地波雷達電離層雜波干擾及抑制措施

韋有平

（福建廈門同安海軍92985 部隊，福建 廈門361100）

地波雷達運行過程中會受到一定程度的干擾，并非處理理想的運行狀態，存在著向上發射經天波傳播、沿海面傳播方式，其中部分能量在運行過程中會經過電離層而放射，天線能夠接收這部分能量，在一定程度上干擾了電離層雜波的運行，現實工作中，經常出現的干擾因素為3～10 MHz 電離層雜波干擾，屬于高頻段的低端，表現最為明顯的運行雷達為距離在400 km 的遠程地波雷達，往往具有3～5 MHz工作頻率。電離層雜波干擾原因復雜，其原因包括電離層分層結構不夠平穩、分層結構不夠均勻。為了有效解決這一問題，可以設置一個較大的工作頻率，比相應電離層臨界頻率大，以此緩解地波雷達電離層雜波干擾，使電波傳播過程中能夠穿透電離層，這種運用方式在消除干擾的同時也增加了發射功率，為了確保探測距離，一般要求在3～5 MHz 波段以獲得較小的衰減。對電離層雜波特性的解讀影響著對抑制電離層雜波干擾以及所能夠取得的干擾效果。

1 典型的電離層雜波干擾多普勒頻譜

地波雷達探測基于獲得目標的多普勒回波。大量的地波雷達實測數據表明，電離層雜波可以出現在100 km 以外的區間，不同的晝夜時間、不同的季節，電離層雜波干擾所影響的距離元、雜波的多普勒頻移、多普勒擴展度，以及電離層雜波的強度不同。有效探測距離200 km 以內的電離層雜波干擾出現的概率相對較低，200 km 以外的電離層雜波干擾（主要是F 層雜波）出現的概率卻很高。對于工作在3～5 MHz、設計探測距離為400 km 的高頻地波雷達，電離層雜波（除F 層回波外，還包括E 層回波）出現的區域剛好位于有效探測距離以內，這樣就給海態反演和目標檢測帶來很大困難。為了很好地實現對電離層雜波干擾的抑制，必須認真分析其特性。

電離層具有多層性和不規則性，使電離層難以對地波雷達電磁波形成一種良好狀態的反射效果，高頻地波雷達信號在傳輸過程中經過了一系列的相關處理，包括極化域、空間、頻率、時間等層面的處理，處理過程等同于時變濾波器的輸出。電離層雜波呈現出多普勒頻移狀態，這主要是由于多普勒形態較為多樣且具有一定寬度，且調制過程整體處于調制狀態。其中常見的地波雷達典型電離層雜波干有條型干擾、點型干擾、擴展型干擾、彗尾型干擾、擴展阻塞型干擾等。分析大量的實測數據發現，有的電離層雜波具有較好的方向性，而且多普勒譜中不同的多普勒單元具有相似方向性；有的電離層雜波譜并沒有表現出較好的方向性。

2 電離層雜波干擾的傳播模式

D 層、E 層、F 層是電離層的主要構成部分，這主要是基于電離層電子濃度差異而進行劃分的，電離層受雜波干擾原因有多種，包括電離層自身不夠平穩、其自身的傳播模式以及分層方式并不均勻等。電離層由于自身濃度的差異能夠放射不同頻率的信號，產生的最大頻率稱為臨界頻率，且（N 為每立方米電子數），D 層一般只在白天出現，高度為60 km 左右，由于D 層對高頻信號主要以吸收為主，一般不會形成地波雷達的電離層雜波；E 層高度可以在90～120 km 間變化；F 層高度在140 km 以上；在E 層高度區偶然產生ES層，特別是在中國沿海區域夏季，這種ES層的產生非常頻繁，而且電子濃度非常高，甚至能對超高頻以上信號產生反射。通常E 層、ES層和F 層都可能產生反射回波，從而形成地波雷達高頻信號干擾雜波，造成地波雷達干擾。多普勒譜可呈現多種類型的形態與E 層、ES層和F層回波傳播模式有關。

電離層對地波雷達產生干擾的可能傳播模式有：①ES（或E）層直接回波干擾，干擾距離為100～400 km；②F層直接回波干擾，干擾距離大于200 km；③ES（或E）層海面模式回波干擾，干擾距離大于200 km；④F 層海面模式回波干擾，干擾距離大于500 km；⑤包括①～④的多種組合合成干擾。

從上述分析可知，根據不同的電離層狀態、設備性能水平、工作頻率，地波雷達在大于100 km 距離都會接收到電離層的回波而被干擾，并出現多種復雜形態。

3 對電離層雜波干擾的抑制措施

電離層雜波的抑制是中遠程高頻地波雷達的一個技術難題，根據電離層雜波形成的機理、特點等，可結合特殊天線陣性能實現對電離層雜波的抑制。

3.1 極化濾波抗干擾

極化濾波技術是地波雷達抗干擾的一種途徑。它的優點是可以抑制自適應選頻方法無法抑制的同頻干擾以及波束合成技術無法抑制的同向干擾。高頻地波雷達進行極化抗干擾主要是針對干擾通過電離層折射產生的橢圓極化波。當傳播媒質狀態穩定時，電磁波水平極化分量與垂直極化分量間存在確定的幅相關系。因此可以利用水平極化天線接收的電磁波對消垂直極化天線接收的電磁波，從而實現對干擾的抑制。當然，電離層傳播媒質是不斷變化的，為此必須采用一種自適應算法來解決，在地波雷達站安裝水平極化天線。實際試驗數據表明，多數干擾都能得到較好的抑制，并且在速度域進行極化濾波的效果要優于時域。

3.2 時頻分析，自適應旁瓣消隱

根據電離層干擾在時域、空域和多普勒域的特征，對被電離層干擾的數據段（時間上與距離上）進行檢測并消除。先采用大相干積累時間的FFT 變換檢測干擾的距離元，然后對可能存在干擾的距離元回波進行短時積累的時頻分析，利用恒虛警率（CFAR）檢測方法確定受電離層干擾的距離元和時間段，并對回波中受到干擾的海洋回波數據進行置零抑制，重做第二次FFT，即可得到抑制電離層干擾的距離多普勒普，這種抑制電離層方法效果好，算法結構簡單，實時性好，虛警率低，是一種可實時應用的穩健算法。

3.3 雙頻雙工抑制電離層干擾

對于沒有方向性的電離層雜波，可采用雙頻工作抑制電離層雜波的措施，即雷達在積累周期工作在兩個頻率上，使一個頻率fE工作在E 層臨界頻率以下，另一個頻率fF工作在E 層臨界頻率以上F 層臨界頻率以下。當雷達工作在fE頻率時，由于大部分能量被E 層反射，干擾主要為E 層雜波；當雷達工作在fF頻率時，電磁波將穿透E 層，主要被F 層反射，此時干擾主要為F 層雜波。這樣對于其中一個工作頻率，當雷達受到E 層雜波干擾時，將不受F 層干擾；對于另外一個頻率，當雷達受到F 層雜波干擾時，將不受E 層雜波干擾。當然，即使雷達斗工作在E 層臨界頻率以上，兩個不同的工作頻率受F 層雜波影響的距離區間也不同。這樣就使得兩個工作頻率同時工作而以互補的方式消除電離層雜波干擾。這種處理方式的運用能夠有效抑制電離層雜波，還對目標檢測、目標識別、海態參數反演有利。

3.4 虛擬調頻技術與小波分析結合抑制電離層干擾

運用頻率捷變技術對目標進行照射時，由于頻率不同，天線口徑上分布能量存在一定的差異，為促進信號檢測，電離層雜波干擾能流密度與天線口徑之間應具有一定的夾角。運用一般捷變頻技術增大了相鄰發射脈沖雷達載頻數值，由此能消減相鄰回波脈沖之間的關聯關系。虛擬跳頻技術具有一般頻率捷變技術無可比擬的優點，能針對相位序列進行人為調節，并運用相關技術綜合性分析系統實際運行情況，能進行正確的信號檢測，避免出現誤判現象。并對雜波建立了新的處理方式，改變了原有簡單剔除的處理方式，對雜波進行逐次加權處理。運用虛擬跳頻技術中可在一定程度上擾動小波系數，改變平移參數。若改變虛擬跳頻技術中相位，可能擾動時域信號實部小波系數、虛部小波系數，會在一定程度上改變平移參數。高頻部分頻率分辨率較有限，與系統要求之間存在著一定差異，由此可以適當調整平移參數、尺度參數，與小波變換中的要求達成一致。當然，該方法中的小波選取、小波函數的分解層次及電離層雜波的檢測等需依賴一些經驗參數。

3.5 雷達組網抑制電離層干擾

在組網高頻地波雷達中，雷達發射信號在傳播過程中受自然物體的影響能夠發生一定的變化，可被其他雷達收到而構成多路雷達信號。目前組網高頻地波雷達回波分離技術主要是頻份和時分兩種。頻份和時分從不同的角度進行分離與處理，前者能夠在信號處理過程中將其搬移到其他載波頻率處，后者則在信號處理過程中融入了時延因素，將信號從原有區域挪至其他區域中，從而實現分離。網絡化觀測處理過程中均建立了網絡化觀測方式，均是在較小的組織內部進行改造，對比實現路徑發現，時分方式更易實現，系統的復雜程度低。電離層雜波較易混雜至近距離元回波信號之中，出現被遮蔽現象，電離層雜波具有較強的能量，距離擴展性不大，研究可見不同路電離層雜波之間具有較強的相關性。利用電離層雜波相關性進行自適應濾波，實現電離層雜波對消。相對于單站模式而言兩種方法都能對電離層干擾起到很好的抑制作用。