CN109725296B - 一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法。利用线性约束特征干扰相消器算法(LCEC)求出各个波束的幅度和相位权重系数w_k；利用w_k生成四维天线的波束形成时间调制序列，利用四维天线实现LCEC算法；最后通过设置期望信号的幅度和相位形成多个期望波束，以及在我方设备方向形成零陷，防止干扰我方设备。此方法利用LCEC算法相比于传统的线性最小方差算法(LCMV)和最小方差无失真响应算法(MVDR)，在单元数较少或快拍数不足情况下，可以较好保持波形，不容易发生畸变；且利用四维天线实现LCEC算法，可以利用时间调制开关结构代替衰减器和移相器完成波束形成赋权，降低复杂度、节约成本。此方法可形成多个波束，对多目标或多个干扰目标的干扰方式有重要意义。

Description

一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法

技术领域

本发明涉及四维天线波束形成领域和电子对抗领域，特别是一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法。

背景技术

近年来，雷达界技术不断更新，如频率、波束、功率等雷达基本参数的捷变或自适应捷变技术，功率合成、匹配滤波、相参积累、超低旁瓣天线技术等，并在采用新技术的基础上开发研究出了多种先进的雷达系统，如有源固态相控阵雷达、超宽带合成孔径及逆合成孔径雷达、新型脉冲多普勒雷达、数字阵列雷达等。因此对新体制雷达弄清其工作原理、找到其薄弱环节、采用针对性的雷达技术和方法尤为必要。

欺骗式干扰机和压制式干扰机是广泛应用于军事领域电子对抗的技术。欺骗式干扰机能不断发射类似雷达的回波信号，对雷达产生欺骗干扰；压制式干扰机针对雷达的工作频带，施放强度大于雷达回波的干扰发射天线信号，使雷达回波信号被干扰淹没。随着雷达技术的不断更新，单一的干扰方式效果越来越不明显。为提高干扰的有效性和针对性，解决全向天线发射干扰信号干扰效率低且会对民用和己方电子系统造成干扰的问题，采用多波束干扰，工作干扰模式不同，波束指向不同，可以方便实现对空间双目标同时进行欺骗式干扰和压制干扰，有效提高干扰战术效能，同时也降低设备需求量，降低了工作成本。相对于全向天线可以实现干扰的精确性、隐蔽性和有效性。

与单个天线相比，阵列天线具有更高的增益，能够方便地实现波束的电控制(扫描)以及较容易地控制天线的副瓣电平。因此，阵列天线被广泛地应用在军事以及一些特殊领域当中。阵列天线设计的主要核心是如何求得每个天线单元的激励幅度和相位，从而使其辐射方向图的波瓣符合特定的需要。但是阵列天线两端单元的激励幅度往往比其相邻天线单元的激励幅度大得多，这给阵列天线的馈电带来了很大的困难。但是在四维天线阵中，每个天线单元的工作状态由与其相连的高速射频开关控制。通过控制天线单元的工作时间，可以将静态的激励幅度加权部分地转移至时间加权，从而在一定程度上减小静态激励幅度的动态范围比，降低阵列天线的馈电难度。此外，由于对高速射频开关通断时间的控制比激励电流幅度的控制更加精确、方便和快捷，因此，利用时间调制可对四维天线阵中天线单元进行更加精确的馈电。

发明内容

本发明的目的在于提出一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法，步骤如下：

第一步：根据实际需求设置多个期望信号的角度和信噪比以及干扰信号的角度和干噪比；

第二步：利用线性约束特征干扰相消器算法LCEC对多个接收信号的协方差矩阵进行特征分解，将特征值进行排序，取前N个特征值，N为干扰信号的个数，即干扰信号的特征值，它们的特征向量构成干扰子空间；

第三步：根据LCEC算法的约束条件得到LCEC算法的加权矢量为：

其中W是相位权重矩阵，f是对应的约束响应矢量，U_s为步骤二所求得的干扰子空间；

由此推出单权值最优算法，得到多个期望波束共同的最优权值：

其中V是单位矩阵，B是期望信号的方向矢量，g为单位列向量；

第四步：将多个期望波束共同的最优权值代入公式：

分别求得四维天线开关开启的时刻和开启时间，构成开关结构时间调制序列；

第五步：利用四维天线的开关结构时间调制序列计算阵列天线的阵因子，再由阵因子计算阵列天线的多个期望波束的方向图；

第六步：根据设定的多个期望信号和干扰信号，求得的多个期望波束的方向图，在敌方雷达方向形成多个类似波束同时发射，使对方测定的目标并非真目标，形成欺骗干扰；并在敌方干扰信号方向或己方雷达方向形成零陷，达到抑制干扰或干扰己方雷达的目的。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用多波束干扰，工作干扰模式不同，波束指向不同，可以方便实现对空间双目标同时进行欺骗式干扰和压制干扰，有效提高干扰战术效能，降低设备需求量，降低了工作成本。(2)相对于全向天线可以实现干扰的精确性、隐蔽性和有效性。(3)使用线性约束特征干扰相消器算法，在快拍数和单元数都小时，波束更加稳定。(4)将线性约束特征干扰相消器算法与四维天线结合，可以用开关调制结构代替衰减器和移相器完成波束赋形，降低了系统复杂度、节约成本。

附图说明

图1是本发明和最小方差无失真响应算法(MVDR)比较，LCEC算法的旁瓣电平低于MVDR算法的电平，有明显优势。

图2是本发明LCEC算法和MVDR算法在低采样率下的比较，MVDR算法发生明显畸形，LCEC算法波束维持较好。

图3是本发明LCEC形成多波束分别采用单权值和多权值计算方式的结果对比。

图4是本发明LCEC形成多波束分别采用单权值和多权值计算方式的结果对比，当波束角度过近时会发生畸形。

图5是本发明和传统的LCEC算法形成多波束的结果对比。

具体实施方式

第一步：根据实际需求设置期望信号的角度和幅度(信噪比)以及零陷位置的角度和干燥比，此处具体见表1；

表1设置期望波束和零陷参数

第二步：用LCEC算法形成单波束。LCEC算法采用超分辨谱估计，LCEC算法的原理是对接收信号的协方差矩阵进行特征分解，从而得到干扰子空间，这样能间接地提取处干扰信号，再通过干扰特征向量约束抑制干扰，相当于在干扰方向施加零点约束。LCEC准则单波束形成约束条件为：

min_wW^HW s.t W^HW＝f^Hand WU_s＝0 (1)

其中W是相位权重矩阵，f是对应的约束响应矢量，U_s为

的干扰子空间。

求解(1)式，得到LCEC算法的加权矢量为：

其中，C是线性约束矩阵。通过这个权值系数对各阵元信号进行加权即可形成单波束。

在快拍数足够的情况下，将LCEC算法与MVDR算法进行比较，如图1所示，MVDR算法形成波束的旁瓣电平比LCEC算法的要高；在快拍数不足的情况下，将LCEC算法与MVDR算法进行比较，如图2所示，MVDR算法已发生明显畸形，无法形成期望波束，LCEC算法依然可以稳定形成波束；

第三步：使用线性约束特征干扰相消器算法(LCEC)形成多个波束，分别采用单权值算法和多权值算法进行计算和结果比较。

多权值的权值矩阵即

每一个权值向量为

可由LCEC算法将各个波束权值一一求出。单权值由权值最优计算公式求得：

其中V是单位矩阵，B是期望信号的方向矢量，g＝[1 1 1]^H。

如图3所示，单权值和多权值两种算法结果基本一致；但是当波束之间距离过近时，会发生畸变，如图4所示，此时波束间隔为6°；

第四步：考虑一个N单元的等间距直线阵，每个天线单元均与一个高速射频开关相连接。四维天线阵的阵因子表达式为：

其中f₀为阵列天线的中心频率，A_k和α_k是第k个单元的静态激励幅度和激励相位，d为阵元间距，β为波数。时间开关函数U_k(t)在一个时间调制周期T_p内具有如下形式：

其中t_0k为第k个天线单元在一个时间调制周期T_p内工作的起始时刻，τ_k为第k个天线单元在一个时间调制周期T_p内持续工作的时间长度。

将(3)式展开成傅里叶级数的形式，，每个频率分量具有频率为n/T_p(n＝0,±1,…,±∞)，则第n阶傅里叶级数分量可以表示为：

其中f_p＝1/T_p，

a_n,k为复幅度。令A_k＝1和α_k＝0，可得

根据式(5)和式(6)，可以得到中心频率f₀(n＝0)和正第一边带f₀+f_p(n＝1)处的阵因子表达式分别为：

其中v_k＝t_0k/T_p，e_k＝τ_k/T_p。

由上可知，相位和幅度权值可以被v_k和e_k改变，假设权重矢量为w_k，则

利用式(2)、(9)、(10)、(11)求出阵列中每个单元的时间序列；

第五步：按照(9)式形成期望方向图，并与传统LCEC算法进行比较，如图5所示，结果基本吻合，因此可以用四维天线时间调制开关结构代替移相器和衰减器。

第六步：利用干扰设备发射或转发与目标反射信号或敌辐射信号相同或相似的假信号，即多个类似波束同时发射，使对方测定的目标并非真目标，形成欺骗干扰。

本发明的方法无需每个波束都计算出一个对应的权值，用单权值取代多权值的计算方式，在实现阵元权值的调整时计算量小、容易实现，因此干扰装备结构也较为简单。利用线性约束特征干扰相消器算法可以造成己方设备方向的零陷，可以防止对己方设备造成干扰。在雷达抗干扰技术的快速发展的情况下，多波束干扰技术可以实现干扰模式的多样化，可以有效提高干扰战术效能。面对多个敌方目标的情况，多波束干扰技术可以同时对多目标进行干扰，降低设备需求量，降低了工作成本。

Claims (1)

1.一种四维天线形成多波束电磁干扰的方法，其特征在于步骤如下：

第一步：根据实际需求设置多个期望信号的角度和信噪比以及干扰信号的角度和干噪比；

第二步：利用线性约束特征干扰相消器算法LCEC对多个接收信号的协方差矩阵进行特征分解，将特征值进行排序，取前N个的特征值，N为干扰信号的个数，即干扰信号的特征值，它们的特征向量构成干扰子空间；

第三步：根据LCEC算法的约束条件得到LCEC算法的加权矢量为：

其中W是相位权重矩阵，f是对应的约束响应矢量，U_s为步骤二所求得的干扰子空间，C是线性约束矩阵；

由此推出单权值最优算法，得到多个期望波束共同的最优权值：

其中V是单位矩阵，B是期望信号的方向矢量，g为单位列向量；

第四步：将多个期望波束共同的最优权值代入公式：

w_k为权重矢量， 分别求得四维天线开关开启的时刻和开启时间，构成开关结构时间调制序列；

第五步：利用四维天线的开关结构时间调制序列计算阵列天线的阵因子，再由阵因子计算阵列天线的多个期望波束的方向图；

第六步：根据设定的多个期望信号和干扰信号，求得的多个期望波束的方向图，在敌方雷达方向形成多个类似波束同时发射，使对方测定的目标并非真目标，形成欺骗干扰；并在敌方干扰信号方向或己方雷达方向形成零陷，达到抑制干扰或干扰己方雷达的目的。

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