CN108462521A

CN108462521A - 自适应阵列天线的抗干扰实现方法

Info

Publication number: CN108462521A
Application number: CN201810143419.0A
Authority: CN
Inventors: 幸璐璐; 郝黎宏; 何斌
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: CETC 10 Research Institute; Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2018-02-11
Filing date: 2018-02-11
Publication date: 2018-08-28
Anticipated expiration: 2038-02-11
Also published as: CN108462521B

Abstract

本发明公开的一种自适应阵列天线的抗干扰实现方法，旨在提供一种计算量小，实时性强，抗干扰效果更好的抗干扰方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在天线阵元数为M的均匀圆阵天线中，数据预处理模块将M路数字信号进行N阶时域抽头得到连续的空时二维快拍数据，同时根据上位机提供的期望信号来向得到空时二维导向矢量；最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块利用空时二维导向矢量计算导向矢量剩余矩阵，再结合空时二维快拍数据根据其内置的波束合成模块和权值迭代模块同时进行空时二维波束合成和空时二维权值迭代；阵列输出模块将波束合成后的数字信号经数模DA转换器转换成模拟信号，模拟信号经上变频模块上变频输出送给后端处理机。

Description

自适应阵列天线的抗干扰实现方法

技术领域

本发明涉及一种适用于自适应阵列天线抗干扰系统信号处理可实现方法，尤其涉及自适应阵列天线抗干扰技术。

背景技术

自适应阵列天线是一种具有抗干扰功能的有源天线,可以应用于声纳、雷达导航及通信等应用领域。自适应阵列天线结构同传统的无源天线有了很大区别，它包括了无源阵面、射频前端、信号处理三个不同领域、不同功能的模块。它将天线阵列排布与自适应信号处理相结合，通过阵列信号处理自动控制天线调整参数，对各阵元的输入信号进行复数加权，完成对接收信号的幅度和相位调整，实现空间滤波，使天线方向图主波束对准有用信号方向，零点指向干扰方向，在增强期望信号的同时抑制与期望信号具有不同空间来向的干扰信号，产生相应的阵列增益。

在目前的抗干扰技术中，自适应阵列天线占有十分重要的地位，它能够动态的跟踪用户信号,并根据外部信号环境自动调节各阵元的加权系数，使波束方向图主瓣对准期望信号来向并使零陷或较低的旁瓣对准干扰信号来向，从而达到使干扰信号置零的效果，有效的抑制干扰信号。波束形成算法是阵列天线研究的主要问题之一，有限次采样所带来的阵列协方差矩阵估计误差，以及相干干扰信号的存在等都将会导致自适应波束形成器的性能下降，现有算法的高计算复杂度也很大程度上限制了其应用。通常，自适应阵列天线权矢量由自适应算法计算得到，是自适应阵列处理的核心所在。求解权矢量实际上是某一准则下的多参数最优化问题，主要的准则有最大信干噪比(MSINR)准则、最小均方误差(MMSE)准则及线性约束最小方差(LCMV)准则。实际上，在理想情况下这三种准则是等价的，LCMV准则更为简单有效，成为工程实践中最常用的最优化准则。其中功率倒置(PI)算法和最小方差无失真响应算法(MVDR)应用最为广泛。

PI算法是在卫星信号强度远远低于噪声信号强度的前提下，翻转卫星信号和噪声信号的功率比。它以参考信号与阵列输出之差的均方最小为目标函数，根据系统误差调节阵列的权矢量，使目标函数达到最小，从而起到自适应调节的作用。该算法直接将某天线单元接收到的信号作为参考信号，不需要提前获取信号的入射方向和特性等信息，实现相对简单。PI算法的可通过最小均方误差算法(LMS)实现，该方法由Widrow和Hoff共同提出的，属于随机梯度算法中的一种，该方法的显著特点是运算简单，易于实现。在高速实时信号处理中更多的使用延迟LMS(DLMS)算法，它使用过去的误差来更新系数，这使得滤波器和系数更新模块可以同时工作，极大地提高了系统的并行度。PI算法基于输出能量最小准则，可以自适应调整方向图使得零陷指向干扰的波达方向，其优点是无需卫星方位信息，缺点是在抑制干扰的同时有可能造成接收期望信号的衰减。

MVDR算法可以使得期望信号方向上的阵列输出功率最小，同时信干噪比最大，是Capon提出的一种自适应空间谱估计算法。该方法保证期望信号方向增益约束为1的条件下，调整所有阵元的权值大小，使得阵列天线的输出功率最小，它需要知道期望信号的来向，不关心期望信号的功率强弱。在已知期望信号来向的条件下，MVDR算法的抗干扰综合性能优于PI算法，但具体实现也更为复杂。MVDR算法增加了期望信号的导向矢量约束，使得迭代计算更为复杂，常规实现方法可以如下所示：

步骤1：初始化加权系数w(0)，迭代步长μ，计算导向矢量a；

步骤2：n为迭代次数，取n＝0,1,2,3…

1)自相关矩阵计算：R(n)＝x(n)x^H(n)，x为阵列输入，H表示共轭转置；

2)迭代参数更新：λ(n)＝(μa^Ha)^-1(a^Hw(n)-2μa^HR(n)w(n)-1)；

3)加权系数更新：w(n+1)＝w(n)-μ(2R(n)w(n)+λ(n)a)，返回步骤2；

步骤3：根据阵列输入及所得权值，计算阵列输出y(n)＝w^H(n)x(n)，完成波束合成。

由此可见,权值迭代和波束合成无法分离，只能串行实现，同时在整个算法实现过程中矩阵运算居多,若将其应用于阵列天线空时二维联合抗干扰系统，硬件资源消耗将成倍增加，存在计算量大，实时性较差，抗干扰效果较差,在工程应用中难以实现的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法存在计算量大，实时性较差技术问题，提供一种计算量小，实时性好，抗干扰效果更好，更易于工程实现的自适应阵列天线抗干扰方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于包括如下步骤：在天线阵元数为M个的就均匀圆阵天线中，将天线阵元间距设置为期望信号半波长；每个阵元接收来自不同方向的期望信号及干扰信号，经过放大、下变频及模数AD采样后获得M路数字信号；数据预处理模块将M路数字信号进行N阶时域抽头得到连续的空时二维快拍数据，同时根据上位机提供的期望信号来向得到相应的空时二维导向矢量；最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块接收空时二维快拍数据及其对应的空时二维导向矢量，计算导向矢量剩余矩阵后再根据其内置的波束合成模块和权值迭代模块同时进行空时二维波束合成和空时二维权值迭代；阵列输出模块将波束合成后的数字信号经数模DA转换器转换成模拟信号，模拟信号经上变频模块上变频输出送给后端的处理机。

进一步的，最小方差无失真响应MVDR算法简化实现方法如下所示：

步骤1：计算导向矢量剩余矩阵：

A＝I-(aa^H)/(a^Ha)，其中I为单位矩阵，a为空时二维导向矢量，H表示共轭转置运算；

步骤2：波束合成模块实时计算自适应阵列天线空时二维波束合成值

y(n)＝w^H(n)x(n)，其中x为空时二维快拍数据，w为空时二维权值，n代表时刻，

n＝0,1,2…；

步骤3：权值迭代模块取n＝0,1,2,3…，初始化w(0)＝a；

1)延时相关矩阵计算：B(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))，conj表示共轭计算，D代表延时单元。

2)权值迭代更新计算：w(n+1)＝w(n)-2μAB(n-D)，μ表示迭代步长。

由此可见，波束合成得到y(n)的同时可以利用延时后的x(n-D)及y(n-D)得到下一次迭代需要的权值，波束合成和权值迭代两个过程已经不存在顺序上的制约关系，简化实现算法可以在同一时间内并行完成波束合成和权值迭代。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

计算量小，实时性好。本发明具体实现时，空时二维加权向量的初始值为期望信号的空时二维导向矢量，同时保证导向矢量与加权向量的乘积在整个迭代过程中始终等于1，使得常规MVDR实现算法中的a^Hw(n)-1化简后等于零，可以直接省略a^Hw(n)的计算步骤；同时简化实现算法还在权值迭代更新过程中引入了延迟单元D，使得波束合成模块和权值迭代模相互独立并行实现，不必按照常规MVDR实现算法串行进行，而且通过矩阵运算可知R(n-D)w(n-D)＝x(n-D)x^H(n-D)w(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))，所以原本需要进行三次矩阵乘法运算才能得到的自相关矩阵与加权向量的乘积，通过阵列输入延时与阵列输出延时的共轭直接相乘即可，一方面节省了乘法器资源，减小硬件计算量，提高系统处理的实时性，降低了系统的复杂程度，另一方面使得波束合成模块和权值迭代模块可以同时进行空时二维波束合成和空时二维权值迭代，不需要按照常规的MVDR实现算法一样顺序串行工作，加快了权值收敛速度，提高了系统工作频率。

抗干扰效果较好。本发明将天线阵元数为M个的圆阵天线的天线阵元间距设置为期望信号半波长，使每个阵元接收来自不同方向的期望信号及干扰信号，经过放大、下变频及采样后得到M路输入信号；然后对M路输入信号进行N阶延时处理，获得M×N维的输入数据，并且根据期望信号来向计算空时二维导向矢量，将其设置为空时权值迭代的初始值；接着在MVDR算法基础上采用延迟策略使得空时二维波束合成模块和系数迭代更新模块可以同时工作，一方面瞬时数据及实时权值直接加权完成空时二维波束合成，另一方面利用过去的瞬时数据来实现权值系数的更新；最后空时二维波束合成模块将波束合成后的数字信号转换成模拟信号，经过上变频模块输出送给后端的处理机。通过实验验证了圆阵天线阵的抗干扰特性，给出了在不同的角度上存在干扰信号时系统的稳态方向图的测试结果。与接收机的对接测试表明，该自适应天线系统能大大提高接收机的抗干扰能力，而且易于对现有系统进行升级。

本发明通过公式推导对常规方法进行化简，同时引入延时单元实现了高速并行流水处理，与常规技术方法相比数据处理量小、硬件资源开销少、实时性好，易于工程实现，上述并行的工作方式可以提高系统的整体工作频率，更适合高速实时信号处理。特别适用于自适应阵列天线抗干扰处理系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明自适应阵列天线的抗干扰流程示意图。

图2是自适应阵列天线模型空间几何关系示意图。

图3是空时二维波束合成模块结构图。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。在以下描述的本发明最佳实施例中，提供了一种自适应阵列天线抗干扰实现方法。

具体实施方式

参阅图1。本实施例中，均匀圆阵天线是四阵元的阵列天线，每个阵元间距为期望信号半波长，每个阵元接收来自不同方向的期望信号及干扰信号，经过放大、下变频及模数AD采样后得到四路数字输入信号；接着数据预处理模块将四路数字信号进行五阶时域抽头得到连续的空时二维快拍数据，与此同时根据上位机提供的期望信号来向得到相应的空时二维导向矢量，并将空时二维快拍数据及其对应的空时二维导向矢量送入简化的MVDR算法实现模块；然后最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块在计算导向矢量剩余矩阵后，采用延迟策略使得波束合成模块和系数迭代更新模块相互独立，在硬件系统时钟的驱动下，波束合成模块根据瞬时快拍数据和实时权值直接加权实现空时二维波束合成，权值迭代模块则利用过去的快拍数据和波束合成数据来实现权值系数的迭代更新；最后阵列输出模块将波束合成后的数字信号通过DA模块转换成模拟信号，经过上变频模块输出送给后端的处理机。

进一步的，在最小方差无失真响应MVDR算法简化实现过程中，约束空时二维导向矢量a与空时二维加权向量w的乘积始终等于1，即a^Hw(n)＝1，据此化简常规实现算法n时刻的迭代参数λ(n)＝(μa^Ha)-¹(a^Hw(n)-2μa^HR(n)w(n)-1)，得：

λ(n)＝(a^Ha)^-1(2a^HR(n)w(n))

然后将其代入常规算法的加权系数更新公式w(n+1)＝w(n)-μ(2R(n)w(n)+λ(n)a)，得：

w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))R(n)w(n)

由自相关矩阵计算R(n)＝x(n)x^H(n)，得：

w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))x(n)x^H(n)w(n)

同时由于阵列波束合成输出数据y(n)＝w^H(n)x(n)，根据矩阵运算可知波束合成输出的共轭conj(y(n))＝x^H(n)w(n)，为此采用延迟策略，引入延迟单元D，在波束合成得到y(n)的同时可以利用延时后的x(n-D)及y(n-D)得到下一次迭代需要的权值，使得常规串行运算的权值迭代和波束合成相互独立，可以并行实现。因此，新的权值迭代公式为：

w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))x(n-D)conj(y(n-D))＝w(n)-2μAB(n-D)

其中，μ为迭代步长，定义导向矢量剩余矩阵A＝I-(aa^H)/(a^Ha)，输入输出延时相关矩阵B(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))。

具体实施步骤如下：

最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块根据圆阵天线中的单位矩阵I及空时二维导向矢量a，计算导向矢量剩余矩阵A＝I-(aa^H)/(a^Ha)。

空时二维波束合成模块根据空时二维加权向量w的瞬时值和空时二维快拍数据x的瞬时值，实时计算自适应阵列天线空时二维波束合成输出数据y(n)＝w^H(n)x(n)。

权值迭代模块首先根据空时二维快拍数据x和波束合成输出y计算输入输出延时相关矩阵B(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))；再结合迭代步长μ，导向矢量剩余矩阵权值A及n时刻的权值，计算n+1时刻的权值w(n+1)＝w(n)-2μAB(n-D)。

参阅图2。阵列天线阵面按照XYZ轴建立三维空间直角坐标系，定义入射信号的方位角为φ，俯仰角为θ，图中实心点代表天线阵元，四个阵元均匀分布在圆阵上，阵元间距d为期望信号的半波长，并且每个天线阵元都是独立的全向天线，可以同时接收不同方向上的卫星导航信号及干扰信号。

参阅图3。均匀圆阵四通道阵列输入信号x_i(n),i＝1,2,3,4通过延时Z^-1运算实现时域抽头，时域抽头的每个节点的快拍数据与对应的权值系数w_i,j(n),i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4,5的共轭相乘后累加，得到空时二维波束合成阵列输出数据y(n)。

上述实施例中，针对常规的MVDR实现算法进行了简化，在整个自适应抗干扰迭代过程中保证了期望信号的无失真接收，与此同时借用DLMS思想，引入延迟单元D，实现了波束合成模块和权值迭代模块的并行计算，再次优化了自适应迭代过程，有效解决了常规方法计算量大、资源占用多、硬件实现困难的问题。本发明在具体实现过程中数据处理量小、实时性好、适应高速实时信号处理，满足工程应用需求。

Claims

1.一种自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于包括如下步骤：在天线阵元数为M个的就均匀圆阵天线中，将天线阵元间距设置为期望信号半波长；每个阵元接收来自不同方向的期望信号及干扰信号，经过放大、下变频及模数AD采样后获得M路数字信号；数据预处理模块将M路数字信号进行N阶时域抽头得到连续的空时二维快拍数据，同时根据上位机提供的期望信号来向得到相应的空时二维导向矢量；最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块利用空时二维导向矢量计算导向矢量剩余矩阵，再结合空时二维快拍数据根据其内置的波束合成模块和权值迭代模块同时进行空时二维波束合成和空时二维权值迭代；阵列输出模块将波束合成后的数字信号经数模DA转换器转换成模拟信号，模拟信号经上变频模块上变频输出送给后端的处理机。

2.如权利要求1所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：波束合成模块和权值迭代模块同时进行空时二维波束合成和空时二维权值迭代更新。

3.如权利要求1所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：波束合成模块根据瞬时快拍数据和实时权值直接加权实现空时二维波束合成，权值迭代模块则利用过去的快拍数据和波束合成数据来实现权值系数的迭代更新。

4.如权利要求1所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：最小方差无失真响应MVDR算法简化实现过程中，约束空时二维导向矢量a与空时二维加权向量w的乘积始终等于1，即a^Hw(n)＝1，据此化简最小方差无失真响应MVDR常规实现算法中n时刻的迭代参数λ(n)＝(μa^Ha)^-1(a^Hw(n)-2μa^HR(n)w(n)-1)，得：λ(n)＝(a^Ha)^-1(2a^HR(n)w(n))；然后，将其代入常规算法的加权系数更新公式w(n+1)＝w(n)-μ(2R(n)w(n)+λ(n)a)，得：w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))R(n)w(n)；由自相关矩阵计算R(n)＝x(n)x^H(n)，波束合成数据y(n)＝w^H(n)x(n)得：w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))x(n)conj(y(n))。其中，H表示共轭转置，μ为迭代步长，I为单位矩阵，R(n)为自相关矩阵，x为空时二维快拍数据，conj表示共轭计算。

5.如权利要求4所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：采用延迟策略，引入延迟单元D，在波束合成得到阵列输出数据y(n)的同时，利用延时后的x(n-D)及y(n-D)得到下一次迭代需要的权值，使得波束合成和权值迭代两个过程已经不存在顺序上的制约关系，常规串行运算的权值迭代和波束合成相互独立，并行实现新的权值迭代公式为：w(n+1)＝w(n)-2μ(I-(aa^H)/(a^Ha))x(n-D)conj(y(n-D))＝w(n)-2μAB(n-D)，其中，定义A＝I-(aa^H)/(a^Ha)为导向矢量剩余矩阵，B(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))为输入输出延时相关矩阵。

6.如权利要求4所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：最小方差无失真响应MVDR算法简化实现模块根据圆阵天线中的单位矩阵I及空时二维导向矢量a，计算导向矢量剩余矩阵A＝I-(aa^H)/(a^Ha)。

7.如权利要求5所述的自适应阵列天线的抗干扰实现方法，其特征在于：权值迭代模块分别对空时二维快拍数据x(n)和阵列输出数据y(n)延迟D个时刻，得到输入输出延时相关矩阵B(n-D)＝x(n-D)conj(y(n-D))，再结合迭代步长μ，导向矢量剩余矩阵权值A及n时刻的权值，计算n+1时刻的权值w(n+1)＝w(n)-2μAB(n-D)。