雷达侦察中移动通信干扰的极化抑制*

田润澜,张国毅 ,于岩

(1.吉林大学 电子科学与工程学院， 吉林 长春　130011； 2. 空军航空大学 信息对抗系， 吉林 长春　130022)



探测跟踪技术

雷达侦察中移动通信干扰的极化抑制*

田润澜1，2,张国毅2,于岩2

(1.吉林大学 电子科学与工程学院， 吉林 长春130011； 2. 空军航空大学 信息对抗系， 吉林 长春130022)

摘要：雷达侦察设备通常采用闭锁措施消除移动通信频段的同频干扰，严重降低了脉冲截获概率，且极易被敌方雷达利用。针对此问题，提出一种基于极化滤波的移动通信信号抑制方法，该方法依据移动通信信号与雷达信号极化差，设置合理的极化滤波矢量，在极化域滤除移动通信信号，提高了移动通信频段的脉冲截获概率。给出了极化滤波侦察接受机的设计方案。仿真实验结果验证了该方法的有效性。

关键词：雷达侦察；同频干扰；移动通信干扰；极化滤波；极化估计；Jones矢量

0引言

雷达侦察设备的工作频带通常为2～18 GBZ，而民用3G通信频率为1.8～2.2 GBZ，4G通信频率为2.3～2.7 GBZ。因此，雷达侦察设备工作时，会受到移动通信信号的干扰，且移动通信信号的功率大，密度高，这使得雷达侦察设备在移动通信频段无法正常工作。为了克服移动通信信号对雷达侦察设备的干扰，实际侦察中均对移动通信频段进行闭锁，即不接收此频段信号。这种措施虽然避免了移动通信信号对侦察设备的干扰，但同时侦察设备也无法截获位于此频段的有用信号，这不仅降低了侦察截获概率，而且极易被敌方雷达所利用。

电磁波的极化信息已经在雷达抗干扰、目标检测、识别和成像中得到广泛应用[1-4]，但将其应用雷达侦察中的研究还较少。文献[5]为使电子侦察装备更好地利用极化信息，提出了一种变极化雷达信号的仿真方法。文献[6]提出了一种基于极化域的机载雷达侦察设备克服载机雷达干扰的方法。文献[7]分析了极化技术在雷达侦察中的优势，并给出了一种极化侦察接收机的实现方案。文献[8]研究了全极化技术在雷达侦察中的应用，分析了全极化接收机相对于传统单极化接收的优势。可见，极化技术应用于雷达侦察设备是一种必然的趋势[9-10]。为了解决移动通信频段的侦察截获问题，本文提出一种基于极化滤波的移动通信信号抑制方法。

极化滤波是依据移动通信信号与雷达信号具有的极化差别，通过设置与移动通信信号极化形式正交的极化滤波器来滤除移动通信信号。经过极化滤波后的侦察信号中除了与移动通信信号极化方式一致的雷达信号外，其他雷达信号均可以通过极化滤波器有效保留。本文首先分析了移动通信信号对雷达侦察设备的影响；然后提出极化滤波器抑制移动通信信号的具体模型，给出了估计移动通信信号极化参数的方法，并详细分析了该模型的性能；最后通过仿真实验验证了该方法的有效性。

1问题描述

雷达侦察接收机的频域完全覆盖了民用3G，4G移动通信频段。移动通信信号的发射基站距离侦察设备的距离通常较近，其进入侦察接收机的功率较大；敌方雷达信号距离侦察设备通常较远，其进入侦察接收机的功率较小。因此，进入侦察接收机的移动通信信号将完全压制雷达信号，造成无法检测出敌方雷达信号。移动通信信号几乎常态化存在，即覆盖整个侦察时间段，导致侦察接收机在移动通信频段无法正常工作。

假设民用3 G通信基站发射功率为10 W，发射频率为2.1 GBZ，距离侦察接收机10 km，敌方雷达的脉冲功率为50 kW，发射频率为2.1 GBZ，距离侦察接收机200 km。电磁波传输的简化方程[11]如下：

(1)

式中：Pr为侦察接收机收到的信号功率；Pt为信号的发射功率；Gr为侦察天线的天线增益；λ为发射信号的波长；R为信号传输距离。

根据电磁波传输简化方程可计算出进入侦察接收机的3G信号功率Prc和雷达信号功率Prs之比为

(2)

式(2)表明，侦察接收机截获的3G信号将完全淹没雷达信号。

移动通信信号对侦察接收机的影响除了表现在其功率完全淹没雷达信号外，其存在时间的常态化也是影响侦察接收机的另一个严重问题。

目前侦察接收机对移动通信频段采用闭锁措施，这在屏蔽移动通信信号的同时，也导致无法获取同频段的雷达信号，严重影响了侦察接收机的整体侦察性能。此外，移动通信频段的通信信号与雷达信号在时频域完全交叠，这也导致传统滤波方法失去作用。为此，本文提出一种基于极化滤波的移动通信信号抑制方法，该方法在滤除移动通信信号的同时有效保留了雷达信号，保证了侦察接收机在移动通信频段的正常工作。

2极化滤波原理

对电磁波而言，极化描述了电场矢量端点作为时间函数所形成的空间轨迹的形状和旋向。电磁波的极化同幅度、相位、频率一样，是描述电磁波的一个重要参量。极化滤波的实质是利用电磁波在极化域呈现的不同特征来改善有用信号的质量，极化滤波技术可以滤除频域滤波、时域滤波、空域滤波等无法去除的干扰。

侦察接收机天线通常只有一种极化形式，对应于单极化接收。为了实现极化滤波，需要增加一个与侦察天线极化形式正交的辅助天线，相应的也要增加一路辅助接收通道，并要求该通道与原始侦察通道保持幅相一致性。假设侦察天线为右旋圆极化，则需要增加的辅助天线的极化形式应该为左旋圆极化。在左旋圆极化和右旋圆极化基il/ir下，正交圆极化天线接收的信号可以用Jones矢量描述[12]。雷达信号和移动通信信号的Jones矢量分别表示为

(3)

(4)

式中：(εs,δs)为雷达信号的幅相极化描述子；(εc,δc)为移动通信信号幅相极化描述子；ωs和ωc分别为雷达信号与移动通信信号的角频率；θs和θc分别为雷达信号与移动通信信号的初相。

设极化滤波器的极化矢量为H为

(5)

根据极化滤波原理[13]，在滤除移动通信信号时需要将极化滤波器参数设置为

(6)

δr=δc，

(7)

极化滤波器的输出信号为入射波矢量与滤波矢量的标量积

Sr(t)=(Es(t)+Es(t))TH*.

(8)

将雷达信号和通信信号的Jones矢量代入式(8)并取模值可得

(9)

按照式(6)和式(7)设置极化滤波器参数时，需要预先估计移动通信信号的极化参数。由前述分析可知，在侦察接收机截获的移动通信频段侦察信号中，通信信号的幅值远远大于雷达信号，且通信信号几乎存在于整个时域范围内，因此可以将移动通信信号极化参数估计近似为直接估计侦察信号的极化参数。考虑实际侦察环境中存有噪声，而时域极化参数估计方法的抗噪性较差，因此选取频域极化参数估计方法估计移动通信信号的极化参数。

左旋圆极化和右旋圆极化基下侦察信号的复电场矢量分别为[14]

El(t)=ej(ωt+θ)cosε，

(10)

Er(t)=ej(ωt+θ+δ)sinε，

(11)

假设采样周期为ts，计算左旋圆极化通道信号的频率响应为

(12)

同理可得右旋圆极化通道信号的频率响应

(13)

由式(12)和式(13)可知，当ω=ω0时可在频域内计算出信号的极化参数为

(14)

(15)

即移动通信信号的极化参数可近似估计为

(15)

(16)

根据移动通信信号极化参数的估计值即可设计极化滤波器，完成对侦察信号的极化滤波。

3极化滤波模型

为有效利用极化信息滤除移动通信信号对侦察设备的干扰，需要在雷达侦察设备中安装2个正交的极化天线，相应的也要有2个接收通道。极化滤波侦察接收机组成框图如图1所示。

图1　极化滤波接收机组成Fig.1　Polarization filter receiver

极化滤波接收机主要由高度隔离的正交双极化天线、双通道接收机和极化滤波器等组成。双极化正交天线可以采用双极化曲折天线来实现[15]。双极化曲折天线由一个左旋和一个右旋圆极化天线组成，他们被刻蚀在一个介质基片上，具有共用口径和共同的相位中心，且尺寸小，结构紧凑，适合于极化接收机对天线特征的要求。接收机通道有左旋圆极化接收通道和右旋圆极化接收通道，并且要求2个接收通道保持高度的幅相一致性。

极化滤波接收机的工作原理是，双极化天线接收的正交双极化信号分别送至左旋圆极化通道和右旋圆极化通道，每个接收机通道均首先将信号下变频到中频，由A/D采样后变为数字信号，然后通过FFT提取信号的频率响应。移动通信信号极化参数估计部分接收信号的频率响应后并估计信号的极化参数，根据估计出来的移动通信信号极化参数，极化滤波器建立相应的滤波矢量完成对侦察信号的滤波处理。

4仿真校验

当接收机截获的侦察信号中没有雷达信号时，理论上极化滤波器的输出为0。当截获雷达信号的极化形式与移动通信信号极化形式相同时，极化滤波器输出也为0，即此时滤波失去作用。而当截获雷达信号的极化形式与移动通信信号极化形式不同时，极化滤波器能够有效滤除移动通信信号，并输出雷达信号。极化滤波会对雷达信号产生极化损失，

极化损失由雷达信号与移动通信信号的极化差别决定，极化差别越小，极化损失越大；极化差别越大，极化损失就越小。

下面通过仿真实验验证本文提出的基于极化滤波移动通信信号抑制方法的有效性。仿真条件如下：进入侦察接收机的移动通信信号的为垂直线极化，经下变频后中频为160MBZ，采样频率为500MBZ，双极化接收机通道内的FFT点数为64点。图2a)为进入侦察接收机的雷达信号，共包含5个雷达脉冲。其中脉冲1和脉冲5来自同一部雷达发射机，极化方式为水平线极化，脉冲2和脉冲4来自同一部雷达发射机，极化方式为45°斜极化，脉冲3来自第3部雷达发射机，极化方式为垂直线极化。图2b)和图2c)分别为极化滤波器的输入和输出。

图2　移动通信信号干扰的极化滤波Fig.2　Polarization filter of communication signal

仿真结果表明，当雷达信号与移动通信信号的极化形式相同时，极化滤波器输出为零，如图2c)中脉冲3所示。当雷达信号与移动通信信号的极化形式正交时，极化滤波器去除了移动通信信号的干扰，输出信号为雷达信号，如图2c)中脉冲1和脉冲5。而当雷达信号和移动通信信号的极化形式即不相同也不正交时，极化滤波器输出为存在极化损失的雷达信号，如图2c)中脉冲2和脉冲4。仿真实验结果验证了前述理论分析的正确性。

5结束语

为解决雷达侦察设备在移动通信频段受同频干扰严重的问题，本文提出了一种采用极化滤波去除移动通信信号干扰的方法。电磁波的极化特征受信号波形、频率、相位及功率的影响较小，因此能够有效滤除移动通信信号的干扰，实现移动通信频段雷达侦察设备工作的正常化。理论分析和仿真实验均表明，本文提出的极化滤波方法能够有效抑制移动通信信号对雷达侦察接收机的影响。

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Polarization Suppression of Mobile Communication Interference in Radar Reconnaissance

TIAN Run-lan1，2,ZHANG Guo-yi2,YU Yan2

(1.Jilin University, College of Electronic Science and Engineering, Jilin Changchun 130011，China；2.Aviation University of Air Force, Electronic Countermeasure Dept., Jilin Changchun 130022，China)

Abstract:Radar reconnaissance equipment usually uses locking measure against the interference of mobile communication signal in the communication frequency. This measure would decrease the pulse acquisition probability, and easily be utilized by the enemy. Therefore, a polarization filtering method is proposed to suppress the mobile communication signal interference. The method firstly sets the polarization filter based on the polarization difference between the radar signal and the mobile communication signal. And then, the mobile communication signals are filtered out in the polarization domain. The design scheme of the polarization filter reconnaissance receiver is also given. The simulation result has proved the effectiveness of the proposed method．

Key words:radar reconnaissance; same frequency interference; mobile communication interference; polarization filter; polarization estimation; jones vector

*收稿日期：2015-04-06；修回日期：2015-07-27

作者简介：田润澜(1973-)，女，吉林长春人。副教授，博士生，主要研究方向为雷达极化信息处理，电子对抗。

通信地址：130022吉林省长春市南湖大路2222号信息对抗系E-mail：252636257@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.016

中图分类号：TN731；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-03-0099-05