沖激雷達(dá)接收中隨機(jī)射頻干擾的抑制方法

1、引言

沖激信號(hào)（Impulse signa1）是一種脈寬極窄的脈沖信號(hào)，它同時(shí)具有低頻譜分量和極大相對(duì)帶寬（相對(duì)帶寬77常接近100%）的優(yōu)點(diǎn)。沖激雷達(dá)是一種超寬帶（UWB）雷達(dá)，在UWB-SAR，表層穿透雷達(dá)（SPR），探測(cè)隱蔽目標(biāo)的雷達(dá)中有著廣泛的應(yīng)用。由于其低頻特性，采用這一信號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)有利于進(jìn)行穿透探測(cè)，同時(shí)大的信號(hào)帶寬可獲得高距離分辨力（厘米級(jí)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(hào)可以激勵(lì)出豐富的 目標(biāo)諧波響應(yīng)分量，故在探測(cè)隱身目標(biāo)以及目標(biāo)識(shí)別方面也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。但是沖激雷達(dá)常工作于100~1500MHz頻段，存在著與這一波段密布的廣播、電視和各類(lèi)通信系統(tǒng)頻譜共用的電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。這些系統(tǒng)的信號(hào)混合在沖激回波信號(hào)中，對(duì)沖激雷達(dá)系統(tǒng)形成嚴(yán)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(tǒng)的性能，甚至造成接收機(jī)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(dá)系統(tǒng)在諸多應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)在已有的RFI抑制算法包括兩大類(lèi)，即參數(shù)法和非參數(shù)法，主要有正弦信號(hào)對(duì)消法、頻域陷波法等。它們都是針對(duì)頻點(diǎn)和帶寬都有嚴(yán)格限定和確知的廣播電臺(tái)、電視干擾的，RFI的窄帶性和穩(wěn)定性是這兩種算法的前提。正弦信號(hào)對(duì)消 法抑制精度較高但模型和運(yùn)算復(fù)雜，穩(wěn)健性差；頻域陷波算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小但沒(méi)有自適應(yīng)性。而移動(dòng)通信設(shè)備所產(chǎn)生的RFI具有頻點(diǎn)的隨機(jī)性，不滿(mǎn)足上述算法中RFI穩(wěn)定性的前提。

本文針對(duì)脈沖體制的超寬帶地表穿透雷達(dá)（UWB-SPR） 提出兩種在時(shí)域中抑制隨機(jī)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(shù)法。本文第1節(jié)對(duì)特定頻段的隨機(jī)性RFI進(jìn)行分析；第2節(jié)提出兩種 算法；第3節(jié)對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果對(duì)兩種算法的性能進(jìn)行了比較和評(píng)估；最后給出了結(jié)論。

2、隨機(jī)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(biāo)的信息，目前廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、考古，城市建設(shè)、交通、軍事等部門(mén)。在對(duì)機(jī)場(chǎng)、高速公路和建筑等城市中物體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，SPR常處于很復(fù)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(dá)信號(hào)或數(shù)據(jù)處理之前，需要對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻 干擾抑制的預(yù)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(shè)備的發(fā)射和接收信號(hào)構(gòu)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(jī)信號(hào)源對(duì)UWB-SPR，接收機(jī)的干擾功率可達(dá)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(diào)頻廣播干擾、其它各譜峰為電視干擾。圖1所采用的接收天線是TEM 加脊天線，帶寬為2.5GHz左右。另外，RFI在回波信號(hào)頻譜中表現(xiàn)為帶寬很窄的尖峰，在時(shí)域SAR圖像中則為無(wú)規(guī)則的亮線或亮斑；這些干擾將對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理，如分層和成像、目標(biāo)分類(lèi)帶來(lái)很大的影響。

（a）10-2500MHz頻譜 （b）GSM信號(hào)頻譜

圖1、RFI的頻譜圖

RFI的基本性質(zhì)如下：

（1）由于無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)廣播和電視信號(hào)的頻點(diǎn)和帶寬都有嚴(yán)格的限定。所以廣播電臺(tái)和電視所產(chǎn)生RFI在時(shí)間和頻率上是穩(wěn)定、確知的。

（2） 無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)于GSM 的頻段也有嚴(yán)格限定，但GSM 在限定的頻段內(nèi)采用動(dòng)態(tài)信道分配方法（DCA），即系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的業(yè)務(wù)負(fù)載和干擾情況，動(dòng)態(tài)地將頻段內(nèi)的隨機(jī)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(jī)而言，其發(fā)射和接收信號(hào)在時(shí)間上是隨機(jī)的，見(jiàn)圖2（a）和圖3（a）；頻率上，在某一頻段內(nèi)也呈現(xiàn)隨機(jī)性，見(jiàn)圖1（b），該圖顯示了GSM 手機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻點(diǎn)在875~925MHz頻段范圍內(nèi)的隨機(jī)分布，峰值帶寬隨機(jī)出現(xiàn)；這種在時(shí)間和頻率上的隨機(jī)性和廣播電臺(tái)、電視的射頻干擾在時(shí)間和頻率 上的相對(duì)穩(wěn)定性是截然不同的。若對(duì)GSM的隨機(jī)射頻干擾采用上述的正弦信號(hào)對(duì)消法、頻域陷波方法。就需要復(fù)雜的建模和大量的運(yùn)算以自適應(yīng)于GSM 射頻干擾在時(shí)間和頻率上的隨機(jī)性。顯然。對(duì)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的UWB-SPR，上述方法都不適用。

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

3、隨機(jī)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(hào)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(hào)，s（n）為目標(biāo)回波信號(hào)，包括探測(cè)介質(zhì)的直接反射波和介質(zhì)中目標(biāo)的散射回波；r（n）為RFI信號(hào)，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(tái)和電視等確定性的RFI，r（n）僅被看作是GSM 的隨機(jī)射頻干擾；θ（n）為其它類(lèi)的噪聲，包括系統(tǒng)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(shù)。由于r（n）和θ（n）都具有隨機(jī)性，將這兩個(gè)隨機(jī)噪聲合寫(xiě)為r₀（n），可將UWB-SPR接收信號(hào)的模型簡(jiǎn)化為

x（n）=s（n）+ r₀（n），n=0，…，N-1 （2）