專利名稱：基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法。
背景技術(shù)：
高頻表面波超視距雷達利用垂直極化高頻電磁波在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機和導彈等運動目標。另外，高頻表面波超視距雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階和二階散射機制，從雷達海洋回波中提取風場、浪場、流場等海洋動力學參數(shù)，可實現(xiàn)對海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實時監(jiān)測。
然而，根據(jù)經(jīng)典電磁場理論，當垂直極化天線位于無限大理想導電平面時，天線在其軸線方向上無輻射，但當天線架設(shè)地面為非無限大理想導電平面時，如地網(wǎng)大小和密度有限、地面存在損耗等，天線波束不僅會上翹一定的角度，而且在天線的軸線方向上還存在輻射。圖1表示某垂直極化發(fā)射天線與地網(wǎng)的示意圖。如圖2表示某垂直極化發(fā)射天線在有耗地面和在敷有地網(wǎng)情況下E面的輻射方向圖(圖中，實線和虛線分別對應有耗地面和敷設(shè)有限地網(wǎng)情況的方向圖)。在實際雷達工程中，天線架設(shè)的場地不可能做到理想的無限大導電平面，因此發(fā)射天線在其軸線方向上一定存在近垂直向上的電磁輻射。同時由于天線在E面存在一定的波瓣寬度，因此發(fā)射天線在其它仰角方向上也一定存在斜向上的電磁輻射。
眾所周知，從離地面60km高度開始，部分大氣分子被太陽電磁輻射、粒子輻射電離，形成一個由電子、正離子和負離子以及中性粒子組成的空間電離介質(zhì)區(qū)域。這個存在于高層大氣中的電離介質(zhì)區(qū)域被稱為電離層。電離層一直延伸到大氣層外緣幾千公里高度的空間。根據(jù)電子濃度的變化，電離層也可分成幾個區(qū)域，即D層(60-90km)、E層(90-140km)、F1層(140-200km)、F2層(200-1000km或2000km)和外電離層(F2層以上)。
由于電離層的存在，當發(fā)射天線輻射波束在垂直面有一定的寬度或向上有一定的仰角時，其輻射的電磁波能量除了沿海面繞射傳播外，還有一部分能量以一定的角度斜向上輻射，與電離層相互作用后以天波形式傳播，與?？漳繕讼嗷プ饔煤螅浜笙蛏⑸湫盘栍忠栽窂交氐嚼走_。如圖3表示地波雷達天線輻射能量在海洋表面與電離層之間的一跳傳播路線。
大量的雷達觀測實驗結(jié)果表明，高頻地波雷達電離層回波經(jīng)常發(fā)生在E層、F1層和F2層，有時甚至電離層D層也具有反射(或散射)特性。白天來自電離層F層回波之強，有時甚至可以與近?；夭ㄏ啾葦M(如圖4所示)，而這極為嚴重地影響著雷達的性能，有時甚至使雷達無法正常工作。如圖5表示海面回波受電離層回波“污染”后的海流圖。從這些圖明顯可見，在被電離層“污染”的距離元，海洋回波全被隱沒在強大的電離層回波中，在被“污染”的距離元由于電離層的干擾而沒有反演出海流，從而形成了一定范圍的距離“盲區(qū)”。
另外，由于高頻地波雷達工作在短波段，雷達回波信號極其復雜，有海浪回波信號、海面目標回波信號、島嶼及陸地的回波信號、零頻干擾、電離層自干擾、射頻干擾、大氣噪聲、雷電干擾、宇宙噪聲、工業(yè)噪聲等。
現(xiàn)有的高頻地波雷達對消電離層干擾方法基本上都采用極化濾波方法，其方法是通過設(shè)置若干水平天線，利用一定的算法實現(xiàn)電離層強自干擾的對消。但該方法需增加額外的輔助天線、接收通道和天線場地，這種方法費時費力，成本高，代價大，天線陣孔徑接收通道損失大[H Leong‘Adaptive nulling of skywave interference using horizontal dipole antennas in acoastal surface HF surface wave radar system’，Radar 97，14-16October 1997，Publication No.4926-30.]。
本項發(fā)明將利用現(xiàn)有的接收天線陣，并將天線陣設(shè)計成若干子陣，從天線陣的空間濾波特性出發(fā)，提出了一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法。大量的觀測試驗說明，本發(fā)明提出的方法可以有效對消電離層干擾，滿足了本發(fā)明提出的基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾基本要求，因此下面將對其進行重點介紹。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有方法的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法，該方法基于現(xiàn)有天線陣，無須增加接收天線、接收通道和天線占地面積，可以抑制強外界干擾，在提高探測性能的同時，降低雷達的研制成本和維護費用。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法，將高頻地波雷達天線陣設(shè)計成前后兩排均勻直線陣形式，并將天線陣前后相對的兩天線設(shè)置成子陣；通過對子陣中兩天線接收的信號前后相減，以對消來自近垂直方向的電離層自干擾回波信號。
上述對子陣中兩天線接收的信號前后相減為將子陣中兩天線接收的信號直接相減，或者利用等長的電纜將兩天線接收的信號直接利用魔T反向相加。
本發(fā)明還可將天線陣中任一天線設(shè)計成主天線，周圍相鄰的兩至四根天線設(shè)計成輔助天線，用功率倒置算法對消非近垂直方向的強電離層自干擾和/或除電離層以外的其它方位的強干擾。
由于現(xiàn)有的功率倒置算法所形成的零陷隨著外界干擾的增加而加深，但是當存在相對弱的干擾時，傳統(tǒng)的自適應算法形成的零陷不夠深，本發(fā)明可在傳統(tǒng)的功率倒置算法(R.T.Compton，Jr.‘The power inversion arrayconcept and performance’，IEEE Trans.，1979，AES-15803-814.)的基礎(chǔ)上，通過改進傳統(tǒng)的功率倒置算法，基于陣列協(xié)方差矩陣的特征空間分解，通過摒棄權(quán)矢量中的干擾特征分量，得到一組新的權(quán)值，并將該權(quán)值與構(gòu)成子陣的天線接收的信號乘積形成自適應波束，來加深弱干擾條件下的零限深度，以更好對消相對弱小的干擾。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于其出色的實用性能基于現(xiàn)有天線陣，無須增加接收天線、接收通道和天線占地面積；無須使用任何參考信號，采用軟件的方法即可對消嚴重影響雷達性能的外界強干擾；通過改進的功率倒置自適應算法不僅可以抑制強外界干擾，還可以很好地抑制相對微弱的干擾；采用一些加速運算方法，能滿足實時性要求；采用前后兩天線接收信號魔T相減或軟件的辦法，可對消近垂直方向的電離層強自干擾；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研制成本和維護費用；本發(fā)明在實際應用中簡單易行，實用性強，效果好。


圖1某垂直極化發(fā)射天線與地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2某垂直極化發(fā)射天線在有耗地面和在敷有地網(wǎng)情況下E面的輻射方向圖；圖3高頻電磁波在海空之間的傳播路線；圖4實測的強電離層回波和海洋海波多普勒譜圖；圖5海面回波受電離層回波“污染”后的海流圖；圖6雙排均勻直線陣及坐標定義示意圖；圖7高頻雷達信號環(huán)境與對消近垂直方向干擾的原理圖；圖8利用前后兩天線構(gòu)成的子陣在H面的方向圖；圖9基于功率倒置算法的子陣構(gòu)成示意圖；圖10雷達陣列子陣構(gòu)成與信號處理原理圖；圖1170km回波干擾對消前后的Doppler譜圖；圖12140km回波干擾對消前后的Doppler譜圖；圖13200km回波干擾對消前后的Doppler譜圖；圖14流星余跡回波干擾對消前后的Doppler譜圖；圖15去干擾后的Doppler；圖16圖去干擾后的海流圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作更加詳細的說明。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過建立設(shè)置雙排均勻直線陣，通過構(gòu)建子陣和前后兩天線干擾相消技術(shù)，以及改進的功率倒置自適應算法，對消來自雷達外的強干擾。
如圖6表示設(shè)計的雙排均勻直線陣。為了對消來自近垂直方向的自干擾，可將前后兩天線分別設(shè)計成子陣，然后將接收的信號采用前后相減的方法即可對消近垂直方位的強干擾。從硬件上，也可將前后兩天線利用等長的電纜直接利用魔T反相相加，以對消來自近垂直方向的電離層自干擾。如圖7表示雷達信號環(huán)境與近垂直方向干擾對消的原理示意圖。如圖8表示子陣的方向圖，本天線子陣的方向圖很寬，天線間距8米左右。
為了對消近垂直方向以外強干擾，將天線陣列任一天線設(shè)計成主天線，周圍相鄰兩至三或四根天線設(shè)計成輔助天線(如圖9所示)，利用功率倒置算法對消非近垂直方向的強電離層自干擾或其它形式的強干擾。由于現(xiàn)有的功率倒置算法所形成的零陷隨著外界干擾的增加而加深，但是當存在相對弱的干擾時，傳統(tǒng)的自適應算法形成的零陷不夠深，本發(fā)明通過改進傳統(tǒng)的功率倒置算法，基于陣列協(xié)方差矩陣的特征空間分解，通過摒棄權(quán)矢量中的干擾特征分量，來加深弱干擾條件下的零限深度，以更好對消相對微弱的干擾。
(一)對消近垂直方向強干擾的信號模型將高頻地波雷達接收天線設(shè)計為兩排平面陣列形式，設(shè)天線1來自海面后向散射的回波信號為S1，來自電離層近垂直方向后向散射的回波信號為J1，噪聲為N1。同樣，設(shè)天線2來自海面后向散射的回波信號為S2，來自電離層近垂直方向后向散射的回波信號為J2，噪聲為N2(如圖7所示)。則天線1、2接收的信號x1＝S1+J1+N1(1)x2＝S2+J2+N2(2)由(1)-(2)得X＝x1-x2＝(S1-S2)+(J1-J2)+(N1-N2) (3)其中來自電離層自干擾信號可表達為J1(t)=σρ(t)exp(j2πΔfdt)exp[jkd2sin(θJ)]---(4)]]>J2(t)=σρ(t)exp(j2πΔfdt)exp[-jkd2sin(θJ)]---(5)]]>其中，σ電離層自干擾信號幅度的均方值，ρ(t)多普勒時變擴展寬函數(shù)，θJ電離層干擾方向(與z軸的夾角)，Δfd有規(guī)律的多普勒頻移，d是天線1、2間的空間距離，且典型的多譜勒擴展函數(shù)ρ(t)可表達為ρ(t)＝exp(jxsin(2πεt)) (6)由此X=x1-x2=(S1-S2)+2jσρ(t)exp(j2πΔfdt)sin[jkd2sin(θJ)]+(N1-N2)---(7)]]>當干擾信號來自電離層近垂直方向時，即θJ～0°，則X＝x1-x2～(S1-S2)+(N1-N2)(8)綜合以上分析，當將前后兩相鄰天線作為一個子陣，并將天線1、2接收信號進行倒相合成，則可直接對消來自電離層的近垂直方向自干擾信號?；蚶们昂髢蓡卧炀€形成子陣，再利用自適應算法實現(xiàn)對消來自近垂直方向的自干擾。不難證明，子陣的方向圖函數(shù)為f(θ)＝1-exp(jkdcos)(9)子陣方向圖如圖8所示。
(二)改進的功率倒置自適應算法要實現(xiàn)雷達對消外界強干擾，關(guān)鍵之一是選擇合適的自適應算法。不失一般性，對任意平面陣(陣元數(shù)為M)，為簡化分析，設(shè)參考陣元位于坐標原點，陣元m在(x，y)平面上的位置用它到坐標原點的距離rm和與x軸的夾角θm來表示(如圖6表示雙排均勻直線陣及坐標定義示意圖)。信號源的仰角αd定義為波達方向與z軸的夾角，方位角βd定義為波達方向在(x，y)平面投影與x軸的夾角，則空間D個信號源以不同二維方向角(αd，βd)入射到M元天線陣，陣列輸出數(shù)據(jù)向量為X(t)＝AS(t)+N(t) (10)式中，X(t)＝[x1(t)，x2(t)，...，xM(t)TA＝[a(α1，β1)，a(α2，β2)，...，a(αD，βD)T，
S(t)＝[s1(t)，s2(t)，..，sM(t)]TN(t)＝[n1(t)，n2(t)，...，nM(t)]Ta(αd,βd)={1,exp[-j2πλΔ1],···,exp[-j2πλΔm],···,exp[-j2πλΔM]}]]>Δm＝rmsinαdcos(βd-θm)傳統(tǒng)的功率倒置自適應算法的基本思想是保持第一支路陣元的輸出功率恒定，其它陣元的加權(quán)系數(shù)可以調(diào)整，通過調(diào)整其它M-1個加權(quán)系數(shù)使最后陣元的輸出最小。由于有一個陣元的輸出功率恒定，所以在調(diào)整加權(quán)系數(shù)使輸出功率最小時，即在干擾方向上形成零點，并且干擾越強，零陷越深。
功率倒置自適應陣的最優(yōu)權(quán)為Wopt＝R-1a(α0，β0) (11)式中a(α0，β0)＝[1，0，...，0]H(12)通過(11)式形成的最優(yōu)權(quán)，可以在干擾方向上形成零陷，而且干擾越強，零陷越深。
算法分析與改進考慮到接收矢量協(xié)方差矩陣R，對R做特征值分解R=Σi=1MλiqiqiH=Σi=1DλiqiqiH+Σi=D+1Mσ2qiqiH---(13)]]>式中，λ為矩陣R的第i個特征值，qi為改特征值對應的特征向量，由于R為埃爾米特矩陣，所以對應不同的特征值，其特征向量相互正交，則有R-1=Σi=1Dλ-1iqiqiH+Σi=D+1Mσ-2qiqiH---(14)]]>將結(jié)合(12)式，并將(13)代入(11)wopt=Σi=1Dλ-1iqi1*qiH+Σi=D+1Mσ-2qi1*qiH---(15)]]>從式(13)可見，功率倒置自適應算法的最優(yōu)權(quán)值其實是特征值對應特征矢量的加權(quán)和。前一項為干擾特征值對應的特征矢量和，后一項為干擾特征值對應的特征矢量加權(quán)和；后一項是由噪聲特征值矢量構(gòu)成，由子空間理論得知，噪聲特征矢量和干擾導向矢量正交，而干擾特征矢量組成的子空間和干擾導向矢量組成的子空間相同，并且對于強干擾源，其特征值較大，倒數(shù)比較小，對于所形成的最優(yōu)加權(quán)貢獻就比較小，所以能在強干擾的地方形成較深的零陷，而對于相對弱小的干擾。奇特征值接近噪聲特征值，因此干擾特征向量在最優(yōu)權(quán)中的影響比較大，不能形成較深的零陷。但如果舍棄第一項，而只采用噪聲特征矢量的加權(quán)作為最優(yōu)權(quán)，可在干擾的地方形成更深的零陷，此時的權(quán)值為wopt=Σi=D+1Mσ-2qi1*qiH=QnQnH---(16)]]>式中，Qn＝[qD+1，qD+2，...，qM1]為噪聲特征向量組成的噪聲子空間。
(三)子陣構(gòu)成方法本發(fā)明的關(guān)鍵在于構(gòu)建一種雙排均勻直線陣，通過設(shè)計子陣和前后兩天線干擾相消技術(shù)，以及改進的功率倒置自適應算法，來對消來自雷達外的強干擾。
為了對消來自近垂直方向的自干擾，可將前后兩天線分別設(shè)計成子陣，然后將接收的信號采用前后相減的方法即可對消近垂直方位的強干擾。從硬件上，也可將前后兩天線利用等長的電纜直接利用魔T反相相加，以對消來自近垂直方向的電離層自干擾(如圖7所示)。
為了對消近垂直方向以外強干擾，將天線陣列任一天線設(shè)計成主天線(如圖10A中以1、2、3、4天線作主天線，或圖10B中以5、6、7、8天線作主天線)，周圍相鄰兩至三或四根天線設(shè)計成輔助天線，利用改進的功率倒置算法對消非近垂直方向的強電離層自干擾或其它形式的強干擾。如圖10表示雷達陣列子陣構(gòu)成與信號處理原理圖。
理論和實踐表明，本發(fā)明所提出的方法可相當好地對消外界強干擾。為了說明本發(fā)明方法的有效性，下面以武漢大學電波傳播實驗室研制的OSMARXP高頻雷達系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)為例來說明發(fā)明提出對抗近垂直方向電離層干擾方法的有效性。
(1)一般文獻均稱電離層D層為吸收層，它不反射高頻電磁波，但我們在每天白天、有時候甚至晚上也能觀測到該距離的電離層回波。例如，作者在實驗中發(fā)現(xiàn)，在白天很多相同的時間段，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)來有來自60-70km處的近垂直方向的回波，該回波有時還很強，甚至將海洋回波都完全淹沒了。如圖11表示70km的回波Doppler譜圖。其中，虛線表示對消近垂直方向來波前的回波譜圖，實線表示對消近垂直方向來波后的回波譜圖(下同)。從此圖可見，由于電離層的反射，海洋回波被完全隱沒在電離層回波中，從來波干擾的距離看，此干擾顯然來自電離層D層。此結(jié)果不僅說明電離層D層對高頻電磁波具有一定反射或散射特性，也說明本發(fā)明提出對消干擾方法的有效性。
(2)Es是電離層突然增強的E區(qū)薄層，是偶爾出現(xiàn)在地球上空120km高處的電離層。Es的形態(tài)結(jié)構(gòu)非常復雜，影響其形成的因素也很多。2003獅子座流星雨爆發(fā)期間，雷達觀察發(fā)現(xiàn)，流星雨爆發(fā)對Es層的形成有一定的影響。如圖12表示140km某時間段雷達的回波Doppler譜圖(在本次流星雨爆發(fā)前后幾天很少出現(xiàn)此類現(xiàn)象)。由此圖可見，流星雨爆發(fā)期間出現(xiàn)Es層，海洋回波被完全隱沒在電離層Es的反射回波中，但利用本發(fā)明提出的對消干擾的方法，對消后的回波譜得到極大的改善，海洋回波的Bragg峰明顯可見了。
(3)對短波通信和高頻天波雷達而言，F(xiàn)層是最重要的，在一般情況下，遠距離通信都選用F層作反射層。在白天F層有兩層F1層位于地球上空150km-200km高度處；F2層位于地球上空200km以上。它們的高度在不同的季節(jié)和一天不同的時刻是不一樣的。F2層和其它層次不同，在日落后并沒有完全消失，仍然保持有剩余的電離。如圖13表示200km的回波Doppler譜圖。從此圖可見，由于電離層的反射，海洋回波被完全隱沒在電離層回波中。從來波干擾的距離看，此干擾顯然來自電離層F層。從此對消的結(jié)果看，對消干擾的效果也非常明顯。
(4)流星余跡回波類似脈沖波，幅度快速增加到最大，持續(xù)幾秒鐘后消退。根據(jù)流星雨的回波特征，在午夜和中午的實驗中經(jīng)常能觀測流星雨回波(一般在下午數(shù)小時內(nèi)較少)，其回波一般來自上層大氣層80-120km的范圍內(nèi)。流星雨回波Doppler譜較寬，它們的幅度高出噪聲基底約30-40dB。如圖14一方面顯示了流星余跡回波對的海洋回波Doppler譜影響的嚴重性，另一方面也說明本發(fā)明提出的對消近垂直方位流星余跡回波的可行性。
(5)為了說明本發(fā)明提出對消近垂直方向電離層干擾方法的有效性，這里將圖4和圖5的數(shù)據(jù)進行了進一步處理，得到圖15和圖16的結(jié)果。從此結(jié)果不難看出，電離層自干擾對海面回波多譜勒譜的影響基本消除，反演的海流盲區(qū)也消除。
權(quán)利要求
1.一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法，其特征在于將高頻地波雷達天線陣設(shè)計成前后兩排均勻直線陣形式，并將天線陣前后相對的兩天線設(shè)置成子陣；通過對子陣中兩天線接收的信號前后相減，以對消來自近垂直方向的電離層自干擾回波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對子陣中兩天線接收的信號前后相減為將子陣中兩天線接收的信號直接相減。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對子陣中兩天線接收的信號前后相減為利用等長的電纜將兩天線接收的信號直接利用魔T反向相加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于將天線陣中任一天線設(shè)計成主天線，周圍相鄰的兩至四根天線設(shè)計成輔助天線，用功率倒置算法對消非近垂直方向的強電離層自干擾和/或除電離層以外的其它方位的強干擾。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于將天線陣中任一天線設(shè)計成主天線，周圍相鄰的兩至四根天線設(shè)計成輔助天線，基于陣列協(xié)方差矩陣的特征空間分解，然后摒棄權(quán)矢量中的干擾特征分量，得到一組新的權(quán)值，并將該權(quán)值與構(gòu)成子陣的天線接收的信號乘積形成自適應波束，對消非近垂直方向的電離層自干擾和/或除電離層以外的其它方位的干擾。
全文摘要
一種基于天線子陣的高頻地波雷達抗干擾方法，將高頻地波雷達天線陣設(shè)計成前后兩排均勻直線陣形式，并將天線陣前后相對的兩天線設(shè)置成子陣；通過對子陣中兩天線接收的信號前后相減，以對消來自近垂直方向的電離層自干擾回波信號。本發(fā)明基于現(xiàn)有天線陣，無須增加接收天線、接收通道和天線占地面積；無須使用任何參考信號，采用軟件的方法即可對消嚴重影響雷達性能的外界強干擾；通過改進的功率倒置自適應算法不僅可以抑制強外界干擾，還可以很好地抑制若干擾；采用一些加速運算方法，能滿足實時性要求；采用前后兩天線接收信號魔T相減的辦法，可對消近垂直方向的電離層強干擾；在提高探測性能的同時，大幅降低了雷達的研制成本和維護費用；具有出色的實用性能。
文檔編號G01S13/74GK1728457SQ20051001916
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者高火濤, 秦晨清, 楊子杰 申請人:武漢大學