冲激雷达接收中随机射频干扰的抑制方法

1、引言

冲激信号（Impulse signa1）是一种脉宽极窄的脉冲信号，它同时具有低频谱分量和极大相对带宽（相对带宽77常接近100%）的优点。冲激雷达是一种超宽带（UWB）雷达，在UWB-SAR，表层穿透雷达（SPR），探测隐蔽目标的雷达中有着广泛的应用。由于其低频特性，采用这一信号的雷达系统有利于进行穿透探测，同时大的信号带宽可获得高距离分辨力（厘米级的距离分辨率）、合成孔径原理又可获得高的方位分辨率，从而能够进行高分辨成像。另外，冲激信号可以激励出丰富的目标谐波响应分量，故在探测隐身目标以及目标识别方面也有着重要的应用价值。但是冲激雷达常工作于100~1500MHz频段，存在着与这一波段密布的广播、电视和各类通信系统频谱共用的电磁兼容性（EMC）问题。这些系统的信号混合在冲激回波信号中，对冲激雷达系统形成严重的射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）。

通常，RFI的功率很高，它的存在降低了系统的性能，甚至造成接收机的饱和而无法正常工作。目前，RFI的抑制已经是超宽带雷达系统在诸多应用中的关键技术之一。现在已有的RFI抑制算法包括两大类，即参数法和非参数法，主要有正弦信号对消法、频域陷波法等。它们都是针对频点和带宽都有严格限定和确知的广播电台、电视干扰的，RFI的窄带性和稳定性是这两种算法的前提。正弦信号对消法抑制精度较高但模型和运算复杂，稳健性差；频域陷波算法结构简单、运算量小但没有自适应性。而移动通信设备所产生的RFI具有频点的随机性，不满足上述算法中RFI稳定性的前提。

本文针对脉冲体制的超宽带地表穿透雷达（UWB-SPR） 提出两种在时域中抑制随机射频干扰的滤波方法：波形平均法和中值滤波法，它们属于非参数法。本文第1节对特定频段的随机性RFI进行分析；第2节提出两种算法；第3节对实测的数据进行处理，并根据处理结果对两种算法的性能进行了比较和评估；最后给出了结论。

2、随机射频干扰问题的分析

UWB-SPR一般工作于100~1500MHz频段，常用来获取地下未知目标的信息，目前广泛应用于地质勘探、考古，城市建设、交通、军事等部门。在对机场、高速公路和建筑等城市中物体进行探测时，SPR常处于很复杂的电融干扰环境中容易受到多种射频的干扰，所在雷达信号或数据处理之前，需要对回波数据进行射频干扰抑制的预处理。

目前，UWB-SPR所利用的电磁波，其中心频率多在1GHz左右，3dB处带宽约为1GHz。显然，此频带范围覆盖了GSM 移动通信、电视、GPS、专用的行业通讯等的频段，其中GSM设备的发射和接收信号构成了UWB-SPR冲激回波的主要RFI。这种RFI的功率较高，比如，近距离的手机信号源对UWB-SPR，接收机的干扰功率可达7dBmW ，甚至更高，见图1（a）；该图显示了RFI在10-2500MHz范围的分布，其中，最高谱峰（902MHz，7.17dBm）为GSM 移动通信干扰、第2谱峰（91MHz-18.67dBm）和第3谱峰都为调频广播干扰、其它各谱峰为电视干扰。图1所采用的接收天线是TEM 加脊天线，带宽为2.5GHz左右。另外，RFI在回波信号频谱中表现为带宽很窄的尖峰，在时域SAR图像中则为无规则的亮线或亮斑；这些干扰将对系统的后续信号与数据处理，如分层和成像、目标分类带来很大的影响。

（a）10-2500MHz频谱 （b）GSM信号频谱

图1、RFI的频谱图

RFI的基本性质如下：

（1）由于无线电管理委员会对广播和电视信号的频点和带宽都有严格的限定。所以广播电台和电视所产生RFI在时间和频率上是稳定、确知的。

（2）无线电管理委员会对于GSM 的频段也有严格限定，但GSM 在限定的频段内采用动态信道分配方法（DCA），即系统根据当前的业务负载和干扰情况，动态地将频段内的随机信道（频率和时隙）分配给所需用户。因此，就单个GSM手机而言，其发射和接收信号在时间上是随机的，见图2（a）和图3（a）；频率上，在某一频段内也呈现随机性，见图1（b），该图显示了GSM 手机发射信号的频点在875~925MHz频段范围内的随机分布，峰值带宽随机出现；这种在时间和频率上的随机性和广播电台、电视的射频干扰在时间和频率上的相对稳定性是截然不同的。若对GSM的随机射频干扰采用上述的正弦信号对消法、频域陷波方法。就需要复杂的建模和大量的运算以自适应于GSM 射频干扰在时间和频率上的随机性。显然。对实时性很强的UWB-SPR，上述方法都不适用。

本文研究的重点是随机性RFI抑制。下面提出两种在时域中抑制GSM 随机射频干扰的滤波方法：波形平均法和中值滤波法。

3、随机射频干扰的抑制算法

3.1、波形平均算法

考虑到RFI的存在，UWB-SPR接受信号经采样后可写为如下形式：

x（n）=s（n）+r（n）+ θ（n），n=0，…，N-1 （1）

式中 x（n）为UWB-SPR的接收信号，s（n）为目标回波信号，包括探测介质的直接反射波和介质中目标的散射回波；r（n）为RFI信号，由于考虑到波段的选择与干扰功率，在本文以下的算法中不再考虑广播电台和电视等确定性的RFI，r（n）仅被看作是GSM 的随机射频干扰；θ（n）为其它类的噪声，包括系统热噪声等，它们都具有白噪声特性；N 表示一个时窗的总采样点数。由于r（n）和θ（n）都具有随机性，将这两个随机噪声合写为r₀（n），可将UWB-SPR接收信号的模型简化为

x（n）=s（n）+ r₀（n），n=0，…，N-1 （2）