一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法
【专利摘要】本发明涉及雷达抗干扰【技术领域】，尤其涉及一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法。本发明采用时频分析方法，利用电离层干扰在空域、时域和多普勒域的特征，对被电离层干扰的数据段（时间上与距离元上）进行检测并消除。先采用大相干积累时间的FFT变换进行干扰的距离元检测，然后对可能存在干扰的距离元回波上进行短时积累的时频分析，利用恒虚警率(CFAR)检测方法确定受电离层干扰的距离元和时间段，并对回波中受到干扰的海洋回波数据进行置零抑制，重做第2次FFT，即可得到抑制电离层干扰的距离多普勒谱。本发明抑制效果好，算法结构简单，实时性好，虚警率低，是一种可实时应用的稳健算法。
【专利说明】一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达抗干扰【技术领域】，尤其涉及一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法。
【背景技术】
[0002]高频地波雷达(HF Ground Wave Radar)利用垂直极化高频电磁波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点和海洋表面对电波的一阶、二阶散射机制，能超视距探测风场、浪场、流场等海洋动力学参数和舰船、飞机等海上移动目标。发射波主要通过海洋表面进行传播，实际工作中由于硬件与发射阵列场地等原因，部分电磁波还会向上传播，经过电离层的反射后进入接收机。电离层一般指60km以上包含自由电子的大气层，该层内各种带电粒子的浓度随高度而变化，在E层高度上，存在不规则的Es层，一般在90至120km。电离层干扰主要指经Es层电离云块的反射而到达雷达接收端的高频电波，只要电离层Es层存在，无论雷达工作在何种频率，一般都会出现电离层干扰。
[0003]地波雷达电离层干扰具有以下主要特性:(I)电离层干扰主要由发射电波经过电离层的反射和散射作用产生，能量远强于海杂波和目标回波，在多普勒谱上都具有明显的扩展，并具有明显的距离特征；(2)积累周期内，电离层干扰入射方向稳定不变，空间上可认为是平稳的；⑶一般情况下，电离层干扰平稳时间在300—500ms左右，要短于脉冲重复周期，因此在时间上和空间上是起伏变化的，有一定的随机非平稳特性。
[0004]目前现有的高频雷达抗干扰方法中，主要有:空域自适应波束形成、极化滤波法、在时域和频域进行滤波的特征子空间法、自适应滤波对消法、。其中自适应波束形成电离层抑制方法需要在水平面上配置二维阵列(高火涛，秦晨清，杨子杰:基于天线子阵的高频地波雷达抗干扰方法，CN100380135C)，而极化滤波方法需要架设占地较大的水平天线(H leong: ^Adaptive nulling of skywave interference using horizontal dipoleantennas in a coastal surface HF wave radar system’，Radar 97，14-16 October1997，Publicat1n N0.49:26-30),这两种方法实现起来都较为复杂，而在时域和频域或其联合域进行滤波的特征子空间法(熊新农，万显荣，柯亨玉，肖怀国，基于时频分析的高频地波雷达电离层杂波抑制，系统工程与电子技术，2008年第8期)则由于其需对信号进行正交分解存在杂波残留和一定的信号损失。对于便携式高频地波雷达的自适应滤波对消的方法(周浩，文必洋，吴世才，石振华，用于便携式高频地波雷达中抑制电离层杂波的方法，CN101581782A)实现电离层干扰抑制，由于其参考通道的信号接收结构存在，增加了系统复杂度。
【发明内容】
[0005]针对【背景技术】存在的问题，本发明采用时频分析方法，利用电离层干扰在空域、时域和多普勒域的特征，对被电离层干扰的数据段(时间上与距离元上)进行检测并消除。
[0006]本发明提供的技术方案为:
[0007](I)高频地波雷达的N个接收通道经采样获得原始采样数据，进行第一次FFT处理(FTl变换)，实现距离分离，得到各距离元上的采样数据Xi(r，t)t = Ρ..?，= L...!?，L为FTl帧数，R为距离元数；再对各通道的每个距离元数据进行第二次FFT (相干时间采用10~20分钟)，获得各通道的距离多普勒谱Si (r，f)i = l-N’r = L...!?，N为通道数，R为距离元数，f为多普勒频率，其中，NM ；
[0008]⑵对N个通道的距离多普勒谱进行能量平均
【权利要求】
1.一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤(I)、高频地波雷达的N个接收通道经采样获得原始采样数据，进行第一次FFT处理一FTl变换，实现距离分离，得到各距离元上的采样数据Xi(r，t)t = Ρ..?，Γ= L...!?，L为FTl帧数，R为距离元数；再对各通道的每个距离元数据进行第二次FFT，获得各通道的距离多普勒谱Si (r，f)i = Ρ..Ν，Γ = I…R，N为通道数，R为距离元数，f为多普勒频率，其中，N>4 ; 步骤(2)、对N个通道的距离多普勒谱进行能量平均:冗(~/')=$ (/.,./ )为长时FFT后，多通道能量平均后的距离多普勒谱； 步骤(3)、在距离多普勒谱上一阶海杂波的周围频带内进行电离层干扰位置检测，确定可能存在电离层干扰的回波距离元； 步骤(4)、对可能存在电离层干扰的回波距离元R’对应的FTl数据进行时频分析，具体为采用短时相干积累的滑窗FFT处理，获得低频率分辨率，高时间分辨率下的时频图，即时间多普勒谱SiUyfhf短时FFT下的谱频率，i = Ρ..Ν，j = I…L，L为滑窗快拍即时间，R6表示实际存在电离层干扰的距离元位置序列； 步骤(5)、进行N个通道能量平均，去除不同通道上随机出现的噪点影响: Si (/,/)表示单一距离元回波在短时FFT后，多通道能量平均下的时间多普勒谱； 步骤￠)、利用电离层回波的短时宽频带特征，在一阶海流多普勒频率区间上对Bragg频率下的快拍数据进行干扰时间检测； 步骤(7)、对检测到的受干扰距离元和帧数t上的FTl回波数据进行置零处理，其中帧数的确定由快拍位置％和时频分析参数决定；对每个存在干扰的快拍te,，其对应的FTl帧为:
tc = [l+(te' — l)p 2+(te/ -l)p...s+(te/ -l)p] 其中，s为短时傅里叶变换的点数，P为滑窗间隔； 步骤(8)、重做第2次FFT，即重新再对各通道的每个距离元数据进行第二次FFT，获得各通道的距离多普勒谱Si (r, f) i = Ρ..Ν, r = L...!?, N为通道数，r为距离元，f为多普勒频率，此时电离层干扰已被抑制。
2.根据权利要求1所述的一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法，其特征在于:所述步骤(3)检测可能存在电离层干扰的回波距离元采用如下方法实现: 步骤3.1)、确定待检测的频率区间Af，以海流最大多普勒频移为准，取0.3fB，计算所有距离元在待检测频率区间的功率和: 对于负一阶海流区有:人,(γ)=Σ&(γ，.Α ) A e [―/? ―技—./? + Δ,]
fk 对于正一阶海流区有:(Γ}=Σ& (r,.A) n e [./?-4/' Λ + 4/'] 对Jnf和Jpf数据进行检测，Jnf和Jpf分别表示在负、正一阶bragg频率上的回波功率，fB为当前雷达工作频率对应的布拉格bragg散射频率； 步骤3.2)采用极大值检测方法，检测可能存在干扰的距离元序列Re ;若第k个距离元满足: μ",㈨>j?,(r) k \jpf{k)>jpf{k') 、k 则认为该距离元k上的回波存在电离层干扰影响，k’ = k-1表示在检测位置邻近雷达的距离元。
3.根据权利要求1或2所述的一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法，其特征在于:所述步骤(6)包括以下内容， 对于负一阶海流区有人AT -Λ + Δ/''] 对于正一阶海流区有:另七,Λ—),/； e [厶-Δ/ fB+Af] 对不同频点分别获得干扰影响的快拍位置te，Si [Ufl)为重做二次FFT后，各通道能量平均后的时间多普勒谱，Af'为待检测频率区间，取0.3fB;此处检测采用常规CFAR检测方法，阈值设定为』=E[匁+ E []表示统计均值，的标准差，入在I到2之间取值。
【文档编号】G06F19/00GK104133198SQ201410398977
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】陈泽宗, 曾耿斐, 赵晨 申请人:武汉大学