沖激雷達接收中隨機射頻干擾的抑制方法

1、引言

沖激信號（Impulse signa1）是一種脈寬極窄的脈沖信號，它同時(shí)具有低頻譜分量和極大相對帶寬（相對帶寬77常接近100%）的優(yōu)點(diǎn)。沖激雷達是一種超寬帶（UWB）雷達，在UWB-SAR，表層穿透雷達（SPR），探測隱蔽目標的雷達中有著(zhù)廣泛的應用。由于其低頻特性，采用這一信號的雷達系統有利于進(jìn)行穿透探測，同時(shí)大的信號帶寬可獲得高距離分辨力（厘米級的距離分辨率）、合成孔徑原理又可獲得高的方位分辨率，從而能夠進(jìn)行高分辨成像。另外，沖激信號可以激勵出豐富的 目標諧波響應分量，故在探測隱身目標以及目標識別方面也有著(zhù)重要的應用價(jià)值。但是沖激雷達常工作于100~1500MHz頻段，存在著(zhù)與這一波段密布的廣播、電視和各類(lèi)通信系統頻譜共用的電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。這些系統的信號混合在沖激回波信號中，對沖激雷達系統形成嚴重的射頻干擾（Radio Frequency Interference，RFI）。

通常，RFI的功率很高，它的存在降低了系統的性能，甚至造成接收機的飽和而無(wú) 法正常工作。目前，RFI的抑制已經(jīng)是超寬帶雷達系統在諸多應用中的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F在已有的RFI抑制算法包括兩大類(lèi)，即參數法和非參數法，主要有正弦信號對消法、頻域陷波法等。它們都是針對頻點(diǎn)和帶寬都有嚴格限定和確知的廣播電臺、電視干擾的，RFI的窄帶性和穩定性是這兩種算法的前提。正弦信號對消 法抑制精度較高但模型和運算復雜，穩健性差；頻域陷波算法結構簡(jiǎn)單、運算量小但沒(méi)有自適應性。而移動(dòng)通信設備所產(chǎn)生的RFI具有頻點(diǎn)的隨機性，不滿(mǎn)足上述算法中RFI穩定性的前提。

本文針對脈沖體制的超寬帶地表穿透雷達（UWB-SPR） 提出兩種在時(shí)域中抑制隨機射頻干擾的濾波方法：波形平均法和中值濾波法，它們屬于非參數法。本文第1節對特定頻段的隨機性RFI進(jìn)行分析；第2節提出兩種 算法；第3節對實(shí)測的數據進(jìn)行處理，并根據處理結果對兩種算法的性能進(jìn)行了比較和評估；最后給出了結論。

2、隨機射頻干擾問(wèn)題的分析

UWB- SPR一般工作于100~1500MHz頻段，常用來(lái)獲取地下未知目標的信息，目前廣泛應用于地質(zhì)勘探、考古，城市建設、交通、軍事等部門(mén)。在對機場(chǎng)、高速公路和建筑等城市中物體進(jìn)行探測時(shí)，SPR常處于很復雜的電融干擾環(huán)境中容易受到多種射頻的干擾，所在雷達信號或數據處理之前，需要對回波數據進(jìn)行射頻 干擾抑制的預處理。

目前，UWB-SPR所利用的電磁波，其中心頻率多在1GHz左右，3dB處帶寬約為1GHz。顯然，此頻帶范圍覆蓋了 GSM 移動(dòng)通信、電視、GPS、專(zhuān)用的行業(yè)通訊等的頻段，其中GSM設備的發(fā)射和接收信號構成了UWB-SPR沖激回波的主要RFI。這種RFI的功率較高，比 如，近距離的手機信號源對UWB-SPR，接收機的干擾功率可達7dBmW ，甚至更高，見(jiàn)圖1（a）；該圖顯示了RFI在10-2500MHz范圍的分布，其中，最高譜峰（902MHz，7.17dBm）為GSM 移動(dòng)通信干擾、第2譜峰（91MHz-18.67dBm）和第3譜峰都為調頻廣播干擾、其它各譜峰為電視干擾。圖1所采用的接收天線(xiàn)是TEM 加脊天線(xiàn)，帶寬為2.5GHz左右。另外，RFI在回波信號頻譜中表現為帶寬很窄的尖峰，在時(shí)域SAR圖像中則為無(wú)規則的亮線(xiàn)或亮斑；這些干擾將對系統的后續信號與數據處理，如分層和成像、目標分類(lèi)帶來(lái)很大的影響。

（a）10-2500MHz頻譜 （b）GSM信號頻譜

圖1、RFI的頻譜圖

RFI的基本性質(zhì)如下：

（1）由于無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )對廣播和電視信號的頻點(diǎn)和帶寬都有嚴格的限定。所以廣播電臺和電視所產(chǎn)生RFI在時(shí)間和頻率上是穩定、確知的。

（2） 無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )對于GSM 的頻段也有嚴格限定，但GSM 在限定的頻段內采用動(dòng)態(tài)信道分配方法（DCA），即系統根據當前的業(yè)務(wù)負載和干擾情況，動(dòng)態(tài)地將頻段內的隨機信道（頻率和時(shí)隙）分配給所需用戶(hù)。因此，就 單個(gè)GSM手機而言，其發(fā)射和接收信號在時(shí)間上是隨機的，見(jiàn)圖2（a）和圖3（a）；頻率上，在某一頻段內也呈現隨機性，見(jiàn)圖1（b），該圖顯示了GSM 手機發(fā)射信號的頻點(diǎn)在875~925MHz頻段范圍內的隨機分布，峰值帶寬隨機出現；這種在時(shí)間和頻率上的隨機性和廣播電臺、電視的射頻干擾在時(shí)間和頻率 上的相對穩定性是截然不同的。若對GSM的隨機射頻干擾采用上述的正弦信號對消法、頻域陷波方法。就需要復雜的建模和大量的運算以自適應于GSM 射頻干擾在時(shí)間和頻率上的隨機性。顯然。對實(shí)時(shí)性很強的UWB-SPR，上述方法都不適用。

本文研究的重點(diǎn)是隨機性RFI抑制。下面提出兩種在時(shí)域中抑制GSM 隨機射頻干擾的濾波方法：波形平均法和中值濾波法。

3、隨機射頻干擾的抑制算法

3.1、波形平均算法

考慮到RFI的存在，UWB-SPR接受信號經(jīng)采樣后可寫(xiě)為如下形式：

x（n）=s（n）+r（n）+ θ（n），n=0，…，N-1 （1）

式 中 x（n）為UWB-SPR的接收信號，s（n）為目標回波信號，包括探測介質(zhì)的直接反射波和介質(zhì)中目標的散射回波；r（n）為RFI信號，由于考慮到波段 的選擇與干擾功率，在本文以下的算法中不再考慮廣播電臺和電視等確定性的RFI，r（n）僅被看作是GSM 的隨機射頻干擾；θ（n）為其它類(lèi)的噪聲，包括系統熱噪聲等，它們都具有白噪聲特性；N 表示一個(gè)時(shí)窗的總采樣點(diǎn)數。由于r（n）和θ（n）都具有隨機性，將這兩個(gè)隨機噪聲合寫(xiě)為r₀（n），可將UWB-SPR接收信號的模型簡(jiǎn)化為

x（n）=s（n）+ r₀（n），n=0，…，N-1 （2）