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。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廣泛的應用。由于其低頻特性，采用這一信號的雷達系統(tǒng)有利于進行穿透探測，同時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重要的應用價值。但是沖激雷達常工作于100~1500MHz頻段，存在著與這一波段密布的廣播、電視和各類通信系統(tǒng)頻譜共用的電磁兼容性（EMC）問題。這些系統(tǒng)的信號混合在沖激回波信號中，對沖激雷達系統(tǒng)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(tǒng)的性能，甚至造成接收機的飽和而無 法正常工作。目前，RFI的抑制已經是超寬帶雷達系統(tǒng)在諸多應用中的關鍵技術之一?，F(xiàn)在已有的RFI抑制算法包括兩大類，即參數(shù)法和非參數(shù)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(wěn)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(wěn)健性差；頻域陷波算法結構簡單、運算量小但沒有自適應性。而移動通信設備所產生的RFI具有頻點的隨機性，不滿足上述算法中RFI穩(wěn)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(shù)法。本文第1節(jié)對特定頻段的隨機性RFI進行分析；第2節(jié)提出兩種 算法；第3節(jié)對實測的數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)處理結果對兩種算法的性能進行了比較和評估；最后給出了結論。

2、隨機射頻干擾問題的分析

UWB- SPR一般工作于100~1500MHz頻段，常用來獲取地下未知目標的信息，目前廣泛應用于地質勘探、考古，城市建設、交通、軍事等部門。在對機場、高速公路和建筑等城市中物體進行探測時，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(shù)據(jù)處理之前，需要對回波數(shù)據(jù)進行射頻 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 移動通信、電視、GPS、專用的行業(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所采用的接收天線是TEM 加脊天線，帶寬為2.5GHz左右。另外，RFI在回波信號頻譜中表現(xiàn)為帶寬很窄的尖峰，在時域SAR圖像中則為無規(guī)則的亮線或亮斑；這些干擾將對系統(tǒng)的后續(xù)信號與數(shù)據(jù)處理，如分層和成像、目標分類帶來很大的影響。

（a）10-2500MHz頻譜 （b）GSM信號頻譜

圖1、RFI的頻譜圖

RFI的基本性質如下：

（1）由于無線電管理委員會對廣播和電視信號的頻點和帶寬都有嚴格的限定。所以廣播電臺和電視所產生RFI在時間和頻率上是穩(wěn)定、確知的。

（2） 無線電管理委員會對于GSM 的頻段也有嚴格限定，但GSM 在限定的頻段內采用動態(tài)信道分配方法（DCA），即系統(tǒng)根據(jù)當前的業(yè)務負載和干擾情況，動態(tài)地將頻段內的隨機信道（頻率和時隙）分配給所需用戶。因此，就 單個GSM手機而言，其發(fā)射和接收信號在時間上是隨機的，見圖2（a）和圖3（a）；頻率上，在某一頻段內也呈現(xiàn)隨機性，見圖1（b），該圖顯示了GSM 手機發(fā)射信號的頻點在875~925MHz頻段范圍內的隨機分布，峰值帶寬隨機出現(xiàn)；這種在時間和頻率上的隨機性和廣播電臺、電視的射頻干擾在時間和頻率 上的相對穩(wěn)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 射頻干擾在時間和頻率上的隨機性。顯然。對實時性很強的UWB-SPR，上述方法都不適用。

本文研究的重點是隨機性RFI抑制。下面提出兩種在時域中抑制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接受信號經采樣后可寫為如下形式：

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，包括探測介質的直接反射波和介質中目標的散射回波；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 表示一個時窗的總采樣點數(shù)。由于r（n）和θ（n）都具有隨機性，將這兩個隨機噪聲合寫為r₀（n），可將UWB-SPR接收信號的模型簡化為

x（n）=s（n）+ r₀（n），n=0，…，N-1 （2）