電離層測高儀回波中窄帶干擾消除算法與分析

陳 錕 朱正平 寧百齊 藍加平 孫奉婁

（1.中南民族大學電信學院，湖北 武漢430074；2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京100029）

引 言

大量存在的高頻干擾電波對工作在高頻段的各種雷達探測系統帶來了不良影響［1-3］，早期的電離層數字測高儀采用的脈沖壓縮、數字濾波、頻域相關疊加等技術均不能直接消除落入接收機信號帶寬內的干擾［4-6］，這一情況隨著高頻發射源的增多而日趨嚴重［7］.現有技術中，有的通過天線探測信號的極化方向、極化方式和到達角等信息，識別出干擾信號并扣除［8-9］；有的利用信號處理算法消除干擾.美國麻州大學洛厄爾分校大氣研究中心研制的數字電離層測高儀DPS-4D［10］和武漢大學研制的武漢電離層斜向入射探測儀［11］都采用了干擾消除算法來抑制干擾.其原理是基于Rife雙譜線方法［12］從回波中識別并估算出干擾的頻率、幅度和相位，然后從原始信號中扣除該干擾，達到消除和抑制干擾的目的.本文對現有的雙譜線方法進行了改進，并在自主研發的數字掃頻接收機實驗平臺上進行了干擾消除實驗，給出了計算機仿真和實驗觀測分析結果.

1 干擾消除原理

在電離層測高儀接收回波的時間窗口內，沒有混疊干擾和噪聲的電離層測高儀回波信號為脈沖信號，實際接收信號中混疊的噪聲和干擾可看作空間環境中的高斯噪聲和人工電臺產生的窄帶（＜10kHz）干擾，其中窄帶干擾信號可以視為多個單頻正弦波干擾疊加而成，且干擾幅度遠大于噪聲幅度［13］.通過合理設置幅度閾值，可以將干擾從脈沖回波與噪聲中區分出來［14］.估算出每個干擾正弦波的頻率、幅度和相位，就能夠通過時域扣除來消除或抑制干擾.

消除干擾的首要問題是測量出干擾頻率，基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）插值方法原理［15-18］，改進的三譜線頻率估算方法如下.

設混疊入回波信號中的一個單頻正弦干擾為

式中：a為干擾幅度；f為干擾頻率；Φ為干擾初相.采樣間隔時間為Ts（采樣頻率fs＝1/Ts）；采樣序列長度為N.將干擾頻率表示為偏離FFT頻譜中主峰譜線頻率的形式，有

式中km為正整數.FFT頻譜中干擾主峰及其兩旁譜線的強度分別為

利用式（3）～（5）中的實部列方程組求解δ，可得到

利用（3）～（5）中的虛部列方程組求解δ，可得到

式（6）和（7）均可用于計算δ，實際計算時，為了提高計算精度，當S（km）實部絕對值大于虛部絕對值時，使用式（6）計算δ，否則使用式（7）計算δ.

計算出δ后，在f＝（km＋δ）fs/N 頻率處，

利用式（8）計算單頻干擾I（t）的復數幅度Sf為

從接收信號序列中扣除式（9）描述的干擾序列即實現干擾消除.考慮通帶內可能存在多個頻率的干擾，干擾抑制和消除算法被設計為循環處理，具體流程如下：

1）使用FFT方法，計算單次回波在信號帶寬內所有譜線的平均幅度，然后搜尋幅度最高的譜線，利用干擾復數幅度Sf構造出干擾數字序列當最高譜線與平均幅度的比值大于閾值時，繼續下面的干擾消除過程，否則干擾消除處理結束.

2）利用式（6）～（9）構造干擾序列，然后從原始信號中扣除該干擾.

3）若循環次數未達到預設的次數，重復1）、2）、3）這三個過程.

2 仿真結果

將式（1）中干擾幅度a設為1，干擾頻率設為f＝（104＋δ′Δf）Hz，其中δ′為隨機數，在［-0.5，0.5］區間均勻分布，初相Φ也取隨機數，在［-180°，180°］區間均勻分布.干擾采樣間隔時間設為5μs，采樣時間窗口設為5ms，則回波序列長度為1 000點，FFT譜線間隔Δf＝200Hz.將干擾看作“信號”，按設定的信噪比疊加高斯白噪聲n（t），得到干擾信號

利用Monte-Carlo方法，在設定信噪比條件下，隨機產生10 000次干擾信號，分別用Rife雙譜線方法和優化后的三譜線方法對式（10）描述干擾的頻率、幅度和相位進行估計.圖1顯示兩種方法都能夠提高FFT的頻率粗估計精度，且誤差隨著信噪比的提高而下降；三譜線方法在所有信噪比條件下都獲得了更高的頻率、幅度和相位精度，在頻率參數的估計上，三譜線方法的誤差均方差降低了50%.圖1中頻率誤差為頻率絕對誤差fe的均方差與Δf的比值，幅度誤差為幅度絕對誤差ae的均方差與a的比值，相位誤差用相位絕度誤差Φe的均方差表示.

圖1 雙譜線與三譜線干擾識別誤差隨信噪比變化圖

3 電離層測高儀上的實驗觀測結果

采用上述干擾消除算法在數字電離層測高儀探測系統上開展干擾消除實驗.該系統基于脈沖雷達原理，綜合應用現代數字電離層測高儀技術［10，19］，其結構框圖如圖2所示，脈沖載波掃描頻率工作在1～30MHz，脈沖寬度為533μs，采用16位脈沖壓縮編碼2PSK調制，碼元寬度33μs，虛高分辨力為5km，脈沖重復頻率為100Hz，脈沖發射峰值功率為600W，發射與接收天線均采用折疊偶極子天線.

圖2 電離層回波干擾消除實驗平臺結構框圖

圖3給出了應用三譜線干擾消除方法前后的時域波形與頻譜對比圖.圖3（b）顯示干擾消除算法扣除了信號帶寬內5.06kHz處的強干擾信號，并抑制了-2.28kHz處的干擾信號，從干擾消除前后的時域波形圖3（a）可以看出，干擾抑制效果明顯，干擾消除后虛高271km處的回波（圖中圓圈處）更易識別.

圖4顯示了三譜線干擾消除方法對頻高圖整體質量的改善，應用干擾消除方法后，對多個頻點存在的干擾抑制效果明顯，其中7.3MHz，9.8MHz和11.8MHz附件的干擾被消除，干擾消除后，有效回波正確顯現.部分頻點如4.3MHz附近，由于干擾被抑制后信噪比提高，頻高圖描跡有效點增多，使得頻高圖的描跡更準確.圖5出了對圖4探測數據分別應用Rife雙譜線和三譜線方法進行干擾抑制的效果.設干擾信號能量的抑制比值為IS，單位為dB，計算公式為

式中：Vb為干擾消除前回波有效值；Va為干擾消除后回波有效值.圖5顯示：兩種方法都能夠起到干擾抑制作用，干擾信號的最大抑制比出現在9.6 MHz處，三譜線和雙譜線方法分別使干擾抑制44 dB和40dB.相比雙譜線方法，在大多數頻點三譜線方法均獲得了更優的干擾抑制效果，抑制能力提高1～6dB.尤其在2～5MHz范圍內，在干擾強度與信號強度相當時，三譜線方法對信噪比的提升具有更大的相對優勢，這與圖1的信噪比改善效果相吻合，圖5中5～7MHz頻率段，由于不存在窄帶干擾信號，干擾消除算法不產生干擾抑制效果，不提升信噪比.

4 結 論

改進后的三譜線干擾消除算法，通過循環運算可扣除多個頻點的干擾，并保證了干擾扣除過程的收斂.實驗證明該方法對窄帶干擾抑制能力可達20～60dB，相比現有的雙譜線算法具有更強的干擾抑制能力.顯著提高了電離層測高儀的抗干擾能力和頻高圖的質量.作為下一步的工作，針對非窄帶信號，采用調制識別技術對寬帶干擾信號進行特征參數提取，可進一步提高強干擾環境下的回波信號識別能力，這對于利用數字電離層測高儀開展電離層精細結構和擾動的觀測研究，具有重要意義.

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