一种探地雷达系统的抗干扰方法
【专利摘要】本发明公开了一种探地雷达天线的抗干扰方法。在探地雷达系统中的天线子系统运用非均匀的圆形阵列天线，天线单元采用类似于蝶形天线的天线单元。该探地雷达采用功率倒置算法抑制探地雷达系统的射频干扰。本方法能很好地抑制探地雷达系统的射频干扰和噪声抑制。
【专利说明】
一种探地雷达系统的抗干扰方法
技术领域
[0001] 本发明属于探地雷达系统领域，特别涉及非均匀的阵列天线子系统的探地雷达系 统的射频干扰抑制方法。
【背景技术】
[0002] 探地雷达是一种用来探测地下或者物体内部肉眼看不见目标的有效工具。探地雷 达向地下发射电磁波信号，并按照一定的规律接收和记录由地下介质与目标的介质面处的 回波，通过对记录信号的分析处理，实现对地下结构和目标的检测。所以探地雷达被广泛用 于交通检测，市政环保，灾害搜救，地质考察等。探地雷达为了镜像高分辨率成像必须具有 高的分辨率和方位分辨率，一般探地雷达的高分辨率是通过合成孔径成像实现的，而高的 距离分辨率只能通过发射超宽带信号得到。探地雷达发射的信号一般是分布在几兆至上千 兆之间的超宽带信号，此时广播、电视及通讯的在带信号也在该频段内，这些信号是影响探 地雷达性能的射频干扰，所以探索对于探地雷达的前视探地成像系统中的抑制射频干扰方 法具有重要意义。
[0003] 探地雷达天线是探地雷达系统最重要的部件之一。探地雷达天线要求有良好的方 向性，足够宽的带宽，为了满足对地下介质的分辨的要求，要求有较强的抗干扰的能力，用 以满足探地雷达系统在城市等环境的应用。目前探地雷达使用的射频干扰抑制算法有中值 滤波、小波选通、随机相位编码、随机等效采样等方法抑制射频干扰，这些方法都没有从探 地雷达天线出发来抑制探地雷达系统的射频干扰，因此从探地雷达天线出发，抑制探地雷 达系统的射频干扰方法是一个有重要意义的工作。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于:对于探地雷达的射频干扰，采用从探地雷达天线方向出发，提 出在探地雷达天线上利用功率倒置算法来抑制探地雷达的射频干扰。
[0005] 采用3个阵元形成的非均匀蝶形阵列天线组成，如图1所示，干扰抑制方法采用功 率倒置方法，示意图如图2所示。冲激脉冲探地雷达在发射一次探测脉冲，连续采集N点回波 信号，进行连续M次回波采集，设 Xl(n，m)为第i个阵元接收的信号，Sl(n，m)为有用信号，m (n，m)为射频干扰信号，x(n，m)可以表示为：
[0006] x(n,m)=a(9)s(n,m)+n(n,m) (1)
[0007] 其中a(0)称为引导向量，由信号的入射角、阵元间距和阵列型式决定。
[0008] 设第2个阵元到第1个阵元的距离为山，第3个阵元到第2个阵元的间距为d2，
[0009] 非均匀阵列的引导向量为：
[0011] x(n，m)矢量形式为：
[0012] x(n，m) = [x0(n，m)，xi(n，m)，X2(n，m)]T (3)
[0013] Wi(n，m)为每个支路的加权系数，则加权矢量可写成：
[0014] w=(w〇(n，m)，wi(n，m)，W2(n，m))T (4)
[0015] 其中 wo(n，m) = 1。
[0016]阵列输出y(n，m)表示为：
[0017] y(n,m)=wH(n,m)x(n,m) =wH(n,m)s(n,m)+wH(n,m)n(n,m) (5)
[0018] 功率倒置算法的最优准则是选择最佳的(wi (n, m), W2 (n, m))T，使阵列输出E [ | y (n, m)|2]最小。
[0019] 阵列输出功率卩咖可表示为：
[0020] P〇ut = E[ | y(n,m) |2] = E(wH(n ,m)x(n ,m)) (wH(n,m)x(n,m) )H = wH(n ,m)Rxxw(n ,m) (6)
[0021 ]结合功率倒置算法的约束条件
，构成拉格朗日函数：
[0022] L(w) =wH(n，m) ? Rxx ? w(n，m)+A(wH(n，m)l_l) (7)
[0023]式中Rxx = E[x(n，m) ? xH(n，m)]为输入矢量x(n，m)的协方差矩阵，上标H表示转置 共辄，A是拉格朗日系数。
[0024] 取式(7)对于w(n，m)的梯度AwL(w)，并令：
[0025] A wL(w) =0 (8)
[0026] 得到：
[0027] wopt〇hm) = PommRxX (9)
[0028] 当w=w〇Pt时的最小功率为：
[0030] 下面对Rxx = E[x(n，m) ? xH(n，m)]进行一部分变化，以对功率倒置算法有进一步的 了解。令：
[0031] X=[xi(n，m)，X2(n，m)]T (11)
[0032] Z = E{X ? xo(n,m)} (12)
[0033] ? XT} (13)
[0034]式中f为阵列的可调部分的输入矢量，Z为f与固定之路输入Xo的相互关联矩阵， 而f xx为f的自相关矩阵，故Rxx可表示为分块矩阵：
[0036]其中?〇 = ￡[|幼(11，111)|2]为固定支路的输入功率。
[0037]最佳加权矢量可表示为：
[0039] 其中V 〇Pt(n，m) = [w0Pti(n，m)，'\￥。的2(11，1]1)]1'微阵列可调部分最佳权矢量。
[0040] 将式(14)和式(15)代入式(9)得
[0044]即为功率自适应算法的最佳加权矢量方程。
[0045]已知最小均方差算法的阵列的最佳矢量表达式为：
[0046] Rxxw〇pt(n,m) = Srd (18)
[0047] 其中]为输入矢量x与参量信号r(t)的互相关矩阵。将式（18) 和式（17)进行比较，可得式（17)(a)是该阵列第一支路增益固定的一种表现形式，式（17) (b)则是该阵元可调部分所组成的一个子阵的最佳权矢量公式，并且这时支路起着有用信 号的作用。则功率倒置自适应阵的最佳加权为：
[0048] w〇Pt(n,m) =aRxx_1a(0〇) (19)
[0049] 式中：
[0051]为了使最优加权的第1位权值为1，取：[0052] a=w〇Pt(l, 1) 1 (20)
【附图说明】
[0053] 图1探地雷达蝶形阵列天线布置图；
[0054]图2功率倒置算法示意图；
[0055]图3射频干扰信号为3dB的天线方向图截面；
[0056]图4射频干扰信号为15dB的天线方向图截面。
[0057] 具体实施
[0058]为使本发明的目的、技术方案和优点清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作 进一步地详细描述。本发明中天线单元非均匀布置在圆形平面内，运用优化算法设计的非 均匀阵列的天线单元在圆周的极角〇°，110°和232°位置，非均匀布置能提高干扰抑制的性 能，方法的验证主要在两个不同条件下，在探地雷达信号处理中运用功率倒置算法验证射 频干扰的有效性。图3为干扰功率为3dB，信号到达角0 = 25°，三个干扰分别来自20°，50°， 60°仿真得到的图。图4为干扰功率为15dB，信号到达角0 = 35°，三个干扰分别来自50°， 200°，320°仿真得到的图。从图中可以看出该方法对射频干扰具有抑制作用，且功率增大， 抑制作用增强。
【主权项】
1. 一种探地雷达系统的抗干扰方法，其中所阐述的天线子系统是非均匀圆形轮廓面布 置的蝶形阵列天线，阵元个数为3,天线单元采用类似于蝶形天线的天线单元。2. 权利要求1所阐述的抗干扰方法，其中所述的算法是在非均匀圆形阵列天线的基础 上，采用功率倒置算法抑制探地雷达系统的射频干扰。3. 权利要求2所阐述的射频干扰信号是冲激脉冲探地雷达在发射一次探测脉冲，连续 采集N点回波信号，进行连续犯欠回波采集得到的。
【文档编号】G01S7/02GK106054141SQ201610316840
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】陈客松, 姜金男, 郭睿, 陈会
【申请人】电子科技大学