地波雷达电离层杂波干扰及抑制措施

韦有平

（福建厦门同安海军92985 部队，福建 厦门361100）

地波雷达运行过程中会受到一定程度的干扰，并非处理理想的运行状态，存在着向上发射经天波传播、沿海面传播方式，其中部分能量在运行过程中会经过电离层而放射，天线能够接收这部分能量，在一定程度上干扰了电离层杂波的运行，现实工作中，经常出现的干扰因素为3～10 MHz 电离层杂波干扰，属于高频段的低端，表现最为明显的运行雷达为距离在400 km 的远程地波雷达，往往具有3～5 MHz工作频率。电离层杂波干扰原因复杂，其原因包括电离层分层结构不够平稳、分层结构不够均匀。为了有效解决这一问题，可以设置一个较大的工作频率，比相应电离层临界频率大，以此缓解地波雷达电离层杂波干扰，使电波传播过程中能够穿透电离层，这种运用方式在消除干扰的同时也增加了发射功率，为了确保探测距离，一般要求在3～5 MHz 波段以获得较小的衰减。对电离层杂波特性的解读影响着对抑制电离层杂波干扰以及所能够取得的干扰效果。

1 典型的电离层杂波干扰多普勒频谱

地波雷达探测基于获得目标的多普勒回波。大量的地波雷达实测数据表明，电离层杂波可以出现在100 km 以外的区间，不同的昼夜时间、不同的季节，电离层杂波干扰所影响的距离元、杂波的多普勒频移、多普勒扩展度，以及电离层杂波的强度不同。有效探测距离200 km 以内的电离层杂波干扰出现的概率相对较低，200 km 以外的电离层杂波干扰（主要是F 层杂波）出现的概率却很高。对于工作在3～5 MHz、设计探测距离为400 km 的高频地波雷达，电离层杂波（除F 层回波外，还包括E 层回波）出现的区域刚好位于有效探测距离以内，这样就给海态反演和目标检测带来很大困难。为了很好地实现对电离层杂波干扰的抑制，必须认真分析其特性。

电离层具有多层性和不规则性，使电离层难以对地波雷达电磁波形成一种良好状态的反射效果，高频地波雷达信号在传输过程中经过了一系列的相关处理，包括极化域、空间、频率、时间等层面的处理，处理过程等同于时变滤波器的输出。电离层杂波呈现出多普勒频移状态，这主要是由于多普勒形态较为多样且具有一定宽度，且调制过程整体处于调制状态。其中常见的地波雷达典型电离层杂波干有条型干扰、点型干扰、扩展型干扰、彗尾型干扰、扩展阻塞型干扰等。分析大量的实测数据发现，有的电离层杂波具有较好的方向性，而且多普勒谱中不同的多普勒单元具有相似方向性；有的电离层杂波谱并没有表现出较好的方向性。

2 电离层杂波干扰的传播模式

D 层、E 层、F 层是电离层的主要构成部分，这主要是基于电离层电子浓度差异而进行划分的，电离层受杂波干扰原因有多种，包括电离层自身不够平稳、其自身的传播模式以及分层方式并不均匀等。电离层由于自身浓度的差异能够放射不同频率的信号，产生的最大频率称为临界频率，且（N 为每立方米电子数），D 层一般只在白天出现，高度为60 km 左右，由于D 层对高频信号主要以吸收为主，一般不会形成地波雷达的电离层杂波；E 层高度可以在90～120 km 间变化；F 层高度在140 km 以上；在E 层高度区偶然产生ES层，特别是在中国沿海区域夏季，这种ES层的产生非常频繁，而且电子浓度非常高，甚至能对超高频以上信号产生反射。通常E 层、ES层和F 层都可能产生反射回波，从而形成地波雷达高频信号干扰杂波，造成地波雷达干扰。多普勒谱可呈现多种类型的形态与E 层、ES层和F层回波传播模式有关。

电离层对地波雷达产生干扰的可能传播模式有：①ES（或E）层直接回波干扰，干扰距离为100～400 km；②F层直接回波干扰，干扰距离大于200 km；③ES（或E）层海面模式回波干扰，干扰距离大于200 km；④F 层海面模式回波干扰，干扰距离大于500 km；⑤包括①～④的多种组合合成干扰。

从上述分析可知，根据不同的电离层状态、设备性能水平、工作频率，地波雷达在大于100 km 距离都会接收到电离层的回波而被干扰，并出现多种复杂形态。

3 对电离层杂波干扰的抑制措施

电离层杂波的抑制是中远程高频地波雷达的一个技术难题，根据电离层杂波形成的机理、特点等，可结合特殊天线阵性能实现对电离层杂波的抑制。

3.1 极化滤波抗干扰

极化滤波技术是地波雷达抗干扰的一种途径。它的优点是可以抑制自适应选频方法无法抑制的同频干扰以及波束合成技术无法抑制的同向干扰。高频地波雷达进行极化抗干扰主要是针对干扰通过电离层折射产生的椭圆极化波。当传播媒质状态稳定时，电磁波水平极化分量与垂直极化分量间存在确定的幅相关系。因此可以利用水平极化天线接收的电磁波对消垂直极化天线接收的电磁波，从而实现对干扰的抑制。当然，电离层传播媒质是不断变化的，为此必须采用一种自适应算法来解决，在地波雷达站安装水平极化天线。实际试验数据表明，多数干扰都能得到较好的抑制，并且在速度域进行极化滤波的效果要优于时域。

3.2 时频分析，自适应旁瓣消隐

根据电离层干扰在时域、空域和多普勒域的特征，对被电离层干扰的数据段（时间上与距离上）进行检测并消除。先采用大相干积累时间的FFT 变换检测干扰的距离元，然后对可能存在干扰的距离元回波进行短时积累的时频分析，利用恒虚警率（CFAR）检测方法确定受电离层干扰的距离元和时间段，并对回波中受到干扰的海洋回波数据进行置零抑制，重做第二次FFT，即可得到抑制电离层干扰的距离多普勒普，这种抑制电离层方法效果好，算法结构简单，实时性好，虚警率低，是一种可实时应用的稳健算法。

3.3 双频双工抑制电离层干扰

对于没有方向性的电离层杂波，可采用双频工作抑制电离层杂波的措施，即雷达在积累周期工作在两个频率上，使一个频率fE工作在E 层临界频率以下，另一个频率fF工作在E 层临界频率以上F 层临界频率以下。当雷达工作在fE频率时，由于大部分能量被E 层反射，干扰主要为E 层杂波；当雷达工作在fF频率时，电磁波将穿透E 层，主要被F 层反射，此时干扰主要为F 层杂波。这样对于其中一个工作频率，当雷达受到E 层杂波干扰时，将不受F 层干扰；对于另外一个频率，当雷达受到F 层杂波干扰时，将不受E 层杂波干扰。当然，即使雷达斗工作在E 层临界频率以上，两个不同的工作频率受F 层杂波影响的距离区间也不同。这样就使得两个工作频率同时工作而以互补的方式消除电离层杂波干扰。这种处理方式的运用能够有效抑制电离层杂波，还对目标检测、目标识别、海态参数反演有利。

3.4 虚拟调频技术与小波分析结合抑制电离层干扰

运用频率捷变技术对目标进行照射时，由于频率不同，天线口径上分布能量存在一定的差异，为促进信号检测，电离层杂波干扰能流密度与天线口径之间应具有一定的夹角。运用一般捷变频技术增大了相邻发射脉冲雷达载频数值，由此能消减相邻回波脉冲之间的关联关系。虚拟跳频技术具有一般频率捷变技术无可比拟的优点，能针对相位序列进行人为调节，并运用相关技术综合性分析系统实际运行情况，能进行正确的信号检测，避免出现误判现象。并对杂波建立了新的处理方式，改变了原有简单剔除的处理方式，对杂波进行逐次加权处理。运用虚拟跳频技术中可在一定程度上扰动小波系数，改变平移参数。若改变虚拟跳频技术中相位，可能扰动时域信号实部小波系数、虚部小波系数，会在一定程度上改变平移参数。高频部分频率分辨率较有限，与系统要求之间存在着一定差异，由此可以适当调整平移参数、尺度参数，与小波变换中的要求达成一致。当然，该方法中的小波选取、小波函数的分解层次及电离层杂波的检测等需依赖一些经验参数。

3.5 雷达组网抑制电离层干扰

在组网高频地波雷达中，雷达发射信号在传播过程中受自然物体的影响能够发生一定的变化，可被其他雷达收到而构成多路雷达信号。目前组网高频地波雷达回波分离技术主要是频份和时分两种。频份和时分从不同的角度进行分离与处理，前者能够在信号处理过程中将其搬移到其他载波频率处，后者则在信号处理过程中融入了时延因素，将信号从原有区域挪至其他区域中，从而实现分离。网络化观测处理过程中均建立了网络化观测方式，均是在较小的组织内部进行改造，对比实现路径发现，时分方式更易实现，系统的复杂程度低。电离层杂波较易混杂至近距离元回波信号之中，出现被遮蔽现象，电离层杂波具有较强的能量，距离扩展性不大，研究可见不同路电离层杂波之间具有较强的相关性。利用电离层杂波相关性进行自适应滤波，实现电离层杂波对消。相对于单站模式而言两种方法都能对电离层干扰起到很好的抑制作用。