基于系统辨识的干扰对消技术研究

王 强，郭 波

(南京电子技术研究所，江苏 南京 210013)

基于系统辨识的干扰对消技术研究

王 强，郭 波

(南京电子技术研究所，江苏 南京 210013)

收发隔离度一直是电子战系统的关键技术，若隔离度不够，发射的干扰信号会耦合到侦察接收机，使接收机不能正常工作甚至产生自激。分析了传统收发隔离改善技术和自适应干扰对消技术的优缺点，提出了基于系统辨识的干扰对消方法，利用耦合通路的线性非时变性，拟合出干扰耦合通路的传递函数。仿真和实验结果表明，该方法能有效对消各种干扰信号，同时不会影响接收的雷达信号，能够满足系统隔离度的要求。

收发隔离；系统辨识；干扰对消

0 引 言

在电子战领域，使用有源干扰机对敌雷达实施电子压制是现代战争的必要手段。电子战设备的工作流程包括:电子侦察设备对雷达信号的截获、信号分析和辐射源跟踪；决策系统对辐射源威胁等级进行评估，推荐合适的干扰样式；干扰设备产生指定的干扰信号，经过高功率放大后对敌雷达实施干扰[1]。为了保证干扰效果，发射的干扰信号通常与接收的雷达信号相参，即干扰信号和接收信号往往处于同一频带。由于大功率干扰信号会通过多种途径耦合到侦察接收机中，致使侦察设备灵敏度降低，严重时甚至使侦察接收机自激。为了使干扰机发射的干扰信号不影响自身侦察接收机正常工作，电子战设备的接收和发射必须保持一定的隔离度，称为电子战设备的收发隔离。常用的提高收发隔离度的方法有增加收发天线空间距离、采用收发分时工作方式等，但是上述方法都存在缺陷。平台的限制使得空间隔离度不可能太高，收发分时工作必然降低信号的截获概率和干扰效果。文献[2]～[6]分别提出了一种自适应滤波器的方法解决压制干扰的隔离问题，然而对于欺骗性干扰，由于它与雷达信号具有强相关性，使得雷达信号也会被对消掉，从而使这种方法的应用受到一定的限制。文献[7]、[8]采用建立收发动态隔离表，根据被干扰对象的不同选择降低接收灵敏度或减少发射功率来实现收发隔离，这种方法对于自卫式干扰有一定的效果，但对于远距离支援干扰，干扰效果受到了很大的限制。本文从分析串扰路径出发，研究基于系统辨识的干扰对消技术，并借助硬件平台对数字对消算法进行了验证。

1 工作原理

雷达干扰系统在对威胁雷达实施干扰的过程中，侦察接收机一方面需要连续监视辐射源的工作波形变化，便于更新干扰样本，确保干扰效果；另一方面，需要定期对辐射源的工作状态进行分析，评估现在使用的干扰手段的效果。为了达到上述目的，干扰源在发射干扰信号时，不能影响自身侦察接收机的正常工作，也就是电子战系统的收发隔离度必须达到一定的要求。显然，足够的收发隔离度是保证电子战系统效能发挥的前提和保证。

通过分析电子战设备干扰信号的串扰路径和耦合机理，结合现代数字信号处理的理论，本文提出了基于系统辨识的方法来实现干扰信号对消。如果能够找到一个等价的系统模型来拟合耦合通路，使得在输入为发射的干扰信号时，输出为通过耦合通路耦合到自身侦察接收端口的干扰信号，然后在侦察接收机前端减去这个干扰信号，同时保证不影响接收机对外部雷达信号的正常接收和处理，这样就实现了干扰信号的消除。基于系统辨识提高干扰机隔离度的电路原理框图如图1所示。

电子战设备工作时，接收通道的输入信号d(n)不仅包含雷达信号s(n)，还包含通过空间或通道耦合过来的自身发射的干扰信号x0(n)，如果x0(n)的强度超过接收机的灵敏度，将会影响设备的正常工作。为了减小干扰信号的幅度，在系统中增加了一个参考通道，通过定向耦合器接收系统发射的干扰信号x(n)。由于传输路径不同，参考通道接收的干扰信号x(n)与空间耦合的干扰信号x0(n)是不相同的，但它们均来自同一干扰源，二者是相关的。将参考通道接收的干扰信号x(n)输入特定的滤波器，如果采用某一最佳准则对滤波器进行设计，那么输出信号y(n)将非常近似空间耦合的干扰信号x0(n)。经过求和器将2个通道的信号相减，就可以将接收通道中的干扰信号x0(n)对消掉。

实践表明，在相对稳定的干扰环境中，耦合信号x0(n)与参考信号x(n)之间的关系在短时间内不会发生大的变化，并且这种关系不随干扰信号样式的不同而变化。

2 系统辨识模型

干扰对消技术的核心问题就是系统辨识，需要找到一个拟合干扰耦合通路的模型，使该模型的输出最佳逼近侦察接收机收到的自身干扰信号，从而最大程度地消除干扰发射对接收的影响。

通过物理分析，X0=x0(n)近似于X=x(n)通过线性系统的输出，设传递函数为Θ=θ(n)，那么x0(n)=θ(n)⊗x(n)，基于此，如果已知x0(n)与x(n)，则可求出θ(n)。在有噪声W的情况下，写成矩阵形式如下：

(1)

这里假设噪声是高斯白噪声(WGN)，那么根据统计信号知识可知，若：

(2)

(3)

(4)

比较式(2)与式(4)，得：

(5)

(6)

(7)

推得：

(8)

当且仅当ξ1=cξ2时，即Dei=ci(DT)-1ei时等号成立，达到最小方差，其中c是常数。等效地，使方差最小的条件是:

DTDei=ciei，i=1,2,…,p

(9)

即:

(10)

矩阵形式为:

(11)

3 辨识模型的修正

此时问题的焦点将是V的求逆计算。由于w(n)与x(n)的数据长度相等，而宽带线性调频信号x(n)长度一般为几十k至上百k，以100k记，那么V将是一个100k×100k的巨大方阵，元素数量达到10G。一般情况下，求解一个n×n的矩阵的逆，计算量为Ο(n3)，即求V-1的计算量为Ο(1015)。

4 仿真分析

假设干扰机工作在P波段，发射的干扰信号直接耦合到接收机前端，此时的传递函数近似为线性。50～450 MHz的宽带干扰信号由D/A产生，经过线馈，输入到A/D单元，150 MHz的点频辐射源信号由信号源产生，估计系统函数后，输入滤波器系数，进行对消，效果如图2所示。图2(a)为A/D前端采集到的信号时域波形，为S、X0与噪声的叠加；图2(b)为其频谱；图2(c)为运用本文算法对消后的时域波形，只剩下S与噪声W；图2(d)为相应的频谱。从对消结果看，基本上可以将宽带信号完全消除，而接收到的点频信号未受影响。而且可以看出，虽然D/A及A/D对各个频点的幅度响应不一致，但这不会影响对消效果。

5 射频实验验证

实验场景如图3所示，干扰信号经P波段天线发射，在开放空间传输后经过接收通道处理，送数字射频存储器(DRFM)模块采样和存储。由于天线、模拟滤波器和放大器的加入，整个系统的非线性特性非常强，使得系统函数的能量并非十分聚集，扩展至很远。

在射频实验中，估计的系统函数如图4所示。

从图中可以看出，系统函数远端的系数较大，由于硬件资源有限，取其中能量最大的160点区间，作为滤波器的系数。

干扰机自身产生260～270MHz的宽带信号，接收240MHz点频信号，其中图5为对消前后频谱，图6为前后叠加对比。

可以看出，此硬件验证系统可以将干扰机自身产生的信号抑制25～30dB，外界接收到的信号基本无变化。

在另一种条件下，干扰机接收到信号源输入的240MHz点频信号，干扰机对信号进行处理，叠加双边带400kHz的频偏，然后发射。其中图7为对消前后频谱，图8为对消前后频谱的局部放大。

可以看出，接收到的240MHz点频信号基本未受影响，而产生的400kHz频偏的干扰信号可以抑制掉32dB。

6 结束语

天线收发隔离度是制约电子战设备干扰效能发挥的重要因素之一。本文在分析耦合信号特征的基础上，提出了一种基于系统辨识的干扰信号对消方法，通过仿真分析和实物试验，验证了系统辨识方法实现自适应对消的可行性。在实际应用中，由于电子战设备所处环境发生变化，耦合通路的传递函数特性也会发生缓慢变化，系统设计时需要产生宽带扫频信号，周期性地对耦合通路进行修正，使系统辨识的传递函数达到最佳状态，从而在大功率发射的情况下，也能够保证侦察接收机的灵敏度，进而保证了电子战系统的作战效能。

[1] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社,1999.

[2] 张凯,王建业,冯增辉.基于自适应系统辨识的收发隔离技术研究[J].现代防御技术,2010,38(1)：77-80.

[3] 冯存前,张永顺.提高收发隔离度的自适应对消技术研究[J].现代雷达,2004,26(2)：61-63.

[4] 曾茂生.提高电子战系统收发隔离方法的研究[J].舰船电子对抗,2008,32(1)：54-55,76.

[5] 宋月丽,黎仁刚.雷达对抗系统收发隔离技术研究[J].舰船电子对抗,2012,35(1)：20-24.

[6] 田海林,王海平,冯存前.机载电子干扰机自适应收发隔离技术研究及仿真[J].弹箭与制导学报,2006,26(4)：405-407.

[7] 刘连柱,金吉学.系统收发隔离解决方法探讨[J].电子对抗,2006,108(3)：43-45.

[8] 陈方予,宋勇辉,李明.一种在调制域上实现干扰机收发隔离的方法[J].航天电子对抗,2007,23(6)：45- 48.

Research into Jamming Cancellation Technique Based on System Identification

WANG Qiang，GUO Bo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210013,China)

Transmitter-receiver isolation is forever a key technique of electronic warfare (EW) system.The jamming signals radiated by the transmitter are probably coupled into the reconnaissance receiver without enough isolation,which makes the receiver operate abnormally even generate self-excited phenomenon.This paper analyzes the advantages and disadvantage of conventional techniques of transmitter-receiver isolation improvement and adaptive jamming canceling,presents a novel jamming canceling method based on system identification,utilizes the linear time invariance of jamming coupling channel to fit the transmission function of jamming coupling channel.The simulation and experiment results indicate that the proposed method can cancel various jamming signals,at the same time preserve the received radar signals,and can satisfy the isolation requirements of EW system.

isolation between receiver and transmitter；system identification；jamming cancellation

2016-07-04

TN973.3

A

CN32-1413(2017)01-0008-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.002