專利名稱：一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子抗干擾技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法。該方法可用于衛(wèi)星通信中在空域進(jìn)行波束合成來抑制多個(gè)強(qiáng)干擾。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代軍事技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)，就是各種武器裝備越來越廣泛地采用和依賴于無線電電子技術(shù)。在以信息技術(shù)為先導(dǎo)的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中克敵制勝，必須獲取戰(zhàn)場(chǎng)感知的優(yōu)勢(shì)，即通過各種平臺(tái)，如天基、空基、地基、車載和艦載等，并利用包括電、光、聲、溫度和濕度等各類傳感器正確、及時(shí)地獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息。雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候工作的優(yōu)越性，它仍然是信息獲取的主要手段。各種武器裝備威力的發(fā)揮，戰(zhàn)區(qū)的監(jiān)視和警戒，諸兵種協(xié)同作戰(zhàn)的調(diào)配、聯(lián)系、指揮和控制等，都越來越多地依賴于雷達(dá)抗干擾的效能。
波束形成技術(shù)是用陣列傳感器來提供一種有效空間濾波器的信號(hào)處理方法。類似于時(shí)域?yàn)V波器處理在一個(gè)時(shí)間孔徑內(nèi)收集的數(shù)據(jù)，一個(gè)空間濾波器處理在一個(gè)空間孔徑內(nèi)收到的數(shù)據(jù)，對(duì)從不同空間方向到達(dá)的信號(hào)和干擾進(jìn)行濾波。在衛(wèi)星通信中，在空域進(jìn)行波束合成來抑制強(qiáng)干擾是保障衛(wèi)星正常通信的一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。
一類是在射頻端直接進(jìn)行權(quán)值搜索，實(shí)現(xiàn)波束合成。目前已有的搜索的方法為最小梯度法和傳統(tǒng)遺傳算法。對(duì)于單個(gè)干擾，采用最小梯度法能有效的找到調(diào)零權(quán)值，然而對(duì)于多個(gè)干擾，其收斂速度依賴于初始值的選取，大多數(shù)收斂迭代算法在初始值靠近全局最優(yōu)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，有非常快的收斂性能。然而，如果初始值選取不當(dāng)，收斂速度下降并且很容易落入局部極值點(diǎn)，從而導(dǎo)致收斂精度的下降甚至無法收斂，并且不能對(duì)主波束進(jìn)行有效的保形，影響正常的衛(wèi)星通信，故該類方法主要集中在理論研究上。
另一種重要的解決方法就是在盡可能短的時(shí)間里估計(jì)出干擾方向然后進(jìn)行調(diào)零。對(duì)于單個(gè)干擾，可采用單脈沖測(cè)角、干涉儀法等估計(jì)干擾方向；對(duì)于多個(gè)干擾，可以采用最大似然ML方法和基于空間諧波模型的高分辨方法諸如多重信號(hào)分類法MUSIC，旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的參數(shù)估計(jì)法ESPRIT等等進(jìn)行超分辨波達(dá)方向DOA估計(jì)。早在60年代，在時(shí)域譜分析中采用非線性譜估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了頻率的超分辨，如由Capon在1969年提出的最小方差譜估計(jì)、Burge于1967年提出的最大熵法、PisarenKo在1973年提出的諧波分解法。為了提高角度分辨力，空域譜分析也必然要采用類似時(shí)域譜估計(jì)中的非線性處理，如最大似然估計(jì)，最大熵估計(jì)(線性預(yù)測(cè))和自相關(guān)矩陣的特征分解法，其中典型代表是MUSIC。隨后又有多種新的算法，如ESPRIT，最小模(MN)法。投影矩陣法和矩陣分解法等。在理論上可以解決強(qiáng)干擾抑制問題，但是在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要多通道(每個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)一個(gè)通道)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)到數(shù)字域進(jìn)行信號(hào)處理，對(duì)于常用的L波段(1.0G-2.0G)、C波段(4.8-8.0G)、X波段(8G-12.5G)的星載雷達(dá)，要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換至少需要將中心頻率進(jìn)行兩次甚至要三次下變頻到幾百兆才能進(jìn)行有效采樣，并且衛(wèi)星雷達(dá)的接收機(jī)帶寬都比較寬，有時(shí)到達(dá)1G，需要?jiǎng)澐譃槿舾勺哟謩e進(jìn)行處理，這就帶來了較為龐大的模擬硬件設(shè)備量，并且由于通道的復(fù)雜和模擬器件的不穩(wěn)定使各個(gè)陣元接收通道的一致性很難得到保障，這個(gè)問題是數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)干擾方向估計(jì)的一大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，即高分辨率和運(yùn)算復(fù)雜度、通道一致性要求的矛盾，提出了一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，以達(dá)到對(duì)主波束保形，并能對(duì)多個(gè)強(qiáng)干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的效果。
本發(fā)明的技術(shù)方案是綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可行性與復(fù)雜度兩方面的考慮，在射頻端形成對(duì)干擾的調(diào)零波束，使得強(qiáng)干擾在空域被最大限度的濾除。由天線接收的信號(hào)經(jīng)過接收模塊RF和中頻處理模塊處理之后，再通過波束選擇器進(jìn)行通道選擇控制，選出幾個(gè)受干擾擾動(dòng)的通道送入處理支路；所選通道的信號(hào)被下變頻至中心頻率1.0GHz后傳送給帶通濾波器，進(jìn)行選擇輸出；然后將輸出信號(hào)傳送到鑒相器中得到復(fù)信號(hào)；所有選擇通道的復(fù)信號(hào)經(jīng)過ADC采樣后進(jìn)入信號(hào)處理器，信號(hào)處理器依據(jù)所選多個(gè)通道的復(fù)信號(hào)利用校正、測(cè)角和調(diào)零算法產(chǎn)生調(diào)零權(quán)值，然后反饋到射頻端形成調(diào)零波束。其中調(diào)零權(quán)值的計(jì)算是本發(fā)明的關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)復(fù)雜度與抗干擾性能。本發(fā)明的技術(shù)方案具體實(shí)現(xiàn)過程如下(1)、通過波束選擇器進(jìn)行通道選擇控制，選出幾個(gè)受干擾擾動(dòng)的通道送入處理支路，要求所選取的通道中功率較其它通道強(qiáng)；(2)、選擇出的陣元通道的信號(hào)首先被下變頻至中心頻率1.0GHz，再傳送給通帶分別為650MHz-1000MHz，1000MHz-1350MHz的帶通濾波器BPF1，BPF2，因?yàn)楦蓴_必然存在于兩個(gè)帶通濾波器的輸出中，如果一個(gè)濾波器的輸出能量極小，與正常通信功率可比擬，則可以判定干擾全部存在于另一個(gè)濾波器中；否則兩個(gè)濾波器輸出分時(shí)送到下一級(jí)處理，時(shí)間控制由測(cè)角處理器控制或由測(cè)角最大耗時(shí)做固定切換控制；如果兩次測(cè)角相差不大，則說明是同一個(gè)寬帶干擾，否則為不同的干擾源，必須加以調(diào)零；(3)、濾波器處理后輸出的信號(hào)傳送到鑒相器中，鑒相器的作用是去除實(shí)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的負(fù)頻譜，將實(shí)信號(hào)變化為I、Q兩個(gè)通道的復(fù)信號(hào)，鑒相器的輸入頻率為1GHz；(4)、測(cè)角過程MUSIC方法估計(jì)信源波達(dá)方向的基本方法是，將數(shù)據(jù)采樣協(xié)方差矩陣作特征分解，根據(jù)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成信號(hào)子空間，小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成噪聲子空間；然后用不同方向上的導(dǎo)向向量向噪聲子空間投影，若該向量屬于信號(hào)子空間，則投影為零，根據(jù)投影結(jié)果可以判斷信號(hào)的波達(dá)方向；(5)、調(diào)零過程是要在保證主通道增益的前提下最大限度的在空域抑制干擾，其主要性能指標(biāo)為調(diào)零后在干擾功率衰減25分貝以上的前提下，主通道功率最多減弱5個(gè)分貝，即新權(quán)值不但對(duì)干擾要陷零，而且必須使天線方向圖盡可能保形；(6)、校正過程相控陣天線中許多器件的制造和組裝都有公差、天線單元間的互藕、各通道常常呈現(xiàn)出相當(dāng)大的幅相誤差，從而引起相控陣天線增益的下降和副瓣電平的升高，由于組件長(zhǎng)期工作時(shí)的老化、熱變形等引起的各通道的幅相誤差也必須加以校準(zhǔn)和補(bǔ)償，特別是方案中采用的高分辨處理方法，如果幅相誤差不能給以很好的校正，則勢(shì)必會(huì)造成測(cè)角誤差加大，調(diào)零深度不能滿足要求的嚴(yán)重后果，所以對(duì)其的校正是非常關(guān)鍵的。
上述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，所說的測(cè)角過程中，處理角度搜索時(shí)對(duì)MUSIC方法進(jìn)行了適合于硬件實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，其方法如下(1)、因?yàn)槭孪炔⒉恢栏蓴_個(gè)數(shù)，雖然有些文獻(xiàn)介紹了如何判定信源個(gè)數(shù)的方法，但這樣勢(shì)必會(huì)增加運(yùn)算量，所以采用過估計(jì)方法，搜索步長(zhǎng)選為0.01度；(2)、由選擇出的通道來判斷干擾大概在那個(gè)角度范圍，這樣可以減小搜索范圍，降低運(yùn)算量；(3)、給定一個(gè)門限值，該門限可自由修正，記錄出高出門限的各個(gè)譜峰值Ω與譜峰位置，先找出最大值所對(duì)應(yīng)的位置(θ1，φ1)，該位置對(duì)應(yīng)于一個(gè)干擾，在空域上將檢測(cè)出的強(qiáng)干擾扣除，然后計(jì)算輸出矩陣的每個(gè)通道功率，看看是否滿足要求，即干擾功率是否降低了25分貝，如果滿足了上述要求，則測(cè)角結(jié)束；如果不能滿足，說明還存在強(qiáng)干擾，必須將第二個(gè)干擾位置找出來，其他干擾依此類推。
上述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，所說的調(diào)零過程中，當(dāng)調(diào)零后在干擾功率衰減25分貝以上的前提下，主通道功率最多減弱5個(gè)分貝，即新權(quán)值不但對(duì)干擾要陷零，而且必須使天線方向圖保形，零點(diǎn)寬度越大，對(duì)主波束起伏影響越大，并且由于有些調(diào)零是在通信區(qū)域進(jìn)行的，過寬的零點(diǎn)范圍會(huì)影響周圍的通信用戶，因而在保證實(shí)際干擾調(diào)零點(diǎn)深度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小調(diào)零區(qū)域。
上述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，所說的校正過程中，由于通道間幅相誤差，本校準(zhǔn)方案的要點(diǎn)是外校準(zhǔn)和內(nèi)校準(zhǔn)相結(jié)合的方法，外校準(zhǔn)在地面進(jìn)行，內(nèi)校準(zhǔn)可以按需要隨時(shí)進(jìn)行，特別是與測(cè)角相關(guān)的過程，要求對(duì)誤差的校準(zhǔn)盡量精確，其方法為(1)、可以設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試源為一點(diǎn)頻的便于處理的信號(hào)，如設(shè)置為與通信信號(hào)載波同頻的信號(hào)。不失一般性，假定某個(gè)通道為參考通道；(2)、為了進(jìn)行內(nèi)校正，在射頻接收模塊與接收陣元間加入行波饋電網(wǎng)絡(luò)，將一同遠(yuǎn)場(chǎng)源同頻的信號(hào)注入饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)校正。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①在保證高精度測(cè)角的前提下，本發(fā)明在處理角度搜索時(shí)對(duì)MUSIC方法進(jìn)行了具體的改進(jìn)，使之具有工程可實(shí)現(xiàn)性；②在保證調(diào)零效果好的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主波束的保形；③通過校正補(bǔ)償各通道幅相誤差，保證了測(cè)角和調(diào)零算法的有效性；④在理論上分析了移相器位數(shù)對(duì)調(diào)零效果的影響。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框2是本發(fā)明的算法過程流程3是本發(fā)明中主波束的布陣4是本發(fā)明中主波束調(diào)零前的波束綜合方向5是圖4對(duì)應(yīng)的等高線6是本發(fā)明中角度搜索方法流程框7是本發(fā)明中角度估計(jì)的統(tǒng)計(jì)性能分析8是本發(fā)明中單個(gè)干擾情況下的空間譜9是本發(fā)明中兩個(gè)干擾情況下的空間譜10是本發(fā)明中調(diào)零前后空間方向圖在v平面上的投影11(a)是本發(fā)明中三個(gè)臨近干擾的測(cè)角空間譜11(b)是本發(fā)明圖11(a)對(duì)應(yīng)的等高線12(a)是本發(fā)明中三個(gè)較遠(yuǎn)干擾的測(cè)角空間譜12(b)是本發(fā)明圖12(a)對(duì)應(yīng)的等高線13(a)是本發(fā)明中位于波束中心的三個(gè)較遠(yuǎn)干擾的測(cè)角空間譜13(b)是本發(fā)明圖13(a)對(duì)應(yīng)的等高線14(a)是本發(fā)明中均遠(yuǎn)離波束中心的相鄰干擾調(diào)零后的空間譜14(b)是本發(fā)明圖14(a)對(duì)應(yīng)的等高線15(a)是本發(fā)明中位于波束中心的兩個(gè)較遠(yuǎn)干擾調(diào)零后的空間譜15(b)是本發(fā)明圖15(a)對(duì)應(yīng)的等高線16(a)是本發(fā)明中位于波束兩邊的兩個(gè)較遠(yuǎn)干擾調(diào)零后的空間譜16(b)是本發(fā)明是圖16(a)對(duì)應(yīng)的等高線圖注圖中凡標(biāo)記“*”號(hào)的均代表實(shí)際干擾入射方向
具體實(shí)施例方式圖1和圖2分別是本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖和算法過程流程圖，其中圖1中的信號(hào)處理器的算法實(shí)現(xiàn)流程圖可參照?qǐng)D2。
參照?qǐng)D1，由天線接收的信號(hào)經(jīng)過接收模塊RF和中頻處理模塊處理之后，再通過波束選擇器進(jìn)行通道選擇控制，選出幾個(gè)受干擾擾動(dòng)的通道送入處理支路，要求所選取的通道中功率較其它通道強(qiáng)，其中選擇通道數(shù)越多，測(cè)角精度越高，但運(yùn)算復(fù)雜度也越大，所以要折衷考慮；選擇出的陣元通道的信號(hào)首先被下變頻至中心頻率1.0GHz，再傳送給通帶分別為650MHz-1000MHz，1000MHz-1350MHz的帶通濾波器BPF1，BPF2，因?yàn)楦蓴_必然存在于兩個(gè)帶通濾波器的輸出中，如果一個(gè)濾波器的輸出能量極小，與正常通信功率可比擬，則可以判定干擾全部存在于另一個(gè)濾波器中；否則兩個(gè)濾波器輸出分時(shí)送到下一級(jí)處理，時(shí)間控制由測(cè)角處理器控制或由測(cè)角最大耗時(shí)做固定切換控制；如果兩次測(cè)角相差不大，則說明是同一個(gè)寬帶干擾，否則為不同的干擾源，必須加以調(diào)零；濾波器處理后的輸出的信號(hào)傳送到鑒相器中，鑒相器的作用是去除實(shí)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的負(fù)頻譜，將實(shí)信號(hào)變化為I、Q兩個(gè)通道的復(fù)信號(hào)，鑒相器的輸入頻率為1GHz；所有選擇通道的復(fù)信號(hào)經(jīng)過ADC采樣成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)處理器，信號(hào)處理器的功能是依據(jù)所選多個(gè)通道的復(fù)信號(hào)利用校正、測(cè)角和調(diào)零算法產(chǎn)生調(diào)零權(quán)值，上述的信號(hào)傳遞和處理過程如本發(fā)明的算法過程流程2所示。由信號(hào)處理器產(chǎn)生的調(diào)零權(quán)值反饋到波束形成網(wǎng)絡(luò)，控制接收端的幅度衰減器和移相器，實(shí)現(xiàn)波束在干擾方向的置零，從而抑制了強(qiáng)干擾。上述的本發(fā)明抗干擾方法，在其算法流程中校正、測(cè)角和調(diào)零過程是它的核心，下邊對(duì)它們的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行說明，并結(jié)合圖3到圖16分別說明它們?cè)趯?shí)施中產(chǎn)生的效果。
1、測(cè)角過程MUSIC方法估計(jì)信源波達(dá)方向的基本思想是將數(shù)據(jù)采樣協(xié)方差矩陣作特征分解，根據(jù)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成信號(hào)子空間，小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成噪聲子空間；然后用不同方向上的導(dǎo)向向量向噪聲子空間投影，若該向量屬于信號(hào)子空間，則投影為零，根據(jù)投影結(jié)果可以判斷信號(hào)的波達(dá)方向。
本發(fā)明所采用的主波束布陣圖如圖3所示，該陣對(duì)應(yīng)的原始方向圖和等高線圖如圖4和圖5。由于陣列中每個(gè)陣元的坐標(biāo)是已知的，故從空間(θ，φ)入射到坐標(biāo)為(xi，yi)的陣元i上的增益和相對(duì)參考陣元時(shí)延差所引起的相位變化為αi(θ,φ)=Pi(θ,φ)·exp[j2πλ(xicos(θ)sin(φ)+yisin(θ)sin(φ))]---(1)]]>這里取參考陣元位置坐標(biāo)為(0，0)，其中θ為方位角，φ為仰角，單位為度，Pi(θ，φ)為第i個(gè)陣元在方向(θ，φ)上的響應(yīng)，為一復(fù)數(shù)，上式中第二項(xiàng)實(shí)質(zhì)為電磁波自由空間傳播時(shí)相對(duì)參考陣元時(shí)延差引起的相位差。
在測(cè)角模塊中，接口輸入的是功率較強(qiáng)的5個(gè)喇叭口天線輸出端的數(shù)字采樣信號(hào)。不失一般性，我們順序記這幾個(gè)陣元標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5，則從空間(θ，φ)入射干擾的導(dǎo)向矢量可以寫為β(θ，φ)＝[α1(θ，φ)，…，α5(θ，φ)]T(2)設(shè)有P個(gè)干擾同時(shí)到達(dá)陣列端，其俯仰角分別記為(θi，φi)1≤i≤3(最多有3個(gè)干擾，干擾數(shù)目對(duì)于接收端來說是未知的)，則方向矩陣寫為γ＝[β1，…βP] (3)容易看到，方向矩陣是列滿秩的，其中干擾從不同角度入射，最小間隔為0.15度-角度分辨力。以Si(k)1≤i≤P表示第i個(gè)干擾第k時(shí)刻的采樣，則5個(gè)強(qiáng)干擾通道輸出的數(shù)據(jù)矢量為X(k)=Σi=1PβiSi(k)+e(k)=γS(k)+e(k)---(4)]]>其中e(k)、S(k)分別為5×1和P×1的列向量，代表k時(shí)刻各個(gè)陣元上的噪聲與干擾向量，因?yàn)槊總€(gè)通信用戶的功率比干擾和噪聲小的多，特別對(duì)于CDMA通信用戶，一般輸入信噪比小于0分貝，所以將其計(jì)入噪聲中，記噪聲功率為σ2。
接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣寫為RX=E{X(k)XH(k)}=limM→∞1MΣk=1MX(k)XH(k)---(5)]]>通過大量的仿真可以看到，當(dāng)M取1000時(shí)，角度估計(jì)性能已經(jīng)良好。式(5)進(jìn)一步表示為Rx=γ{1MΣk=1MS(k)SH(k)}γH+σ2I---(6)]]>上式中I表示單位陣。前面提到，幾個(gè)干擾是不相關(guān)的，所以近似有(由于有限次快拍的影響，使得兩個(gè)干擾的互相關(guān)為一個(gè)很小的數(shù)值)1MΣk=1MS(k)SH(k)=diag(σs12,···,σsP2)---(7)]]>對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，特征值從大到小記為[η1，…，ηP，…，η5]，與ηi對(duì)應(yīng)的特征向量記為Vi，1≤i≤5。推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)，ηP+1＝…＝η5＝σ2。與最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量張成噪聲子空間En，大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成信號(hào)子空間Es，兩個(gè)子空間正交，而信號(hào)(強(qiáng)干擾)位于信號(hào)子空間中。因此有Enβ(θi，φi)＝0 1≤i≤P (8)式(8)是角度估計(jì)的依據(jù)，定義空間譜函數(shù)Power(θ,φ)=1βH(θ,φ)Enβ(θ,φ)---(9)]]>搜索得到的譜峰位置對(duì)應(yīng)干擾波波達(dá)方向。本發(fā)明在處理角度搜索時(shí)對(duì)MUSIC方法進(jìn)行了適合于本項(xiàng)目的改進(jìn)(1)、En僅僅由V4、V5構(gòu)成，由于事先并不知道干擾個(gè)數(shù)(我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)假定干擾最多為3個(gè))，雖然有些文獻(xiàn)介紹了如何判定信源個(gè)數(shù)的方法，但這樣勢(shì)必會(huì)增加運(yùn)算量。本發(fā)明根據(jù)具體任務(wù)假定干擾的最大數(shù)目，干擾越多，調(diào)零所需的通道數(shù)也越多，運(yùn)算復(fù)雜度也增大。搜索步長(zhǎng)選為0.01度。
(2)、由選擇出的通道來判斷干擾大概在那個(gè)角度范圍，這樣可以減小搜索范圍，降低運(yùn)算量。
(3)、給定一個(gè)門限值(門限可自由修正)，記錄出高出門限的各個(gè)譜峰值Ω與譜峰位置，先找出最大值所對(duì)應(yīng)的位置(θ1，φ1)，它必然對(duì)應(yīng)一個(gè)干擾，構(gòu)造如下矩陣P⊥(θ1，φ1)＝I-β(θ1，φ1)[βH(θ1，φ1)β(θ1，φ1)]-1βH(θ1，φ1) (10)用上構(gòu)造的矩陣對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行如下變換處理
Y＝P⊥(θ1，φ1)X(11)其實(shí)質(zhì)是在空域上將檢測(cè)出的強(qiáng)干擾扣除，然后計(jì)算上輸出矩陣的每個(gè)通道功率，看看是否滿足要求(干擾功率是否降低了25分貝)。如果滿足了上要求，則測(cè)角結(jié)束。如果不能滿足，說明還存在強(qiáng)干擾，必須將第二個(gè)干擾位置找出來。將Ω中(θ1，φ1)周圍各0.04度區(qū)域的點(diǎn)強(qiáng)行置為0，然后再次在Ω中搜索最大值，找到對(duì)應(yīng)位置后即為第二個(gè)強(qiáng)干擾，然后重復(fù)式(10)和(11)，直到滿足要求為止。流程圖如圖6。圖7是為了得到在不同干噪比下角度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)性能，做了如下仿真，兩個(gè)干擾入射角度分別為(0.5，0.57)、(-0.50，0.7)度，兩個(gè)干擾功率一樣，干噪比從-5分貝到10分貝變化，通道隨機(jī)相位誤差±1度，增益隨機(jī)誤差±0.5分貝，通道幅相誤差(固定)做了很好的校正。不同干噪比下均做了30此蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)繪出了圖7，圖中縱坐標(biāo)表示30次實(shí)驗(yàn)的角度估計(jì)絕對(duì)誤差的平均。僅僅給出一個(gè)干擾的角度估計(jì)圖。從圖7中可以看到，用該法是可以很好的得到干擾角度的，并且各項(xiàng)性能指標(biāo)皆能滿足要求。雖然在信噪比低于0分貝時(shí)測(cè)角誤差也較小，但是此時(shí)干擾功率接近了通信用戶功率，使得先前的假設(shè)失敗，所以干擾功率不能太弱，取干燥比10個(gè)分貝以上是可以很好的完成測(cè)角工作的。圖8是單個(gè)干擾情況下，依上測(cè)角流程圖得到干擾信號(hào)的空間譜圖；干擾方向?qū)?yīng)譜線比最大旁瓣高40分貝左右，可見干擾能被很好的估計(jì)出來。圖9是兩個(gè)等功率強(qiáng)干擾情況下的空間譜圖，從仿真結(jié)果可以看出兩個(gè)干擾被很好的分開了，并且角度估計(jì)良好。圖11、圖12和圖13分別對(duì)應(yīng)了從不同方向來的多個(gè)干擾情況下，用本發(fā)明所提測(cè)角算法得到的測(cè)角空間譜圖及其對(duì)應(yīng)的等高線圖，從譜圖和等高線圖可看出，針對(duì)不同情況下的多個(gè)干擾，本發(fā)明所提測(cè)角算法都能高分辨的測(cè)出干擾方向。
2、調(diào)零過程在正常通信時(shí)，天線陣列的初始權(quán)值(靜態(tài)權(quán))(Wq)使得合成方向圖變?yōu)楦采w區(qū)域?yàn)?度的圓域(增益大于30分貝)，如圖4和圖5。當(dāng)探測(cè)到干擾進(jìn)入時(shí)，通道關(guān)閉，幾個(gè)較強(qiáng)功率通道(本發(fā)明暫定為5個(gè))進(jìn)入測(cè)角、調(diào)零模塊。假定P個(gè)干擾角度被很好的測(cè)量出來，記為(θi，φi)1≤i≤P≤3并送入到了調(diào)零模塊。
調(diào)零權(quán)值的計(jì)算是通過優(yōu)化下面的兩個(gè)式子得到的minw||W-Wq||---(12)]]>WHβ(θi，φi)＝0 1≤i≤P (13)式(12)表示調(diào)零前后波束盡量保形，(13)是新權(quán)值所形成的方向圖在干擾方向陷零。
上述約束的近似最優(yōu)權(quán)為Wopt＝Q⊥Wq(14)其中Q⊥為由干擾導(dǎo)向矢量構(gòu)成的方向矩陣γ的正交投影矩陣，記為Q⊥＝I-γ(γHγ)-1γH(15)圖(12)是兩個(gè)干噪比為10分貝的等功率強(qiáng)干擾分別從空間
度、[-0.8，0.53]度到達(dá)陣列接收端，兩個(gè)干擾方向已經(jīng)被測(cè)角模塊估計(jì)出來并送到了調(diào)零模塊(有估計(jì)誤差)，使用上述調(diào)零算法，不考慮移相器與通道誤差，用新生成的調(diào)零權(quán)值分別形成方向圖和等高線圖，圖中，主通道最高增益都是36分貝，等高線間隔1分貝。顏色較深的地方是干擾方向，在非干擾區(qū)域附近，和圖4(5)比較，調(diào)零前后主通道增益變化不大，調(diào)零深度大于40分貝，調(diào)零后波束被擠偏，但形狀與原狀相差不大。在零點(diǎn)附近，增益迅速降低，形成一個(gè)凹口，距離凹口較近的旁瓣值升高，其它旁瓣變化很小。過深的零點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致主瓣增益下降，并且對(duì)于調(diào)零深度大于25分貝的項(xiàng)目要求來說也沒有必要，并且當(dāng)測(cè)角有偏差時(shí)，僅對(duì)測(cè)出的角度陷零是顯然不夠的，必須在測(cè)量出的干擾角度周圍區(qū)域也陷零。因此考慮將(13)式修改為WHβ(θi+mΔ，φi+nΔ)＝C-u≤m，n≤u1≤i≤P (16)上式中Δ表示一個(gè)很小的角度，它和u的取值決定了零點(diǎn)的寬度，而C的選取決定了所選擇區(qū)域調(diào)零點(diǎn)的強(qiáng)度，視具體應(yīng)用而設(shè)定其值。應(yīng)該指出的是，上式中零點(diǎn)寬度越大，對(duì)主波束起伏影響越大，并且由于有些調(diào)零是在通信區(qū)域進(jìn)行的，過寬的零點(diǎn)范圍會(huì)影響周圍的通信用戶，因而在保證實(shí)際干擾調(diào)零點(diǎn)深度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小調(diào)零區(qū)域。
另外，我們選擇的的調(diào)零算法改變加權(quán)的方式是針對(duì)全部陣元進(jìn)行的，它要改變所有陣元輸出的幅度/相位信息，所以通道中存在的誤差會(huì)影響調(diào)零結(jié)果，特別是應(yīng)用中的有限位數(shù)字移相器的使用大大的影響了調(diào)零效果。設(shè)數(shù)字移相器的位數(shù)為M位，則與移相器對(duì)應(yīng)的相位狀態(tài)有2M種，分別對(duì)應(yīng)Θ=m3602M+Oconst,0≤m≤M-1---(17)]]>其中Oconst為一固定相位。
大量的仿真發(fā)現(xiàn)，如果考慮數(shù)字移相器的影響，式(16)中C的選擇已經(jīng)不那么重要了，因?yàn)檎{(diào)零效果主要受移相器的影響。表一給出了移相器位數(shù)對(duì)調(diào)零效果的影響，其仿真條件為兩個(gè)等功率干擾位于空間(0.7，0.7)、(0.6，0.9)度，干噪比為10分貝。大量的仿真發(fā)現(xiàn)，既便是加上通道隨機(jī)相位誤差±1度，增益隨機(jī)誤差±0.5分貝的影響，用7位以上的數(shù)字移相器，對(duì)干擾調(diào)零深度總能滿足項(xiàng)目要求-25分貝以上的衰減，并且隨移相器位數(shù)的增加，調(diào)零效果變化不明顯，此時(shí)調(diào)零主要受限于通道隨機(jī)誤差，相比之下，移相器位數(shù)成為調(diào)零效果的次要因素。
表一、移相器位數(shù)對(duì)調(diào)零效果的影響

圖10是調(diào)零前后空間方向圖在v平面上的投影，可以看到波束保形效果良好。圖15(a)和(b)是移相器位數(shù)為7位時(shí)的調(diào)零后的方向圖和對(duì)應(yīng)的等高線圖其仿真條件為等功率干擾從空間(0，0.13)和(0.7，0.9)到達(dá)陣列接收端，干噪比都為10分貝?？梢娫诹泓c(diǎn)附近區(qū)域，方向圖增益都很小，實(shí)際上這也影響了通信的正常進(jìn)行，所以在滿足項(xiàng)目的要求下，并沒有加寬零點(diǎn)寬度，另外，即使是對(duì)干擾方向施加增益約束，調(diào)零深度也無太大的變化，這說明了此刻主要約束為有限相位和通道隨機(jī)誤差，所以在程序中也沒有施加這一約束?？梢钥吹皆诜较驁D中心處衰減很大(對(duì)應(yīng)一個(gè)干擾位置)，波束形狀被破壞的很厲害，所以干擾不可以從波束中心附近位置入射到陣面，為了避免這種情況，采取旋轉(zhuǎn)陣列平面的辦法，將干擾盡可能的偏離固態(tài)方向圖中心位置，偏轉(zhuǎn)量可控，并能及時(shí)修正由于偏轉(zhuǎn)而帶來的導(dǎo)向矢量的變化。
圖16(a)和(b)是考慮到系統(tǒng)通道隨機(jī)誤差影響下調(diào)零后的方向圖和對(duì)應(yīng)等高線圖，兩個(gè)功率相差6分貝的干擾，對(duì)應(yīng)干噪比分別為10分貝，16分貝，從空間角度(0.7，-0.7)、(-0.9，0.85)度到達(dá)陣列平面，陣元通道隨機(jī)相位誤差±1度，增益隨機(jī)誤差±0.5分貝，采用測(cè)角模塊的算法，將角度估計(jì)結(jié)果送到調(diào)零模塊，使用7位的移相器，其他方向圖仿真結(jié)果如下等高線最大值為36分貝，線間距為1分貝，圖10是圖(16)的調(diào)零前后空間方向圖在v平面上的投影可以看到，波束保形效果良好。
3、校正過程相控陣?yán)走_(dá)在研制過程中，其通道幅相校準(zhǔn)可以借助于輔助設(shè)備，而在服役期間，通常帶有自校準(zhǔn)系統(tǒng)。雷達(dá)自身的通道幅相校準(zhǔn)方法可分為外校準(zhǔn)、內(nèi)校準(zhǔn)。外校準(zhǔn)有遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)之分，可在微波暗室中進(jìn)行。D.Dan的遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)需要一個(gè)遠(yuǎn)距離測(cè)試場(chǎng)、輔助天線和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，基本原理是在多個(gè)預(yù)定的角度上，分別測(cè)出天線總輸出端口的幅度和相位值，再通過矩陣求逆得到天線口徑分布的幅度和相位值；近場(chǎng)方法是在天線陣周圍或陣中不同位置設(shè)置若干輔助單元，通過測(cè)試輔助單元和陣元之間的相互耦合來進(jìn)行校準(zhǔn)。內(nèi)校準(zhǔn)法是在天線系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置開關(guān)矩陣、行波饋電網(wǎng)絡(luò)等?？紤]到星載設(shè)備的特殊要求，如在遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)置過多的信標(biāo)等方法過于復(fù)雜，而且不準(zhǔn)確。
本發(fā)明的校準(zhǔn)方案的要點(diǎn)是外校準(zhǔn)和內(nèi)校準(zhǔn)相結(jié)合的方法，外校準(zhǔn)在地面進(jìn)行，內(nèi)校準(zhǔn)可以按需要隨時(shí)進(jìn)行，特別是與測(cè)角相關(guān)的模塊，要求誤差校準(zhǔn)盡量精確。
由于我們關(guān)心的是通道間幅相誤差，所以可以設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試源為一點(diǎn)頻的便于處理的信號(hào)，如設(shè)置為同通信信號(hào)載波同頻的信號(hào)。不失一般性，假定通道一為參考通道。為了進(jìn)行內(nèi)校正，在射頻接收模塊與接收陣元間加入行波饋電網(wǎng)絡(luò)，將一同遠(yuǎn)場(chǎng)源同頻的信號(hào)注入饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)校正。
不管是內(nèi)校正還是外校正，其基本原理都是對(duì)陣元輸出的數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行FFT變換，然后比較、記錄信號(hào)頻點(diǎn)(對(duì)應(yīng)注入信號(hào)或遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)下變頻到基帶的信號(hào))處待測(cè)陣元與參考陣元的幅相誤差，存放到指定的存儲(chǔ)器內(nèi)。外校準(zhǔn)僅僅在地面上進(jìn)行，而內(nèi)校準(zhǔn)可依需要進(jìn)行。
設(shè)第i個(gè)陣元相對(duì)參考陣元在外校正時(shí)的幅相不一致值為Ai(為一復(fù)數(shù)，模值代表幅度誤差，相位代表相位誤差)，而內(nèi)校準(zhǔn)時(shí)幅相不一致值為Bi，定義內(nèi)外場(chǎng)校正系數(shù)為Ci＝Ai/Bi(18)陣元在使用壽命期間，Ci1≤i≤19基本為一常數(shù)。在工作過一段時(shí)間后如果需要進(jìn)行校正，只需要內(nèi)校正通道即可。設(shè)內(nèi)校正時(shí)得到的幅相不一致值變?yōu)锽i′，則此刻整個(gè)天線系統(tǒng)(這里指第i個(gè)陣元)的幅相不一致性為Ai′＝Ci×Bi′ (19)該方法可行性較高，而且實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單。
校正模塊的幅相校正數(shù)值應(yīng)放到一指定的存儲(chǔ)器中以供測(cè)向模塊調(diào)用并修正導(dǎo)向矢量。
權(quán)利要求
1.一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)、通過波束選擇器進(jìn)行通道選擇控制，選出幾個(gè)受干擾擾動(dòng)的通道送入處理支路，要求所選取的通道中功率較其它通道強(qiáng)；(2)、選擇出的陣元通道的信號(hào)首先被下變頻至中心頻率1.0GHz，再傳送給通帶分別為650MHz-1000MHz，1000MHz-1350MHz的帶通濾波器BPF1，BPF2，因?yàn)楦蓴_必然存在于兩個(gè)帶通濾波器的輸出中，如果一個(gè)濾波器的輸出能量極小，與正常通信功率可比擬，則可以判定干擾全部存在于另一個(gè)濾波器中；否則兩個(gè)濾波器輸出分時(shí)送到下一級(jí)處理，時(shí)間控制由測(cè)角處理器控制或由測(cè)角最大耗時(shí)做固定切換控制；如果兩次測(cè)角相差不大，則說明是同一個(gè)寬帶干擾，否則為不同的干擾源，必須加以調(diào)零；(3)、濾波器處理后的輸出信號(hào)傳送到鑒相器中，鑒相器的作用是去除實(shí)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的負(fù)頻譜，將實(shí)信號(hào)變化為I、Q兩個(gè)通道的復(fù)信號(hào)，鑒相器的輸入頻率為1GHz；(4)、測(cè)角過程多重信號(hào)分類方法估計(jì)信源波達(dá)方向的基本方法是，將數(shù)據(jù)采樣協(xié)方差矩陣作特征分解，根據(jù)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成信號(hào)子空間，小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量生成噪聲子空間；然后用不同方向上的導(dǎo)向向量向噪聲子空間投影，若該向量屬于信號(hào)子空間，則投影為零，根據(jù)投影結(jié)果可以判斷信號(hào)的波達(dá)方向；(5)、調(diào)零過程是要在保證主通道增益的前提下最大限度的在空域抑制干擾，其主要性能指標(biāo)為調(diào)零后在干擾功率衰減25分貝以上的前提下，主通道功率最多減弱5個(gè)分貝，即新權(quán)值不但對(duì)干擾要陷零，而且必須使天線方向圖盡可能保形；(6)、校正過程相控陣天線中許多器件的制造和組裝都有公差、天線單元間的互藕、各通道常常呈現(xiàn)出相當(dāng)大的幅相誤差，從而引起相控陣天線增益的下降和副瓣電平的升高，由于組件長(zhǎng)期工作時(shí)的老化、熱變形等引起的各通道的幅相誤差也必須加以校準(zhǔn)和補(bǔ)償，特別是方案中采用的高分辨處理方法，如果幅相誤差不能給以很好的校正，則勢(shì)必會(huì)造成測(cè)角誤差加大，調(diào)零深度不能滿足要求的嚴(yán)重后果，所以對(duì)其的校正是非常關(guān)鍵的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，其特征在于所說的測(cè)角過程中，處理角度搜索時(shí)對(duì)MUSIC方法進(jìn)行了適合于硬件實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，其方法如下(1)、因?yàn)槭孪炔⒉恢栏蓴_個(gè)數(shù)，雖然有些文獻(xiàn)介紹了如何判定信源個(gè)數(shù)的方法，但這樣勢(shì)必會(huì)增加運(yùn)算量，所以采用過估計(jì)方法，搜索步長(zhǎng)選為0.01度；(2)、由選擇出的通道來判斷干擾大概在那個(gè)角度范圍，這樣可以減小搜索范圍，降低運(yùn)算量；(3)、給定一個(gè)門限值，該門限可自由修正，記錄出高出門限的各個(gè)譜峰值Ω與譜峰位置，先找出最大值所對(duì)應(yīng)的位置(θ1，φ1)，該位置對(duì)應(yīng)于一個(gè)干擾，在空域上將檢測(cè)出的強(qiáng)干擾扣除，然后計(jì)算輸出矩陣的每個(gè)通道功率，看看是否滿足要求，即干擾功率是否降低了25分貝，如果滿足了上述要求，則測(cè)角結(jié)束；如果不能滿足，說明還存在強(qiáng)干擾，必須將第二個(gè)干擾位置找出來，其他干擾依此類推。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，其特征在于所說的調(diào)零過程中，當(dāng)調(diào)零后在干擾功率衰減25分貝以上的前提下，主通道功率最多減弱5個(gè)分貝，即新權(quán)值不但對(duì)干擾要陷零，而且必須使天線方向圖保形，零點(diǎn)寬度越大，對(duì)主波束起伏影響越大，并且由于有些調(diào)零是在通信區(qū)域進(jìn)行的，過寬的零點(diǎn)范圍會(huì)影響周圍的通信用戶，因而在保證實(shí)際干擾調(diào)零點(diǎn)深度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小調(diào)零區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，其特征在于所說的校正過程中，由于通道間幅相誤差，本校準(zhǔn)方案的要點(diǎn)是外校準(zhǔn)和內(nèi)校準(zhǔn)相結(jié)合的方法，外校準(zhǔn)在地面進(jìn)行，內(nèi)校準(zhǔn)可以按需要隨時(shí)進(jìn)行，特別是與測(cè)角相關(guān)的過程，要求對(duì)誤差的校準(zhǔn)盡量精確，其方法為(1)、可以設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試源為一點(diǎn)頻的便于處理的信號(hào)，如設(shè)置為與通信信號(hào)載波同頻的信號(hào)，不失一般性，假定某個(gè)通道為參考通道；(2)、為了進(jìn)行內(nèi)校正，在射頻接收模塊與接收陣元間加入行波饋電網(wǎng)絡(luò)，將一同遠(yuǎn)場(chǎng)源同頻的信號(hào)注入饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)校正。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高分辨算法的星載賦形天線抗干擾方法，它涉及電子抗干擾技術(shù)領(lǐng)域。其目的在于解決常規(guī)的方法中存在的高分辨率和運(yùn)算復(fù)雜度、通道一致性要求的矛盾，以達(dá)到主波束保形并能對(duì)多個(gè)強(qiáng)干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該方法的實(shí)現(xiàn)過程為首先利用波束選擇器進(jìn)行通道選擇控制，選出幾個(gè)受干擾擾動(dòng)的通道，將所選通道的信號(hào)送入處理支路；所選通道的信號(hào)首先被下變頻至中心頻率為1.0GHz，并送入帶通濾波器；濾波器輸出的信號(hào)送到鑒相器中，去除實(shí)信號(hào)的負(fù)頻譜，將實(shí)信號(hào)變化為復(fù)信號(hào)；同時(shí)本系統(tǒng)的算法通過幅相不一致性校正，高分辨測(cè)角、自適應(yīng)調(diào)零過程來完成。該方法可用于衛(wèi)星通信中在空域進(jìn)行波束合成來抑制多個(gè)強(qiáng)干擾。
文檔編號(hào)H04B7/06GK1897486SQ20061004279
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者廖桂生, 陶海紅, 李軍, 曾操, 李海, 徐青, 王洪洋, 劉穎 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)