基于ICA的外辐射源雷达同频干扰抑制技术

游 鸿，于文震

（1.南京电子技术研究所预选研究部，江苏南京 210039；2.第二炮兵工程学院训练部，陕西西安710025；）

基于ICA的外辐射源雷达同频干扰抑制技术

游 鸿1，2，于文震1

（1.南京电子技术研究所预选研究部，江苏南京 210039；2.第二炮兵工程学院训练部，陕西西安710025；）

介绍了一种新体制外辐射源雷达。针对采用民用广播电台信号的外辐射源雷达所面临的严重同频干扰问题，提出了采用独立成分分析的方法进行干扰抑制，并进行了仿真研究和部分实测数据的验证，研究结果有利于提高其目标检测性能，改善雷达对复杂电磁环境的适应能力。

外辐射雷达；独立成分分析；同频干扰

外辐射源雷达是无源雷达的一种，它不是利用目标本身辐射的信号来进行定位，而是利用第三方外辐射源（例如民用广播电台、电视、移动电话基站等）照射目标的散射信号来进行定位。

1935年，英国利用BBC电台的短波发射机，用一部距发射台（9～18）km的装在运输车上的接收机探测到了附近的轰炸机。二次世界大战中，美、法、德、俄罗斯等国的早期雷达防御系统中都出现了这种体制的雷达。随着20世纪30年代天线收发开关和高功率脉冲磁控管的发明，单基地雷达因为结构简单、配置方便、探测精度高及便于集中控制逐渐成为雷达的主流。

现代信息战和雷达对抗技术的飞速发展，对军用雷达对抗隐身目标、反辐射导弹、低空突防和综合电磁干扰四大威胁的能力提出了越来越高的要求。由于外辐射源雷达具有良好的“四抗”性能，可以有效增强防御系统的能力，在现代电子战中具有独特的优势和潜力［1］。美国军方明确指出：无源雷达是其对手对抗美国电子战和空中隐身优势的核心技术［2］。这种情况下，外辐射源雷达又开始受到重视并取得了相当的进展。美、英、法、俄罗斯、瑞典等国家都开发了这一类系统。

外辐射源雷达具有以下优势：

1）无需发射机、造价低、机动性强、架设简便、维护简单；

2）由于利用了外辐射源信号，目标雷达横截面积（RCS）将随视角产生变化，且电波与飞机等目标的共振效应会增加目标的雷达横截面积；同时由于利用的多是波长在分米及米波波段的信号，其所处的3～450 MHz频率范围通常超过了飞机隐身涂料的有效范围，从而提高低可观测目标的探测能力；

3）利用的电波是外辐射源发出的，雷达本身不发射电波，因此能有效防止敌方雷达侦察和反辐射武器攻击，具有良好的隐蔽性和生存能力；

4）外辐射源雷达的工作频率与普通电磁设备不重叠，能避免电磁兼容和频率拥挤的问题。

1 外辐射源雷达工作原理

如图1所示，外辐射源雷达一般采用2个天线，主天线用于接收目标的散射信号，常采用阵列天线，以实现目标测向（direction of arrival，DOA），辅助天线接收外辐射源直达波，为主信道提供参考信号，利用匹配滤波原理实现目标相干检测，测量目标信号的时延（time delay of arrival，TDOA）和多普勒频移，以实现对目标距离和速度的估计。

图1 外辐射源雷达工作原理示意图

目标的DOA通过主天线阵列采用波束定向原理进行估计，随着阵列高分辨方位估计方法的研究进展，DOA估计的精度可以得到有效提高。

目标距离通过式（1）和式（2）进行估计：

其中r1和r2分别为目标到接收站和外辐射源的距离，r0为外辐射源到接收站的距离，θ为目标方位角，td为时延估计，C为电波传播速度。

目标速度通过式（3）和式（4）进行估计：

其中v1和v2是沿r1和r2方向的速度，f c为系统工作频率，w d为多普勒频移。

时延和多普勒频移参数是通过主通道回波信号x r（t）与时延τ频移φ的参考通道信号x（t）的匹配滤波输出来获取的，它是一个时频二维相关函数：

理想的雷达信号匹配滤波输出应在时频检测曲面上目标的距离和速度两维坐标处应形成一个尖锐的谱峰，使雷达目标检测的精度、分辨力达到最高，而模糊度达到最小。与其他外辐射源相比，调频（FM）广播信号是随机相位调制信号，模糊函数具有较大的优越性。同时因为民用广播电台较多、功率较大，因此目前大多数成熟、实用的外辐射源系统都使用FM广播信号［3］。

2 基于ICA的同频干扰抑制技术

在外辐射源雷达装备的使用过程中，由于民用广播系统的地域性，在目标探测区域周边有与系统所使用的广播信号同频的其他电台的广播信号时，将形成同频干扰。此时，在接收站天线收到的信号中除了已知位置的发射塔所发射的广播信号和该信号经过感兴趣的动目标以及静物所反射的信号外，还包括临近区域广播发射塔的同频广播信号，该信号成为定位系统的干扰信号。由于外辐射源雷达采用连续波体制，同频干扰信号从频域、空域和时域均无法有效抑制，受到干扰的目标反射信号在与直达信号进行后处理时，将直接影响雷达的目标测距和测向性能，在研制设备进行的实验中我们发现，如果所在区域广播信号环境复杂，同频干扰信号将严重影响雷达性能，进而极大限制外辐射源雷达的部署和使用。如何抑制这类同频干扰信号是基于外辐射源定位的一项重要课题。

由于各电台广播信号具有的独立性，考虑采用独立成分分析（independent component analysis，ICA）方法分离和抑制同频干扰信号。ICA是信号处理领域在20世纪90年代后期发展起来的一项全新的信号处理和数据分析方法。其基本含义是将多通道观测信号根据统计独立原则通过优化算法分解为若干独立成分，从而实现信号的增强和分解，在语音识别、通信、图像处理、医学信号处理和雷达信号处理等领域受到广泛关注［4－5］。

阵列信号处理和独立分量分析有相通之处，它们都采用多通道模型，阵列流形矩阵可视为信号混合矩阵。但另一方面，常规的阵列信号处理是空域处理，通常适用于窄带信号。它通过已知的阵列流形利用信号在阵元之间的相位差进行空域滤波。而ICA处理是统计域的处理，要求源信号独立并具有非高斯性。

独立成分分析方法的应用一般有2个关键前提：一个是要求原始信号之间相互独立，另一个是要求高斯噪声信号的数量不多于1个。但外辐射源雷达实际的应用条件并不理想，由于采用非合作的民用广播电台信号，工作信号和同频干扰信号之间常有部分相关性，这将影响信号分离的效果；另外雷达天线各通道噪声是相互独立的，因此造成最终信号数多于通道数和分离数，这将使分离过程变成一个欠定问题，它也会对信号分离造成影响。通过研究这些非理想的条件可以准确掌握信号分离和干扰噪声的抑制效果。

通过计算机仿真和对部分实测数据的验证，有以下结论：多通道独立噪声是影响最终信号分离度的重要因素，而目标信号与干扰信号的非完全独立性是影响单个分离信号纯度的重要因素。由于这2个因素的影响，实际分离出的信号将会是目标信号与干扰信号的叠加，但相比常规多波束数据的处理，波束分离信号可以有效地提高信噪比。目前已经对部分数据进行了波束数据信号分离与原始波束域数据情况下的目标提取对比实验，对2种处理方法得到的信号进行时频处理，通过时频相关谱检验其中的信号，以某一批次数据为例，实验结果见表1。

表1 常规方法与波束数据ICA分离方法提取的目标信噪比d B

表1反映了采用独立成分分离算法对波束输出数据进行处理之后，常规方法提取的3个目标信号强度得到有效提升，同时常规方法在检测门限之下的若干目标也得到加强并被有效检测到。其余批次的数据也有类似结果。

采用连续批次的实测数据处理得到的目标时频历程图如图2所示。

图2 外辐射源雷达检测目标时频历程图

从两图的对比明显可以看出，采用ICA方法处理过的数据得到的目标点迹较采用常规波束形成方法得到的目标点迹要密集，说明ICA方法有效地抑制了同频干扰，改善了信噪比。

3 结 语

总的来看，采用独立成分分析的方法对外辐射源雷达进行波束信号分离是有较好的干扰抑制效果，但在使用中仍然还有不少需要进一步解决和改进的地方。比如其分离信号次序具有随机性，与波束处理得到的方位信息不能自然对应；分离出的信号和干扰信号往往叠加在同一个分离成分中，因此所有分离信号都需要进行时频相关处理，从而导致系统计算复杂度增加等。这些问题可以通过工程化研究进行解决。

［1］杨振起，张永顺.双（多）基地雷达系统［M］.北京：国防工业出版社，1998.

［2］知 远，于 君.无源雷达与稳身技术之争［J］.现代军事，2009（12）：10-15.

［3］张宣卫，杨宇华.对无源雷达发展的述评和探讨［J］.电子工程 ，2003（4）：1-4.

［4］周宗潭，董国华.独立成分分析［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［5］马建仓，牛奕龙，陈海洋.盲信号处理［M］.北京：国防工业出版社，2007.

TN911.7

A

1008-1542（2011）12-0015-03

2011-06-20；责任编辑：王海云

游 鸿（1974-），男，四川乐山人，讲师，博士后，主要从事阵列信号处理和盲信号处理方面的研究工作。