基于聯合域處理的抗干擾技術研究進展

孟生云,楊文革,路偉濤,劉 佳

(裝備指揮技術學院測控工程研究中心,北京 101416)

0 引言

體積受限系統中應用受限,同時難以應對來自與信號同方向的干擾。

擴頻系統抗干擾的基本思路是根據干擾與有用信號在時域、頻域、空域、極化特性及周期循環特性等方面的差異采取技術措施消除干擾并保證信號失真最小。但基于單個差異如時、頻或空域進行處理的抗干擾技術有很大的局限性。時域自適應抗干擾利用干擾與有用信號之間可預測性的區別實現干擾抑制,其對窄帶干擾有效且廉價易實現,但在對抗多個窄帶、寬帶信號或時變干擾時,算法的收斂和跟蹤性能不好。基于FFT的頻域抗干擾利用干擾與有用信號在頻域中的差異實現干擾去除,它可同時處理多個干擾且可快速實現自適應窄帶干擾抑制,但對窄帶或緩變干擾有效而對寬帶或非平穩干擾的抑制效果較差。自適應天線抗干擾技術利用干擾與有用信號在空間上的差異,通過調整天線方向圖,在干擾方向上形成零陷實現干擾去除。該技術可以應對來自不同方向的窄帶或寬帶干擾,但實現費用高,應對廉價干擾時效率低,在功耗、

1 聯合域處理抗干擾技術

1.1 時頻聯合處理抗干擾技術

基于時頻聯合域處理的抗干擾技術可分為基于非線性變換方法和線性變換方法兩大類。利用干擾與有用信號在時頻聯合域中能量分布差異:一大類干擾在該聯合域中呈現聚焦特性易被檢測跟蹤而有用信號則廣泛分布于整個域不易被檢測跟蹤,通過一定的抗干擾算法去除非平穩干擾。

1.1.1 基于非線性變換時頻聯合抗干擾技術

1)基于時頻分布的開環自適應濾波抗干擾

從觀測信號的時頻分布中估計干擾的頻率信息,利用自適應時變濾波器,在干擾的頻率處同步形成陷波以抑制干擾。由Amin MG領導的小組提出基于時頻分布的開環線性濾波技術[1],抑制由瞬時頻率表征的恒定幅度非平穩干擾。時頻分布對類似LFM干擾具有較好的聚焦能力,故抑制效果不錯。該方法存在的不足有:①自噪聲。當沒有干擾時,自噪聲會降低由擴頻增益帶來的SNR提高。②門限效應。當干擾信號能量很弱或不存在時,由于非線性效應TFD不能有效定位干擾,形成的零陷會濾掉有用信號能量。③多分量交叉項。④對恒幅干擾的抑制比較有效,需要擴展到由瞬時頻率及瞬時帶寬表征的干擾。⑤計算復雜度較高。針對自噪聲和時頻域估計瞬時頻率的實現問題,該小組提出綜合利用瞬時頻率和干擾功率來同時確定開環濾波器的系數,確保干擾消除及濾波自噪聲間達到最佳折中,并利用擴展New ton尋根方法的零點跟蹤技術實現對單或多分量信號瞬時頻率的估計。

2)基于時頻分布的干擾合成對消抗干擾

從時頻分布中合成干擾,然后從信號中減掉干擾或直接合成信號,圖1示意了多個干擾分量的對消原理。Lach SR利用該思路分析了恒幅干擾的合成及消除,在時頻域中遮蓋分離信號與干擾。該技術方法對恒幅干擾的抑制效果較好,但對于幅度調制干擾則不好,且計算量較大。

圖1 直擴系統中干擾合成對消

Barbarossa S[2]將廣義Hough變換應用與對TFD進行圖案識別,識別出由瞬時頻率曲線表達的信號標志即從時間域到信號參數空間域的映射,而后根據估計的干擾參數,采用干擾對消進行干擾抑制。Wigner-Hough變換可以克服門限效應且積分操作可降低交叉項。該算法的不足在于計算量較大同時不具備對與模型失配干擾抑制的魯棒性。

3)基于時頻分布的子空間投影抗干擾

子空間投影抗干擾技術是將接收數據投影于干擾子空間正交的子空間,根據正交原理實現干擾的抑制。Amin MG小組研究了子空間投影應用于非平穩干擾的抑制,提出了基于時頻分布的子空間投影方法。研究結果表明,基于子空間技術方法的性能好于零陷濾波的方法且可以處理多分量干擾、任意時頻特征的干擾。

1.1.2 基于線性變換時頻聯合抗干擾技術

非線性變換對非平穩信號具有很好的聚焦能力,但計算復雜、存在多分量交叉項,而線性變換是一維變換,沒有這些不足,它包括擴展傅里葉變換如分數階傅里葉變換(FRFT)、Chirp傅里葉變換、短時傅里葉變換(STFT)、本地多相FT(LPFT),小波變換,Gabor變換等。

1)基于小波或Gabor變換抗干擾

對觀測信號進行小波或Gabor變換,然后對變換后的數據進行干擾系數的處理,再對處理后的數據反變換回時域,實現干擾抑制?；谛〔ㄗ儞Q的干擾抑制算法對脈沖干擾或具有突變特性的干擾較有效;而基于Gabor變換的干擾抑制的局限性在于要求干擾與窗函數匹配程度高,而對能量分布在多個時頻方格的干擾效果不好。另外小波變換也可與擴展近似條件均值濾波級聯起來對抗多分量強FM干擾[3]。

2)基于STFT抗干擾

該技術是FFT變換域抗干擾的直接推廣。Ouyang XM[4]首先研究了基于STFT的擴頻系統抗非平穩干擾方法,先選擇分析窗函數的參數以便獲得聚焦性能好的STFT,對變換后的結果進行二值遮蓋處理濾掉干擾功率,同時考慮去干擾對偽碼的影響,給出基于STFT的最優接收機。張玉恒[5]提出了一種基于時頻加窗STFT的LFM干擾抑制算法。該算法在STFT之前進行干擾能量的預處理,減小變換對信號的影響,在干信比較高時抑制性能優于STFT。與陷波濾波器方法相比,該STFT抗干擾計算更簡單,不受交叉項影響且適用與一大類快速時變干擾;與小波或Gabor變換等線性變換相比,該方法更適合去除以瞬時頻率表征的FM干擾。

3)基于FRFT變換抗干擾

利用LFM的FRFT在變換角度參數等于掃頻速率時,呈現出脈沖模樣特點而有用信號則沒有的特點實現干擾抑制?；舅悸肥抢肍RFT檢測出FM的存在并估計出旋轉角度,然后對觀測信號進行該旋轉角度的FRFT,之后進行濾波處理,再將濾波后的信號反向旋轉回時域即可。Akay O[6]首先研究了該方法,發現其干擾抑制的性能差于基于WVD方法,這是由于變換對PN碼有較大扭曲,特別是在JSR加大時;同時針對干擾抑制相對較弱的問題,給出提高性能的兩條途徑:一是從DFRFT變換本身入手如利用固有DFRFT變換克服Gibbs現象,滿足角度可加性;二是當JSR加大時,不采用閾值遮蓋而是利用FRFT合成干擾。齊林[7]做了進一步研究,也指出了FRFT的兩個問題即變換本身不滿足嚴格正交性以及干擾抑制器的引入破壞了接收信號與本地解擴序列之間的互相關特性和噪聲序列的自相關特性。對第二個問題,文章對本地PN碼進行一次與干擾抑制相同的過程,改善了抑制效果,并建議工程應用中考慮在某一閾值下關閉干擾抑制器。

4)基于Chirp FT變換抗干擾

Chirp FT是FT的廣義化,首先由Xia XG提出,主要用于類chirp信號的多chirp速率的檢測。Wei YM[8]研究了Chirp FT在寬帶非平穩干擾抑制中的應用,提出了基于修正的DCFT的多分量LFM抑制算法。結果表明,該方法對Chirp干擾的抑制有效且易實現同時也對單音干擾有效,缺點是當干擾的幅度變化時性能會惡化。An YJ[9]針對修正離散CFT在非整參數下的失配問題,給出新的MCFT及一種抑制單/多分量LFM或多LFM及多音分量混合干擾的算法。

5)基于LPFT抗干擾

Stankovii L[10]研究了利用LPFT算法抑制多分量干擾,結果表明該方法比基于STFT方法性能更好,且計算復雜度維持在相對較低水平。Djukanovic S[11]進一步研究了LPFT干擾抑制方法,發展了LPFT的矩陣表示。該技術的基本原理是用LPFT得到干擾在時頻域內的最佳聚焦,然后通過二值遮蓋去掉時頻標識實現去干擾。最佳接收機結構考慮到了干擾抑制或二值遮蓋對PN的影響,如圖2所示。

圖2 最佳LPFT接收機結構

除了上述的幾種線性變換外,也有學者提出基于Chirp let分解的干擾抑制算法,可用來消除類chirp干擾且性能優于傳統FT。

1.2 空時聯合處理抗干擾技術

空時自適應處理技術(STAP)為自適應天線空域濾波的不足提供了一個較好的解決思路。Fante RL[12]于上世紀90年代末首先研究了基于STAP的導航系統干擾抑制技術。目前該技術已被Rockwell Collins公司應用于GPS接收機中?；驹硎菍碜圆煌臻g方向、不同時間采樣上的觀測量進行加權求和,以期求得在某種準則下的代價函數值最小。其中準則包括最大信干噪比、最小均方誤差、空時Capon波束形成及功率最小等準則。接收端的STAP的原理框圖如圖3所示。

圖3 空時自適應處理示意圖

與自適應空域處理抗干擾技術相比,STAP抗干擾技術在相同的天線條件下,提高了信號處理的自由度,增強了對多窄帶及寬帶干擾源的零陷能力,可有效解決天線陣單元間的互耦問題,但計算量巨大,因為要對觀測量的協方差陣及與期望信號的相關陣進行估計和求逆等運算;另外大的空時自適應權值維數將影響自適應算法的收斂性和跟蹤能力,難以應用于運動或時變干擾源場景。

降秩技術主要是通過轉化矩陣將權值向量約束到一個較低的維數子空間上,降低了求解最佳權值表達式中的矩陣維數。其本質是求解轉換矩陣,方法主要有主成分法和互譜度量法兩種。然而這兩個方法都需產生協方差矩陣的特征向量以便得到轉換矩陣,計算量也較大。Goldestein提出多級嵌套維納濾波算法(MSNWF)[13],突破了矩陣求逆、協方差矩陣特征分解的思路,它不需要計算協方差矩陣,在同樣的階次下性能超出上面兩種方法。Joham M和DietlG分別給出了利用K ry lov子空間法的M SNWF后向遞推表示及聯合梯度實現。項建弘[14]針對M SNWF的硬件實現步驟繁瑣、數據存儲空間需求大的不足,推導了FROST-LMS的遞推算法。

空、時及頻域的三維聯合抗干擾則利用了信號及干擾在空間、時間和頻率上的信息對干擾與信號進行識別,實現干擾抑制。BelouchraniA[15]將時頻分布應用于盲源分離,提出基于空間時頻分布的盲分離方法。研究表明,與傳統的利用二階或高階統計特性的盲源分離方法相比,該方法可以對傳統方法無法分離的具有相同譜高斯源的分離;同時還可分離多徑信號。隨后Zhang YM[16]將基于空時頻分布的盲源分離方法應用于干擾抑制,示意圖如圖4所示。郭藝[17]將投影技術擴展到空時頻的抗干擾中,通過估計干擾的時頻及空間標識,得到干擾信號的空時子空間,然后利用投影技術消掉干擾。

圖4 空時頻分布盲源分離干擾抑制

2 聯合域處理抗干擾技術發展趨勢

聯合域處理抗干擾是抗干擾技術的一個重要發展方向,其發展將圍繞聯合域處理算法和抗干擾技術應用兩個方面展開。

時頻或空時聯合處理抗干擾算法的研究將在追求進一步提高抗干擾能力的同時兼顧降低算法的計算復雜度?？諘r頻的三維聯合抗干擾算法將是聯合域處理抗干擾研究的重點之一,其他的聯合方式如空時與相關域、極化域的聯合也將得到深入研究。

3 結束語

隨著聯合域處理抗干擾算法研究的深入及在對抗非平穩干擾的特殊優勢,其應用也逐漸拓展到雷達、通信、導航、引信及航天測控等各領域,同時也由直擴系統擴展到混合擴頻系統。在抗干擾算法的選擇應用上需要考慮實現代價、空間功耗及應用環境等因素。基于線性變換的時頻抗干擾技術比較適合低代價、低功耗等場合;費用相對昂貴且空間需求較大的空時或空時頻聯合處理抗干擾技術,適合固定系統場合或者艦載或航天器應用場合。值得注意的是應用領域的不同,其抗干擾性能的評價也不盡相同。雷達系統不再關注誤碼性能,導航系統也以信號檢測、跟蹤及定位為首要任務,航天測控系統兼具通信及測量功能,抗干擾性能的評價有待研究。■

[1] Am in MG.Inter ference m itigation in sp read spectrum communication system s using time-frequency distributions[J].IEEE,T rans.on Signal Processing,1997,45(1):90-101.

[2] Barbarossa S,Scaglione A.Adaptive time-varying cancellation o f wideband interferences in spread-spec trum communications based on time-frequency distributions[J].IEEE Trans.on Signal Processing,1999,47(4):957-965.

[3] Rao KD,Swamy MNS.New approach for suppression of FM jamm ing in gps receivers[J].IEEE Trans.on aerospace and electronic systems,2006,42(4):1464-1474.

[4] Ouyang XM,Am in MG.Short-time Fourier transform receiver for nonstationary interference excision in direct sequence spread spectrum communications[J].IEEE T rans.on Signa l Processing,2001,49(4):851-863.

[5] 張玉恒,吳啟暉,王金龍.基于時頻加窗短時傅里葉變換的LFM干擾抑制[J].電子與信息學報,2007,29(6):1361-1364.

[6] Akay O,Faye G.Broadband interference excision in sp read spectrum communication system s via fractional Fourier transform[A].IEEE p roceedings of con ference on Signals Systems&Computers,1998:832-837.

[7] 齊林,陶然,周思永,等.DSSS系統中基于分數階傅立葉變換的掃頻干擾抑制算法[J].電子學報,2004,32(5):799-802.

[8] Wei YM,Bi GA.Broadband interference supp ression in DS-SS system with modifed discrete chirp Fourier transform[J].Signal Processing,2004,84(10):1749-1758.

[9] An YJ,Tian B,Sun YJ.An interference suppression algorithm based on a novelMDCFT method for DSSS system[C].ICSP 2008 p roceedings,2008:1858-1862.

[10] Stankovii L,S.DjukanoviC.Order adaptive local polynom ia l FT based interference rejection in spread spectrum communication system s[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement,2005,54(6):2156-2162.

[11] Djukanovic S,Dakovic M and Stankovic L.Local polynom ial Fourier transform receiver for nonstationary interference excision in DSSS communications[J].IEEE Trans.on Signal Processing,2008,56(4):1627-1636.

[12] Fante RL,Vaccaro JJ.Wideband cancellation of interference in a GPS receiver array[J].IEEE T rans.on Aerospace and Electronic Systems,2000,36(2):549-564.

[13] Goldstein JS,Reed IS,Scharf LL.A multistage representation o f the wiener filter based on orthogonal projections[J].IEEE Trans.on In formation Theory,1998,44(7):2943-2959.

[14] 項建弘,郭黎利,陳立明.GPS空時自適應抗干擾系統性能研究[J].系統工程與電子技術,2009,31(5):1022-1025.

[15] Belouchrani A,Am in MG.New app roach for b lind source separation using time frequency distributions[J].SPIE,1996,2846:193-203.

[16] Zhang YM,Amin MG.Blind separation of nonstationary sources based on spatia l time-frequency distributions[J].Eurasip Journal on App lied Signal Processing,2006:1-13.

[17] 郭藝,張爾揚,沈榮駿.GPS接收機抑制LFM干擾空時子空間投影方法[J].信號處理,2008,24(1):32-35.