任 博 施龙飞 王洪军 李永祯 王国玉



抑制雷达主波束内GSM干扰的极化滤波方法研究

任 博*①②施龙飞①②王洪军③李永祯①②王国玉①②

① (国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室 长沙 410073)②(国防科学技术大学电子科学与工程学院 长沙 410073)③(武汉滨湖电子有限责任公司 武汉 430077)

针对雷达在实际中受到的GSM通信基站干扰问题，该文采用极化滤波抗干扰的方法，在现有自适应极化对消(APC)算法基础上提出了一种基于部分极化波最优接收的滤波算法，先估计GSM信号的部分极化Stokes矢量，后依据干扰功率最小原则计算最优接收极化。通过开展极化抗干扰外场试验，证明了极化滤波方法对于基站干扰抑制的有效性。与传统算法的比较说明了该方法在保证滤波效果的基础上，用于权值收敛的时间更短，性能更稳定。

雷达；GSM干扰；极化滤波；部分极化；抗干扰

1 引言

当前，随着手机通信基站的广泛建设，在带来通信便利的同时也带来一些隐患，例如，GSM通信基站信号对同频段低空预警情报雷达和民航空管雷达造成的干扰事件近年来时有报道[1]，此类事件已经威胁到国土防空和民航安全。通常的解决办法是：预警情报雷达被迫放弃使用与GSM基站信号相同的频段，空管雷达附近的通信基站被迫降低发射功率甚至关闭。

关于GSM基站信号对同频段雷达的干扰问题仅有少量文献进行过报道[2]，但仅仅从功率对抗角度对干扰特性进行了分析，未能涉及信号层面，且未能给出对此类干扰的抑制方法。刘爱军等人[3]采用极化滤波方法就高频地波雷达对电台干扰的抑制问题进行了研究，而对于GSM干扰抑制问题，目前尚未见报道。实际上由于通信基站往往是广域网状分布、时域持续存在，而雷达目标可能从任意方位进入，包括从接近于基站方位的方向进入，因此，传统的基于空域、时域滤波的抗干扰措施(如旁瓣对消、旁瓣匿影)对于通信基站干扰往往是无效的。而限于技术水平，只能采用上述频域隔断的办法解决同频段互扰问题，造成了频谱资源的极大浪费，尤其是随着手机用户数量的迅速增长和通信基站的建设，该频段雷达的可用频率资源受到极大的压缩。本文拟采用极化域滤波技术，利用基站信号电磁波的极化矢量特征，通过自适应加权配置雷达双极化天线接收通道的幅相系数来对消GSM基站信号，保证有效发挥其在战场低空目标探测方面的优势。

现有APC算法已日趋成熟，但在实际工程应用中发现，收敛步长因子难以自适应，会直接影响到滤波器响应时间及滤波效果。UHF波段雷达的工作场景通常比较复杂，受地形、建筑物反射以及基站本身发射信号复杂性的影响，到达雷达天线的GSM信号通常并非完全极化波，APC算法的性能受到进一步的限制。

本文重点针对GSM干扰位于雷达主波束内的情形，首先分析指出了GSM信号的部分极化波特性，进而提出了基于Stokes矢量的最佳接收极化计算方法，推导了最佳接收极化的统计表达式。利用实测数据开展极化抗干扰实验，验证了极化滤波方法能够有效抑制GSM基站干扰信号，且相比于传统APC算法，本文提出的滤波方法无需考虑迭代收敛过程中步长因子的选取问题，具有更快的权值收敛速度和更为稳定的干扰抑制性能。

2 GSM信号极化特性分析

3 针对部分极化波的极化滤波算法

3.1 APC迭代滤波方法

APC迭代滤波方法是以干扰输出功率最小为准则，通过矢量迭代的方式尽可能使接收极化与干扰极化互为交叉极化，以达到对干扰的抑制效果[19]。极化对消通常分两步进行：首先只接收干扰信号，进行迭代计算，获得辅助通道的最佳权系数；然后用最佳权系数对辅助极化通道加权以对消干扰，图3给出了极化对消器的处理流程。

图1 GSM信号在极化球上的分布

图2 GSM信号极化度变化图

图3 APC权系数迭代过程

为使干扰信号输出功率最小，需寻找使两通道均方误差最小的最优权值，文献[19]利用最陡梯度思想给出最优权值递推公式如下：

3.2 基于部分极化波最优接收的滤波方法

本节提出一种基于部分极化波最优接收的滤波算法：对正交极化通道接收到的干扰信号进行采样，统计干扰信号的极化Stokes矢量，进而针对该Stokes矢量推导得到了最佳接收极化矢量的表达式及极化通道加权系数，通过对两极化通道加权合并可将干扰信号对消。

该方法对信号矢量进行时间统计平均以及直接变换，替代了现有APC算法的时域迭代计算，从而寻找到最佳极化矢量，不存在迭代算法中因难以设定最佳步长因子带来的性能损失，具有更为稳定可靠的性能。算法具体实现过程如图4所示。

图4 最佳接收极化计算实现流程

将式(10)代入式(11)可以得到用于对V通道加权的最优权值如式(12)所示：

V通道加权后与H通道合并得到对消后的输出为

4 干扰对消试验与滤波算法性能分析

4.1 干扰对消试验

干扰对消外场试验仍选取第2节中提到的基站作为GSM干扰源，同时由信号源和线极化天线构成的辐射源，用以模拟目标回波，分别采用上述两种极化滤波算法进行干扰对消和干扰背景下的目标检测实验。

4.2 滤波算法性能比较

5 结束语

为解决基站GSM信号对同频段雷达引起的干扰问题，本文提出采用极化滤波抗干扰的方法。首先利用实验数据分析了GSM基站信号在极化球上的分布特性，说明了利用极化方法抑制该类干扰的可行性；然后针对现有APC迭代算法在工程实现中存在的问题，提出一种新的基于部分极化波最优接收的极化滤波算法，克服了迭代算法步长因子难以设定的问题，性能更为稳定。最后开展外场极化抗干扰试验，验证了极化滤波算法对于GSM干扰信号抑制的有效性，并通过比较说明了本文算法相比现有APC迭代滤波方法，在保证滤波效果的同时用于计算权值的时间更短，性能更稳定。本文主要针对位于主波束内的单个基站信号，对雷达干扰的问题进行了相关讨论，对于多个基站多目标的情况将作为下一步研究的工作。

图5 滤波前后信号时域

图6 滤波算法性能的比较

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任 博： 男，1986年生，博士生，研究方向为雷达极化信息处理、综合电子信息系统建模与仿真.

施龙飞： 男，1978年生，副研究员，研究方向为雷达极化信息处理、雷达系统仿真.

王洪军： 男，1986年生，工程师，研究方向为相控阵雷达天馈线系统设计与仿真.

李永祯： 男，1977年生，副教授，研究方向为雷达极化信息处理、目标识别.

Investigation on of Polarization Filtering Scheme to Suppress GSM Interference in Radar Main Beam

Ren Bo①②Shi Long-fei①②Wang Hong-jun③Li Yong-zhen①②Wang Guo-yu①②

①(,,410073,)②(,,410073,)③(,430077,)

A polarization filtering scheme is employed to resolve interference from GSM base station to the radar in practice. By analyzing the existing Auto Polarization Cancellation (APC) algorithm, a new filtering algorithm based on the optimal reception of partially polarized signal is proposed. The polarization Stokes vector of GSM signal is estimated, and then the optimal receptive polarization is calculated on the principle of the minimum interference power. The effectiveness of polarization filter is finally validated by the experiment of interference suppression. Compared with the existing algorithm, the proposed method not only achieves good performance in anti-interference, but needs shorter time in weight convergence, and it is more stable as well.

Radar; GSM interference; Polarization filter; Partially polarized; Anti-interference

TN95

A

1009-5896(2014)02-0459-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00257

任博 rb410@139.com

2013-03-04收到，2013-11-08改回