CN107799908A - 一种延时校正宽带自适应阵列天线 - Google Patents

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王秋实
方贝贝
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赵云霄
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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Abstract

一种延时校正宽带自适应阵列天线，其特征为：(1)宽带自适应阵列天线的无源阵面模块输出信号作为数字延时模块输入，数字延时模块输出作为宽带自适应滤波模块输入。(2)无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，第n个阵元输出信号为xn(t)，n＝1,2,...,N。(3)数字延时模块每个通道由ADC和数字延时滤波器构成；第n个通道的输入经过ADC后转化为数字信号yn(k)；yn(k)经过第n个数字延时滤波器，输出为zn(k)。(4)数字延时模块的输出zn(k)经过宽带自适应滤波模块，输出为p(k)。本发明通过采用Farrow结构的数字延时滤波器，使得期望信号不满足垂直入射阵面条件时，Frost算法的空时二维自适应滤波器仍然可以工作。本发明可以应用到雷达、通信的宽带自适应阵列天线领域。

Description

一种延时校正宽带自适应阵列天线
技术领域
本发明涉及到自适应阵列天线领域，具体涉及到一种延时校正宽带自适应阵列天线。
背景技术
自适应阵列天线系统作为一种空间滤波器，可以对各阵元接收的信号进行实时复数加权，完成对信号幅度和相位的调整。权值的计算，是通过自适应滤波算法进行迭代收敛后获得。各阵元加权合成后的信号，一方面可以增强期望信号，另一方面可以对其他不同来波方向的干扰信号进行抑制。早期的自适应天线技术主要是针对窄带信号，每个阵元接收信号只有一个加权值。传统的窄带自适应阵列天线结构，在处理宽带信号时，其方向图是信号频率的函数，方向图中的主瓣和零陷会随着频率变化而发生偏移。由此造成的结果就是期望信号不同频率成分增益不一致，同时干扰信号的不同频率成分被阵列抑制的程度不同，偏离中心频率的频谱成分无法得到有效抑制。因此必须采用针对宽带信号自适应滤波方法。一种宽带自适应阵列天线采用基于横向滤波器结构的空时二维自适应滤波器，权值计算采用Frost算法。按照Frost算法要求，需要满足一个基本条件，即期望信号必须是垂直入射阵面。因此对于任意角度入射的期望信号，在进行Frost算法的自适应滤波处理前，需要先通过一定技术处理，使期望信号等效于从法向入射。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：在采用Frost算法计算权值的空时二维宽带自适应阵列天线中，要求期望信号垂直入射阵面，但实际期望信号不满足该要求。
解决上述问题的方法是一种延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：
(1)宽带自适应阵列天线包括无源阵面模块、数字延时模块、宽带自适应滤波模块；无源阵面输出信号作为数字延时模块输入，数字延时模块输出作为宽带自适应滤波模块输入；
(2)无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数；第n个阵元输出模拟信号为xn(t)，n＝1,2,...,N，该信号包含了宽带期望信号，宽带干扰信号和噪声信号，宽带期望信号入射角度为θ；
(3)数字延时模块由并行的N个通道构成，每个通道由ADC和数字延时滤波器构成；第n个通道的输入为第n个阵元输出模拟信号xn(t)，xn(t)经过ADC后转化为数字信号yn(k)＝xn(kTs)，k为采样序号，Ts为采样周期；第n个ADC输出的数字信号yn(k)经过第n个数字延时滤波器，输出为zn(k)；
(4)数字延时模块的输出zn(k)经过宽带自适应滤波模块，完成波束合成，输出为p(k)。
上述延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：数字延时滤波器采用Farrow结构；对于第n个数字延时滤波器，根据期望信号入射角度θ，计算期望信号到达第n个阵元与到达第1个阵元的时间差τn，滤波器系数计算方法为：
每个数字延时滤波器阶数都为L-1，第n个数字延时滤波器的第l个系数cnl，用M维常数矢量ξnl＝[ξnl,1 ... ξnl,M]、延时值τn和采样周期Ts的多项式表示，即其中，l＝1,2,...,L；常数矢量ξnl采用频域加权法计算。
上述延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：宽带自适应滤波采用空时二维结构，每个阵元对应通道为一个J-1阶横向滤波器，空时二维滤波器权矢量w＝[w1 ... wN]T是NJ维列矢量，其中wn＝[wn1 ... wnJ]T，wnj表示第n个阵元通道的第j个权值，j＝1,...,J,符号“T”表示转置，空时二维滤波器权矢量采用Frost算法，计算方法为：
(1)定义NJ×J维矩阵其中对角线元素为N维列矢量c＝[1 1 ... 1]T，定义P＝I-C(CHC)-1C，其中I是NJ×NJ维单位矩阵，定义J维列矢量f＝[1 0 ... 0]T，步长且λmax是信号协方差矩阵R最大特征值，符号“H”表示取共轭转置；
(2)初始化k＝1，w(1)＝C(CHC)-1f；
(3)对于第n个通道，第k次的采样快拍为J维列矢量zn(k)＝[zn(k) ... zn(k-J+1)]T，则空时二维滤波器的信号矢量z(k)＝[z1(k) z2(k) ... zN(k)]T为NJ维列矢量，而空时二维滤波器输出项为η(k)＝wH(k)z(k)；
(4)权值更新方程w(k+1)＝C(CHC)-1f+P[w(k)-μη*(k)z(k)]；
(5)判断权值是否收敛，如果已经收敛，则执行下一步，否则取k＝k+1，返回第(3)步；
(6)相控阵天线最后输出p(k)为p(k)＝wH(k)z(k)。
本发明的有益效果是：本发明通过采用Farrow结构的数字延时滤波器，使得期望信号不满足垂直入射阵面条件时，Frost算法的空时二维自适应滤波器仍然可以工作。本发明可以应用到雷达、通信的宽带自适应阵列天线领域。
附图说明
图1是延时校正宽带自适应阵列天线系统结构框图；
图2是均匀线阵布局和信号入射关系示意图；
图3是第n个阵元对应的Farrow滤波器结构框图；
图4是宽带空时二维自适应滤波器结构示意图；
具体实施方式
参考图1。延时校正宽带自适应阵列天线包括三个主要部分，无源阵面模块、数字延时模块、宽带自适应滤波模块。无源阵面输出信号作为数字延时模块输入，数字延时模块输出作为宽带自适应滤波模块输入。无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数；第n个阵元输出模拟信号为xn(t)，n＝1,2,...,N，该信号包含了宽带期望信号，宽带干扰信号和噪声信号，宽带期望信号入射角度为θ。数字延时模块由并行的N个通道构成，每个通道由ADC和数字延时滤波器构成；第n个通道的输入为第n个阵元输出模拟信号xn(t)，xn(t)经过ADC后转化为数字信号yn(k)＝xn(kTs)，k为采样序号，Ts为采样周期；第n个ADC输出的数字信号yn(k)经过第n个数字延时滤波器，输出为zn(k)。数字延时模块的输出zn(k)经过宽带自适应滤波模块，完成波束合成，输出为p(k)。
参考图2。无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数。定义系统坐标原点位于第1个阵元位置，阵列分布在X轴上，则信号入射阵列的俯仰角为θ。
参考图3。数字延时滤波器采用Farrow结构；对于第n个数字延时滤波器，根据期望信号入射角度θ，计算期望信号到达第n个阵元与到第1个阵元的时间差τn，滤波器系数计算方法为：每个数字延时滤波器阶数都为L-1，第n个数字延时滤波器的第l个系数cnl，用M维常数矢量ξnl＝[ξnl,1 ... ξnl,M]、延时值τn和采样周期Ts的多项式表示，即其中，l＝1,2,...,L；常数矢量ξnl采用频域加权法计算。
参考图4。宽带自适应滤波采用空时二维结构，每个阵元对应通道为一个J-1阶横向滤波器，空时二维滤波器权矢量w＝[w1 ... wN]T是NJ维列矢量，其中wn＝[wn1 ... wnJ]T，wnj表示第n个阵元通道的第j个权值，j＝1,...,J,符号“T”表示转置，空时二维滤波器权矢量采用Frost算法，计算方法为：(1)定义NJ×J维矩阵其中对角线元素为N维列矢量c＝[1 1 ... 1]T，定义P＝I-C(CHC)-1C，其中I是NJ×NJ维单位矩阵，定义J维列矢量f＝[1 0 ... 0]T，步长且λmax是信号协方差矩阵R最大特征值，符号“H”表示取共轭转置；(2)初始化k＝1，w(1)＝C(CHC)-1f；(3)对于第n个通道，第k次的采样快拍为J维列矢量zn(k)＝[zn(k) ... zn(k-J+1)]T，则空时二维滤波器的信号矢量z(k)＝[z1(k) z2(k) ... zN(k)]T为NJ维列矢量，而空时二维滤波器输出项为η(k)＝wH(k)z(k)；(4)权值更新方程w(k+1)＝C(CHC)-1f+P[w(k)-μη*(k)z(k)]；(5)判断权值是否收敛，如果已经收敛，则执行下一步，否则取k＝k+1，返回第(3)步；(6)相控阵天线最后输出p(k)为p(k)＝wH(k)z(k)。
本发明特征是在采用空时二维结构的宽带自适应阵列天线的波束合成中，采用基于Farrow结构的数字延时滤波器对期望信号进行延时校正。本发明有益效果是通过采用Farrow结构的数字延时滤波器，使得期望信号不满足垂直入射阵面条件时，Frost算法的空时二维自适应滤波器仍然可以工作。本发明可以应用到雷达、通信的宽带自适应阵列天线领域。

Claims (3)

1.一种延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：
(1)宽带自适应阵列天线包括无源阵面模块、数字延时模块、宽带自适应滤波模块；无源阵面输出信号作为数字延时模块输入，数字延时模块输出作为宽带自适应滤波模块输入；
(2)无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数；第n个阵元输出模拟信号为xn(t)，n＝1,2,...,N，该信号包含了宽带期望信号，宽带干扰信号和噪声信号，宽带期望信号入射角度为θ；
(3)数字延时模块由并行的N个通道构成，每个通道由ADC和数字延时滤波器构成；第n个通道的输入为第n个阵元输出模拟信号xn(t)，xn(t)经过ADC后转化为数字信号yn(k)＝xn(kTs)，k为采样序号，Ts为采样周期；第n个ADC输出的数字信号yn(k)经过第n个数字延时滤波器，输出为zn(k)；
(4)数字延时模块的输出zn(k)经过宽带自适应滤波模块，完成波束合成，输出为p(k)。
2.根据权利要求1所述一种延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：
数字延时滤波器采用Farrow结构；对于第n个数字延时滤波器，根据期望信号入射角度θ，计算期望信号到达第n个阵元与到达第1个阵元的时间差τn，滤波器系数计算方法为：
每个数字延时滤波器阶数都为L-1，第n个数字延时滤波器的第l个系数cnl，用M维常数矢量ξnl＝[ξnl,1 ... ξnl,M]、延时值τn和采样周期Ts的多项式表示，即其中，l＝1,2,...,L；常数矢量ξnl采用频域加权法计算。
3.根据权利要求1所述一种延时校正宽带自适应阵列天线，其特征在于：
宽带自适应滤波采用空时二维结构，每个阵元对应通道为一个J-1阶横向滤波器，空时二维滤波器权矢量w＝[w1 ... wN]T是NJ维列矢量，其中wn＝[wn1 ... wnJ]T，wnj表示第n个阵元通道的第j个权值，j＝1,...,J,符号“T”表示转置，空时二维滤波器权矢量采用Frost算法，计算方法为：
(1)定义NJ×J维矩阵其中对角线元素为N维列矢量c＝[1 1 ... 1]T，定义P＝I-C(CHC)-1C，其中I是NJ×NJ维单位矩阵，定义J维列矢量f＝[1 0 ... 0]T，步长且λmax是信号协方差矩阵R最大特征值，符号“H”表示取共轭转置；
(2)初始化k＝1，w(1)＝C(CHC)-1f；
(3)对于第n个通道，第k次的采样快拍为J维列矢量zn(k)＝[zn(k) ... zn(k-J+1)]T，则空时二维滤波器的信号矢量z(k)＝[z1(k) z2(k) ... zN(k)]T为NJ维列矢量，而空时二维滤波器输出项为η(k)＝wH(k)z(k)；
(4)权值更新方程w(k+1)＝C(CHC)-1f+P[w(k)-μη*(k)z(k)]；
(5)判断权值是否收敛，如果已经收敛，则执行下一步，否则取k＝k+1，返回第(3)步；
(6)相控阵天线最后输出p(k)为p(k)＝wH(k)z(k)。
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