CN104360355B - 抗干扰方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗干扰方法和装置。涉及抗干扰滤波领域；解决了单一滤波方式局限性的问题。该方法包括：对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。本发明提供的技术方案适用于卫星信号处理，实现了对宽带、窄带混合干扰的抵制。

Description

抗干扰方法和装置

技术领域

本发明涉及抗干扰滤波领域，尤其涉及一种应用于各种来向干扰环境下的卫星导航接收机以及其他抗干扰扩频通信系统的抗干扰方法和装置。

背景技术

全球卫星导航系统目前有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)、欧洲伽利略卫星定位系统(Galileo)、以及发展中的中国北斗定位系统，它们能提供全天候、实时、连续的高精度位置信息，已经广泛应用于各类军用和民用目标的定位、导航、授时和精密测量。但是卫星信号在传输和接收过程中会受到有意和无意的干扰。自适应阵列天线通过自适应调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，使波束指向期望方向，而零点指向干扰方向，从而提高天线的增益和信干噪比，也称为空域滤波技术，是目前最有效的干扰抑制技术之一。

然而，单纯的空域滤波受到阵列自由度个数的限制，不能满足复杂的干扰以及多径环境下的应用，而且空域滤波对空间不同于信号来向的干扰可以有效地抑制，但对于与信号同向的窄带干扰抑制程度不够，同时滤除部分有用信号。空域频域联合滤波对点频干扰处理时有效位、系数精度要求较高，同样有效位精度下抑制窄带干扰效果比抑制宽带干扰效果差，通过频域预处理窄带干扰的方法解决了该问题。

发明内容

本发明提供了一种抗干扰方法和装置，解决了单一滤波方式局限性的问题。

一种抗干扰方法，包括：

对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；

对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；

对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。

优选的，对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组包括：

积累一定长度的中频AD采样信号，所述中频AD采样信号中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将所述中频AD采样信号进行FFT变换，得到幅度谱ξ_n；

根据以下表达式统计带内幅度谱模值的平均值：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\ξ}}_n\right|;$

根据二阶矩算法计算干扰门限T＝μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，σ为幅度标准方差，根据表达式确定；

对所述中频AD采样信号进行FFT变换后得到的频域数组进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的频域数据置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

当Q>10％带内频点数时，β+0.1；当Q<2％带内频点数时，β-0.1。

优选的，对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波包括：

每个阵元接收中频AD采样信号经过相同的频域窄带干扰预处理后，经过多点FFT变换，得到频域数组X：

X＝[X₁₁,X₁₂,…X_1K；X₂₁,X₂₂,…X_2K；…X_M1,X_M2,…X_MK]；

根据所述频域数组，计算协方差矩阵R_k＝E[X_kX_k ^H](M×M维)，其中，X_k＝[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k＝1,2,...,K；

求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，确定空频滤波器的最优化问题如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& E\left\{{\left|y_k\left(n\right)\right|}^2\right\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.k=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，y_k(n)为空频滤波器第k个频点的输出，w_k为空频滤波器第k个频点对应的最优权值，空间导向矢量a为ω_s为空间归一化频率；

利用拉格朗日乘子法推导出多约束最小方差的解为：

w_k＝R_k ^-1a；

利用w_k对所述频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)＝w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n)，

其中，y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。

本发明还提供了一种抗干扰装置，包括：

频域窄带干扰预处理模块，用于对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；

空域滤波模块，用于对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；

IFFT变换模块，用于对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。

优选的，所述频域窄带干扰预处理模块包括：

FFT变换单元，用于积累一定长度的中频AD采样信号，所述中频AD采样信号中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将所述中频AD采样信号进行FFT变换，得到幅度谱ξ_n；

带内幅度谱模值计算单元，用于根据以下表达式统计带内幅度谱模值的平均值：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|{\mathrm{\&xi;}}_n\right|;$

干扰门限计算单元，用于根据二阶矩算法计算干扰门限T＝μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，σ为幅度标准方差，根据表达式 $\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{K-1}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{|{\mathrm{\&xi;}}_n-\mathrm{\&mu;}|}^2}$ 确定；

干扰预处理单元，用于对FFT变换后的频域数据进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的频域数据置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

门限优化因子计算单元，用于当Q>10％带内频点数时，β+0.1；当Q<2％带内频点数时，β-0.1。

优选的，所述空域滤波模块包括：

FFT变换单元，用于对所述中频AD采样信号经过多点FFT变换，得到频域数组X：

X＝[X₁₁,X₁₂,…X_1K；X₂₁,X₂₂,…X_2K；…X_M1,X_M2,…X_MK]；

协方差矩阵计算单元，用于根据所述频域数组，计算协方差矩阵R_k＝E[X_kX_k ^H](M×M维)，其中，X_k＝[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k＝1,2,...,K；

最优化问题确定单元，用于求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，确定空频滤波器的最优化问题如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& E\left\{{\left|y_k\left(n\right)\right|}^2\right\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.k=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，空间导向矢量a为 $a={[1,e^{{\mathrm{j\&omega;}}_s},...,e^{j(M-1){\mathrm{\&omega;}}_s}]}^T;$

处理器计算单元，用于利用拉格朗日乘子法推导出多约束最小方差的解为：

w_k＝R_k ^-1a；

滤波处理单元，用于利用所述w_k对所述频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)＝w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n)，

其中，y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。

本发明提供了一种抗干扰方法和装置，首先，对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组，对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波，对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。实现了对宽带、窄带混合干扰的抵制，解决了单一滤波方式局限性的问题。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的一种抗干扰方法的原理图；

图2为本发明的实施例二提供的一种抗干扰装置的结构示意图；

图3为图2中频域窄带干扰预处理模块201的结构示意图；

图4为图2中空域滤波模块202的结构示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

首先对本发明的实施例一进行说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种导航接收机空域频域联合的抗干扰方法包括：

1、首先积累一定长度K的中频AD采样信号，中频AD采样信号数据中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将其进行FFT变换；

2、中频AD采样信号通过FFT变换后，得到幅度谱ξ_n，统计带内幅度谱模值平均， $\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|{\mathrm{\&xi;}}_n\right|;$

3、根据二阶矩算法计算门限T＝μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，他可以通过参数提取过程中对干扰能量和带宽的估计来调节，以得到更好的处理效果，σ为幅度标准方差，

4、对FFT变换后的频域数据进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

5、根据工程经验，当Q>10％带内频点数时，β+0.1；当Q<2％带内频点数时，β-0.1。

6、将频域窄带干扰预处理后的得到的频域数组X₁₁,X₁₂,…X_1K；X₂₁,X₂₂,…X_2K；…X_M1,X_M2,…X_MK，按K个频点分别进行空域滤波，其中M为阵元的数量；

7、对空域滤波后的频域数据进行K点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。

步骤6中实现空域滤波处理的具体步骤如下：

(1)每个阵元接收中频AD采样信号经过相同的频域窄带干扰预处理后，经过K点FFT变换，得到频域数组。用X表示频域数组为：

X＝[X₁₁,X₁₂,…X_1K；X₂₁,X₂₂,…X_2K；…X_M1,X_M2,…X_MK] (1)

(2)根据频域数组，计算协方差矩阵R_k＝E[X_kX_k ^H](M×M维)；X_k＝[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k＝1,2,...,K (2)

(3)求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，该空频滤波器可以描述为以下最优化问题：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& E\left\{{\left|y_k\left(n\right)\right|}^2\right\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.k=\mathrm{1,2},...,K---\left(3\right)$

y_k(n)为空频滤波器第k个频点的输出，w_k为空频滤波器第k个频点对应的最优权值，

空间导向矢量a表示为 $a={[1,e^{{\mathrm{j\&omega;}}_s},...,e^{j(M-1){\mathrm{\&omega;}}_s}]}^T---\left(4\right)$

其中，ω_s为空间归一化频率。

利用拉格朗日乘子法可以推导出多约束最小方差的解(最优权值)为：

w_k＝R_k ^-1a (5)

(4)利用最优权值w_k对频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)＝w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n) (6)

y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。

下面结合附图，对本发明的实施例二进行说明。

本发明实施例提供了一种抗干扰装置，如图2所示，包括：

频域窄带干扰预处理模块201，用于对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；

空域滤波模块202，用于对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；

IFFT变换模块203，用于对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。

优选的，所述频域窄带干扰预处理模块201的结构如图3所示，包括：

FFT变换单元2011，用于积累一定长度的中频AD采样信号，所述中频AD采样信号中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将所述中频AD采样信号进行FFT变换，得到幅度谱ξ_n；

带内幅度谱模值计算单元2012，用于根据以下表达式统计带内幅度谱模值的平均值：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|{\mathrm{\&xi;}}_n\right|;$

干扰门限计算单元2013，用于根据二阶矩算法计算干扰门限T＝μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，σ为幅度标准方差，根据表达式 $\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{K-1}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{|{\mathrm{\&xi;}}_n-\mathrm{\&mu;}|}^2}$ 确定；

干扰预处理单元2014，用于对FFT变换后的频域数据进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的频域数据置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

门限优化因子计算单元2015，用于当Q>10％带内频点数时，β+0.1；当Q<2％带内频点数时，β-0.1。

优选的，所述空域滤波模块202的结构如图4所示，包括：

FFT变换单元2021，用于对所述中频AD采样信号经过多点FFT变换，得到频域数组X：

X＝[X₁₁,X₁₂,…X_1K；X₂₁,X₂₂,…X_2K；…X_M1,X_M2,…X_MK]；

协方差矩阵计算单元2022，用于根据所述频域数组，计算协方差矩阵R_k＝E[X_kX_k ^H](M×M维)，其中，X_k＝[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k＝1,2,...,K；

最优化问题确定单元2023，用于求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，确定空频滤波器的最优化问题如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& E\left\{{\left|y_k\left(n\right)\right|}^2\right\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.k=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，空间导向矢量a为 $a={[1,e^{{\mathrm{j\&omega;}}_s},...,e^{j(M-1){\mathrm{\&omega;}}_s}]}^T;$

处理器计算单元2024，用于利用拉格朗日乘子法推导出多约束最小方差的解为：

w_k＝R_k ^-1a；

滤波处理单元2025，用于利用所述w_k对所述频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)＝w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n)，

其中，y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。

本发明的实施例提供了一种抗干扰方法和装置，首先，对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组，对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波，对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据。实现了对宽带、窄带混合干扰的抵制，解决了单一滤波方式局限性的问题。

单纯的空域滤波受到阵列自由度个数的限制，不能满足复杂的干扰以及多径环境下的应用，本发明的实施例提供的技术方案结合频域窄带干扰抑制和空频自适应滤波，利用傅立叶变换对输入信号的相关矩阵进行解相关，从而增加频域自由度，提高收敛速度，达到很好抑制宽带、窄带混合干扰的目的。

传统的空域自适应处理算法对空间不同于信号来向的干扰可以有效地抑制，但对于与信号同向的窄带干扰抑制程度不够，同时滤除部分有用信号。本发明的实施例解决了与卫星信号同向窄带干扰的抑制问题。

空域频域滤波对点频干扰处理时有效位、系数精度要求较高，同样有效位精度下抑制窄带干扰效果比抑制宽带干扰效果差，通过频域窄带干扰预先处理的方法解决了该问题。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以使用计算机程序流程来实现，所述计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在相应的硬件平台上(如系统、设备、装置、器件等)执行，在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成电路来实现，这些步骤可以被分别制作成一个个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元可以采用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上。

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的计算机可读取存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种抗干扰方法，其特征在于，包括：

对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；

对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；

对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据；

其中，对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组包括：

积累一定长度K的中频AD采样信号，所述中频AD采样信号中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将所述中频AD采样信号进行FFT变换，得到幅度谱ξ_n；

根据以下表达式统计带内幅度谱模值的平均值：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&xi;}}_n\right|;$

根据二阶矩算法计算干扰门限T=μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，σ为幅度标准方差，根据表达式确定；

对所述中频AD采样信号进行FFT变换后得到的频域数组进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的频域数据置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

当Q>10%带内频点数时，β+0.1；当Q<2%带内频点数时，β-0.1。

2.根据权利要求1所述的抗干扰方法，其特征在于，对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波包括：

每个阵元接收中频AD采样信号经过相同的频域窄带干扰预处理后，经过多点FFT变换，得到频域数组X：

X=[X₁₁,X₁₂,…X_1K;X₂₁,X₂₂,…X_2K;…X_M1,X_M2,…X_MK]；

根据所述频域数组，计算协方差矩阵R_k=E[X_kX_k ^H](M×M维)，其中，X_k=[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k=1,2,...,K，M为阵元的数量；

求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，确定空频滤波器的最优化问题如下：

$\left\{\begin{array}{cc}Min& E\left\{\right|y_k\left(n\right){|}^2\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.,k=1,2,...,K,$

其中，y_k(n)为空频滤波器第k个频点的输出，w_k为空频滤波器第k个频点对应的最优权值，空间导向矢量a为ω_s为空间归一化频率；

利用拉格朗日乘子法推导出多约束最小方差的解为：

w_k=R_k ^-1a；

利用w_k对所述频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)=w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n)，

其中，y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。

3.一种抗干扰装置，其特征在于，包括：

频域窄带干扰预处理模块，用于对中频信号进行频域窄带干扰预处理，得到频域数组；

空域滤波模块，用于对所述频域数组按照多个频点分别进行空域滤波；

IFFT变换模块，用于对空域滤波后的所述频域数组进行多点IFFT变换，得到抗干扰处理后的时域中频数据；

其中，所述频域窄带干扰预处理模块包括：

FFT变换单元，用于积累一定长度K的中频AD采样信号，所述中频AD采样信号中包含卫星信号、窄带、宽带干扰以及背景噪声，将所述中频AD采样信号进行FFT变换，得到幅度谱ξ_n；

带内幅度谱模值计算单元，用于根据以下表达式统计带内幅度谱模值的平均值：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{K}\underset{n=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left|{\mathrm{\&xi;}}_n\right|;$

干扰门限计算单元，用于根据二阶矩算法计算干扰门限T=μ+βσ，其中β为门限优化因子，初始值设为1，σ为幅度标准方差，根据表达式确定；

干扰预处理单元，用于对FFT变换后的频域数据进行窄带干扰预处理，超过干扰门限T的频域数据置为平均值μ，否则不予处理，并记录超过门限值的次数Q；

门限优化因子计算单元，用于当Q>10%带内频点数时，β+0.1；当Q<2%带内频点数时，β-0.1。

4.根据权利要求3所述的抗干扰装置，其特征在于，所述空域滤波模块包括：

FFT变换单元，用于对所述中频AD采样信号经过多点FFT变换，得到频域数组X：

X=[X₁₁,X₁₂,…X_1K;X₂₁,X₂₂,…X_2K;…X_M1,X_M2,…X_MK]；

协方差矩阵计算单元，用于根据所述频域数组，计算协方差矩阵R_k=E[X_kX_k ^H](M×M维)，其中，X_k=[X_1k,X_2k,…X_Mk]^T k=1,2,...,K，M为阵元的数量；

最优化问题确定单元，用于求解线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，确定空频滤波器的最优化问题如下：

$\left\{\begin{array}{cc}Min& E\left\{\right|y_k\left(n\right){|}^2\}={w_k}^H{R}_k{w}_k\\ s.t.& a^H{w}_k=1\end{array}\right.,k=1,2,...,K,$

其中，y_k(n)为空频滤波器第k个频点的输出，w_k为空频滤波器第k个频点对应的最优权值，空间导向矢量a为ω_s为空间归一化频率；

处理器计算单元，用于利用拉格朗日乘子法推导出多约束最小方差的解为：

w_k=R_k ^-1a；

滤波处理单元，用于利用所述w_k对所述频域数组进行空域滤波处理，表达式为：

y_k(n)=w_1kX_1k(n)+w_2kX_2k(n)+...+w_MkX_Mk(n)，

其中，y_k(n)为第k个频点空域滤波的输出。