CN110045337A - 基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法 - Google Patents

基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，依赖于射频干扰的距离相关性和方向特性，通过张量分解从多个维度对射频干扰子空间进行联合估计，实现过程包括通过基于雷达数据进行多普勒滑窗处理完成数据分块，射频干扰检测，判断当前选择的数据块是否存在干扰频点，若含有射频干扰，利用多个天线通道的无海洋回波的远距离元数据构造三阶张量，作为训练张量；采用高阶奇异值分解对训练张量进行张量分解，估计射频干扰子空间，进行距离滑窗和子空间投影处理，得到无射频干扰的数据。本发明能极大程度的抑制射频干扰，改善数据质量，并且完整保留目标信号，应用效果良好，提高了雷达***的探测性能，具有重要的实际应用价值。

Description

基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法
技术领域
本发明属于高频地波雷达信号处理领域，特别涉及到一种基于张量子空间投影的高频地波雷达(HFSWR)抗射频干扰方法。
背景技术
基于海洋表面对高频电磁波的Bragg散射机制，高频地波雷达能对大面积海洋动力学参数的进行高精度探测，例如海流场、风场及浪场等参数的实时测量，对海洋科学研究、海洋灾害天气预报等具有指导意义。然而，高频地波雷达工作在高频段(3MHz～30MHz)，在此频段的电磁环境十分恶劣，特别是雷达主要工作的15MHz以下的高频段中低端的频率占用率非常高，密布着各种短波电台通信、移动通信、广播及大量的业余无线电通讯设施。部分来自于这些外部信源的无线电信号能进入雷达接收机，会造成严重的射频干扰，极大地降低了雷达数据质量，限制了雷达***的探测性能。
射频干扰属于有源干扰，在距离多普勒谱上一般表现为平行于距离轴的竖直亮条纹且存在于所有距离元。现存的高频地波雷达抗射频干扰算法中，主要包括自适应频率选择、空域和时频域抗干扰方法。雷达***通过自适应频率选择技术实时地选频及换频，以达到避开有害干扰的目的。但对于高频地波雷达来说，在复杂的电磁环境中找到一个完全空闲的带宽足够的信道是很难的，因此该方案并不能完全消除射频干扰的影响。基于射频干扰的空域特性的抗干扰方法，例如自适应波束形成算法，主要适用于采用大型相控天线阵的窄波束高频地波雷达。方位角子空间投影方法虽然也适用于宽波束高频地波雷达，但对于目标信号会造成衰减，衰减程度和天线结构与目标和干扰的方位差有关。而对于时频域抗干扰算法，如基于射频干扰时域特性的时域剔除类方法和基于距离相关性的频域子空间投影方法等，都会对回波信号造成一定的损失。直至目前，尚未找到一种很好的算法可以在抑制射频干扰的同时而不损害目标信号，尤其是当二者在回波谱上重叠时。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，该方法主要解决现有技术难以抑制射频干扰的同时不影响海洋回波的问题，尤其是射频干扰与海洋回波信号在回波谱上重叠的情况，能在完整保留目标信号的同时完成射频干扰的有效抑制，从而提高了雷达的探测性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，依赖于射频干扰的距离相关性和方向特性，通过张量分解从多个维度对射频干扰子空间进行联合估计，实现过程包括以下步骤，
步骤1，数据分块处理，包括通过基于雷达数据进行多普勒滑窗处理完成数据分块；
步骤2，射频干扰检测；
步骤3，选择第一个数据块，判断当前选择的数据块是否存在干扰频点，若含有射频干扰，则进入步骤4进行后续处理；否则，不做进一步处理，选取下一个数据块继续进行判断；
步骤4，构造训练张量，包括设高频地波雷达有M个天线通道，利用M个天线通道的无海洋回波的远距离元数据构造三阶张量，作为训练张量x，张量大小为P×Q×M，P为选取的远距离单元个数，Q等于该数据块的多普勒范围长度；
步骤5，采用高阶奇异值分解对训练张量进行张量分解，如下式：
x＝c×1U1×2U2×3U3
式中，c为核心张量，Un为对应张量的第n模式展开矩阵X(n)的左奇异矩阵，Xn表示张量和矩阵的n模式乘积；
步骤6，根据步骤5所得结果估计射频干扰子空间；
步骤7，距离滑窗和子空间投影处理，包括沿距离轴对数据块进行滑窗处理，得到若干与训练张量大小相等的处理张量，向射频干扰子空间进行投影得到该数据块中的射频干扰分量，从而得到无射频干扰的数据；
步骤8，判断当前是否已经处理最后一个数据块，如果否则返回重复步骤3-7，直至循环处理完所有的数据块，得到无射频干扰的M个天线通道的距离多普勒谱。
而且，步骤1中，进行多普勒滑窗处理，是沿多普勒轴进行滑窗，相邻滑窗之间设置重叠区间，将距离多普勒张量数据分割成若干个子张量数据块，分别进行后续的抗射频干扰处理。
而且，步骤6中，估计射频干扰子空间的实现方式为，取Un中前dn个大奇异值对应的左奇异向量分别张成射频干扰子空间，记为和对应的子空间投影矩阵为
而且，步骤7中，距离滑窗的窗长和步长都为P个距离单元。
而且，步骤7中的子空间投影处理实现方式为，记某处理张量为y，计算无射频干扰的数据ys，ys＝y-y×2P2×3P3；对各处理张量分别处理后，综合各处理张量的射频干扰分量，得到数据块中的射频干扰分量。
本发明具有以下优点：
1.本发明主要依赖于射频干扰的距离相关性和方向特性，通过张量分解方法从多个维度对射频干扰子空间进行联合估计，相比于以往的基于矩阵分析的子空间投影干扰抑制算法，本发明联合多个通道的接收数据，充分保留和利用HFSWR数据的多维结构特性，从而更准确地估计干扰子空间。
2.本发明所述方法能极大程度的抑制射频干扰，改善数据质量，并且完整保留目标信号，在高频地波雷达的实测数据处理中应用效果良好，提高了雷达***的探测性能，具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提出的方法流程图；
图2为本发明实施例训练张量在多通道距离多普勒谱中的结构示意图；
图3为本发明实施例张量的矩阵展开方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行进一步的说明。
高频地波雷达***采用线性调频中断连续波(FMICW)体制。在该波形体制下，海洋回波进入雷达接收机后，经数字下变频后得到雷达原始数据，再经过两次FFT实现海洋回波的距离分离和速度(多普勒)分离，得到距离多普勒(RD)谱。当存在射频干扰时，距离多普勒谱上会出现与距离轴平行的横跨所有距离元的干扰条带
本发明的主要目的是在不影响海洋回波信号的前提下对射频干扰进行抑制，利用张量分解在高阶张量处理上的独特优势，用多个天线通道和远距离元的回波数据构造训练张量，保留和利用多通道距离多普勒数据的多维结构特征，同时从多个维度对射频干扰子空间进行联合估计，再通过张量子空间投影的方式精确估计出回波数据中的射频干扰分量，并将之减去得到无射频干扰的距离多普勒谱。
实施例提出的一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，如图1所示，包括步骤如下：
步骤1，数据分块处理。处理方式为多普勒滑窗处理，即沿多普勒轴进行滑窗将距离多普勒张量数据分割成若干个子张量数据块，分别进行抗射频干扰处理。一般窗长200-300个多普勒单元，相邻数据块之间有20-50个多普勒单元重叠，以保证充分抑制射频干扰。
所述的多普勒滑窗处理，其特征在于沿多普勒轴进行滑窗，相邻滑窗之间需要设置一定的重叠区间，将距离多普勒张量数据分割成若干个子张量数据块，分别进行后续的抗射频干扰处理。这样即简化算法的计算复杂度，节省算法时间成本，又能保证每一个子张量中的射频干扰源个数不大于信源个数。
步骤2，检测射频干扰：
本步骤检测射频干扰位置，由于射频干扰在每个通道上的位置是基本相同的，所以只需要对一个通道进行检测。实施例利用一个天线通道的完整距离多普勒谱，取多个远距离元的无海洋回波数据，对其沿距离轴进行求和平均，得到一个新的距离平均序列。求出该平均序列的噪声水平Noise，设置阈值为k×Noise，k为常数，一般取5-10dB。若该序列中某多普勒频点处的功率高于该阈值，则认为该频点为干扰频点。
步骤3，选择第一个数据块，判断当前选择的数据块是否存在干扰频点，若包含干扰频点(RFI)，则视为存在射频干扰，进入步骤4进行后续处理；否则，不做进一步处理，选取下一个数据块继续进行判断。
步骤4，构造训练张量。设高频地波雷达有M个天线通道，图2描述了M个通道的距离多普勒谱中射频干扰的表现形式以及训练张量的构造方法，可以看出，海洋回波只存在于少数的近距离单元，图中阴影部分表示的射频干扰，存在于所有的距离单元，且在每个通道之间的位置基本相同。对于包含该射频干扰的数据块，利用M个天线通道的无海洋回波的远距离元数据构造三阶张量，作为训练张量，如图2左图中加粗虚线所标记的训练张量x，张量大小为P×Q×M，P为选取的远距离单元个数，优选取值为20到30，Q等于该数据块的多普勒长度，由图2右图可以看出训练张量x共有长q，宽m和高p三个维度。
步骤5，利用高阶奇异值分解(HOSVD)对训练张量x进行张量分解，如下式：
x＝c×1U1×2U2×3U3 (1)
式中，c为核心张量，Un(n＝1,2,3)为对应张量的第n模式展开矩阵X(n)的左奇异矩阵，即：
上式为X(n)的SVD分解，其中Sn为X(n)的奇异值矩阵，为X(n)的右奇异矩阵Vn的共轭转置。
训练张量x的第n模式矩阵展开方式如图3所示，将张量分别沿每个维度进行切片得到多个矩阵，并将之按照一定的顺序排列即可得到对应的第n模式展开矩阵X(n)，即
X(1)＝[xq＝1,xq＝2,…,xq＝Q]，
其中χ*＝i,*＝p,q,m表示将张量x沿*＝i切割得到的矩阵，[·]T表示矩阵的转置。
×n表示张量和矩阵的n模式乘积，即n-mode乘积。
例如，张量和一个矩阵的n模式乘积为其中每个元素可表示为：
步骤6，估计射频干扰子空间。取Un(n＝2,3)中前dn个大奇异值对应的左奇异向量分别张成X(n)的射频干扰子空间，即和它们共同决定该数据块中的射频干扰子空间，和对应的子空间投影矩阵分别为
SVD分解后，所得Un(n＝2,3)中奇异值是从大到小排序的，取前dn个奇异值，可以提取训练张量中的主成分，即射频干扰。
步骤7，距离滑窗和子空间投影处理。沿距离轴对数据块进行滑窗处理，得到若干与训练张量大小相等的处理张量。将其向射频干扰子空间进行投影即可得到该数据块中的射频干扰分量，减去它即可得到无射频干扰的数据。
实施例中，沿距离轴对数据块进行滑窗处理，窗长和步长都为P个距离单元，即可得到若干与训练张量大小相等的处理张量，方便进行张量子空间投影以得到每个天线通道和每个距离元中的干扰分量。
记某处理张量为y，所述的子空间投影处理，包括将距离滑窗后得到的张量y向射频干扰子空间进行投影，即可得到该处理张量相应的射频干扰分量，减去它即可得到无射频干扰的数据ys，如下式：
ys＝y-yX2P2X3P3 (5)
对各处理张量分别采用以上方式处理后，综合各处理张量的射频干扰分量，即可得到该数据块中的射频干扰分量。
步骤8：判断当前是否已经处理最后一个数据块，如果否则返回重复步骤3-7，直至循环处理完所有的数据块，得到无射频干扰的M个天线通道的距离多普勒谱。
具体实施时，以上流程可采用计算机软件方式实现，运行本发明方法流程的硬件装置也应当在保护范围内。
为了更好地体现本发明提出的射频干扰抑制方法的性能，选择一场数据质量差的实测数据利用本发明实施例的方法进行实验。对比抑制射频干扰前的距离多普勒谱，可以看出雷达回波数据已被射频干扰严重污染，正负Bragg峰都受到了很大影响。而抑制射频干扰后的距离多普勒谱，可以看出射频干扰得到了极大抑制，海洋回波从背景噪声中更好地凸显出来。其中，对经过本发明实施例处理前后的第8个距离元的回波信号多普勒谱，结合距离多普勒谱可以发现，经过本发明抑制射频干扰后，存在于负多普勒频率部分的强射频干扰和存在于正多普勒频率部分的弱射频干扰都被明显地抑制，信噪比得到了很大提升，且海洋回波信号得到了完整地保留。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，其特征在于：依赖于射频干扰的距离相关性和方向特性，通过张量分解从多个维度对射频干扰子空间进行联合估计，实现过程包括以下步骤，
步骤1，数据分块处理，包括通过基于雷达数据进行多普勒滑窗处理完成数据分块；
步骤2，射频干扰检测；
步骤3，选择第一个数据块，判断当前选择的数据块是否存在干扰频点，若含有射频干扰，则进入步骤4进行后续处理；否则，不做进一步处理，选取下一个数据块继续进行判断；
步骤4，构造训练张量，包括设高频地波雷达有M个天线通道，利用M个天线通道的无海洋回波的远距离元数据构造三阶张量，作为训练张量张量大小为P×Q×M，P为选取的远距离单元个数，Q等于该数据块的多普勒范围长度；
步骤5，采用高阶奇异值分解对训练张量进行张量分解，如下式：
式中，为核心张量，Un为对应张量的第n模式展开矩阵X(n)的左奇异矩阵，×n表示张量和矩阵的n模式乘积；
步骤6，根据步骤5所得结果估计射频干扰子空间；
步骤7，距离滑窗和子空间投影处理，包括沿距离轴对数据块进行滑窗处理，得到若干与训练张量大小相等的处理张量，向射频干扰子空间进行投影得到该数据块中的射频干扰分量，从而得到无射频干扰的数据；
步骤8，判断当前是否已经处理最后一个数据块，如果否则返回重复步骤3-7，直至循环处理完所有的数据块，得到无射频干扰的M个天线通道的距离多普勒谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，其特征在于：步骤1中，进行多普勒滑窗处理，是沿多普勒轴进行滑窗，相邻滑窗之间设置重叠区间，将距离多普勒张量数据分割成若干个子张量数据块，分别进行后续的抗射频干扰处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，其特征在于：步骤6中，估计射频干扰子空间的实现方式为，取Un中前dn个大奇异值对应的左奇异向量分别张成射频干扰子空间，记为和对应的子空间投影矩阵为
4.根据权利要求3所述的一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，其特征在于：步骤7中，距离滑窗的窗长和步长都为P个距离单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于张量子空间投影的高频地波雷达射频干扰抑制方法，其特征在于：步骤7中的子空间投影处理实现方式为，记某处理张量为计算无射频干扰的数据 对各处理张量分别处理后，综合各处理张量的射频干扰分量，得到数据块中的射频干扰分量。
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