CN103701515B - 一种数字多波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字多波束形成方法，通过对输入信号进行干扰检测，确定输入信号中是否存在干扰，从而使用不同的波束形成算法进行信号合成。如果输入信号中不存在干扰，则使用固定波束形成算法来进行信号合成；如果输入信号中存在干扰，则使用自适应波束形成算法来进行信号合成。该方法在无干扰时无需迭代，信号跟踪速度快，有干扰时无需期望信号或干扰信号方向等先验信息，可有效抑制干扰。

Description

一种数字多波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种数字多波束形成方法，特别是涉及一种在有干扰条件下的改进的自适应波束形成方法。

背景技术

在航空航天等测控领域，目标飞行器的下行信号通常需要传输多种不同的数据类型，例如测量数据、数传数据（多路视频、音频流等）。通常测量数据码率较低而数传数据码率较高。目标飞行器由于体积功耗等因素的限制，通常发射功率较低。为了提高测控系统的作用距离，测量数据可以采用扩频通信体制。而受限于系统带宽、接收机灵敏度等限制，数传数据不能采用扩频通信体制。在这种情况下，需要采用数字多波束形成技术提高接收信号的信噪比（SNR）。

最小均方误差（MMSE）算法、线性约束最小方差（LCMV）算法和功率倒置（PI）算法是常用的波束形成方法。这些方法通常的需要一定的训练序列，或预先估计好目标的方向，以使得到权向量指向预期的目标方向。

最小均方误差（MMSE）算法是一种统计最优波束形成算法，使用于移动通信等具有导频信道（或训练序列）的特定通信系统中。MMSE算法中，将导频信号（或训练序列）作为参考信号来进行权向量的计算。

线性约束最小方差（LCMV）算法，是一种具有多个线性约束的波束形成算法。在LCMV算法中，需要先估计期望信号和干扰信号的来波方向，固定来波方向上的增益进行权向量的计算。

在强干扰的情况下，可以采用功率倒置（PI）算法，该算法不需要导频信道（或训练序列），仅采用第一通道作为参考信号。

MMSE和LCMV算法可用多级维纳滤波器（MWF）实现。MWF一种递推计算方法如公式1所示。

<公式1>

现有的数字波束形成方法在强干扰的条件下具有诸多问题。首先，在强干扰的条件下，导频信号（或训练序列）无法正常接收，MMSE算法失效。在强干扰情况下无法估计期望信号的方向，LCMV算法也将失效，功率倒置算法可正常工作，但其对期望信号的增益较低。其次，在干扰消失的时候，自适应波束形成算法的权向量收敛过程又会导致系统跟踪速度的降低。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种基于干扰检测的波束形成方法，该方法在无干扰时无需迭代，信号跟踪速度快，有干扰时无需期望信号或干扰信号方向等先验信息，可有效抑制干扰。

本发明技术解决方案：一种数字多波束形成方法，步骤如下：

（1）由多个接收通道同时接收信号，对接收到的扩频信号进行FFT变换，并进行干扰检测，判断当前环境是否存在干扰信号，根据是否存在干扰信号从固定波束形成方法和自适应波束形成方法中选择一种对有用信号（即需要接收的信号）进行合成；

（2）当接收信号中不存在干扰时，信号解扩后对信号来波方向（DOA）进行估计，由来波方向得到各天线接收信号的空间相位差，由固定波束形成方法对接收信号进行相位补偿；

（3）接收信号中存在干扰时，波束形成器采用自适应波束形成方法来进行波束形成；自适应波束形成方法包括两个阶段：第一阶段，首先采用FFT变换滤除接收信号中的干扰，接收信号中干扰被有效滤除后，由DOA估计方法估计出信号来波方向，并转入第二阶段；第二阶段，采用广义旁瓣对消（GSC）结构的波束形成方法来进行波束形成。

所述步骤（1）中的干扰检测步骤为：

首先，对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到频谱幅度；

其次，用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把频谱幅度的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰。

所述步骤（2）中由各天线接收通道收到的信号的载波相位差确定接收信号的来波方向DOA估计值。

所述步骤（3）中采用FFT变换进行干扰滤除的方法为：

（31）对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到幅度谱；

（32）用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把幅度谱中的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰，并删除该谱线；

（33）对步骤（32）产生新的幅度谱进行新一轮的干扰检测及滤除；

（34）重复上述步骤（32）和（33），直到检测不到干扰为止。

步骤（3）中采用广义旁瓣对消（GSC）结构的LCMV波束形成方法。所述LCMV波束形成方法由多级维纳滤波器（MWF）实现。

本发明与现有的技术相比的有益效果是：

（1）本发明对干扰进行了存在性检测，在有干扰存在的情况下进行自适应波束形成，可以通过空域滤波有效抑制其它设备带来的干扰（包括覆盖本系统信号带宽的宽带干扰），没有干扰存在的情况下直接通过固定波束形成算法进行信号合成，提高系统对高速目标的跟踪速度。

（2）相对于其它波束形成算法，本发明涉及的方法采用包含两个阶段的波束形成策略，第一阶段对干扰进行滤除，以使DOA估计方法可估计出期望信号的来波方向，第二阶段提高波束形成器对期望信号的增益，可以在期望信号和干扰信号方向未知的情况下进行波束形成，可有效的提高系统的容量和作用距离。

（3）本发明采用了广义旁瓣对消器作为实现，可以采用多种有效的自适应权向量计算方法进行算法的工程实现。

（4）本发明可以依据系统的需要在同一数字多波束形成设备中实现多个算法的实例，从而可以多个自适应波束，在相同的设备量情况下实现多个目标的跟踪和处理，有效的降低系统成本。

附图说明

图1为框图，显示了根据本发明优选实施方式的数字多波束形成设备；

图2为框图，显示了根据本发明优选实施方式的自适应数字波束形成方法；

图3为流程图，显示了根据本发明优选实施方式的数字多波束形成方法。

具体实施方式

图1显示了根据本发明优选实施方式的数字多波束形成设备。本发明的优选数字多波束形成设备包括：从天线阵列（未显示）接收信号的物理信道（ADC）11、对接收信号进行干扰滤除的FFT干扰滤除模块12、对期望信号来波方向进行估计的DOA估计模块13、将接收信号变换至基带信号的数字下变频器（DDC）14、固定波束形成时的空间相位差计算模块15、干扰检测模块16、用于波束形成的自适应波束形成模块17。

图2为根据本发明优选实施方式的自适应波束形成模块17。波束形成模块17采用了广义旁瓣对消器（GSC）形式，包括：生成参考信号d0(k)的静态滤波器18、阻塞矩阵19、用于抑制干扰信号的自适应滤波器20。

下文将描述上述数字多波束形成方法的工作方式。

设备开始工作后，多通道的物理信道11将从天线阵列（未显示）接收到的信号数字量化得到阵列输入信号向量s(n)，此时，FFT干扰滤除模块12默认不工作。数字下变频器（DDC）14将接收信号变换至基带信号x(n)。

干扰检测模块16对接收到的基带扩频信号x(n)进行干扰检测，判断当前环境是否存在干扰信号。干扰检测步骤为：首先，对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到频谱幅度；其次，用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把频谱幅度的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰。

波束形成模块17可由干扰检测模块16和上层控制软件的控制，采用不同的波束形成方法。波束形成模块17根据是否存在干扰信号从固定波束形成方法和自适应波束形成方法中选择一种对有用信号（即需要接收的信号）进行合成，并输出多路目标数据。

干扰检测模块16未检测到干扰时，波束形成模块17采用固定波束形成方法。DOA估计模块13由各天线接收通道接收信号s(n)的载波相位差得到有用信号来波方向的DOA估计值其中，θ和分别表示有用信号到达方向的俯仰角和方位角。空间相位差计算模块15由得到各天线接收通道收到的信号的空间相位差

其中，λ为有用信号的波长，(x_m,y_m,z_m)为第m个天线的坐标。

数字下变频器14需要对物理信道11的输出信号s(n)进行下变频及相移。数字下变频器14的输出信号为x(n)，则输入输出信号关系为

其中，n为采样时刻，为整数字下变频器14的载波相位，φ为空间相位差，S_B(n)为s(n)对应的基带信号。空间相位差φ即为数字下变频器14的载波相位控制字。

静态滤波器18将数字下变频器14移相后的信号求和即为合成后的有用信号。此时，阻塞矩阵19和自适应滤波器20不工作。此种方式无需迭代计算，资源使用少，系统跟踪速度快。

接收信号中存在干扰时，波束形成模块17采用自适应波束形成算法来进行波束形成。自适应波束形成方法包括两个阶段：

第一阶段，首先采用FFT变换滤除接收信号中的干扰，步骤为：

（1）对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到幅度谱；

（2）用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把幅度谱中的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰，并删除该谱线；

（3）对步骤（2）产生新的幅度谱进行新一轮的干扰检测及滤除；

（4）重复上述步骤（2）和（3），直到检测不到干扰为止。

接收信号中干扰被有效滤除后，由DOA估计方法估计出信号来波方向，并转入第二阶段。

第二阶段，如图2所示，采用广义旁瓣对消（GSC）结构的LCMV波束形成方法来进行波束形成。其中，LCMV波束形成方法由多级维纳滤波器（MWF）实现。由空间相位差计算模块15计算的空间相位差φ。静态滤波器18对数字下变频器14的输出信号x(n)进行相位补偿，求和即为合成后的期望信号d0(k)。阻塞矩阵19和自适应滤波器20组成多级维纳滤波器（MWF）。MWF算法与现有技术的公式1所表示的算法一致，其中B_i为阻塞矩阵19，X_i(k)和ε_i(k)组成自适应滤波器20。最后静态滤波器18与自适应滤波器20输出的差信号ε₀(k)即为有用信号。

对于多目标或多数据流的应用场合，可采用多个波束形成模块17来实现对多个目标的波束形成。

下文将参考图3描述本发明优选实施方式的数字多波束形成方法的实施流程。

如图3所示，在步骤S101，首先干扰检测模块16对输入信号进行干扰检测。接下来，如步骤S102所示，根据输入信号是否存在干扰选择不同的波束形成方法。如果不存在干扰，转入步骤S108，波束形成模块17采用固定波束形成方法。另一方面，如果存在干扰，则转入步骤S103，由FFT干扰滤除模块12滤除输入信号中的干扰。然后转入步骤S104，由干扰检测模块16确定干扰是否完全滤除。如果干扰没有完全滤除，则转回步骤S103。如果干扰完全滤除，则转入步骤S105，由DOA估计模块13对输入信号的来波方向进行估计。DOA估计完成后转入步骤S106，波束形成模块17启动LCMV算法，算法方案由图2确定。最终转入步骤S108，由波束形成模块17输出各目标的数据。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，并不对本发明构成限制。本发明可以容易地应用于其它类型的设备和装置。在权利要求书中，设备和功能的描述旨在涵盖所所述的功能和结构。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种数字多波束形成方法，其特征在于步骤如下：

(1)由多个天线接收通道同时接收信号，对接收到的扩频信号进行FFT变换，并进行干扰检测，判断当前环境是否存在干扰信号，根据是否存在干扰信号从固定波束形成方法和自适应波束形成方法中选择一种对有用信号即需要接收的信号进行合成；

(2)当接收信号中不存在干扰时，对信号来波方向(DOA)进行估计，由来波方向得到各天线接收通道收到的信号的空间相位差，由固定波束形成方法对接收信号进行相位补偿；

(3)接收信号中存在干扰时，波束形成器采用自适应波束形成方法来进行波束形成；自适应波束形成方法包括两个阶段：第一阶段，首先采用FFT变换滤除接收信号中的干扰，接收信号中干扰被有效滤除后，由DOA估计方法估计出信号来波方向，并转入第二阶段；第二阶段，采用广义旁瓣对消(GSC)结构的波束形成方法来进行波束形成；

所述步骤(1)中的干扰检测步骤为：

首先，对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到幅度谱；

其次，用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把幅度谱的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰；

所述步骤(3)中采用FFT变换进行干扰滤除的方法为：

(31)对接收端信号做FFT得到频谱，然后求模得到幅度谱；

(32)用均值乘以门限因子T，得到检测门限TH，把幅度谱中的所有谱线与检测门限进行比较，如果有谱线的值大于检测门限TH，认为信号受到干扰，并删除该谱线；

(33)对步骤(32)产生新的幅度谱进行新一轮的干扰检测及滤除；

(34)重复上述步骤(32)和(33)，直到检测不到干扰为止。

2.根据权利要求1所述的数字多波束形成方法，其特征在于：所述步骤(2)中由各天线接收通道接收信号的载波相位差确定有用信号来波方向的DOA估计值。

3.根据权利要求1所述的数字多波束形成方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用广义旁瓣对消(GSC)结构的LCMV波束形成方法。

4.根据权利要求3所述的数字多波束形成方法，其特征在于：所述LCMV波束形成方法由多级维纳滤波器(MWF)实现。