CN111447037A - 共轭梯度的阵列抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共轭梯度的阵列抗干扰方法，方法步骤如下：步骤1、对卫星导航定位、雷达探测以及无线通信应用场景构建自适应阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型；步骤2、基于共轭梯度理论，利用低复杂度的共轭迭代算法，求解自适应阵列中每个天线或传感器的权重；步骤3、利用现场可编程器件实现权重的实时求解。本发明利用共轭梯度的迭代权值计算可以有效降低传统算法的复杂度，实现快速的自适应抗干扰计算，并可满足运动设备的实时抗干扰需求。

Description

共轭梯度的阵列抗干扰方法

技术领域

本发明涉及多传感或天线的抗干扰阵列信号处理技术领域，尤其涉及共轭梯度的阵列抗干扰方法。

背景技术

阵列抗干扰技术常用于卫星导航定位、雷达探测以及无线通信等应用场景，其信号极弱，易导致接收端受到干扰而失去信号信息。典型的干扰包括压制式干扰和欺骗式干扰，而其中应用最为广泛的便是压制式干扰，针对压制式干扰，当前最为有效的方法为功率倒置方法。功率倒置方法尝试使阵列输出功率最小以达到抑制干扰的目的，同时它的自适应性可能导致处理中抑制了有用信号。而当有用信号电平在噪声以下，自适应阵列不会抑制有用信号。本应用场景下，这种自适应抗干扰算法可以达到很好的抗干扰效果。

常用于自适应抗干扰算法的准则有最小均方误差准则，最大信干噪比准则，线性约束最小方差准则。其中，最小均方误差准则只需要一个参考信号信息即可完成抗干扰算法，我们把一个阵元的信号设为参考信号，此方法就可以在不知道任何信号先验信息的条件下对干扰进行抑制，是一种高效快捷的方法。

而当阵元数变多或者采用空时算法时，协方差矩阵会变得很大，直接求逆的算法会显著增加计算量，导致权重更新变慢。对于快速移动的目标，需要计算复杂度，实现复杂度更低的算法。同时，需要一种更快速的开发方法进行数字系统的开发，且具备良好的可移植性和较小的上手难度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出共轭梯度的阵列抗干扰方法，本发明利用共轭梯度的迭代权值计算可以有效降低传统算法的复杂度，实现快速的自适应抗干扰计算，并可满足运动设备的实时抗干扰需求。

根据本发明实施例的一种共轭梯度的阵列抗干扰方法，方法步骤如下：

步骤1、对卫星导航定位、雷达探测以及无线通信应用场景构建自适应阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型；

步骤2、基于共轭梯度理论，利用低复杂度的共轭迭代算法，求解自适应阵列中每个天线或传感器的权重；

步骤3、利用现场可编程器件实现权重的实时求解。

优选地，步骤1中阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型为：

X(i)＝As(i)+n(i)＝[x₁,x₂,x₃,…,x_M]；

其中i表示离散时间的值，s(i)为期望信号和干扰信号组成的向量，噪声为n(i)，导向矢量为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_n)]，

第一个阵元接收到的信号作为参考信号d＝x₁,调节剩余阵元加权矢量使参考信号与输出加权的均方误差最小，令可调部分的第2-M个阵元上的接收信号和加权矢量为：X_a＝[x₂,x₃,…,x_M],W_a＝[w₂,w₃,…,w_M]阵列输出信号即为误差信号Y＝x₁-W_a ^HX_a，输出均方误差为f(W_a)＝E{|e(n)|²}＝E{|Y|²}＝E{x₁ ²}-2W_a ^Hr_d+W_a ^HR_aW_a，故有无约束优化问题

其中，M为阵元数，(·)H表示共轭转置，E(·)表示求期望，表示f函数对参量Wa求最小值。

优选地，步骤2中具体方法步骤包括：

步骤21、输入信号:X(i)；

步骤22、计算协方差矩阵R_a＝E(X_aX_a ^H)，互相关矢量r_d＝E(x₁X_a ^H)；

步骤23、初始化残差r₁与优化方向p：p₁＝r₁＝r_d-R_aW₁与阵列权重W₁＝[0,…0]；

步骤24、计算优化步长

更新权重W_k+1＝W_k+α_kp_k；

步骤25、更新残差r_k+1＝r_d-R_aW_k+1；

步骤26、判断残差r的2-范数的值||r||₂，若小于阈值，是就跳出循环进入步骤29，否就进入下一步；

步骤27、更新优化p_k+1＝r_k+1-β_kp_k，参数

并判断在循环阵元个数是否小于M，是就进入步骤28，否进入步骤29；

步骤28、返回步骤步骤24；

步骤29、输出信号:阵列权重，并结束步骤2。

优选地，下标k表示参量在第k次迭代中计算得到的值。

优选地，步骤3中，其求解结构包括数字下变频模块、抗干扰算法模块、合路输出模块和数字上变频模块。

优选地，下变频模块是把中频信号与正余弦信号相乘，得到I/Q两路正交信号，并进行滤波处理，其中I代表同相，Q代表正交。

优选地，抗干扰算法模块包括协方差计算模块、残差r计算模块、残差r2-范数计算模块、阈值判断阀块、β计算模块、优化方向p计算模块、优化方向p选择器、优化步长α计算模块、权重更新模块、权重保持模块。

优选地，合路输出模块是将信号与权重相乘并将各路相加输出。

优选地，上变频模块是将I/Q两路信号与正余弦信号相乘相加，合成一路信号输出，完成抗干扰处理。

优选地，权重包括相位或幅度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

提升计算速度：和同为迭代算法的最陡下降法相比，本方法的迭代次数大大减少，从而加快权重更新速度，可满足快速快时变场景下的抗干扰需求；

易于调试：本算法的模块化结构使得易于对其进行更改，优化与调试，同时也可以直接移植到其他算法的开发；

自适应性强：不需要知道任何先验信息，进行自适应的干扰抑制，将方向图的零陷对准干扰来向，对于现实中复杂的环境具有良好的适应性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法的流程图；

图2为发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法中抗干扰优化问题中的信号模型图；

图3为发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法中共轭梯度算法实现结构图；

图4为发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法中抗干扰系统结构图；

图5为发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法中两种算法残差的迭代曲线；

图6为发明提出的共轭梯度的阵列抗干扰方法中两种算法输出信干噪比的迭代曲线。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1-2，根据本发明实施例的一种共轭梯度的阵列抗干扰方法，方法步骤如下：

步骤1、对卫星导航定位、雷达探测以及无线通信应用场景构建自适应阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型；

步骤2、基于共轭梯度理论，利用低复杂度的共轭迭代算法，求解自适应阵列中每个天线或传感器的权重，权重包括相位或幅度；

步骤3、利用现场可编程器件实现权重的实时求解。

步骤1中阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型为：

X(i)＝As(i)+n(i)＝[x₁,x₂,x₃,…,x_M]；

其中i表示离散时间的值，s(i)为期望信号和干扰信号组成的向量，噪声为n(i)，导向矢量为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_n)]，

第一个阵元接收到的信号作为参考信号d＝x₁,调节剩余阵元加权矢量使参考信号与输出加权的均方误差最小，令可调部分的第2-M个阵元上的接收信号和加权矢量为：X_a＝[x₂,x₃,…,x_M],W_a＝[w₂,w₃,…,w_M]阵列输出信号即为误差信号Y＝x₁-W_a ^HX_a，输出均方误差为f(W_a)＝E{|e(n)|²}＝E{|Y|²}＝E{x₁ ²}-2W_a ^Hr_d+W_a ^HR_aW_a，故有无约束优化问题

其中，M为阵元数，(·)H表示共轭转置，E(·)表示求期望，表示f函数对参量Wa求最小值。

步骤3中，其求解结构包括数字下变频模块、抗干扰算法模块、合路输出模块和数字上变频模块。

下变频模块是把中频信号与正余弦信号相乘，得到I/Q两路正交信号，并进行滤波处理，其中I代表同相，Q代表正交。

合路输出模块是将信号与权重相乘并将各路相加输出。

上变频模块是将I/Q两路信号与正余弦信号相乘相加，合成一路信号输出，完成抗干扰处理。

参考图3为共轭梯度算法实现结构，抗干扰算法模块包括：协方差计算模块、残差r计算模块、残差r2-范数计算模块、阈值判断阀块、β计算模块、优化方向p计算模块、优化方向p选择器、优化步长α计算模块、权重更新模块、权重保持模块，模块之间是用来实现步骤2中的算法，因为现场可编程器件是用来实现权重的实时求解，所以步骤3与步骤2实际是是同时执行的；

步骤3中抗干扰算法模块对应于步骤2的共轭梯度算法迭代过程：

步骤21、输入信号:X(i)；

步骤22、计算协方差矩阵R_a＝E(X_aX_a ^H)，互相关矢量r_d＝E(x₁X_a ^H)；

步骤23、初始化残差r₁与优化方向p：p₁＝r₁＝r_d-R_aW₁与阵列权重W₁＝[0,…0]；

步骤24、计算优化步长

更新权重W_k+1＝W_k+α_kp_k；

步骤25、更新残差r_k+1＝r_d-R_aW_k+1；

步骤26、判断残差r的2-范数的值||r||₂，若小于阈值，是就跳出循环进入步骤29，否就进入下一步；

步骤27、更新优化p_k+1＝r_k+1-β_kp_k，参数

并判断在循环阵元个数是否小于M，是就进入步骤28，否进入步骤29；

步骤28、返回步骤步骤24；

步骤29、输出信号:阵列权重，并结束步骤2。

下标k表示参量在第k次迭代中计算得到的值。

参考图4为抗干扰系统结构，利用现场可编程器件(FGPA)等实现权重的实时求解，其结构包括数字下变频模块(IQ解调)、抗干扰算法模块、合路输出模块、数字上变频模块(IQ调制)。在模拟端，天线接收射频信号，射频通道将信号下变频至中频，后经过ADC芯片将模拟信号转换为数字信号。经过抗干扰算法的信号经过DAC转换为模拟信号，后上变频给接收机分析信号，整个阵列抗干扰系统完成实现。

参考图5，图6，所示为残差与输出信干噪比随迭代次数的收敛速度。

仿真条件为：有用信号角度-10°，干扰信号角度-25°，10°，和20°，输入信噪比-30dB,干噪比30dB，采用4阵元线阵，阵元间距为半波长。由图可以看出，对比于最陡下降法，共轭梯度收敛的速度更快。

本发明利用共轭梯度的迭代权值计算可以有效降低传统算法的复杂度，实现快速的自适应抗干扰计算，并可满足运动设备的实时抗干扰需求。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：方法步骤如下：

步骤1、对卫星导航定位、雷达探测以及无线通信应用场景构建自适应阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型；

步骤2、基于共轭梯度理论，利用低复杂度的共轭迭代算法，求解自适应阵列中每个天线或传感器的权重；

步骤3、利用现场可编程器件实现权重的实时求解。

2.根据权利要求1所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述步骤1中阵列抗干扰的由信号模型构建的优化问题模型为：

X(i)＝As(i)+n(i)＝[x₁,x₂,x₃,…,x_M]；

其中i表示离散时间的值，s(i)为期望信号和干扰信号组成的向量，噪声为n(i)，导向矢量为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_n)]，

第一个阵元接收到的信号作为参考信号d＝x₁,调节剩余阵元加权矢量使参考信号与输出加权的均方误差最小，令可调部分的第2-M个阵元上的接收信号和加权矢量为：X_a＝[x₂,x₃,…,x_M],W_a＝[w₂,w₃,…,w_M]阵列输出信号即为误差信号Y＝x₁-W_a ^HX_a，输出均方误差为f(W_a)＝E{|e(n)|²}＝E{|Y|²}＝E{x₁ ²}-2W_a ^Hr_d+W_a ^HR_aW_a，故有无约束优化问题

其中，M为阵元数，(·)H表示共轭转置，E(·)表示求期望，表示f函数对参量Wa求最小值。

3.根据权利要求1所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述步骤2中具体方法步骤包括：

步骤21、输入信号:X(i)；

步骤22、计算协方差矩阵R_a＝E(X_aX_a ^H)，互相关矢量r_d＝E(x₁X_a ^H)；

步骤23、初始化残差r₁与优化方向p：p₁＝r₁＝r_d-R_aW₁与阵列权重W₁＝[0,…0]；

步骤24、计算优化步长

更新权重W_k+1＝W_k+α_kp_k；

步骤25、更新残差r_k+1＝r_d-R_aW_k+1；

步骤26、判断残差r的2-范数的值||r||₂，若小于阈值，是就跳出循环进入步骤29，否就进入下一步；

步骤27、更新优化p_k+1＝r_k+1-β_kp_k，参数

并判断在循环阵元个数是否小于M，是就进入步骤28，否进入步骤29；

步骤28、返回步骤步骤24；

步骤29、输出信号:阵列权重，并结束步骤2。

4.根据权利要求3所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述下标k表示参量在第k次迭代中计算得到的值。

5.根据权利要求1所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述步骤3中，其求解结构包括数字下变频模块、抗干扰算法模块、合路输出模块和数字上变频模块。

6.根据权利要求5所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述下变频模块是把中频信号与正余弦信号相乘，得到I/Q两路正交信号，并进行滤波处理，其中I代表同相，Q代表正交。

7.根据权利要求5所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述抗干扰算法模块包括协方差计算模块、残差r计算模块、残差r2-范数计算模块、阈值判断阀块、β计算模块、优化方向p计算模块、优化方向p选择器、优化步长α计算模块、权重更新模块、权重保持模块。

8.根据权利要求5所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述合路输出模块是将信号与权重相乘并将各路相加输出。

9.根据权利要求5所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述上变频模块是将I/Q两路信号与正余弦信号相乘相加，合成一路信号输出，完成抗干扰处理。

10.根据权利要求1所述的共轭梯度的阵列抗干扰方法，其特征在于：所述权重包括相位或幅度。

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