高频地波雷达射频干扰抑制方法

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近年来,基于高导电海水表面对短波段垂直极化电磁波的低衰减特性,高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)被广泛应用于海洋表面动力学要素(风、浪、流场)和运动目标的超视距探测。高频频段(3-30 MHz)的频率占用率非常高,自由空间中存在着大量来自于其他外部无线电发射设备的有源电磁波信号,进入雷达接收机后会导致严重的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)问题,大大降低雷达数据质量和利用率。本文从HFSWR信号处理流程出发,结合RFI信号的数学模型推导RFI在不同表征域的特征。基于这些特征提出两种新的HFSWR射频干扰抑制方法,并利用长时间实测数据的海流反演结果对提出算法的性能进行评估。全文主要研究内容包括以下几点:1)分析了HFSWR射频干扰的来源、多域特性和主要危害。首先介绍了线性调频中断连续波体制HFSWR系统的收发信号模型和信号处理流程。基于RFI的单频信号模型,推导了RFI信号进入接收机后各个信号处理阶段的数学表达式,并总结出了RFI在时域、频域和空域的特征。结合高频地波雷达单站径向流反演流程,分析了典型RFI对海流反演结果的主要危害。2)开展了基于压缩感知(compressed sensing,CS)的时域抗干扰方法研究。介绍了CS理论基本原理。基于RFI在原始时域的短时特性和海洋回波在距离域的稀疏性,提出了新的基于CS的时域抗射频干扰方法。并结合HFSWR海洋回波距离元已知的实际情况,对正交匹配追踪的稀疏重构算法进行简化,省去了迭代原子选择的过程,降低了算法运算量。利用来自OSMAR阵列式高频地波雷达的实测数据,分别对仿真和实测的RFI进行处理,结果表明,CS方法对表现出时域短时性的RFI具有良好的抑制效果。3)提出了基于高阶奇异值分解(Higher-order Singular Value Decomposition,HOSVD)的多域联合子空间投影抑制射频干扰方法。介绍了常规的基于SVD的频域子空间投影(Frequency-domain Subspace Projection,FSP)或方位子空间投影(Azimuth Subspace Projection,ASP)射频干扰抑制方法。联合RFI在频域特性和空域特性,提出了基于HOSVD的多域联合子空间投影抑制射频干扰方法。通过仿真对比实验,表明HOSVD方法比FSP方法能更好地保持海洋回波不被衰减;比ASP方法优越性在于HOSVD方法性能受阵列尺寸影响很小,能更好地保持期望信号不被损害。通过对连续43小时的实测数据RFI抑制前后的径向流反演结果进行对比,结果表明,RFI抑制后反演径向流符合台湾海峡海流的物理特性,原海流数据中的非物理特性已经被消除,进一步验证了HOSVD方法的稳定性和实用性。
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