基于联合域处理的抗干扰技术研究进展

孟生云,杨文革,路伟涛,刘 佳

(装备指挥技术学院测控工程研究中心,北京 101416)

0 引言

体积受限系统中应用受限,同时难以应对来自与信号同方向的干扰。

扩频系统抗干扰的基本思路是根据干扰与有用信号在时域、频域、空域、极化特性及周期循环特性等方面的差异采取技术措施消除干扰并保证信号失真最小。但基于单个差异如时、频或空域进行处理的抗干扰技术有很大的局限性。时域自适应抗干扰利用干扰与有用信号之间可预测性的区别实现干扰抑制,其对窄带干扰有效且廉价易实现,但在对抗多个窄带、宽带信号或时变干扰时,算法的收敛和跟踪性能不好。基于FFT的频域抗干扰利用干扰与有用信号在频域中的差异实现干扰去除,它可同时处理多个干扰且可快速实现自适应窄带干扰抑制,但对窄带或缓变干扰有效而对宽带或非平稳干扰的抑制效果较差。自适应天线抗干扰技术利用干扰与有用信号在空间上的差异,通过调整天线方向图,在干扰方向上形成零陷实现干扰去除。该技术可以应对来自不同方向的窄带或宽带干扰,但实现费用高,应对廉价干扰时效率低,在功耗、

1 联合域处理抗干扰技术

1.1 时频联合处理抗干扰技术

基于时频联合域处理的抗干扰技术可分为基于非线性变换方法和线性变换方法两大类。利用干扰与有用信号在时频联合域中能量分布差异:一大类干扰在该联合域中呈现聚焦特性易被检测跟踪而有用信号则广泛分布于整个域不易被检测跟踪,通过一定的抗干扰算法去除非平稳干扰。

1.1.1 基于非线性变换时频联合抗干扰技术

1)基于时频分布的开环自适应滤波抗干扰

从观测信号的时频分布中估计干扰的频率信息,利用自适应时变滤波器,在干扰的频率处同步形成陷波以抑制干扰。由Amin MG领导的小组提出基于时频分布的开环线性滤波技术[1],抑制由瞬时频率表征的恒定幅度非平稳干扰。时频分布对类似LFM干扰具有较好的聚焦能力,故抑制效果不错。该方法存在的不足有:①自噪声。当没有干扰时,自噪声会降低由扩频增益带来的SNR提高。②门限效应。当干扰信号能量很弱或不存在时,由于非线性效应TFD不能有效定位干扰,形成的零陷会滤掉有用信号能量。③多分量交叉项。④对恒幅干扰的抑制比较有效,需要扩展到由瞬时频率及瞬时带宽表征的干扰。⑤计算复杂度较高。针对自噪声和时频域估计瞬时频率的实现问题,该小组提出综合利用瞬时频率和干扰功率来同时确定开环滤波器的系数,确保干扰消除及滤波自噪声间达到最佳折中,并利用扩展New ton寻根方法的零点跟踪技术实现对单或多分量信号瞬时频率的估计。

2)基于时频分布的干扰合成对消抗干扰

从时频分布中合成干扰,然后从信号中减掉干扰或直接合成信号,图1示意了多个干扰分量的对消原理。Lach SR利用该思路分析了恒幅干扰的合成及消除,在时频域中遮盖分离信号与干扰。该技术方法对恒幅干扰的抑制效果较好,但对于幅度调制干扰则不好,且计算量较大。

图1 直扩系统中干扰合成对消

Barbarossa S[2]将广义Hough变换应用与对TFD进行图案识别,识别出由瞬时频率曲线表达的信号标志即从时间域到信号参数空间域的映射,而后根据估计的干扰参数,采用干扰对消进行干扰抑制。Wigner-Hough变换可以克服门限效应且积分操作可降低交叉项。该算法的不足在于计算量较大同时不具备对与模型失配干扰抑制的鲁棒性。

3)基于时频分布的子空间投影抗干扰

子空间投影抗干扰技术是将接收数据投影于干扰子空间正交的子空间,根据正交原理实现干扰的抑制。Amin MG小组研究了子空间投影应用于非平稳干扰的抑制,提出了基于时频分布的子空间投影方法。研究结果表明,基于子空间技术方法的性能好于零陷滤波的方法且可以处理多分量干扰、任意时频特征的干扰。

1.1.2 基于线性变换时频联合抗干扰技术

非线性变换对非平稳信号具有很好的聚焦能力,但计算复杂、存在多分量交叉项,而线性变换是一维变换,没有这些不足,它包括扩展傅里叶变换如分数阶傅里叶变换(FRFT)、Chirp傅里叶变换、短时傅里叶变换(STFT)、本地多相FT(LPFT),小波变换,Gabor变换等。

1)基于小波或Gabor变换抗干扰

对观测信号进行小波或Gabor变换,然后对变换后的数据进行干扰系数的处理,再对处理后的数据反变换回时域,实现干扰抑制。基于小波变换的干扰抑制算法对脉冲干扰或具有突变特性的干扰较有效;而基于Gabor变换的干扰抑制的局限性在于要求干扰与窗函数匹配程度高,而对能量分布在多个时频方格的干扰效果不好。另外小波变换也可与扩展近似条件均值滤波级联起来对抗多分量强FM干扰[3]。

2)基于STFT抗干扰

该技术是FFT变换域抗干扰的直接推广。Ouyang XM[4]首先研究了基于STFT的扩频系统抗非平稳干扰方法,先选择分析窗函数的参数以便获得聚焦性能好的STFT,对变换后的结果进行二值遮盖处理滤掉干扰功率,同时考虑去干扰对伪码的影响,给出基于STFT的最优接收机。张玉恒[5]提出了一种基于时频加窗STFT的LFM干扰抑制算法。该算法在STFT之前进行干扰能量的预处理,减小变换对信号的影响,在干信比较高时抑制性能优于STFT。与陷波滤波器方法相比,该STFT抗干扰计算更简单,不受交叉项影响且适用与一大类快速时变干扰;与小波或Gabor变换等线性变换相比,该方法更适合去除以瞬时频率表征的FM干扰。

3)基于FRFT变换抗干扰

利用LFM的FRFT在变换角度参数等于扫频速率时,呈现出脉冲模样特点而有用信号则没有的特点实现干扰抑制。基本思路是利用FRFT检测出FM的存在并估计出旋转角度,然后对观测信号进行该旋转角度的FRFT,之后进行滤波处理,再将滤波后的信号反向旋转回时域即可。Akay O[6]首先研究了该方法,发现其干扰抑制的性能差于基于WVD方法,这是由于变换对PN码有较大扭曲,特别是在JSR加大时;同时针对干扰抑制相对较弱的问题,给出提高性能的两条途径:一是从DFRFT变换本身入手如利用固有DFRFT变换克服Gibbs现象,满足角度可加性;二是当JSR加大时,不采用阈值遮盖而是利用FRFT合成干扰。齐林[7]做了进一步研究,也指出了FRFT的两个问题即变换本身不满足严格正交性以及干扰抑制器的引入破坏了接收信号与本地解扩序列之间的互相关特性和噪声序列的自相关特性。对第二个问题,文章对本地PN码进行一次与干扰抑制相同的过程,改善了抑制效果,并建议工程应用中考虑在某一阈值下关闭干扰抑制器。

4)基于Chirp FT变换抗干扰

Chirp FT是FT的广义化,首先由Xia XG提出,主要用于类chirp信号的多chirp速率的检测。Wei YM[8]研究了Chirp FT在宽带非平稳干扰抑制中的应用,提出了基于修正的DCFT的多分量LFM抑制算法。结果表明,该方法对Chirp干扰的抑制有效且易实现同时也对单音干扰有效,缺点是当干扰的幅度变化时性能会恶化。An YJ[9]针对修正离散CFT在非整参数下的失配问题,给出新的MCFT及一种抑制单/多分量LFM或多LFM及多音分量混合干扰的算法。

5)基于LPFT抗干扰

Stankovii L[10]研究了利用LPFT算法抑制多分量干扰,结果表明该方法比基于STFT方法性能更好,且计算复杂度维持在相对较低水平。Djukanovic S[11]进一步研究了LPFT干扰抑制方法,发展了LPFT的矩阵表示。该技术的基本原理是用LPFT得到干扰在时频域内的最佳聚焦,然后通过二值遮盖去掉时频标识实现去干扰。最佳接收机结构考虑到了干扰抑制或二值遮盖对PN的影响,如图2所示。

图2 最佳LPFT接收机结构

除了上述的几种线性变换外,也有学者提出基于Chirp let分解的干扰抑制算法,可用来消除类chirp干扰且性能优于传统FT。

1.2 空时联合处理抗干扰技术

空时自适应处理技术(STAP)为自适应天线空域滤波的不足提供了一个较好的解决思路。Fante RL[12]于上世纪90年代末首先研究了基于STAP的导航系统干扰抑制技术。目前该技术已被Rockwell Collins公司应用于GPS接收机中。基本原理是对来自不同空间方向、不同时间采样上的观测量进行加权求和,以期求得在某种准则下的代价函数值最小。其中准则包括最大信干噪比、最小均方误差、空时Capon波束形成及功率最小等准则。接收端的STAP的原理框图如图3所示。

图3 空时自适应处理示意图

与自适应空域处理抗干扰技术相比,STAP抗干扰技术在相同的天线条件下,提高了信号处理的自由度,增强了对多窄带及宽带干扰源的零陷能力,可有效解决天线阵单元间的互耦问题,但计算量巨大,因为要对观测量的协方差阵及与期望信号的相关阵进行估计和求逆等运算;另外大的空时自适应权值维数将影响自适应算法的收敛性和跟踪能力,难以应用于运动或时变干扰源场景。

降秩技术主要是通过转化矩阵将权值向量约束到一个较低的维数子空间上,降低了求解最佳权值表达式中的矩阵维数。其本质是求解转换矩阵,方法主要有主成分法和互谱度量法两种。然而这两个方法都需产生协方差矩阵的特征向量以便得到转换矩阵,计算量也较大。Goldestein提出多级嵌套维纳滤波算法(MSNWF)[13],突破了矩阵求逆、协方差矩阵特征分解的思路,它不需要计算协方差矩阵,在同样的阶次下性能超出上面两种方法。Joham M和DietlG分别给出了利用K ry lov子空间法的M SNWF后向递推表示及联合梯度实现。项建弘[14]针对M SNWF的硬件实现步骤繁琐、数据存储空间需求大的不足,推导了FROST-LMS的递推算法。

空、时及频域的三维联合抗干扰则利用了信号及干扰在空间、时间和频率上的信息对干扰与信号进行识别,实现干扰抑制。BelouchraniA[15]将时频分布应用于盲源分离,提出基于空间时频分布的盲分离方法。研究表明,与传统的利用二阶或高阶统计特性的盲源分离方法相比,该方法可以对传统方法无法分离的具有相同谱高斯源的分离;同时还可分离多径信号。随后Zhang YM[16]将基于空时频分布的盲源分离方法应用于干扰抑制,示意图如图4所示。郭艺[17]将投影技术扩展到空时频的抗干扰中,通过估计干扰的时频及空间标识,得到干扰信号的空时子空间,然后利用投影技术消掉干扰。

图4 空时频分布盲源分离干扰抑制

2 联合域处理抗干扰技术发展趋势

联合域处理抗干扰是抗干扰技术的一个重要发展方向,其发展将围绕联合域处理算法和抗干扰技术应用两个方面展开。

时频或空时联合处理抗干扰算法的研究将在追求进一步提高抗干扰能力的同时兼顾降低算法的计算复杂度。空时频的三维联合抗干扰算法将是联合域处理抗干扰研究的重点之一,其他的联合方式如空时与相关域、极化域的联合也将得到深入研究。

3 结束语

随着联合域处理抗干扰算法研究的深入及在对抗非平稳干扰的特殊优势,其应用也逐渐拓展到雷达、通信、导航、引信及航天测控等各领域,同时也由直扩系统扩展到混合扩频系统。在抗干扰算法的选择应用上需要考虑实现代价、空间功耗及应用环境等因素。基于线性变换的时频抗干扰技术比较适合低代价、低功耗等场合;费用相对昂贵且空间需求较大的空时或空时频联合处理抗干扰技术,适合固定系统场合或者舰载或航天器应用场合。值得注意的是应用领域的不同,其抗干扰性能的评价也不尽相同。雷达系统不再关注误码性能,导航系统也以信号检测、跟踪及定位为首要任务,航天测控系统兼具通信及测量功能,抗干扰性能的评价有待研究。■

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