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      基于GPS無源雷達干擾抑制研究[圖]
      [ 通信界 | 《電子設計工程》2011年08期 | www.sdgj0817.com | 2011/12/6 11:11:34 ]
       

      摘要:基于GPS輻射源的無源雷達,利用目標對非合作GPS信號的反射工作,具有很強的反偵察、抗隱身及生存能力。由于基于GPS的無源雷達系統,回波信號非常弱,故回波信號的干擾抑制及有效信號的獲取是其信號處理非常重要的內容。時基于GPS輻射源的無源雷達回波信號中的直達干擾采用自適應濾波的方法進行抑制,對多徑干擾提出采用功率倒譜分析法進行分離。在理論研究的基礎上給出仿真結果,結果表明,所采用的方法能很好地達到干擾的抑制,為系統的實用提供了仿真依據。

      近年來,反輻射及隱身技術等電子偵察干擾技術的進步,大大降低了單基地雷達的探測能力。且由于單基地自身發射能量,容易被電子偵察定位系統探測到,對其生存構成嚴重威脅。

      基于GPS外輻射源的無源雷達系統不主動發射信號,利用空中已有的GPS衛星發射的非合作信號進行目標檢測、估計、跟蹤及定位。這是提高雷達反偵察、抗隱身、及生存能力的有效方法之一。由于其不需要建造和維護高功率發射機,系統成本很低,與高性能有源雷達有機結合可以形成高效、可靠的防空情報系統,因而對無源雷達系統的研究受到世界各國的高度重視。

      本文主要研究基于GPS照射源的天地雙(多)基地雷達系統信號回波信號的干擾抑制問題,通過計算機仿真驗證,為系統的實用化提供了堅實的理論基礎和仿真依據。

      1 回波信號模型

      基于GPS輻射源的無源雷達的幾何關系如圖1所示。

      GPS衛星發射信號的理想模型可設為(1)式:

      基于GPS無源雷達干擾抑制研究

      其中,CA(t)為C/A碼,f1=1575.42MHz,A1為幅度。忽略時間延遲和初始相位,L1(t)就是GPS直達接收機的信號模型;經地面接收機混頻至中頻后表達式為(2)式:

      基于GPS無源雷達干擾抑制研究

      其中,Amidf為載波幅度,混頻到固定中頻f0=1.25MHz。運動目標反射的信號經混頻后表達式為(3)式:

      基于GPS無源雷達干擾抑制研究

      其中,Atag為目標反射加權后回波幅度,τ為目標反射造成的回波延遲時間,fd為多普勒頻移。在雷達接收端,收到的信號包括:1)未經任何目標反射的直達信號;2)運動/靜止目標的反射信號;3)經多徑反射到達的多徑干擾信號;4)接收機周圍環境引入的干擾。直達信號最強;多徑信號和目標反射信號及環境因素均為隨機信號,幅度較弱,需要從以上3種主要的干擾中獲得有用回波信號,并從中提取信息,對目標的距離,速度等參數進行計算估計,從而實現探測、跟蹤和定位,是無源雷達信號處理的主要任務。

      2 直達干擾抑制

      直達干擾的抑制可在1)空間域;2)時間域;3)頻域中進行。本研究采用自適應抵消器來抑制直達干擾,為時間域抑制方法。此方法在實現上,只涉及自適應濾波器的設計,實現簡單且效率很高。

      2.1 自適應抵消器的原理

      自適應直達波抵消系統是自適應濾波器的拓展形式?驁D如圖2所示。原理為:期望信號輸入端為有用回波信號sj加直達干擾n0的原始輸入端dj,sj與n0不相關;濾波器的參考輸入端xj為已檢測到的直達信號n1,n1與n0相關、與sj不相關。自適應濾波器的傳輸函數根據輸出ej=sj+n0-yj自動調整,以將原始輸入中的噪聲干擾抵消掉,誤差輸出即目標回波信號。

      2.2 自適應直達抵消算法

      自適應直達波抵消時權矢量的自適應調節過程可采用最小均方(LMS)算法,即以期望信號與輸出間誤差的均方值基于GPS無源雷達干擾抑制研究最小為準則,在迭代過程中估計梯度矢量,并更新權系數以達到權矢量最優。權矢量表達式如式(4)所示。

      基于GPS無源雷達干擾抑制研究

      遞推最小二乘(RLS)算法是另一種自適應算法,以誤差ej的最小二乘準則(即使基于GPS無源雷達干擾抑制研究最小)為最佳準則。設δ-1為初始化矩陣系數,λ為遺忘因子。

      本研究中分別應用LMS算法和RLS算法進行自適應直達干擾抵消處理,并給出計算機仿真結果。算法的參數設置如表1所示。抵消濾波結果見圖3、圖4所示。

      2.3 性能分析

      LMS算法實現簡單,但為保證算法收斂不得不將收斂因子μ取得很小,這導致了算法收斂較慢;RLS算法不對信號統計特性做假設,為確定性最佳優化問題,收斂更快,估計精度更高,為獲得更好的直達干擾抑制性能,可采用RLS算法做自適應直達抵消濾波器的算法。

      3 多徑干擾抑制

      多徑干擾的抑制方法研究一直是雷達及通信領域的熱點,功率倒譜常用于聲音回響,圖像處理及雷達時延估計等領域。本研究將功率倒譜的方法應用于對多徑干擾的分解和估計,并提出去除多徑干擾的方法。

      根據多徑傳輸的特點,總信號可表示為x(n)=s(n)*h(n),式中s(n)是直達信號;基于GPS無源雷達干擾抑制研究,wk是第k路多徑信號幅度加權系數,τk是第k路多徑信號時延。

      可采用功率倒譜分析方法,進行多徑干擾的抑制,盡管倒譜分析方法計算和運算量大。但它仍是主要的抑制多徑干擾的有效方法。功率譜對數值的傅利葉逆變換稱為倒譜(cepstrum),其數學表達式為:基于GPS無源雷達干擾抑制研究是離散時間信號x(n)的離散時間傅里葉變換。

      首先考慮只有一路多徑信號的簡單情況,此時h(n)=δ(n)+w1δ(n-τ1)。

      基于GPS無源雷達干擾抑制研究

      所得功率倒譜中,前兩項為直達信號倒譜,第三項延遲沖激峰代表多徑信號的倒譜。第四、第五及更長延遲時間項與冪級數展開高次項對應,其加權系數隨延遲時間的增加越來越小,相比直達信號倒譜可以忽略。上式還表明功率倒譜可將直達信號和多路徑信號在功率倒譜域分解開來,從而可在功率倒譜域進行低通濾波處理,從而達到抑制多徑信號的干擾的目的。

      通過計算機仿真可得,信噪比分別為RSN=10、20及30dB情況下,功率倒譜仿真曲線如圖5所示?梢,只要RSN足夠大(≥20dB)的情況下,可以有效地進行多徑干擾信號的分解。通過功率倒譜反運算(求fft、冪運算和ifft等),可獲得多徑干擾抑制后的回波信號。

      4 結論

      通過對基于GPS輻射源無源雷達的回波信號的分析,提出了基于自適應抵消原理。采用RLS算法的方法,消除回波信號中的直達信號干擾;采用功率倒譜的方法進行多徑干擾信號的估計,在信噪比滿足條件的情況下(經仿真實驗測試,當RSN≥20dB時)能很好的分解和估計多徑信號,并給出了回波信號的恢復方法。本文的研究對基于GPS輻射源的無源雷達的實用研究有一定參考價值。

       

      1作者:《電子設計工程》2011年08期 來源:《電子設計工程》2011年08期 編輯:顧北

       

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