CN110995300B - 一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法。所述方法的具体实施方式包括：根据实际应用需求确定目标信号角度，初始化当前权矢量和原方向图电平矢量，并根据实际需求得到期望方向图电平矢量。通过循环迭代的方法更新权矢量，包括：找到原方向图电平矢量取值最大的角度；执行主瓣控制和旁瓣控制，更新当前权矢量为W_k。当满足循环终止条件时，当前权矢量W_k即为抗干扰权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可实现空域抗干扰。该实施方式利用阵列天线实现空域抗干扰，可以在实现抗干扰的同时，对主瓣及其他角度天线方向图的影响可以忽略。通过迭代更新权矢量，可在很大程度降低系统运算复杂度，提升了系统实时性。

Description

一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法

技术领域

本申请涉及信号处理技术领域，具体涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，该方法可用于相控阵空域抗干扰等。

背景技术

现有雷达、通信、导航等电子设备容易受到蓄意/非蓄意电子干扰，电子设备接收到的电子信号受到影响，使得电子设备的探测、通信、定位等能力下降甚至失效。一般情况下，电子干扰机可以通过在时域和频域上，发射与电子设备相同或相近的电子干扰；而在空域上，较多的在电子设备波束的旁瓣方向发射干扰。这主要由于，电子设备波束主瓣方向功率最大，是电子设备的主要工作区域，而电子干扰机如需在主瓣方向对电子设备形成干扰，需将电子干扰机移至电子设备的主瓣工作区域，这使得在实际中难以实施，因而电子干扰机多在电子设备的旁瓣区域通过发射大功率的、与电子设备信号在时域和频域相同或相近的干扰信号，对电子设备造成干扰。相控阵由于具有多个发射/接收通道，在空域上具有较大自由度，可以通过空域抗干扰方法，对旁瓣干扰进行抑制。一般的，空域抗干扰方法通过约束在目标信号方向形成主瓣，且在干扰方向形成零陷实现干扰抑制。但是，这种方法难以有效控制在主瓣方向和干扰方向以外方向上的天线方向图，出现如主瓣波束变宽、旁瓣电平抬升等问题，使得电子设备的性能下降。因此，亟需研究一种更加精确的波束控制方法实现空域抗干扰，使得电子设备在实现空域抗干扰的同时，精确控制电子设备天线方向图，从而可以有效保证电子设备的基本功能。

发明内容

本申请的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，以提高相控阵电子设备在实现空域抗干扰下的基本性能。

本申请提供了一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，所述方法包括：

(1)根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w，相控阵在任意角度θ方向的导向矢量a(θ)，设定可允许误差值ε、当前循环次数k＝0和最大循环次数K，初始化当前权矢量为W_k，当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)；

(2)更新当前循环次数，即k＝k+1，判断当前循环次数k是否小于最大循环次数K，如果是，则继续执行步骤(3)；否则，跳至步骤(8)；

(3)对原方向图电平矢量

进行搜索，得到

取值最大对应的角度，记为

(4)执行方向图电平矢量的主瓣控制和旁瓣控制，得到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)的最大偏离角度θ_k，利用最大偏离角度θ_k和期望方向图电平矢量L_d(θ)，得到期望方向图电平矢量在最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)；

(5)利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，并计算权矢量更新步长μ_a；

(6)由最大偏离角度θ_k得到相控阵在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k，并计算当前方向图电平矢量

(7)对于任意角度θ，判断当前方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)之间差的绝对值是否小于可允许误差值ε，如果是，则跳转执行步骤(2)；否则，执行步骤(8)；

(8)循环结束，当前权矢量W_k即为抗干扰的权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰方向图电平矢量

实现空域抗干扰。

在一些实施例中，所述根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w，相控阵在任意角度θ方向的导向矢量为a(θ)，设定可允许误差值ε、当前循环次数k＝0和最大循环次数K，初始化当前权矢量为W_k，当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)，包括如下步骤：电子设备的天线为相控阵天线，阵元按照等间距均匀线阵方式排列，阵元个数为N，根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w＝2/(N-1)，期望方向图的主瓣角度范围为Ω_m＝[θ₀-θ_w/2 θ₀+θ_w/2]，旁瓣角度范围为Ω_s＝[-π/2 θ₀-θ_w/2)∪(θ₀+θ_w/2 π/2]，相控阵在θ角度方向的导向矢量为

其中，g_n表示第n个阵元的方向图，τ_n(θ)表示第n个阵元与参考阵元在θ角度方向的时延，ω为工作频率，n＝1，2，…，N；设定可允许误差ε＝0.01、当前循环次数k＝0和最大循环次数K＝1000，初始化当前权矢量为

将当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)，如设定主瓣角度范围的电平矢量与

保持一致，旁瓣角度范围的电平矢量均为低于主瓣30dB，即L_d(θ)＝-30，

且

在一些实施例中，所述执行方向图电平矢量的主瓣控制和旁瓣控制，得到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)的最大偏离角度θ_k，利用最大偏离角度θ_k和期望方向图电平矢量L_d(θ)，得到期望方向图电平矢量在最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)，包括如下步骤：对于主瓣控制，利用式

找到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)偏离最大的角度θ_k；对于旁瓣控制，利用式

得到区间

在此基础上，利用式

确定最大偏离角度θ_k；根据最大偏离角度θ_k属于主瓣角度范围Ω_m或旁瓣角度范围Ω_s，进而由期望方向图电平矢量L_d(θ)得到最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)。

在一些实施例中，所述利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，并计算权矢量更新步长μ_a，包括如下步骤：利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，即：Q_k＝[W_k-1 a(θ_k)]^H(a(θ_k)a^H(θ_k)-L_d(θ_k)a(θ₀)a^H(θ₀))[W_k-1 a(θ_k)]；计算权矢量更新步长μ_a，即

其中，

c_u＝1/Q_k(2，2)[-Re(Q_k(1，2))Im(Q_k(1，2))]^H，det(Q_k)表示求矩阵Q_k的行列式。

在一些实施例中，所述由最大偏离角度θ_k得到相控阵在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k，并计算当前方向图电平矢量

包括如下步骤：将最大偏离角度θ_k代入相控阵在θ角度方向的导向矢量a(θ)，即可得到在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)；利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k＝W_k-1+μ_aa(θ_k)，并计算相应的当前方向图电平矢量为

在一些实施例中，所述当前权矢量W_k即为抗干扰的权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰方向图电平矢量

实现空域抗干扰，包括如下步骤：利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰方向图电平矢量

即

本申请提供的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法与现有技术相比具有以下优点：

1)本申请的空域抗干扰方法可以在实现抗干扰的同时，对主瓣及其他角度天线方向图的影响可以忽略。

2)本申请的空域抗干扰方法通过迭代更新权矢量，可在很大程度降低系统运算复杂度，提升了系统实时性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法的一个实施例的流程图；

图2是本申请的基于精确波束控制的空域抗干扰方法的零阶旁瓣天线方向图结果；

图3是本申请的基于精确波束控制的空域抗干扰方法的任意旁瓣天线方向图结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

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组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本申请的基于精确波束控制的空域抗干扰方法的一个实施例的流程图100。所述基于精确波束控制的空域抗干扰方法，包括以下步骤：

步骤101，根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w，相控阵在任意角度θ方向的导向矢量a(θ)，设定可允许误差值ε、当前循环次数k＝0和最大循环次数K，初始化当前权矢量为W_k，当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)。

电子设备的天线为相控阵天线，阵元按照等间距均匀线阵方式排列，阵元个数为N，根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w＝2/(N-1)，期望方向图的主瓣角度范围为Ω_m＝[θ₀-θ_w/2 θ₀+θ_w/2]，旁瓣角度范围为Ω_s＝[-π/2 θ₀-θ_w/2)∪(θ₀+θ_w/2 π/2]。相控阵在θ角度方向的导向矢量为

其中g_n表示第n个阵元的方向图，τ_n(θ)表示第n个阵元与参考阵元在θ角度方向的时延，ω为工作频率，n＝1，2，…，N；设定可允许误差ε＝0.01、当前循环次数k＝0和最大循环次数K＝1000，初始化当前权矢量为

将当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)，如设定主瓣角度范围的电平矢量与

保持一致，旁瓣角度范围的电平矢量均为低于主瓣30dB，即L_d(θ)＝-30，

且

步骤102，更新当前循环次数，即k＝k+1，判断当前循环次数k是否小于最大循环次数K，如果是，则继续执行步骤103；否则，跳至步骤108。

步骤103，对原方向图电平矢量

进行搜索，得到

取值最大对应的角度，记为

步骤104，执行方向图电平矢量的主瓣控制和旁瓣控制，得到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)的最大偏离角度θ_k，利用最大偏离角度θ_k和期望方向图电平矢量L_d(θ)，得到期望方向图电平矢量在最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)。

对于主瓣控制，利用式

找到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)偏离最大的角度θ_k；对于旁瓣控制，利用式

得到区间

在此基础上，利用式

确定最大偏离角度θ_k。

根据最大偏离角度θ_k属于主瓣角度范围Ω_m或旁瓣角度范围Ω_s，进而由期望方向图电平矢量L_d(θ)得到最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)。

步骤105，利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，并计算权矢量更新步长μ_a。

利用

θ_k，L_d(θ_k)和W_k-1得到误差矩阵Q_k，即：Q_k＝[W_k-1 a(θ_k)]^H(a(θ_k)a^H(θ_k)-L_d(θ_k)a(θ₀)a^H(θ₀))[W_k-1 a(θ_k)]；计算权矢量更新步长μ_a，即

其中，

c_u＝1/Q_k(2，2)[-Re(Q_k(1，2))Im(Q_k(1，2))]^H，det(Q_k)表示求矩阵Q_k的行列式。

步骤106，由最大偏离角度θ_k得到相控阵在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k，并计算当前方向图电平矢量

将最大偏离角度θ_k代入相控阵在θ角度方向的导向矢量a(θ)，即可得到在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k＝W_k-1+μ_aa(θ_k)，并计算相应的当前方向图电平矢量为

步骤107，对于任意角度θ，判断当前方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)之间差的绝对值是否小于可允许误差值ε，如果是，则跳转执行步骤102；否则，执行步骤108。

步骤108，循环结束，当前权矢量W_k即为抗干扰的权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰方向图电平矢量

即

实现空域抗干扰。

本申请的优点可以通过以下仿真数据处理进一步说明。

1.设置系统参数和目标参数

阵元个数为64，目标信号角度为20°，可允许误差为0.05，主瓣波束宽度为θ_w＝1.819°，则期望方向图的主瓣角度范围为Ω_m＝[19.0905° 20.9095°]，旁瓣角度范围为Ω_s＝[-90° 19.0905°)∪(20.9095° 90°]，设计期望方向图为：

3.仿真分析

通过本申请方法进行抗干扰天线方向图设计，仿真结果如图2和图3所示，其中，横坐标为方向，主要关注[-90°,90°]角度范围；纵坐标为方向图电平值的归一化结果，即方向图归一化响应。值得注意的是，图2是零阶旁瓣天线方向图，由上述L_d(θ)设计得到，而图3为任意旁瓣天线方向图，可通过自行设计或根据实际需要得到。利用本发明设计权矢量，并利用该权矢量对相控阵进行加权，形成的方向图如图2和图3中实线所示的当前方向图电平矢量，而根据需要设计的期刊方向图电平矢量如图2和图3中的虚线所示。目标方向为20°，利用本发明方法设计形成的当前方向图电平矢量在20°形成主瓣，而在旁瓣方向形成了与期望方向图电平矢量相近的方向图归一化响应，可以验证本发明实现了期望方向图设计，进而实现了空域抗干扰。

综上，采用本申请处理方式可以利用阵列天线实现空域抗干扰，可以在实现抗干扰的同时，对主瓣及其他角度天线方向图的影响可以忽略。通过迭代更新权矢量，可在很大程度降低系统运算复杂度，提升了系统实时性。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w，相控阵在任意角度θ方向的导向矢量a(θ)，设定可允许误差值ε、当前循环次数k＝0和最大循环次数K，初始化当前权矢量为W_k，当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)；

(2)更新当前循环次数，即k＝k+1，判断当前循环次数k是否小于最大循环次数K，如果是，则继续执行步骤(3)；否则，跳至步骤(8)；

(3)对原方向图电平矢量

进行搜索，得到

取值最大对应的角度，记为

(4)执行方向图电平矢量的主瓣控制和旁瓣控制，得到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)的最大偏离角度θ_k，利用最大偏离角度θ_k和期望方向图电平矢量L_d(θ)，得到期望方向图电平矢量在最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)；

(5)利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，并计算权矢量更新步长μ_a；

(6)由最大偏离角度θ_k得到相控阵在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k，并计算当前方向图电平矢量

(7)对于任意角度θ，判断当前方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)之间差的绝对值是否小于可允许误差值ε，如果是，则跳转执行步骤(2)；否则，执行步骤(8)；

(8)循环结束，当前权矢量W_k即为抗干扰的权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰的当前方向图电平矢量

实现空域抗干扰。

2.根据权利要求1所述的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w，相控阵在任意角度θ方向的导向矢量为a(θ)，设定可允许误差值ε、当前循环次数k＝0和最大循环次数K，初始化当前权矢量为W_k，当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)，包括如下步骤：

电子设备的天线为相控阵天线，阵元按照等间距均匀线阵方式排列，阵元个数为N，根据实际应用需求确定目标信号角度θ₀，波束主瓣宽度θ_w＝2/(N-1)，期望方向图的主瓣角度范围为Ω_m＝[θ₀-θ_w/2 θ₀+θ_w/2]，旁瓣角度范围为Ω_s＝[-π/2 θ₀-θ_w/2)∪(θ₀+θ_w/2 π/2]，相控阵在θ角度方向的导向矢量为

其中，g_n表示第n个阵元的方向图，τ_n(θ)表示第n个阵元与参考阵元在θ角度方向的时延，ω为工作频率，n＝1，2，…，N；

设定可允许误差ε＝0.01、当前循环次数k＝0和最大循环次数K＝1000，初始化当前权矢量为

将当前方向图电平矢量初始化为

并根据实际需求得到期望方向图电平矢量L_d(θ)。

3.根据权利要求2所述的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述执行方向图电平矢量的主瓣控制和旁瓣控制，得到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)的最大偏离角度θ_k，利用最大偏离角度θ_k和期望方向图电平矢量L_d(θ)，得到期望方向图电平矢量在最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)，包括如下步骤：

对于主瓣控制，利用式

找到原方向图电平矢量

与期望方向图电平矢量L_d(θ)偏离最大的角度θ_k；

对于旁瓣控制，利用式

得到区间

在此基础上，利用式

确定最大偏离角度θ_k；

根据最大偏离角度θ_k属于主瓣角度范围Ω_m或旁瓣角度范围Ω_s，进而由期望方向图电平矢量L_d(θ)得到最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)。

4.根据权利要求3所述的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，并计算权矢量更新步长μ_a，包括如下步骤：

利用

最大偏离角度θ_k、最大偏离角度θ_k处的电平值L_d(θ_k)和权矢量W_k-1得到误差矩阵Q_k，即

计算权矢量更新步长

其中，

c_μ＝1/Q_k(2，2)[-Re(Q_k(1，2)) Im(Q_k(1，2))]^H，det(Q_k)表示求矩阵Q_k的行列式。

5.根据权利要求4所述的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述由最大偏离角度θ_k得到相控阵在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)，利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k，并计算当前方向图电平矢量

包括如下步骤：

将最大偏离角度θ_k代入相控阵在θ角度方向的导向矢量a(θ)，即可得到在最大偏离角度θ_k处的导向矢量a(θ_k)；

利用权矢量W_k-1、导向矢量a(θ_k)和权矢量更新步长μ_a，更新当前权矢量为W_k＝W_k-1+μ_aa(θ_k)，并计算相应的当前方向图电平矢量为

6.根据权利要求5所述的一种基于精确波束控制的空域抗干扰方法，其特征在于，所述当前权矢量W_k即为抗干扰的权矢量，利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰的当前方向图电平矢量

实现空域抗干扰，包括如下步骤：

利用当前权矢量W_k对相控阵进行加权，即可得到空域抗干扰的当前方向图电平矢量

即

Images