电离层测高仪回波中窄带干扰消除算法与分析

陈 锟 朱正平 宁百齐 蓝加平 孙奉娄

（1.中南民族大学电信学院，湖北 武汉430074；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029）

引 言

大量存在的高频干扰电波对工作在高频段的各种雷达探测系统带来了不良影响［1-3］，早期的电离层数字测高仪采用的脉冲压缩、数字滤波、频域相关叠加等技术均不能直接消除落入接收机信号带宽内的干扰［4-6］，这一情况随着高频发射源的增多而日趋严重［7］.现有技术中，有的通过天线探测信号的极化方向、极化方式和到达角等信息，识别出干扰信号并扣除［8-9］；有的利用信号处理算法消除干扰.美国麻州大学洛厄尔分校大气研究中心研制的数字电离层测高仪DPS-4D［10］和武汉大学研制的武汉电离层斜向入射探测仪［11］都采用了干扰消除算法来抑制干扰.其原理是基于Rife双谱线方法［12］从回波中识别并估算出干扰的频率、幅度和相位，然后从原始信号中扣除该干扰，达到消除和抑制干扰的目的.本文对现有的双谱线方法进行了改进，并在自主研发的数字扫频接收机实验平台上进行了干扰消除实验，给出了计算机仿真和实验观测分析结果.

1 干扰消除原理

在电离层测高仪接收回波的时间窗口内，没有混叠干扰和噪声的电离层测高仪回波信号为脉冲信号，实际接收信号中混叠的噪声和干扰可看作空间环境中的高斯噪声和人工电台产生的窄带（＜10kHz）干扰，其中窄带干扰信号可以视为多个单频正弦波干扰叠加而成，且干扰幅度远大于噪声幅度［13］.通过合理设置幅度阈值，可以将干扰从脉冲回波与噪声中区分出来［14］.估算出每个干扰正弦波的频率、幅度和相位，就能够通过时域扣除来消除或抑制干扰.

消除干扰的首要问题是测量出干扰频率，基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）插值方法原理［15-18］，改进的三谱线频率估算方法如下.

设混叠入回波信号中的一个单频正弦干扰为

式中：a为干扰幅度；f为干扰频率；Φ为干扰初相.采样间隔时间为Ts（采样频率fs＝1/Ts）；采样序列长度为N.将干扰频率表示为偏离FFT频谱中主峰谱线频率的形式，有

式中km为正整数.FFT频谱中干扰主峰及其两旁谱线的强度分别为

利用式（3）～（5）中的实部列方程组求解δ，可得到

利用（3）～（5）中的虚部列方程组求解δ，可得到

式（6）和（7）均可用于计算δ，实际计算时，为了提高计算精度，当S（km）实部绝对值大于虚部绝对值时，使用式（6）计算δ，否则使用式（7）计算δ.

计算出δ后，在f＝（km＋δ）fs/N 频率处，

利用式（8）计算单频干扰I（t）的复数幅度Sf为

从接收信号序列中扣除式（9）描述的干扰序列即实现干扰消除.考虑通带内可能存在多个频率的干扰，干扰抑制和消除算法被设计为循环处理，具体流程如下：

1）使用FFT方法，计算单次回波在信号带宽内所有谱线的平均幅度，然后搜寻幅度最高的谱线，利用干扰复数幅度Sf构造出干扰数字序列当最高谱线与平均幅度的比值大于阈值时，继续下面的干扰消除过程，否则干扰消除处理结束.

2）利用式（6）～（9）构造干扰序列，然后从原始信号中扣除该干扰.

3）若循环次数未达到预设的次数，重复1）、2）、3）这三个过程.

2 仿真结果

将式（1）中干扰幅度a设为1，干扰频率设为f＝（104＋δ′Δf）Hz，其中δ′为随机数，在［-0.5，0.5］区间均匀分布，初相Φ也取随机数，在［-180°，180°］区间均匀分布.干扰采样间隔时间设为5μs，采样时间窗口设为5ms，则回波序列长度为1 000点，FFT谱线间隔Δf＝200Hz.将干扰看作“信号”，按设定的信噪比叠加高斯白噪声n（t），得到干扰信号

利用Monte-Carlo方法，在设定信噪比条件下，随机产生10 000次干扰信号，分别用Rife双谱线方法和优化后的三谱线方法对式（10）描述干扰的频率、幅度和相位进行估计.图1显示两种方法都能够提高FFT的频率粗估计精度，且误差随着信噪比的提高而下降；三谱线方法在所有信噪比条件下都获得了更高的频率、幅度和相位精度，在频率参数的估计上，三谱线方法的误差均方差降低了50%.图1中频率误差为频率绝对误差fe的均方差与Δf的比值，幅度误差为幅度绝对误差ae的均方差与a的比值，相位误差用相位绝度误差Φe的均方差表示.

图1 双谱线与三谱线干扰识别误差随信噪比变化图

3 电离层测高仪上的实验观测结果

采用上述干扰消除算法在数字电离层测高仪探测系统上开展干扰消除实验.该系统基于脉冲雷达原理，综合应用现代数字电离层测高仪技术［10，19］，其结构框图如图2所示，脉冲载波扫描频率工作在1～30MHz，脉冲宽度为533μs，采用16位脉冲压缩编码2PSK调制，码元宽度33μs，虚高分辨力为5km，脉冲重复频率为100Hz，脉冲发射峰值功率为600W，发射与接收天线均采用折叠偶极子天线.

图2 电离层回波干扰消除实验平台结构框图

图3给出了应用三谱线干扰消除方法前后的时域波形与频谱对比图.图3（b）显示干扰消除算法扣除了信号带宽内5.06kHz处的强干扰信号，并抑制了-2.28kHz处的干扰信号，从干扰消除前后的时域波形图3（a）可以看出，干扰抑制效果明显，干扰消除后虚高271km处的回波（图中圆圈处）更易识别.

图4显示了三谱线干扰消除方法对频高图整体质量的改善，应用干扰消除方法后，对多个频点存在的干扰抑制效果明显，其中7.3MHz，9.8MHz和11.8MHz附件的干扰被消除，干扰消除后，有效回波正确显现.部分频点如4.3MHz附近，由于干扰被抑制后信噪比提高，频高图描迹有效点增多，使得频高图的描迹更准确.图5出了对图4探测数据分别应用Rife双谱线和三谱线方法进行干扰抑制的效果.设干扰信号能量的抑制比值为IS，单位为dB，计算公式为

式中：Vb为干扰消除前回波有效值；Va为干扰消除后回波有效值.图5显示：两种方法都能够起到干扰抑制作用，干扰信号的最大抑制比出现在9.6 MHz处，三谱线和双谱线方法分别使干扰抑制44 dB和40dB.相比双谱线方法，在大多数频点三谱线方法均获得了更优的干扰抑制效果，抑制能力提高1～6dB.尤其在2～5MHz范围内，在干扰强度与信号强度相当时，三谱线方法对信噪比的提升具有更大的相对优势，这与图1的信噪比改善效果相吻合，图5中5～7MHz频率段，由于不存在窄带干扰信号，干扰消除算法不产生干扰抑制效果，不提升信噪比.

4 结 论

改进后的三谱线干扰消除算法，通过循环运算可扣除多个频点的干扰，并保证了干扰扣除过程的收敛.实验证明该方法对窄带干扰抑制能力可达20～60dB，相比现有的双谱线算法具有更强的干扰抑制能力.显著提高了电离层测高仪的抗干扰能力和频高图的质量.作为下一步的工作，针对非窄带信号，采用调制识别技术对宽带干扰信号进行特征参数提取，可进一步提高强干扰环境下的回波信号识别能力，这对于利用数字电离层测高仪开展电离层精细结构和扰动的观测研究，具有重要意义.

［1］GURGEL K W，BARBIN Y.Suppressing radio frequency interference in HF radars［J］.Sea Technology，2008，49（3）：39-42.

［2］ZHOU H，WEN B，WU S.Dense radio frequency interference suppression in HF radars［J］.IEEE Signal Process Letters，2005，12（5）：361-364.

［3］LIU L，LUAN X，WAN W，et al.A new approach to the derivaiton of dynamic information from ionosonde measurements［J］.Ann Geophysicae，2003，21（11）：2185-2191.

［4］GAO S，MACDOUGALL J W.A dynamic ionosonde design using pulse coding［J］.Canadian Journal of Physics，1990，22（5）：33-38.

［5］REINISH B W，GALKIN I A，KHMYROV G M，et al.Advancing digisonde technology：the DPS-4D［C］//Radio Sounding and Plasma Physics Symposium.London，April 27-29，2007：127-143.

［6］KLAUS B.Evolution of the ionosonde［J］.Ann Geophy-sicae，1998，41（5/6）：667-680.

［7］MIKI I.Estimation of background noise in HF-band［C］//19th International Zurich Symposium on Electro-magnetic Compatibility.Singapore，May 19-22，2008：470-473.

［8］杨 俊，文必洋，吴世才，等.用水平天线消除天波干扰的算法研究［J］.电波科学学报，2004，19（2）：176-181.YANG Jun，WEN Biyang，WU Shicai，et al.Study of interference nulling using horizontal dipole antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（2）：176-181.（in Chinese）

［9］黄 亮，文必洋，吴立明，等.高频地波雷达电离层干扰抑制研究［J］.电波科学学报，2007，22（4）：626-630.HUANG L，WEN B，WU L，et al.Ionospheric interference mitigation in HFSWR［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（4）：626-630.（in Chinese）

［10］REINISCH B W，GALKIN I A，KHMYROV G M，et al.New digisonde for research and monitoring applications［J］.Radio Science，2009，44（1）：230-240.

［11］CHEN G，ZHAO Z，ZHU G，et al.HF radio-frequency interference mitigation［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2010，7（3）：479-482.

［12］RIFE D C，VINCENT G A.Use of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones［J］.Bell Sys Tech J，1970，49（2）：197-228.

［13］GIESBRECHT J E.An empirical study of HF noise near Adelaide Austrialia［C］//IET 11th international Conf.on Ionospheric Radio Systems and Techniques.Edinburgh，April 28-30，2009：1-5.

［14］李 旭，李竞翔，戴鹿村.一种抑制信道断续干扰的自适应门限检测算法［J］.电波科学学报，2007，22（4）：691-695.LI Xu，LI Jingxiang，DAI Lucun.Adaptive threshold-detection algorithm for suppresing discontinuous narrowband interference in communication channel［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（4）：691-695.（in Chinese）

［15］JAIN V K，COLLINS W L，DAVIS D C.High-accuracy analog measurements via interpolated FFT［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1979，28（2）：113-122.

［16］刘 渝.快速高精度正弦波频率估计综合算法［J］.电子学报，1999，27（6）：126-128.LIU Yu.A fast and accurate single frequency estimator synthetic approach［J］.Chinese Journal of Electronics，1999，27（6）：126-128.（in Chinese）

［17］张昌菊，唐 斌.单频信号快速频率估计算法比较及改进［J］.电讯技术，2005，45（1）：72-76.ZHANG C，TANG B.Comparison and modification of frequency estimation algorithms for single sinusoid signal［J］.Telecommunication Engineering，2005，45（1）：72-76.（in Chinese）

［18］张 松.基于FFT的正弦信号频率估算新方法［J］.大理学院学报，2009，8（8）：36-39.ZHANG Song.A new FFT based algorithm for sinusoid frequency estimation［J］.Journal of Dali University，2009，8（8）：36-39.（in Chinese）

［19］宁百齐，林 晨.软件无线电在电离层电波探测中的应用［J］.电波科学学报，2002，17（3）：286-290.NING Baiqi，LIN Chen.Application of software radio in ionospheric radio sounding［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（3）：286-290.（in Chinese）