（信息与通信工程专业论文）探地雷达抑制射频干扰技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 探地雷达在工作过程中，会受到来自诸如调频广播、电视和通信系统等电磁 信号的射频干扰，这些信号与探地雷达回波信号重叠，一方面在时域“淹没”了 地下目标的回波信号，另一方面在频域“畸化”了目标回波的频谱结构，这些影 响给目标的检测、识别和成像带来困难。另外，射频干扰不仅给雷达系统的硬件 设计提出难题，而且使接收信号的后续处理任务更加艰巨。论文对探地雷达射频 干扰抑制方法进行了系统深入地研究，取得了较好的效果。 论文分析了探地雷达射频干扰的特性，将射频干扰分为两大类：第一类射频 干扰在时间上和频率上有较强的非平稳性和随机性；第二类是连续和稳定的射频 干扰。两类射频干扰在不同体制探地雷达中的影响效果不同，在脉冲体制探地雷 达中，以第一类射频干扰为主；在步进频体制探地雷达中，以第二类射频干扰为 主。 针对脉冲体制探地雷达，主要研究了第一类射频干扰的抑制方法，包括自适 应窗中值滤波算法和突变点检测算法。其中，自适应窗中值滤波算法是在时域中 先检测噪声，然后根据噪声长度进行加窗滤波抑制射频干扰，算法克服了经典中 值滤波算法运算量大的不足；突变点检测算法针对射频干扰在回波信号b s c a n 方 位向上呈现的突变性，运用小波变换进行突变点检测，进而滤除干扰。最后，利 用脉冲探地雷达实测数据对上述算法进行了验证和性能评估。 针对步进频体制探地雷达，主要研究了第二类射频干扰的抑制方法，提出了 基于小波变换的突变点检测频域陷波法和基于小波包分析的阈值选通滤波算法。 前者是在中值滤波的基础上，运用小波分析进行突变检测，对被干扰频段进行频 域陷波，并进行插值处理，从而抑制射频干扰；后者在有效滤除射频干扰的同时， 最大限度地保留了回波信号的细节信息。最后，利用步进频探地雷达实测数据对 上述算法进行了验证和性能评估。 主题词：探地雷达，射频干扰抑制，脉冲，步进频率，自适应滤波，小波分 析，小波包分析 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w h i l eg r 0 吼dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i sw o r k i n g ，i ti si n t e r f e r e dw i t ht h er a d i o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e s ( r f i ) w h i c hc o m ef r o mf mr a d i o ，t e l e v i s i o n ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n do t h e re l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l s t h e s er f i sa n dt h er a d a re c h o e so v e r l a p w h i c hw i l li n d u c es o m ee f f e c t sa sf o l l o w o no n eh a n d ，t h er f is i g n a l sd r o w nt h e u n d e r g r o u n dt a r g e t se c h os i g n a li nt h et i m ed o m a i n o nt h eo t h e rh a n d ，t h er f is i g n a l s c h a n g et h et a r g e te c h o ss p e c t r u ms t r u c t u r ei nt h ef r e q u e n c yd o m a i n t h e s ee f f e c t sb r i n g d i f f i c u l t yt ot h et a r g e td e t e c t i o n ，i d e n t i f i c a t i o na n di m a g i n g i na d d i t i o n ，t h ep r e s e n c eo f r f i sn o to n l ym a k e st h ed e s i g no ft h er a d a rs y s t e m sh a r d w a r ed i f f i c u l t ，b u ta l s om a k e s t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o r ea r d u o u s t h em e t h o d so fr f is u p p r e s s i o nw e r es t u d i e d t h o r o u g h l yi nt h et h e s i s ，a n dt h er f i sa r es u p p r e s s e de f f e c t i v e l y t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr f i si nt h eg p r , a n dd i v i d e dt h er f i s i n t ot w oc a t e g o r i e s ：t h ef i r s ti sn o n - s t a t i o n a r ya n dr a n d o mi nt h et i m ea n df r e q u e n c y d o m a i n ，t h es e c o n di sc o n t i n u o u sa n ds t a b l e t h ei n f l u e n c eo ft h et w ot y p e si sd i f f e r e n t i nd i f f e r e n tg p r s y s t e m s i nt h ec a r r i e r - f r e ep u l s eg p rs y s t e m ，t h ef i r s tt y p ei sp r i m a r y ， b u tt h er f ii n t h es t e p f r e q u e n c yg p rs y s t e mm o s t l yb e l o n g st ot h es e c o n dt y p e f o rt h ec a r r i e r f r e ep u l s eg p rs y s t e m ，t w ok i n d so fm e t h o d sa b o u tt h ef i r s tr f i s u p p r e s s i o nw e r ep r o p o s e d o n ei sa d a p t i v ew i n d o w m e d i a nf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，t h e o t h e ri sw a v e l e t - b a s e dc h a n g e p o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m a d a p t i v ew i n d o w - m e d i a n f i l t e r i n ga l g o r i t h mf i r s td e t e c t s t h el e n g t ho ft h en o i s e ，a n dt h e na d d sw i n d o w s c o r r e s p o n d i n g l yt of i l t e rt h er f ia d a p t i v e l y t h ea l g o r i t h mo v e r c o m e st h ed e f i c i e n c y w h i c ht h ec l a s s i c a lm e t h o dn e e d sal a r g ec a l c u l a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c h t h er f ic h a n g e sa b r u p t l yi nt h ee c h o sa z i m u t h ，t h es e c o n da l g o r i t h mu s e sw a v e l e t a n a l y s i s t od e t e c tt h e c h a n g - p o i n t ，a n ds u p p r e s s e st h e r f is u b s e q u e n t l y f i n a l l y ， e x p l o i t i n g t h ed a t ac o l l e c t e db yc a r r i e r f r e ep u l s eg p rt h r o u g hf i e l dt e s t ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t eb o t ht w oa l g o r i t h m sc o u l d s u p p r e s st h er f ie f f e c t i v e l y f o rt h es t e p f r e q u e n c yg p rs y s t e m ，t h es e c o n dr f is u p p r e s s i o nm e t h o d sw e r e s t u d i e d t h et h e s i s p r o p o s e d aw a v e l e tt r a n s f o r m - b a s e db r e a k d e t e c t i o n f r e q u e n c y - d o m a i nn o t c ha l g o r i t h ma n daw a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s - b a s e dt h r e s h o l d s e l e c t i v ef i l t r a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h em e d i a nf i l t e r i n g a l g o r i t h m ，t h ef o r m e r a l g o r i t h me x p l o i t sw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nt od e t e c tt h eb r e a kp o i n t ，a n dt h e nu s e st h e f r e q u e n c y d o m a i nn o t c hm e t h o dw i t hi n t e r p o l a t i o nt os u p p r e s st h er f i t h el a t t e r a l g o r i t h mc o u l dk e e pt h es i g n a l sd e t a i l sf u r t h e s t ，w h i l es u p p r e s s i n gt h er f ie f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，e x p l o i t i n gt h ed a t ac o l l e c t e db ys t e p f r e q u e n c yg p rt h r o u g hf i e l dt e s t ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t et h et w oa b o v ea l g o r i t h m s c o u l ds u p p r e s st h er f ie f f e c t i v e l y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s ：g p r ( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a o ，r f i ( r a d i of r e q u e n c y i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ) ，p u l s es y s t e m 。s t e pf m q u e n c y ，a d a p t v ef i l t e r i n g ， w a v e l e ta n a l y s i s ，w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1v h f u h f 波段及其附近频率资源的主要分配情况1 9 表2 2 各种抗干扰技术2 0 表3 2 三种算法抑制r f i 性能评估表4 0 表4 1 四种算法抑制r f i 性能评估表6 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图 图 图 图 1 5 1 2 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 探地雷达系统工作示意图6 脉冲信号时域波形和功率谱7 s w w a r 信号时域波形和幅频表示8 脉冲探地雷达系统原理图9 步进频率探地雷达接收回波等效信号1 0 步进频率探地雷达回波信号时域波形1 0 零差式系统结构图1 1 外差式系统结构图。1 2 雷达干扰的分类1 4 雷达获取目标信息的过程1 4 雷达接收机示意图：1 5 检波器输出的功率谱密度。1 7 r f i 频谱示意图1 8 探地雷达抗干扰系统的组成2 2 探地雷达系统对r f i 的抑制处理环节2 3 无射频干扰时雷达回波信号2 5 受到射频干扰时雷达回波信号2 6 受到射频干扰时回波b s c a l l 波形图2 6 r f i 在回波b s c a n 方位向上的表现形式一。2 7 突变点检测抑制r f i 过程3 4 探地雷达实测数据图3 5 经典中值滤波后数据图。3 6 经典中值滤波后数据图3 6 d b 4 连续小波变换检测信号突变点3 7 突变点检测法抑制r f i ：3 8 步迸频体制探地雷达系统信号形式4 1 受到射频干扰影响的雷达回波4 2 步进频探地雷达射频干扰抑制过程4 3 频域陷波抑制r f i 处理过程4 5 小波阈值去噪过程4 9 小波分析低频分解5 0 小波包分析高频分解5 0 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 小波包阂值选通滤波过程5 4 中值滤波法抑制r f i 5 5 滤波前后的时域波形5 5 检测含有突变点的信号5 6 滤波前后的回波信号5 7 滤波前后的时域波形5 7 小波分解后信号5 8 d b 6 小波阈值去噪后的信号5 9 双小波阈值去噪分解信号6 0 双小波阈值去噪后的信号6 0 小波包分解最佳树结构6 l 小波包分解后信号6 1 小波包重构后的各层信号6 2 小波包阈值选通去噪后的信号：6 2 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：曼主乏日期：泖夕年，月厂日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：立磊日期：复- 阳夕年，月厂日 作者指导教师擀：名秘气日期：列罗年j ，月厂日 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第一章绪论弗一早 三：百1 = 匕 1 1 研究背景与意义 探地雷达( u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，g p r ) 是一种基于电磁波的穿透探测设备， 它可以快速、简便地对地下目标和结构进行无损探测，是目前分辨率、效率最高 的地下目标探测设备之一，因此被广泛应用于城建、交通、地质、考古、国防等 部门f l 】。g p r 技术可以在不破坏地表结构的情况下获取地下未知区域的信息，成 为当今各种地下目标非破坏性探测技术中最具应用前景和发展前途的方法之一【2 j 。 目前，g p r 在军事、民用方面的研究开发主要用于下列各种探测领域：( 1 ) 地下金 属或非金属埋设物( 例如管道，电缆线等) ：( 2 ) 建筑物( 如桥梁，楼房) 中钢筋、 电缆走向：( 3 ) 道路质量检测包括路面质量，路面厚度及隐患等；( 4 ) 地质勘探， 如岩层，空洞，断层，地质结构，地下水，地下矿藏等；( 5 ) 古墓和古遗址探测； ( 6 ) 江，河，湖泊的床面测绘及水下目标探测；( 7 ) 冰层，冻土层厚度测量；( 8 ) 刑 事侦察，如探测掩埋的凶器，尸体以及墙壁中埋设的窃听器等；( 9 ) 军事侦察，如 军械，地雷和地下军事设施的探测等。 探地雷达的问世使得人类对地下物质与环境的探测有了重要的工具，如何更 加精细地刻画地下介质和目标促使探地雷达技术不断地革新与进步。探地雷达面 临的主要问题有系统设计、硬件实现、信号处理、数据解译等等。大量的研究和 实验充分证明了探地雷达的可行性，同时随着硬件技术的发展，复杂的雷达系统 已经完全可以硬件实现。然而，探地雷达信号处理技术则相对比较滞后，仍是需 要重点研究的环节，它的主要过程包括：信号预处理、目标检测、目标识别和目 标多维成像等等。 ( 1 ) 探地雷达信号预处理包括去直耦波、去杂波、抑制射频干扰( r a d i o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，r f i ) 、抑制距离旁瓣1 3 j 等等，这是一切后续处理的 基础。 ( 2 ) 目标检测包括能量检测、相关检测等，对探地雷达而言，应该保证在零漏 检率情况下尽可能降低虚警率。 ( 3 ) 目标识别主要是通过目标回波的频谱相位对不同地下目标进行识别、分 类，如空洞、金属物等。 ， ( 4 ) 成像可视化技术对目标检测、识别以及后续数据解译具有重要的指导意 义，对回波数据进行实时成像是一项具有挑战性的课题。 本文主要研究探地雷达信号预处理部分的射频干扰抑制问题。在探地雷达技 术的应用过程中，不可避免地会受到自然界各种干扰的影响，探测区域自然环境 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的不同和地质的差异使得探地雷达技术需要有很强的自适应能力。在探地雷达所 受到的干扰中，射频干扰是影响雷达工作最为严重的干扰之一。 g p r 的工作频率大约在1 0 3 0 0 0 m h z 频段，覆盖了v h f u h f 、g p s 、g s m 移动通信和其它专用的行业通讯频段，所以g p r 系统与这些频段上密布的广播、 电视和各类通信系统有着频谱共用的电磁兼容性( e m c ) 问题【4 】。这些系统的信号混 合在雷达回波信号中，对g p r 系统形成严重的射频干扰。目前，r f i 的抑制技术 已经成为包括探地雷达、合成孔径雷达和穿墙探测雷达在内的超宽带雷达系统中 的关键技术之一。 对g p r 的接收系统而言，r f i 的存在严重降低了系统的性能，其影响主要表 现在两方面1 5 1 ：一是容易造成接收机饱和而无法正常工作，这样给接收机硬件设计 带来困难；二是降低了雷达回波谱的质量，减低了有效探测距离，使得地下目标 信息的有效提取及检测与识别任务更为艰巨。一个避免射频干扰的解决办法是合 理选择雷达的工作频率，避开可能遇到的射频干扰频段，但探地雷达的频率选择 主要是依据探测深度和分辨率的要求而定，难以避开射频干扰频段。因此研究如 何抑制r f i 便成为g p r 信号处理技术中具有现实意义的重要环节。 在探地雷达预处理阶段消除回波信号中的r f i ，要求处理算法结构简单、运算 量较小，并且具有较好的稳健性和信号保真度。对于不同体制、处于不同工作频 段的探地雷达，其受到的射频干扰的影响也不同。在探地雷达的整个工作频段中， 有影响频段较为固定的广播、电视信号干扰等，有随机性的频段干扰，如移动通 信设备等。因此，在处理工作于不同频段的探地雷达的射频干扰时，应有不同的 侧重点和处理方法。 本文的研究基于国防科技大学电子科学与工程学院遥感信息处理教研室研发 的脉冲体制探地雷达( c a r r i e r f r e ep u l s eg p r ) 和步进频体制探地雷达 ( s t e p p e d f r e q u e n c yg p r ，s f g p r ) 展开，对g p r 射频干扰的抑制方法进行了全面系 统的研究。g p r 射频干扰可分为两大类：第一类射频干扰在时间上和频率上有较 强的非平稳性和随机性；第二类是连续和稳定的射频干扰。由于两类射频干扰在 本文所采用的两部探地雷达中的影响效果不同，因此，在脉冲体制探地雷达中， 以研究第一类射频干扰的抑制方法为主；在步进频体制探地雷达中，以研究第二 类射频干扰的抑制方法为主。 1 2 探地雷达射频干扰抑制的研究现状 随着对超宽带雷达系统中r f i 问题的不断认识，国内外研究机构给予了越来 越多的重视，不少研究人员从信号处理的角度对这一问题进行了多方面的探索。 国外较早地开展了r f i 抑制技术的研究。1 9 9 2 年，美国俄亥俄州立大学的u l u g 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 提出了基于正弦波模型的迭代最大似然估计方法消除u w b s a r 的r f i t6 | 。m i l l e r 在其后利用r f i 频率分析的先验知识，也提出了一种准最d , - 乘算法【7 】【引。同一时 期，l o r a l 防务系统部门研究了图像域的r f i 抑制方法和频域陷波的r f i 抑制算法 【9 】。1 9 9 5 年后，g o l d e n 针对n a w cp 3 雷达提出了参数化的最大似然算法【l o l 。近 几年来，国外研究人员又先后提出了基于m u s i c 频率估计的陷波法【1 1 】和基于时频 分析的频域陷波法【1 2 1 ，以及l m s 自适应滤波法【1 3 1 等。 国内研究机构在1 9 9 6 年开始关注超宽带雷达的r f i 抑制技术，并先后提出了 多种r f i 抑制算法，包括：基于结构特征分析的最大似然算法、g r e l a x 算法【1 4 】、 基于t h 神经网络的a r 模型算法【1 5 】和双边平滑l m s 算法【1 6 】等。 根据雷达工作波段和体制的不同，抑制r f i 的方法有着很大的差别。概括来 说，目前抑制r f i 的方法主要有以下几种： ( 1 ) 自适应波束形成和对消 这种方法的基本思想【1 7 】是通过优化阵列的方向图，使天线阵列的主瓣指向信 号的来波方向，同时使零点对准干扰的方向，从而达到r f i 的抑制和目标信号的 相干积累，其实质是一种空域滤波。根据不同的设计要求，权函数的设计是不一 样的。常用的有输出最大信噪比准贝j j ( m s n r ) 和最小均方误差准则( l m s ) 。但是当 干扰信号与所需信号的入射角之差小于波束宽度时，虽然可以使干扰信号处于零 点位置，但是主瓣指向已经偏离了所需信号到达角的方向，引起角度估计误差的 增大，这就是常说的瑞利限( r a y l e i g hl i m i t a t i o n ) 。而天线的波束宽度与阵列的线长 度有关。要区分开靠得比较近的信号与干扰，势必要加大天线的尺寸，通常这是 不现实的。 南京理工大学的研究人员提出了一种在数字波束形成后，利用干扰在不同的 波束之间的相关性来进行旁瓣相消，以抑制r f i 的方法i l 引。西安电子科技大学的 研究人员则提出利用远距离的回波数据对天线主瓣进行约束来抑制r f i 的方法【l9 1 。 f a b r i z i og a 则研究了r f i 的波达方向随时间的变化情况，指出r f i 是空间非 平稳的，在一个相干积累时间( c i t ) 内，r f i 的波达方向可能表现出较强的时变特 征。因此，在一个c i t 之内只计算一次阵元加权矢量通常不能够有效地对r f i 加 以抑制【2 0 】。为此，f a b r i z i o 提出了一种自适应的干扰抑制方案【2 1 1 ，其中心思想就是 把相对较长的c i t 划分成小的时间段，近似认为在这些时间段上干扰的波达方向 是不变的，然后用每段的数据计算当前的最优加权矢量，最后用得到的最优加权 矢量处理该时间段内的回波数据。f a b r i z i o 做法的一个缺陷在于，由于每个时间段 上的自适应权值是分别计算的，因此天线对空间中任一方向的增益是不一样的， 这将对目标的相干积累造成影响。 探地雷达射频干扰来自空间的不同方向，加之其对便携性的要求使得天线尺 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 寸不能太大，因此使用这种方法进行g p r 的r f i 抑制比较困难。 ( 2 ) 时域的参数估计和建模 这种方法将r f i 看作是一系列窄带干扰的组合，而将目标回波和系统噪声近 似看作是白噪声，通过建立相应模型来估计r f i 的参数特性，然后从雷达接收信 号中将其减去以实现r f i 的消除【2 2 】。目前使用的模型主要分为正弦波模型和a r 模型两大类，根据具体模型的不同还可以再进行细分。这类方法仅适用于作用距 离远、目标回波信号信噪比较小的空域监测的超宽带雷达系统，同时，这类方法 还要求雷达所接收的r f i 在时域、频域上有较好连续性和稳定性。但是，就探地 雷达系统而言，其作用距离较小，接收目标回波信号较强，并含有随机性的r f i ， 因此这类方法并不完全适用于探地雷达【4 】。 ( 3 ) 频域的干扰识别和陷波 这种方法在干扰进入接收机以前用凹口滤波器零陷被污染的频带【2 3 l ，这样就 避免了r f i 对雷达的影响。同时为了抑制频谱间断带来的脉冲压缩后旁瓣抬高的 影响，s 。d g r e e n 和s 。p k i n g s l e y 2 4 j 指出可以在距离多普勒处理检测出目标后， 用目标的谱估计值填补被挖除频段的目标谱值。由于在c i t 时间内目标谱值可以 看作是平稳的，所以插值后脉冲压缩输出的旁瓣得到降低。重复上述过程，可使 旁瓣得到进一步降低。这种方法的缺点是计算量很大，而且需要事先找出r f i 的 频率来设计相应的凹口滤波器，因此需要增加额外的硬件开销，实现起来也比较 复杂。 虽然上述方法并不完全适用于探地雷达。但我们可以根据现有抑制r f i 的基 本思想，分析探地雷达r f i 的特性，设计相应的抑制算法。近年来，国内对探地 雷达射频干扰的方法也进行了部分研究，提出了一些抑制算法，例如运用中值滤 、波【2 5 1 、小波选通【2 6 1 、随机相位编码【2 7 1 、随机等效采样【2 8 】等方法抑制射频干扰。 1 3 论文的主要内容 本文的主要研究内容是探地雷达射频干扰的抑制方法。本文首先从探地雷达 的基本原理出发，结合目前具有代表性的两类体制探地雷达，对脉冲体制和步进 频体制探地雷达的工作原理进行了详细的阐述，进而引出对探地雷达进行射频干 扰抑制的重要性，并从雷达抗干扰的角度出发，针对射频干扰的特性，得出抑制 g p r 射频干扰的基本方法；根据r f i 在两种体制探地雷达的特点，设计了针对两 种体制雷达抑制射频干扰的方法，并结合雷达的实际应用，以实测数据对研究理 论和设计算法进行了验证和性能评估。 第一章介绍了探地雷达射频干扰抑制的研究背景和研究意义，并详细阐述了 探地雷达射频干扰抑制的研究现状，对全文的研究内容和研究思路进行了阐述。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章介绍了探地雷达射频干扰抑制的基本理论。先从探地雷达工作原理入 手，对脉冲体制和步进频体制探地雷达工作原理进行了详细阐述，进而对探地雷 达在工作工程中受到的射频干扰进行分析，从理论角度说明了抑制射频干扰的重 要性，最后分析了雷达抗干扰的方法，得出抑制g p r 射频干扰的基本方法。 第三章研究了脉冲体制探地雷达抑制射频干扰的方法。首先对脉冲体制探地 雷达的射频干扰的特性进行分析，得出了抑制随机性射频干扰的方法。运用自适 应窗中值滤波法在时域中先检测噪声，然后根据噪声长度进行加窗滤波抑制这类 干扰，算法克服了中值滤波算法运算量大的不足；根据随机射频干扰的突变性特 点，提出了基于小波变换的突变点检测算法，算法运用小波变换进行突变点检测， 进而对突变点干扰信号进行抑制；最后通过雷达实测实验，运用上述算法对实测 数据进行处理，并对算法进行了验证和性能评估。 第四章研究了步进频体制探地雷达抑制射频干扰的方法。从步进频探地雷达 射频干扰的特性分析入手，得出了抑制步迸频探地雷达射频干扰的方法。小波分 析能够对信号突变点进行有效检测，使用小波变换对信号进行分析，找出信号中 的突变点，并结合频域陷波法的基本思想，对受干扰频点处的信息进行频域陷波， 提出了一种基于小波变换的突变点检测频域陷波法，实现了信号的射频干扰抑制。 运用双小波阂值去噪滤波算法，首先对受干扰信号进行分析，判别r f i 的表现形 式，进而抑制r f i 。基于小波包分析的特点和射频干扰的特性，提出了一种基于小 波包分析的阂值选通滤波算法，该算法先将回波信号进行小波包分解，对信号进 行精细刻画，从而有效地分离出干扰信号，在滤除干扰信号的同时最大限度地保 留了信号的细节信息。最后通过实测实验，运用文章提出算法对实测数据进行处 理，并对算法进行了验证性能评估。 第五章为结束语，总结概括了论文的主要工作和取得的成果，对下一步需要 继续研究的问题提出新的展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章探地雷达抑制射频干扰的基本理论 探地雷达系统的工作示意图如图2 1 所示，雷达系统将天线悬于目标区域上 方，通过移动收发天线获得目标区域下面的回波信息。获取数据后的处理一般包 括回波的去直耦波、去直达波、射频干扰抑制、距离旁瓣抑制、r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t i n g ) 检测、成像、目标识别等，最后输出目标判读结果。其中射频干扰抑制 是探地雷达信号处理的一个核心关键技术，它将直接影响到输出数据的质量以及 后续处理的效果。 图2 1 探地雷达系统工作示意图 探地雷达对媒质内部的目标进行探测，接收信号存在多种干扰和噪声，而目 标反射回波较弱，甚至可能淹没于干扰与噪声中，这对数据的处理与解译形成了 很大的障碍，为获得高精度高分辨率的数据处理与解译结果，须对采集的数据进 行预处理，以抑制或去除各种干扰与噪声，提高数据质量。在探地雷达工作时， 射频干扰是一类较强的干扰，其干扰的频带宽，且随着工作环境的不同而变化， 因此，如何有效地抑制射频干扰是探地雷达数据预处理的重要一环。 本章先从探地雷达工作原理入手，介绍脉冲体制和步进频体制探地雷达的工 作原理，然后介绍射频干扰的基本理论，并分析射频干扰在探地雷达系统中的特 性和表现形式，最后结合探地雷达射频干扰的特点提出有效的抗干扰方法，全面 详尽地分析了探地雷达射频干扰的抑制问题。 2 1 探地雷达基本理论 本文基于脉冲和步进频探地雷达的抗射频干扰技术进行研究，首先介绍这两 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 种体制探地雷达的基本原理和射频干扰的基本理论出发，然后分析探地雷达系统 抑制射频干扰的方法。脉冲体制探地雷达在探地雷达应用中最为广泛，而步进频 探地雷达的接收回波经过傅里叶反变换处理后，与脉冲体制探地雷达回波相类似。 下面具体介绍这两种体制的探地雷达的工作原理。 2 1 1 脉冲体制探地雷达工作原理 脉冲探地雷达的发射信号为脉冲信号，单极脉冲信号【2 9 】的一个典型数学模型 是单指数衰减函数，模型化为 m 审2 e - 等 其中，厶表示幅度，t 表示上升时间，信号的功率谱为 s ( 门= ( 2 4 n 2 t 2 f 2 - 面8 ) 2 + 歹( 2 4 丽n t f _ - - 8 , n 一 3 t 3 f 3 ) 2 单极脉冲信号时域波形和功率谱如图2 2 所示。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( a ) 单极脉冲时域波形图( b ) 归一化对数功率谱 图2 2 脉冲信号时域波形和功率谱 由图2 2 ( b ) 可以看出，此类信号的主要频谱分量都在低频，天线的高通效应不 仅使得相当一部分能量不能从天线辐射出去，降低了系统的发射效率，同时，还 在系统内部产生反射震荡。这种信号失真降低了系统的动态范围，尤其是浅层探 测能力。通过设计和选择中心频率可控的双极脉冲信号体制探地雷达可以有效地 弥补单极性脉冲信号的不足。 典型的双极波就是脉冲调制的正弦信号，如果中心频率是磊，脉冲宽度是f ， 则信号的频谱是 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为 双n = 1 5s i n ( 2 z f o t ) e - j 2 a 礅 一，、 ( 2 3 ) 少is i n z ( f o + 厂) 了】s i n z ( f o f ) r 】【 = 一一， 2 l ，r ( f o + 厂) f 万( 兀一f ) rj 假设脉冲宽度f 内包含个周期，贝l j r = 7 n ，以譬代替f ，可得s ( 力的幅度 s ( 厂) 1 1 s i n c 万务 万兀 1，厂、2 i l 了， j o ( 2 4 ) 带振铃的正弦子波( s w w a r ) 是一种接近实际的超宽带信号波形，可以精确描 述实际的双极冲激信号。s w w a r 的解析表达式为 r一 s ( 忙 彳s i n ( 2 万夕) c o s 唁石j q ) r t t 吃 ( 2 _ 5 ) 【一a s i n ( 2 z f i ) e 叫 r 吒 其中，q = i n ，吒= 了n ，口= o 0 1 ，厂= 号，是信号的持续时间。s w w a r 可以表征冲激脉冲典型的快能量建立和慢衰败过程，其波形、幅频谱如图2 3 所示。 ( a ) 带有振铃的正弦子波( b ) 归一化对数幅频谱 图2 3s w w a r 信号时域波形和幅频表示 。 典型的脉冲体制探地雷达系统原理图如图2 4 所示。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 4 脉冲探地雷达系统原理图 212 步进频探地雷达工作原理 步进频探地雷达通过发射一串载频线性跳变脉冲，对脉冲回波的逆快速傅里 叶变换( i f f t ) 处理可获得较高的距离分辨率，其基本原理【刈如下： 假设发射波形是有_ v 个步进变频脉冲的z ( f ) ，接收波形是y ( f ) ，起始频率是 ，步进变频间隔是，每一个脉冲宽度是t ，则有： z ( r ) ；n - ir e ( e x p j 2 a - ( l + k a y ) 帆仁! ；j 坐) ( 2 - 6 ) 考虑一个反射系数是f = e ”的点目标，在无损耗的介质中产生一个延时为 1 - f 暇设目标和介质的介屯常数不随频率而改变，可以认为r 和f 是常数) 可以得到 接收信号为： y ( f ) ：兰r c 州e s | e x p j 2 ”瓴+ k a f ) ( f r ) p e “( 上三 ；二! 马( 2 - 7 ) t m 发射信号同时被传送到接收端作为参考信号，假设复参考信号为： - ( f ) + ，q _ ( ，) 。2 兰e x p 一j 2 z ( + k a f ) f 批“( 上! ：堡) ( 2 _ 8 ) 再假设t r ，接收信号通过混频下变频到复基带信号，经过低通滤波后得复 基带信号： r ( r ) + ，口：艺 砷“唧卜2 t c ( l 十女d ，h 俐( ! 兰三；婴) ( 2 - 9 ) 一0 复基带信号采样后得到一个复数组： c ( t ) = i r i p ”e x p ( 一i 2 , r ( l 十t a f ) f ) k = o ，1 ，2 ，n 一1 ( 2 - 1 0 ) 数组中每一个分量都是基带信号的一个频域采样值，因此可以表示为离散频 域的形式： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 c ( 厂) = t i e 。9 e x p - j 2 e r ( f o + 厂) f ) f = o ，矽，2 鲈，( n - 1 ) a f ( 2 1 1 ) 通过插入和补零的方法可以得到其带通等效信号d ( f ) ： 。( 门= m 争矿脚7 ( 2 - 1 2 ) 式中：b 为发射信号等效脉冲的带宽，z 为发射信号等效脉冲的中心频率。 接收回波的等效信号如图2 5 所示。 图2 5 步进频率探地雷达接收回波等效信号 通过逆离散傅里叶变换( i d f t ) 可以把频域数据d ( 门变换到时域d ( t ) ： d o ) = i d f t d ( f ) = i r i 口b s i nc b ( t - r ) e j 2 y 卜7 ( 2 13 ) 回波信号的时域波形如图2 6 所示。 图2 6 步进频率探地雷达回波信号时域波形 显然，时域等效结果包括了目标的反射系数和回波延时，i d f t 算法等效于一 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 个脉冲压缩滤波器，对于多个目标，i d f t 压缩每一个反射信号到它们各自对应的 时间单元，从而实现对地下目标的检测。 步进频率探地雷达系统结构主要有两种模式 2 9 】：零差式结构和外差式结构。 图2 7 为零差式结构图，可以看出零差式结构比较简单，发射信号的频率为： f t = 彳+ z + ( 2 1 4 ) 其中z 为中频频率，z = f o + 刀v 为步进频率，兀为起始频率，为频率步进间 隔，万为发射载频，不考虑移动天线速度造成的多普勒频移影响，接收回波信号 与发射信号的频率相等，只是增加了延时和幅度衰减，即为目标的信息。零差式 结构直接将发射信号耦合到接收端作为参考信号与接收信号混频，得到直流( d c ) 信号，然后再进行后续的信号处理。虽然零差式结构所需的硬件较少，但是因为 它是对接收的射频信号直接进行i q 解调得到回波的相位和幅度信息的，所以i 、 q 通道幅相不平衡会造成数据误差和增益起伏，必须经过校准才能消除，而校准 算法必须在宽带条件下完成；