跳频技术在高频地波雷达中的应用

第３６卷第７期　２００８年７月　同济大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖｏｌ＿３６　Ｎｏ．７　

Ｊｔｄ．２００８　

跳频技术在高频地波雷达中的应用　桂任舟　（同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室，上海２０００９２）　摘要：为提高高频地波雷达的抗干扰能力，提出了一种在线性调频中断连续波的基础上基于跳频技术的新高频地　波雷达体制．并从整体上对这一新体制进行了阐述．在分析了这一新体制优缺点的基础上，对由跳频引起的旁瓣过　高这一缺点，采用三次样条插值方法实现对不可靠数据的替代来进行弥补．最后给出了这一体制雷达的理论分析　和系统仿真结果．　

关键词：高频地波雷达；跳频；三次样条插值；旁瓣抑制　中图分类号：ＴＮ　５７．５１　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２００８）０７—０９６７—０５　

Ａｐｐｌ　ｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｏｐｐｉｎｇ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｔｏ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｗａｖｅ　Ｒａｄａｒ　

ＧＵ了Ｒｅｎ２　Ｄ“　（Ｋｅｙ　Ｌａ￣ｍｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｍｓｔｒｙ　ｏｆ　ＦＡｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：西ｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｎｅｗ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｎｇ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ肠　（　Ｃ　）ｂｙ　ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｏｐｐｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　０ｆ　ＨＦＧＷＲ．Ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃ—　ｄｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｔｒｕｃｍｒｅ　０ｆ　ｔｈｅ　ｈｏｐｐｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｎ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｄａｒ，ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｒａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｕｂｉｃ　ｎｅ　ｆｕｎｃｄｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｏｖｅｒ—　ｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔ￣ｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｉｄｅｌｏｄｅ　ｃｓｕｓｅｄ　ｂｙ　ｈｏｐｐｈａｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅｌｏｂｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ、　出ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｖｅ　ｒａｄａｒ；ｈｏｐｐｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｃｕｂｉｃ　ｓｐｌｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｓｉｄｅｌｏｂｅ　

高频地波雷达能超视距监测海洋环境（如风、　浪、流等海洋动力学参数）、海上低速移动目标、航空　母舰上起降的飞机等，已引起了人们的普遍关　注…１．高频地波雷达工作频率在３～３Ｏ　ＭＨｚ，这一　频段非常拥挤，存在各种各样的电磁波干扰．目前抑　制干扰主要从两方面着手：一方面针对回波信号中　已经存在的噪声，通过对各种信号处理算法进行改　进，以减小干扰．这方面已取得一定的效果；另一方　面在干扰进人接收机的源头进行一些处理，如通过　改进天线设计，使许多干扰信号不能进人接收机．或　通过增加频谱监测部件，根据干扰情况来选择适合　雷达的工作频段，也可成功地在源头上减小干　扰　２．但因高频地波雷达现一般用线性调频体制，　扫频带宽一般为几十ｋＨｚ．对现场海面上各种不同　

收稿日期：２００６—１１—２９　基金项目：国家自然科学基金资助项目（９０７１８０１５，６０６７３１５７）　作者简介：桂任舟（１９７３一），男，工学博士，主要研究方向为电波传播、雷达系统设计和雷达信号处理，Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｚｇｕｉ＠ｍａｉｌ．ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ　

维普资讯 http://www.cqvip.com 同济大学学报（自然科学版）　第３６卷　时间不同信号进行频谱分析后发现，雷达工作频段　内不可避免存在干扰，虽然可用陷波滤波器把窄带　干扰滤去，但是这样也会使该频段内有用回波信号　被滤除．实测频谱中尽管很难找到几十ｋ｝｛ｚ连续的　干净频段，但在整个地波雷达可工作的频段上，还是　有一些较窄的干净频段．所以，在此基础上，运用跳频　技术让雷达工作在这些干净频段，从而实现从源头上　避开干扰．对这种基于跳频技术的雷达机制，主要从　两方面进行抑制噪声处理：在源头上防止干扰进入，　以及抑制已进入雷达接收机内的干扰．因为选好的部　分干净频段只是相对而言，在这些频段内也还存在干　扰，对于这一部分干扰的抑制可采用信号处理方法来　实现．　１整体框架结构　基于这一思想的系统模型如图１所示．该系统　工作思路如下：先通过频谱监测部件在整个地波雷　达可工作的频率范围内进行频谱监测，选出几段较　干净频段，从而确定跳频图案．然后根据这个跳频图　案控制雷达发射机和接收机进行工作，并把处理结　果通过ＶＸＩ总线送给ＰＣ机从而把测量结果显示出　来，在选定好几段较干净的雷达工作频段后，在雷达　工作的每次扫频间隙，控制频谱监测部件只对雷达　正在工作的几个频段进行监测，这样做可起到２个　作用：提供给自适应滤器的噪声输入；用于观察雷达　工作在这几个频段内的干扰分布情况．如果发现干　扰变得特别严重，则应停止雷达工作，重新在整个地　波雷达可工作的频率范围内进行频谱监测来选出几　段较干净频段，确定出新跳频图案．系统中各部分主　要功能简述如下：ＰＣ机主要完成人机交互和信号处　理这两部分工作，开始通过人机交互实现各种参数　设置，产生相关控制信号，后通过人机交互来显示测　量结果；信号处理主要分两部分：对频谱监测结果进　图１系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　行处理．发射机根据由频谱监测得到的跳频图案来　实现发射信号跳过干扰频段．接收机同样根据跳频　图案对回波信号进行匹配滤波，来获取相关信息．　

２跳频信号的波形设计　在常用线性调频中断连续波的基础上再加上跳　频技术高频地波雷达的发射信号波形如图２所示．　发射信号函数表达式：　

ｓ　）＝　）ｃｏｓ（２　（　一　ａｔ　，　０≤ｔ＜ｔ１　

ｔ１≤ｔ＜ｔ　

ｔ　～ｌ≤ｔ＜ｔ　（１）　式中：ｇ（ｔ）为门控信号即发射脉冲　

：　ｃｔ　一　ｌｇ（￡）＝∑ｒｅ　１卜”ｑ一　ｌ　。　ｌ　Ｔ０　ｊ　ｑ为门控脉冲周期，丁０为脉冲宽度；厂ｌ，厂２，…，　为每段对应的初始频率；ａ为线性调频斜率；ａ＝Ｂ／　丁，Ｂ为线性调频带宽，丁为扫频时间．　接收信号波形与发射信号波形如图３所示．如　果发射信号被位于Ｒ０处、以速度　离开雷达的目　标散射，则雷达接收到的后向散射回波信号在时间　上存在延迟，且附加多普勒频移，幅度经历了空间衰　减．因为目标位置可表示为　Ｒ（ｔ）＝Ｒ０＋ｗｔ　（２）　式中：Ｒ０为ｔ＝０时目标位置．延迟时间则为　

＝　＝　十一２ｖｔｄ　Ｃ　Ｃ　Ｃ　ｔ…Ｊ）　一　一　十　

式中：Ｃ为光速．　

图２发射信号波形　Ｈｇ．２　Ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆｔｒａｎｓ・　ｆｅｒｒｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　

图３接收信号和发射信　号波形的对比图　

．３　Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓ－　ｆｅｒｒｉｎｇ　ｓｉｇｎａ１　ｗａｖｅ－　ｆｏｒｍｓ　

、、●●／、、●●／　甜一２　甜一２　一　一　＾　兀　兀　２　２　Ｓ　Ｓ　∞　ｇ　ｇ　ｌ＿　ｌＩ　（　（　－．．　Ｓ　Ｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期　桂任舟：跳频技术在高频地波雷达中的应用　９６９　因此，接收信号可写成　＝　ｃｏｓ　］　ｌ　ｔｄ≤￡＜ｔｌ＋　Ｊ　ｓｚ㈩＝　ｃｏｓ　一　］　１　￡１＋￡ｄ≤￡＜￡２＋　ｆ　Ｊ　ｓ　＝　ｃｏｓ　一　］　【　￡　一１＋￡ｄ≤￡＜　＋　（４）　式中：Ａ为接收到回波信号的幅度变化量；Ｐ（￡）＝　ｇ（￡一ｔｄ）［１一ｇ（￡）］．　接收信号经过射频放大后与发射信号混频，经　过低通滤波得到基带信号［３—４　３　ＳＩ＝∑（Ｓ　＋ｓ；）　（５）　Ｓ　部分为对齐部分：发射信号同回波信号处于同一　频段，它们拥有相同的载频；而Ｓ；部分为未对齐部　分发射信号同回波信号处于不同频段，它们拥有的　载频不一致．因为经过混频后还要经过低通滤波器，　所以只要保证每一跳之间的间隔超过低通滤波器截　止频率，即可对未对齐部分进行滤除．　下面阐述基于跳频体制雷达的位置信息与运动　目标速度信息的提取．　经过混频和低通滤波后，由上面所分析可知，实　际的基带信号为　ＳＩ＝∑Ｓ　（６）　对上式进一步展开得到：　。：骞　十２Ｒ　ＺａＳ　ＡＰ（）ｃｏ　２　￣ｌｘ０ｏｔ十。：∑　ｓ　Ｊｆ　十　，十　ｌ　Ｌ　＼ｆ２ｖｆｉ　２Ｒｎａ　２Ｒ０傀１　ｌ　一　■＋　Ｊ卜　）］＝　ｉ＝１　）ｃｏｓ　）（７）　＝　一　＋　～　。＋￡ｄ≤￡＜“８）　～　，　Ｈ　ｄ　通过式（８）可以看到，每段对于位置信息的提取　都是一样的为一　：一　。所对应的频率差．　可以看出位置信息的提取与每段的载频无关．　９ｆ．　Ｉ　，）　．　然而第２项　＝　为运动目标速度引起的多谱　

Ａｆ　勒频率．它与每段的载频有关．这需要根据每一次跳　

变所跳过的频段进行补偿．补偿的方法如下，由于　＝ｆ０＋Ａｆｉ，所以可以在完成对基带信号的采集后　根据跳变图案对采集完的数据进行补偿．　尽管采用这样的跳频方式可以避开干扰较严重　的频段，但也存在不足之处，在频率跳变的过程中，　正是由于未对齐部分的存在，使得经过混频和低通　滤波后的基带信号发生中断．通过运用基于Ｍａｔｔａｂ　的动态模型与系统仿真工具Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对这一雷达　体制进行仿真，可很直观地说明上面的结论．仿真的　参数如下：一次扫频的周期为１　Ｓ，扫频带宽为４０　ｋＨｚ，载频为６　ＭＨｚ，在０～０．３　Ｓ内实现在载频的基　础上从０～１２　ｋＨｚ，接下来的０．５　Ｓ不是从１２　ｋＨｚ　开始，而是从１７　ｋＨｚ扫到３７　ｋＨｚ，也就是说跳过５　ｋＨｚ，最后的０．２　Ｓ不是从３７　ｋＨｚ开始，而是从３９　ｋＨｚ开始扫到４７　ｋＨｚ，跳过２　ｋＨｚ．通过延时０．００１　Ｓ来模拟对应１５０　ｋｍ处目标的回波信号，经过混频　后的波形如图４中下部分图形所示，明显可看到未　对齐部分的频率较复杂，经过低通滤波后波形如图　４中上部分波形所示，若不采用跳频机制，则某一固　定距离元的回波信号经过处理后的基带信号应为一　连续的正弦波信号，但经过跳频处理后则发现每次　频率跳变都对应着基带信号的一次中断．这是由于　在跳变过程中存在不同载频参加混频，使得对应低　通滤波前的信号出现不同频率而非理想情况，由于　前面讲过当每一次跳频间隔超过低通滤波器的截止　频率时，这部分的混频结果被滤除．这样就使得经过　低通滤波器输出的基带信号发生了中断，而这种频　率跳率是随机的，且随着跳频次数的增加，基带信号　随机中断的次数也增加，会带来新的问题．由于中断　的随机性，它引起的旁瓣模糊也是变化的，单纯靠加　窗已经不能很好地抑制这种由于频率跳变所引起的　旁瓣模糊问题．目前抑制这类由跳频引起的旁瓣模　糊主要有如下２种：１种采用最小二乘法来实现对