基于GPS無源雷達(dá)干擾抑制研究

摘要：基于GPS輻射源的無源雷達(dá)，利用目標(biāo)對(duì)非合作GPS信號(hào)的反射工作，具有很強(qiáng)的反偵察、抗隱身及生存能力。由于基于GPS的無源雷達(dá)系統(tǒng)，回波信號(hào)非常弱，故回波信號(hào)的干擾抑制及有效信號(hào)的獲取是其信號(hào)處理非常重要的內(nèi)容。時(shí)基于GPS輻射源的無源雷達(dá)回波信號(hào)中的直達(dá)干擾采用自適應(yīng)濾波的方法進(jìn)行抑制，對(duì)多徑干擾提出采用功率倒譜分析法進(jìn)行分離。在理論研究的基礎(chǔ)上給出仿真結(jié)果，結(jié)果表明，所采用的方法能很好地達(dá)到干擾的抑制，為系統(tǒng)的實(shí)用提供了仿真依據(jù)。
關(guān)鍵詞：無源雷達(dá)；全球定位系統(tǒng)；自適應(yīng)濾波；干擾抑制

近年來，反輻射及隱身技術(shù)等電子偵察干擾技術(shù)的進(jìn)步，大大降低了單基地雷達(dá)的探測能力。且由于單基地自身發(fā)射能量，容易被電子偵察定位系統(tǒng)探測到，對(duì)其生存構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
基于GPS外輻射源的無源雷達(dá)系統(tǒng)不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，利用空中已有的GPS衛(wèi)星發(fā)射的非合作信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測、估計(jì)、跟蹤及定位。這是提高雷達(dá)反偵察、抗隱身、及生存能力的有效方法之一。由于其不需要建造和維護(hù)高功率發(fā)射機(jī)，系統(tǒng)成本很低，與高性能有源雷達(dá)有機(jī)結(jié)合可以形成高效、可靠的防空情報(bào)系統(tǒng)，因而對(duì)無源雷達(dá)系統(tǒng)的研究受到世界各國的高度重視。
本文主要研究基于GPS照射源的天地雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)回波信號(hào)的干擾抑制問題，通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，為系統(tǒng)的實(shí)用化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和仿真依據(jù)。

1 回波信號(hào)模型
基于GPS輻射源的無源雷達(dá)的幾何關(guān)系如圖1所示。

GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的理想模型可設(shè)為(1)式：

其中，CA(t)為C／A碼，f1=1 575．42 MHz，A1為幅度。忽略時(shí)間延遲和初始相位，L1(t)就是GPS直達(dá)接收機(jī)的信號(hào)模型；經(jīng)地面接收機(jī)混頻至中頻后表達(dá)式為(2)式：

其中，Amidf為載波幅度，混頻到固定中頻f0=1．25 MHz。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)反射的信號(hào)經(jīng)混頻后表達(dá)式為(3)式：

其中，Atag為目標(biāo)反射加權(quán)后回波幅度，τ為目標(biāo)反射造成的回波延遲時(shí)間，fd為多普勒頻移。在雷達(dá)接收端，收到的信號(hào)包括：1)未經(jīng)任何目標(biāo)反射的直達(dá)信號(hào)；2)運(yùn)動(dòng)／靜止目標(biāo)的反射信號(hào)；3)經(jīng)多徑反射到達(dá)的多徑干擾信號(hào)；4)接收機(jī)周圍環(huán)境引入的干擾。直達(dá)信號(hào)最強(qiáng)；多徑信號(hào)和目標(biāo)反射信號(hào)及環(huán)境因素均為隨機(jī)信號(hào)，幅度較弱，需要從以上3種主要的干擾中獲得有用回波信號(hào)，并從中提取信息，對(duì)目標(biāo)的距離，速度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)探測、跟蹤和定位，是無源雷達(dá)信號(hào)處理的主要任務(wù)。

2 直達(dá)干擾抑制
直達(dá)干擾的抑制可在1)空間域；2)時(shí)間域；3)頻域中進(jìn)行。本研究采用自適應(yīng)抵消器來抑制直達(dá)干擾，為時(shí)間域抑制方法。此方法在實(shí)現(xiàn)上，只涉及自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單且效率很高。
2．1 自適應(yīng)抵消器的原理
自適應(yīng)直達(dá)波抵消系統(tǒng)是自適應(yīng)濾波器的拓展形式。框圖如圖2所示。原理為：期望信號(hào)輸入端為有用回波信號(hào)sj加直達(dá)干擾n0的原始輸入端dj，sj與n0不相關(guān)；濾波器的參考輸入端xj為已檢測到的直達(dá)信號(hào)n1，n1與n0相關(guān)、與sj不相關(guān)。自適應(yīng)濾波器的傳輸函數(shù)根據(jù)輸出ej=sj+n0-yj自動(dòng)調(diào)整，以將原始輸入中的噪聲干擾抵消掉，誤差輸出即目標(biāo)回波信號(hào)。

2．2 自適應(yīng)直達(dá)抵消算法
自適應(yīng)直達(dá)波抵消時(shí)權(quán)矢量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程可采用最小均方(LMS)算法，即以期望信號(hào)與輸出間誤差的均方值最小為準(zhǔn)則，在迭代過程中估計(jì)梯度矢量，并更新權(quán)系數(shù)以達(dá)到權(quán)矢量最優(yōu)。權(quán)矢量表達(dá)式如式(4)所示。

遞推最小二乘(RLS)算法是另一種自適應(yīng)算法，以誤差ej的最小二乘準(zhǔn)則(即使最小)為最佳準(zhǔn)則。設(shè)δ-1為初始化矩陣系數(shù)，λ為遺忘因子。