海上通信抗干扰技术研究
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作者: 任嘉慧
【摘要】海防建设的首要目标是具备高超的卫星雷达探测和反探测技术，比如海上通信抗干扰技术中的高频地波雷达。高频地波雷达可以超视距探测高频段垂直极化电磁波，进而探测海上舰船和低空飞行目标。
【关键词】海上通信抗干扰；高频地波雷达；杂波干扰抑制
大气中的电离层存在长短不同的电波，反射雷达发射的各种信号，形成杂波，借助自身空间内的介质传播电台远距离发射的电波信号，将其反射到雷达的接收机，形成干扰性电台天波。海上通信使用高频地波雷达，可以抑制电离层杂波和电台天波的干扰。
1.高频地波雷达
沿海岸线架设的高频地波雷达的全称是高频地波超视距雷达，该种雷达主要沿着海岸线架设，是海上通信抗干扰的关键技术。其系统构件包括发射天线、接收天线、运行软件和运行硬件[1]。
1.1 抑制垂直向电离层杂波
高频地波雷达抑制电离层杂波之前，通常首先变换探测目标常规的距离和速度，获取每一道信号通道的距离速度谱，然后利用自适应对消算法对消处理所有独立的距离单元的电离层杂波。旁瓣对消法依靠合适的辅助通道分离目标和杂波，准确估测主通道的干扰信息。在传播路径上，电离层中的垂直向杂波与目标电波、海浪发射波具有明显的差异。因此，旁瓣对消法的辅助通道依靠水平极化天线或者设置水平向凹口来建立。
旁瓣对消抑制垂直向电离层杂波的方法依托于水平极化辅助天线和L阵辅助天线，需要增设非常多的天线阵子和接收机才能实现，而且，旁瓣对消法还会破坏部分回波信号，进而深入破坏抑制海面传播杂波的作用，减小雷达对电离层杂波的抗干扰效力。因此，在保持原有设备的处理信号复杂度的基础上，构造新式的接收天线，增强雷达抑制垂直向电离层杂波的效力。
垂直向电离层杂波沿着天线垂直面传送到雷达接收器，因此，天线垂直面形成了干扰电波的传播通道。雷达的接收天线阵沿海岸线建设的一维阵线，由许多接收天线单元组成，每个单元由4个单极振子构成，而且每个单极振子都垂直于海岸线，由4个单极振子构成的天线子阵增强了抑制垂直向电离层杂波的能力，有效地控制各个接收天线传送过来的垂直平面图，提高天线阵抑制近垂直平面干扰电波的能力，能增强雷达抗电离层杂波干扰的能力。
1.2 抑制海面传播电离层杂波
海面传播电离层杂波是杂波中影响高频雷达最严重的杂波。经电离层调制的杂波，沿海面传输到高频雷达的接收机，其传播方式、垂直入射角度和极化特性都与目标不存在较大的差异，所以，在数据处理器中难以分离目标和杂波。而且，电离层水平方向杂波具有较强的特性，只能通过控制其空域角度来实现抑制作用，以保护目标信息为目的，采用单凹口滤波器辅助通道对消方案，准确分离平面电离层杂波和目标的角度，降低高频地波雷达系统的虚警概率[2]。
1.2.1 单凹口滤波器对消
由于单凹口滤波器干扰目标的作用旁瓣的干扰作用小，能够有效地分离高频地波雷达接收的目标和水平电离层杂波，所以一般采用单凹口滤波器对消海面上水平方向的电离层杂波。水平面电离层杂波具有多个回波传播方向，必须相应的构建多个只存在波束方向零陷的辅助单凹口滤波器，以实现同时接收和处理多个方向的杂波，扩大分离目标和杂波的能力，提高对消杂波的自由度和效力。再则，加宽的单凹口采用嵌入旋转式安装在滤波器上，通过全方位的自动化旋转，增强接收不同频率的水平方向杂波，进而增大处理杂波的强度，减少海面传播电离层杂波的影响。
1.2.2 预检测对消
使用各种对消法抑制电离层杂波的过程中，由于接收天线阵列架设结构不理想，或者由于滤波器单凹口旋转时的口面与电离层杂波的传播存在较大的时间差，无方向的一阶海杂波会和大目标一同传播进辅助通道，大大增大了对消海杂波和目标的强度，导致对消系统的自由度不够，同时也会抑制目标和损失目标，破坏回波输出谱结构；此外，目标信号不在辅助通道，经过对消后同样会出现破坏谱结构的弊端，最终抑制目标生成数据信息。由此可见，必须采用预检测对消法剔出存在的目标和海杂波的单元，减小对消效果对系统性能的制约和破坏。
基于CFAR和海杂波检测的预检测对消法，可以通过检测目标和海杂波的波幅估测海杂波和大目标共同存在的单元，进而剔除能够检测到海杂波和大目标的单元和目标位置的过渡区域，获取只有电离层杂波的单元。
由于电离层的杂波传播能力较强，阵列误差又大，抑制杂波和保护目标信号在操作中存在突出的矛盾。这种自相矛盾体现在设备的加载系数上，加载系数小，对消杂波时也会抑制杂波中的小目标，加载系数大难以完全抑制杂波。为解决杂波抑制和目标保护之间的矛盾，在此，可以采用迭代变加载预检测对消法多次检测单元中目标和杂波，有效地排除杂波和保护目标。先用比较大的加载处理数据，抑制一定量的杂波，减小抑制杂波中目标信息的量，再进行二次检测，获取含有新目标信息的新单元，最后使用比较小的加载二次对消和处理新单元的较少目标的杂波。每进行一次迭代都检测样本中的目标量和杂波量，降低破坏目标信息的程度，保证目标的信噪比。
1.3 抑制电台干扰天波
电台干扰天波存在于雷达短波频段低端，电台信号经过电离层远距离的传播后进入雷达接收机，使系统难以获取频率相对平稳的单元，严重干扰目标的接收工作；同时，经过电离层调制，电台干扰天波失去了较好的稳定性，影响高频雷达正常的运行。为此，必须采用各种抑制干扰天波的技术，提高目标的信干噪比，保护好检测背景，提高检测目标的正确率和精度[3]。
1.3.1 稳健天波电台干扰抑制法
高频雷达的运行环境，电离层没有固定的变化规律，其夜间的平稳性更差，其中的无规律伏动和多层反射，形成电台干扰天波的多径效应和极差的平稳性，造成高频干扰系统结构较短积累时间发生较大的时间变化；而且，目标和海浪回波的垂直极性达不到理想的标准，接收天线的结构和假设也会存在问题，等等，都会使一些目标回波隐藏在海杂波中，大幅度降低主辅通道的抗干扰性能，削弱旧式旁瓣对消干扰波的有效性。由于高频雷达的运行环境比较特殊，目标和海浪回波具有较强的垂直极化性，而经电离层长距离反射的电台干扰天波具有较强的椭圆极化性，因此，抑制电台干扰天波的对消方法应联合水平天线旁瓣，平复还杂波和目标传播波幅的稳定性，保护接收天线和数据处理器的性能。 1.3.2 超分辨谱估计电台干扰抑制法
由于超分辨谱估计电台干扰抑制法具有高分辨，广泛应用于处理阵列信号的操作。这种抑制方法依靠处理雷达系统实际数据和超分辨处理，抑制海杂波和电台干扰天波，以有效性地探测和显示目标。但是，超分辨谱估计电台干扰抑制法极易被电离层的无规律变化影响，而且严重受阵列模式和通道误差的制约。与目标同向的干扰天波在主瓣上会显示出多个峰值，产生杂乱无序的超分辨谱，造成巨大的虚警现象，难以处理后续操作。
2.海上通信抗干扰技术在海警部队执勤中的应用
海警部队在执勤过程中把高频雷达使用于海警舰艇上，发射和接收回波在雷达显示器和总控台生成的矢量线、尾迹显示、物标警戒圈等图谱图标，探测和判断目标的距离、方位、运动路线等外观信息。雷达显示器上的矢量线在海警部队执勤工作中用途最广，海警部队航海技术人员根据矢量线的起点位置、方向和长短准确判断目标的位置、外形，估测目标于执勤航船的相遇态势以及估计其危险性和破坏力，以便做好防御决策和指挥，以及实施应对措施，避免暗礁破坏、航船搁浅和海底敌舰袭击等危险，进而明确目标的特性。
雷达的尾迹，实际上是指目标在海上连续运动产生的轨迹图谱，基于先进的电子信息处理技术，分析目标回波的数据，以形成目标在某个时间段移动路线平面图谱，在雷达的显示屏幕上延时显露。通过跟踪和标绘目标的运动路线，再把绘制与目标实际运动一致的轨迹图谱显示在雷达显示屏上，用以判断目标的运动速度、航向和航行路线。由于雷达尾迹的显示屏和操作设备都架设在军舰中，所以，海警部队执勤人员可以在通航密度高的执勤区全天候地观测目标，避免在室外风吹、日晒、雨淋、多雾和夜间的恶劣条件下执行观测任务。
高频地波雷达在海上通信抗干扰方面的应用具有巨大的优越性和技术发展空间，其系统设备完善，功能完备，操作灵活，以先进的天线列阵和高超的信息波段分离对消技术，抵御电离层各种杂波对目标回波的干扰，以清晰、精确地探测海上的所有目标，有效地保障船只和舰艇在海上航行的安全。
参考文献
[1]曲翠萍.毛滔.超视距雷达综述[J].雷达与对抗，2006， 3（15）：1111-1114.
[2]李雷.高频雷达自适应抗干扰技术研究[J].电波科学学报，2009，24（3）：991-992.
[3]尚尚.高频地波雷达电离层杂波监测技术关键问题研究[J].现代雷达，2012，27（1）：1363-1364.
作者简介：任嘉慧，海南省公安边防总队海警第二支队助理工程师，研究方向：计算机，通信。
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