(t′)=(f0-fi)+αt′±Ωn,fv=(f0-fi)±Ωn.由此可見,調(diào)幅干擾的距離頻率和單頻干擾的距離頻率具有類似的頻譜特性,都因?yàn)榕c線性調(diào)頻本振混頻而展寬頻譜,從而覆蓋雷達(dá)所有距離門.但是調(diào)幅干擾的速度頻率特性與單頻干擾有所不同,對(duì)于單頻調(diào)幅干擾信號(hào),將出現(xiàn)兩個(gè)速度頻率分量,其中每一個(gè)速度頻率分量都將覆蓋所有距離門,從而形成兩個(gè)“條狀”頻譜,見圖2.對(duì)于窄帶調(diào)幅干擾信號(hào),其速度頻率將覆蓋一個(gè)頻率范圍,頻帶寬度等于調(diào)幅信號(hào)帶寬.因?yàn)楦哳l地波雷達(dá)的多普勒頻率范圍很窄,其最大不模糊頻率fa=1/T,按照上節(jié)假定的參數(shù)計(jì)算得fa=2.5Hz,顯然,在通常情況下,調(diào)幅干擾信號(hào)的頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fa,這時(shí)速度頻率將出現(xiàn)混疊現(xiàn)象,導(dǎo)致干擾信號(hào)覆蓋所有的速度門.這樣,在距離速度二維頻譜中,窄帶調(diào)幅干擾信號(hào)將覆蓋所有的距離門和速度門,形成“面狀”頻譜.1.3線性頻率調(diào)制這里首先分析一個(gè)調(diào)頻周期與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)調(diào)頻周期相同的線性調(diào)頻干擾信號(hào),其載頻為fi,調(diào)頻斜率為k,時(shí)域信號(hào)為si3(t)=cos(2πfit+πk(t?nt)2+φi3).si3(t)=cos(2πfit+πk(t-nt)2+φi3).按照同樣方法分析,得到距離、速度頻率分別為fR(t′)=(f0?fi)+(α?k)t′,(6)fv=f0?fi.(7)fR(t′)=(f0-fi)+(α-k)t′,(6)fv=f0-fi.(7)式(6)、(7)表明,當(dāng)干擾信號(hào)的調(diào)頻周期與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻周期相同并且也為線性頻率調(diào)制時(shí),干擾在距離速度譜內(nèi)單個(gè)速度門的一段連續(xù)距離門內(nèi)出現(xiàn),當(dāng)(α-k)T的值很小時(shí),距離頻率只覆蓋很窄的一段距離門,表現(xiàn)為“尖狀”頻譜特性;當(dāng)(α-k)T稍大時(shí),距離頻率覆蓋一段距離1門,表現(xiàn)為“段狀”頻譜特性;當(dāng)(α-k)T較大時(shí),距離頻率覆蓋所有的距離門,表現(xiàn)為“條狀”頻譜特性,此時(shí)與單頻干擾信號(hào)的譜特征非常相似.圖3給出了調(diào)頻周期與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)調(diào)頻周期相同但調(diào)頻斜率不同的兩個(gè)線性調(diào)頻干擾信號(hào)的混合信號(hào)的頻譜仿真圖示.下面再分析一般調(diào)頻干擾信號(hào),其信號(hào)為si4(t)=cos(2πfit+k∫f(t)dt+φi4),混頻后的零中頻信號(hào)為si0(t)=cos[2π(f0-fi)t+πα(t-nT)2-k∫f(t)dt+φ0],其相位為Φ0=2π(f0-fi)t+πα(t-nT)2-k∫f(t)dt+φ0=2π(f0-fi)(t′+nT)+παt′2-k∫f(t′+nt)d(t′+nT)+φ0.分別對(duì)t′和nT求導(dǎo)得距離頻率和速度頻率fR(t′)=(f0-fi)+αt′-kf(t′+nT),fv(t′)=(f0-fi)-kf(t′+nT).以上表明,一般調(diào)頻信號(hào)的多普勒頻率不再是固定的一個(gè)常數(shù),它可能覆蓋部分距離門和速度門,也可能覆蓋所有距離門和速度門,可表現(xiàn)為“尖狀”、“段狀”、“條狀”或“面狀”頻譜,但是因?yàn)槎鄶?shù)情況下調(diào)頻干擾的頻帶寬度都大于速度不模糊頻率,因此“面狀”頻譜是最常見的譜特征,圖4給出了正弦調(diào)頻干擾信號(hào)的頻譜仿真圖示.與調(diào)頻信號(hào)類似,調(diào)角信號(hào)也有類似的譜特性.上述分析表明,在高頻地波雷達(dá)中,調(diào)幅干擾的頻譜形狀比較簡(jiǎn)單,單頻干擾呈現(xiàn)“條狀”譜,單頻調(diào)幅干擾呈現(xiàn)兩個(gè)“條狀”譜,窄帶調(diào)幅干擾呈現(xiàn)“面狀”譜;調(diào)頻干擾的頻譜形狀比較復(fù)雜,它可呈現(xiàn)“條狀”、“面狀”、“段狀”或“尖狀”譜.1.4飛機(jī)目標(biāo)檢測(cè)從“條型”干擾的頻譜特點(diǎn)看到,“條狀”干擾占有很窄的頻帶,在干擾頻帶以外的區(qū)域,目標(biāo)檢測(cè)不受干擾的影響,因此可以選擇在干擾頻譜以外的區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè).通常艦船目標(biāo)的多普勒速度比較低,主要集中在一階海雜波多普勒頻率附近,因此當(dāng)干擾處在艦船目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域以外時(shí),就可以對(duì)船目標(biāo)正常檢測(cè).這就提示我們,如果雷達(dá)在短波電臺(tái)干擾的高峰期找不到“寂靜”工作頻率時(shí),可以使雷達(dá)工作在“條形”干擾的頻率上,當(dāng)“條形”干擾頻譜出現(xiàn)在目標(biāo)主要檢測(cè)區(qū)域以外時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分目標(biāo)或者全部目標(biāo)的檢測(cè).然而對(duì)于飛機(jī)目標(biāo),由于飛行速度較高,目標(biāo)主要集中在高多普勒頻率區(qū)域,這時(shí)可以選擇那些位于低多普勒頻率區(qū)域的“條狀”干擾,而在高多普勒區(qū)域?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)的檢測(cè).對(duì)于“段狀”和“尖狀”干擾,可以按照同樣的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè).但是,對(duì)于“面狀”干擾則無法應(yīng)用此方法.在進(jìn)行各種方法的干擾抑制時(shí),也可以利用干擾頻譜形狀的特點(diǎn)優(yōu)化抑制方法.因?yàn)楦蓴_抑制時(shí)一般總要對(duì)目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生一定損失,如果只對(duì)“條狀”、“段狀”、“尖狀”干擾頻譜分布的區(qū)域進(jìn)行抑制,則其他區(qū)域的目標(biāo)檢測(cè)性能就不會(huì)受到影響.雷達(dá)在“寂靜”頻段工作時(shí),檢測(cè)背景主要由大氣噪聲構(gòu)成,但是在弱干擾情況下,干擾信號(hào)占優(yōu),檢測(cè)性能主要取決于干擾信號(hào)的分布特性,因此根據(jù)干擾信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行干擾統(tǒng)計(jì)分布的研究,將有助于提高檢測(cè)性能.這些特性也將有助于海態(tài)特征的研究,是未來發(fā)展的一個(gè)研究方向.2高頻地波雷達(dá)臺(tái)風(fēng)干擾信號(hào)的頻域類型干擾特性的分析需要在純凈干擾環(huán)境中錄取數(shù)據(jù),為此雷達(dá)選擇被動(dòng)接收方式.實(shí)驗(yàn)于2001年9月在哈爾濱工業(yè)大學(xué)岸基高頻地波雷達(dá)站進(jìn)行,在錄取電臺(tái)干擾信號(hào)時(shí),我們通過雷達(dá)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別選擇了“單干擾信號(hào)”和“多干擾信號(hào)”,其中“單干擾信號(hào)”是指在雷達(dá)接收機(jī)工作帶寬內(nèi)只有一個(gè)電臺(tái)干擾信號(hào),“多干擾信號(hào)”是指在接收機(jī)工作帶寬內(nèi)有兩個(gè)以上電臺(tái)干擾信號(hào).圖5、6為“單干擾信號(hào)”距離速度頻譜,其干擾信號(hào)頻率分別為4.45MHz、6.485MHz,可見它們分別呈“條狀”、“面狀”譜特征.圖7、8所示為“多干擾信號(hào)”的距離速度譜,其中圖7包含了一個(gè)“段狀”干擾和一個(gè)“尖狀”干擾,圖8包含了一個(gè)“面狀”干擾和一個(gè)“條狀”干擾,在其“條狀”干擾主頻譜的兩側(cè)還有兩個(gè)邊頻干擾,因此這個(gè)“條狀”干擾可能是一個(gè)單頻調(diào)制的調(diào)幅信號(hào).觀察實(shí)際測(cè)量的30多個(gè)干擾信號(hào)的頻譜可以得出以下結(jié)論:高頻地波雷達(dá)電臺(tái)干擾信號(hào)的速度譜主要包含4種類型,即“條狀”、“面狀”、“段狀”和“尖狀”,其中“條狀”和“面狀”是出現(xiàn)最