CN108649977A - 一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于阵列接收机的阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置。该方法包括步骤：(S1)阵型初始化：从M个天线阵元中随机选取N个阵元组阵；(S2)估计目标信号和干扰的入射方向；(S3)判断目标信号或干扰的入射方向是否改变，若未发生改变，则进入步骤(S7)，否则进入步骤(S4)；(S4)计算每种组阵方式下目标信号及干扰的导向矢量；(S5)计算每种组阵方式对应的相关系数；(S6)选择相关系数绝对值最小的组阵方式作为最优阵型；(S7)进行抗干扰处理。该装置包括天线单元、数控开关矩阵、射频单元和数字处理单元；本发明在不显著增加成本的基础上可显著提高阵列接收机的抗干扰性能。

Description

一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于阵列接收机的阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置。

背景技术

目前，天线阵已经广泛应用于卫星导航、无线通信、雷达、声纳等系统中，其主要目的之一就是为接收机提供可靠的干扰抑制能力。基于单天线的时频域抗干扰方法在抑制窄带干扰上具有明显的效果，但当干扰的带宽超过目标信号带宽的10％时，其抗干扰性能将显著恶化。与单天线抗干扰方法不同，基于天线阵的抗干扰方法是从空间来向上对干扰和目标信号进行区分，只要干扰和目标信号入射方向的差异足够大，天线阵都能对干扰进行有效抑制，并且对干扰类型不敏感。正因为如此，天线阵抗干扰技术成为了目前各类接收终端最为有效的干扰抑制手段。

与单天线接收机相比，天线阵接收机需要多个天线阵元和多个射频通道，因此其成本将大大增加。组成射频通道的射频器件一般都比较昂贵，且频率越高，价格越高，相对而言，天线阵元的价格则较为便宜。另一方面，现有研究表明，在阵元数目一定的条件下，天线阵的阵型对抗干扰性能有显著的影响。例如，对于圆形阵列来说，当干扰从某些方向入射时，干扰导向矢量与目标信号的导向矢量有很强的相关性，这时天线阵在抑制干扰的同时也将抑制掉目标信号。在这种情况下，如果改用方阵或其他阵型，可能将减弱干扰导向矢量与目标导向矢量之间的相关性，从而获得更好的抗干扰性能。然而，目前绝大部分阵列接收机均采用的某种固定阵型的天线阵，其抗干扰性能仍存在较大的提升空间。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置，与传统的固定阵型的天线阵抗干扰方法及装置相比，本发明能根据具体的信号干扰场景自适应地改变天线阵的组阵方式，从而大大提高阵列接收机的抗干扰性能。具体技术方案如下：

一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法，包括下述步骤：

(S1)阵型初始化；从M个天线阵元中随机选取N个阵元组阵，得到初始阵型，其中N为阵列接收机射频通道的数目，M为天线阵的阵元总数；

(S2)估计目标信号和干扰的入射方向；

(S3)判断目标信号或干扰的入射方向是否改变，若未发生改变，则进入步骤(S7)，否则进入步骤(S4)；

(S4)计算每种组阵方式下目标信号及干扰的导向矢量；

(S5)计算每种组阵方式对应的相关系数；

(S6)选择步骤(S5)中相关系数绝对值最小的组阵方式作为最优阵型；

(S7)进行抗干扰处理，根据最优阵型下的目标信号的导向矢量和干扰的导向矢量，采用MVDR算法计算抗干扰权值，并对N个射频通道的输出进行加权求和得到阵列输出；返回步骤(S2)循环执行步骤(S2)至(S7)，完成目标信号接收和干扰抑制。

优选地，所述步骤(S4)的具体过程为：

设从M个天线阵元中选取N个阵元组阵，共有L种组阵方式，对于第l种组阵方式，其中l＝1,2,…,L，目标信号的导向矢量按如下公式计算：

式中，λ为目标信号的波长，p^l为选定的N个阵元的三维坐标矩阵，j表示虚数单位；e_s为目标信号的单位方向矢量，式中，θ_s为目标信号的俯仰角，为目标信号的方位角，T表示转置运算。

干扰的导向矢量按如下公式计算：

e_i为干扰的单位方向矢量，式中，θ_i为干扰的俯仰角，为干扰的方位角。

优选地，所述步骤(S5)的具体过程为：

对于第l种组阵方式，对应的相关系数ρ^l按如下公式计算：

式中，H表示共轭转置，l＝1,2,…,L。

本发明还提供了一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰装置，该装置包括：天线单元，由M个天线阵元组成，用于接收周围环境中的电磁信号；数控开关矩阵，用于控制各个天线阵元和射频通道之间的连接状态；

射频单元，由N个射频通道组成，每个射频通道包括滤波器、放大器和混频器，用于对天线单元接收的射频信号进行放大、滤波和下变频处理；

数字处理单元，用于将射频单元输出的模拟中频信号转换成数字信号，并完成阵型配置以及抗干扰处理；

所述天线单元接收的电磁信号，通过所述数控开关矩阵输出至射频单元，所述数字处理单元接收所述射频单元输出的模拟中频信号。

采用本发明获得的有益效果是：在不显著增加成本的基础上(只需增加天线阵元和数控开关矩阵)，提供一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法及装置，克服了采用固定阵型时抗干扰性能在某些信号干扰场景下抗干扰效果不佳的问题，可显著提高阵列接收机的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明装置的结构示意框图；

图3是实施例中的天线阵阵元配置图，其中图a为传统固定阵型的6阵元天线阵，图b为本发明中的16阵元平面阵列；

图4是传统方法与本发明方法得到的阵列输出信干噪比对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明提供的一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法的流程图，如图所示，包括以下步骤：

S1，阵型初始化，从M个天线阵元中随机选取N个阵元组阵，得到初始阵型。M，N均为正整数，且M大于等于N，M的大小主要取决于整个天线单元的尺寸约束，N为阵列接收机射频通道的数目。阵型初始化一般只在阵列接收机刚启动的时刻运行一次，之后不再运行。

S2，估计目标信号和干扰的入射方向，入射方向包括俯仰角和方位角。入射方向的估计方法为阵列信号处理理论中的公知常识，有多种经典算法，如MUSIC算法(MultipleSignal Classification，多信号分类，缩写MUSIC)和ESPRIT算法(Estimating SignalParameters via Rotational Invariance Techniques，旋转不变子空间，缩写：ESPRIT)等。

S3，判断入射方向是否改变，得到目标信号和干扰的入射方向后，具体为：将当前的俯仰角和方位角与前一时刻的值分别进行比较(开机时的初始值全部设置为零)，可判别目标信号或干扰的入射方向是否发生改变，若未发生改变，则直接进入S7，否则进入S4。

第四步，计算每种组阵方式下目标信号及干扰的导向矢量。从M个天线阵元中选取N个阵元组阵，共有L种组阵方式，对于第l(l＝1,2,…,L)种组阵方式，目标信号的导向矢量按如下公式计算：

式中，λ为目标信号的波长，p^l为选定的N个阵元的三维坐标矩阵(本实施例中，坐标原点取天线阵的几何中心)，exp()表示以自然常数e为底的指数函数，即

e_s为目标信号的单位方向矢量，其定义为：

式中，θ_s为目标信号的俯仰角，为目标信号的方位角。

干扰的导向矢量按如下公式计算：

e_i为干扰的单位方向矢量，其定义为：

式中，θ_i为干扰的俯仰角，为干扰的方位角。

S5，计算每种组阵方式对应的相关系数：对于第l(l＝1,2,…,L)种组阵方式，对应的相关系数按如下公式计算：

式中，符号H表示共轭转置。本实施例中，只给出了存在一个干扰时的相关系数计算方法，当存在两个或两个以上的干扰时，也可以计算相应的相关系数，具体方法可参考文献[Heng-Cheng Lin,“Spatial Correlations in Adaptive Arrays”,IEEE Trans.onAntennas and Propagation,Vol.AP-30,no.2,March,1992,pp.212-223]

S6，选定相关系数最小的组阵方式作为最优阵型：从S5中得到的L个相关系数中寻找绝对值最小的那个，假设第k个相关系数的绝对值最小，则将第k种组阵方式得到的阵型最为最优阵型。

S7，进行抗干扰处理：得到最优阵型后，根据S4中的计算公式确定目标信号的导向矢量和干扰的导向矢量进一步可根据MVDR算法(Minimum VarianceDistortionless Response，缩写：MVDR，是Capon提出的一种自适应的空间波束谱估计算法)计算抗干扰权值w＝[w₁ w₂ … w_N]^T，并对N个射频通道的输出信号X(t)＝[x₁(t) x₂(t)… x_N(t)]^T进行加权求和得到阵列输出值。其中，根据MVDR算法求解抗干扰权值的唯一解为：

其中R_xx为X(t)自相关矩阵，(·)^-1表示矩阵求逆。

对N个射频通道的输出进行加权求和得到阵列输出y(t)可用下述公式描述：

其中步骤(2)～步骤(7)是循环运行的，一旦信号或干扰的入射方向发生变化，天线阵的组阵方式也会自适应地进行调整，确保在所有的信号干扰场景下，天线阵都配置出给定阵元数目下的最优阵型来完成目标信号接收和干扰抑制。

图2给出了本发明提供的一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰装置的结构框图，如图所示，本发明装置内包括天线单元、数控开关矩阵、射频单元以及数字处理单元。

天线单元，用于接收周围环境中的电磁信号，并通过数控开关矩阵输出至射频单元。天线单元由M个天线阵元组成。实施例中，M的大小主要由整个天线单元的尺寸决定，整个天线单元的尺寸越大，则可放置的天线阵元也越多，所有的天线阵元均匀摆放成平面阵或立体阵(如球面阵)。

数控开关矩阵，用于控制各个天线阵元和射频通道之间的连接状态(接通或断路)。每个射频通道均通过数控开关矩阵与M个天线阵元相连接，但在任意时刻只与1个天线阵元接通。数控开关矩阵的连接状态由数字处理单元中的阵型配置模块进行控制。

射频单元，由N个射频通道组成，每个射频通道包括滤波器、放大器、混频器等，用于对天线单元接收的射频信号进行放大、滤波和下变频处理，得到模拟中频信号并输出至数字处理单元。N的大小由射频单元的尺寸和成本决定。

数字处理单元，包括阵型配置模块和抗干扰处理单元，用于将射频单元输出的模拟中频信号转换成数字信号，并完成阵型配置以及抗干扰处理功能，其输出为抗干扰后的数字信号。其中，阵型配置模块由DSP或ARM实现，主要功能为：估计信号和干扰的导向矢量，分别计算L种组阵方式对应的相关系数，选定相关系数最小的组阵方式作为最优阵型，并根据最优阵型控制数控开关的连接状态，使得N个射频通道与选出的N个阵元连通。抗干扰处理单元由FPGA实现，主要功能为计算抗干扰权值，并对各射频通道的输出信号进行加权求和得到阵列抗干扰输出。

在本实施例中，传统方法采用固定阵型的6阵元天线阵(射频通道数目也为6个)，其阵型如图3a所示，图中间距d为半波长。本发明方法采用4x4的16阵元平面阵列，如图3b所示，并从16个阵元中选取6个阵元组阵，共有8008种组阵方式，并从8008种阵型中选出最优阵型与6个射频通道相连通。仿真实验中卫星信号从俯仰角75度、方位角0度方向入射，输入信噪比为-20dB。干扰的方位角为0度，俯仰角从0到90度遍历，干噪比为30dB。图4对比了传统方法与本发明方法得到的阵列输出信干噪比(即信号功率与噪声加干扰功率之比)，从图4可以看到，当干扰的俯仰角与信号的俯仰角相差较大时，两种方法得到的阵列输出信干噪比相差不大，但当干扰俯仰角与信号俯仰角接近时(即干扰与信号入射方向接近时)，本发明方法得到的阵列输出信干噪比明显优于传统方法。

Claims (4)

1.一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法，其特征在于，包括下述步骤：

(S1)阵型初始化：从M个天线阵元中随机选取N个阵元组阵，得到初始阵型，其中N为阵列接收机射频通道的数目，M为天线阵的阵元总数；

(S2)估计目标信号和干扰的入射方向；

(S3)判断目标信号或干扰的入射方向是否改变，若未发生改变，则进入步骤(S7)，否则进入步骤(S4)；

(S4)计算每种组阵方式下目标信号及干扰的导向矢量；

(S5)计算每种组阵方式对应的相关系数；

(S6)选择步骤(S5)中相关系数绝对值最小的组阵方式作为最优阵型；

(S7)进行抗干扰处理，根据最优阵型下的目标信号的导向矢量和干扰的导向矢量，采用MVDR算法计算抗干扰权值，并对N个射频通道的输出信号进行加权求和得到阵列输出；返回步骤(S2)循环执行步骤(S2)至(S7)，完成目标信号接收和干扰抑制。

2.如权利要求1所述的一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法，其特征在于，所述步骤(S4)的具体过程为：

设从M个天线阵元中选取N个阵元组阵，共有L种组阵方式，对于第l种组阵方式，其中l＝1,2,…,L，目标信号的导向矢量按如下公式计算：

式中，λ为目标信号的波长，p^l为选定的N个阵元的三维坐标矩阵，j表示虚数单位；e_s为目标信号的单位方向矢量，式中，θ_s为目标信号的俯仰角，为目标信号的方位角，T表示转置运算；

干扰的导向矢量按如下公式计算：

e_i为干扰的单位方向矢量，式中，θ_i为干扰的俯仰角，为干扰的方位角。

3.如权利要求2所述的一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰方法，其特征在于，所述步骤(S5)的具体过程为：

对于第l种组阵方式，对应的相关系数ρ^l按如下公式计算：

式中，H表示共轭转置，l＝1,2,…,L。

4.一种阵型可配置的自适应天线阵抗干扰装置，其特征在于，主要包括：

天线单元，由M个天线阵元组成，用于接收周围环境中的电磁信号；

数控开关矩阵，用于控制各个天线阵元和射频通道之间的连接状态；

射频单元，由N个射频通道组成，每个射频通道包括滤波器、放大器和混频器，用于对天线单元接收的射频信号进行放大、滤波和下变频处理；

数字处理单元，用于将射频单元输出的模拟中频信号转换成数字信号，并完成阵型配置以及抗干扰处理；

所述天线单元接收的电磁信号，通过所述数控开关矩阵输出至射频单元，所述数字处理单元接收所述射频单元输出的模拟中频信号。