CN117579451B - 控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法 - Google Patents

控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线阵列信号调制的技术领域，提供了控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣信号传输时，有效提升通信的抗截获和抗定位能力，实施信息欺骗；该噪声调制方法包括对多天线通道进行信号幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，基于数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；由此在信号抗截获、抗定位和信息欺骗方面均具有良好的性能，提高通信安全性。

Description

控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法
技术领域
本发明涉及天线阵列信号调制的技术领域，特别涉及控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法。
背景技术
数字相控阵天线广泛应用于无线通信、雷达、测控等领域。具体在测控领域，当卫星测控地面站与卫星进行通信时，卫星测控地面站的数字相控阵天线发射信号主瓣始终跟踪卫星的数字相控阵天线移动，理论上只会通过数字相控阵天线发射信号主瓣进行通信信号发送，但是除了数字相控阵天线发射信号主瓣外的各个方向会产生旁瓣波束，这些旁瓣波束也能够辐射通信信号，导致存在通信信号泄密等安全隐患。为此，需要对数字相控阵天线在旁瓣方向发出的信号进行抑制，避免旁瓣方向产生信号泄露。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并基于数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。
本发明提供控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，包括如下步骤：
步骤S1，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子；基于所述幅相校准因子，对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，使得所有天线通道分别输出相应的幅相校准信号；
步骤S2，获取所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号；确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；
步骤S3，基于所述数字相控阵天线整体的导向矢量和所述主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号；
步骤S4，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1中，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的幅相偏差，对所述数字相控阵天线的所有天线通道进行幅相校正，使得所有天线通道具有相同的幅相参数；
向完成幅相校正的数字相控阵天线的所有天线通道分别输入信号，并获取所有天线通道各自对应的输出信号；
基于所述输入信号和所述输出信号，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1中，基于所述输入信号和所述输出信号，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，构建如下面公式（1）的关于所述数字相控阵天线的信号传输方程，
B=X·H+W （1）
在上述公式（1）中，W表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的高斯白噪声矩阵；H表示对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；
基于上述公式（1），构建如下面公式（2）关于高斯白噪声矩阵的最小均方误差方程，
（2）
对上述公式（2）进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；再基于所述幅相校准因子矩阵，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准各自对应的幅相校准因子。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1中，对上述公式（2）进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵，包括：
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X，得到自相关矩阵Rx；其中，Rx=X×XH，XH表示输入信号矩阵XH的转置共轭矩阵，×表示叉乘；
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，得到互相关矩阵P；其中，P=X×B*，B*表示输出信号矩阵B的共轭矩阵，×表示叉乘；
基于下面公式（3），得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵H，
（3）
在上述公式（3），表示自相关矩阵Rx的逆矩阵。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S2中，确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，包括：
基于所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数，确定所述数字相控阵天线整体的导向矢量；
从所述数字相控阵天线整体的导向矢量确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量/>。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S2中，所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数包括所述数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距和平行于Y轴方向的天线阵元间距。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S3中，基于所述数字相控阵天线整体的导向矢量和所述主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号，包括：
基于所述数字相控阵天线整体的导向矢量和所述主瓣方向信号的导向矢量，构建下面的约束优化方程（4）和（5），
（4）
（5）
在上述公式（4）和（5）中，表示所述数字相控阵天线整体的导向矢量；表示所述主瓣方向信号的导向矢量；W表示所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量；WH表示所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量的转置矩阵；r表示所述旁瓣方向噪声信号的增益，并且0<r<1；/>表示满足所述旁瓣方向噪声信号在数字相控阵天线整体的导向矢量的空间辐射功率最小的情况；/>表示求二阶范数；
再基于所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量，生成旁瓣方向噪声信号。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S3中，基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，包括：
利用下面公式（6），基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，
（6）
在上述公式（6）中，d表示所述数字相控阵天线的最终输出信号；表示所述数字相控阵天线整体的导向矢量；X表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵；/>表示所述波束合成信号；W0表示所述旁瓣方向噪声信号。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S4中，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号，包括：
设定最终发射信号的发送总功率为P，所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比为，所述旁瓣方向噪声信号在所述最终发射信号的功率占比为1-/>，则
所述波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率如下：
（7）
在上述公式（7）中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；/>表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；/>表示求一阶范数；表示求二阶范数；/>表示信号的俯仰角；
所述旁瓣方向噪声信号的信号功率如下：
（8）
在上述公式（8）中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；/>表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；/>表示求一阶范数；表示求二阶范数；W0表示旁瓣方向噪声信号；/>表示信号的俯仰角；
利用下面公式（9），确定所述最终发射信号的误差矢量幅度，
（9）
对所述误差矢量幅度进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比/>；
再基于求解得到的功率占比，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S4中，对所述误差矢量幅度进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比/>，包括：
设定在主瓣方向宽度内，所述误差矢量幅度/>不大于门限/>，以及在旁瓣方向宽度/>内，所述误差矢量幅度/>不小于门限/>，从而确定下面的约束优化方程，
，
，
对上述约束优化方程进行解算，从而求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比。
相比于现有技术，该控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并基于数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法的流程示意图；
图2为本发明提供的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法在相应功率分配下的旁瓣增益变化图；
图3为本发明提供的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法在相应功率分配下的旁瓣信噪比变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1为本发明实施例提供的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法的流程示意图。该控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法包括如下步骤：
步骤S1，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子；基于该幅相校准因子，对该数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，使得所有天线通道分别输出相应的幅相校准信号；
步骤S2，获取该数字相控阵天线包含的所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号；确定该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；
步骤S3，基于该数字相控阵天线整体的导向矢量和该主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于该波束合成信号和该旁瓣方向噪声信号，得到该数字相控阵天线的最终输出信号；
步骤S4，对该最终输出信号进行关于该波束合成信号的主瓣方向信号和该旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
该控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并基于数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。
优选地，在该步骤S1中，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的幅相偏差，对该数字相控阵天线的所有天线通道进行幅相校正，使得所有天线通道具有相同的幅相参数；
向完成幅相校正的数字相控阵天线的所有天线通道分别输入信号，并获取所有天线通道各自对应的输出信号；
基于该输入信号和该输出信号，确定对该数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子。
在上述技术方案中，在实际应用中，数字相控阵天线的所有天线通道对接收到的输入信号进行传输过程中，每个天线通道均会受到来自环境等方面的噪声干扰，这些噪声干扰会在天线通道内部形成相应的高斯白噪声，并且天线通道内部的高斯白噪声大小与天线通道内部的幅相校准因子相关；其中，天线通道的幅相校准因子是指对天线通道的振幅参数和相位参数进行校准对应的因子。在完成对数字相控阵天线的所有天线通道的幅相校正的情况下，假设数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B；其中，该输入信号矩阵X可为一维矩阵形式或二维矩阵形式，这取决于数字相控阵天线为一维阵列天线还是二维阵列天线，相应地，该输出信号矩阵B也可为一维矩阵形式或二维矩阵形式。根据数字相控阵天线的所有天线通道接收输入信号，对输入信号进行幅相调制后形成相应的输出信号的过程可以得到信号传输方程B=X·H+W，此时可以确定天线通道内部的高斯白噪声W=B﹣X·H，并构建关于高斯白噪声W的最小均方误差方程，求解该最小均方误差方程的意义在于求解得到对天线通道进行幅相校准的幅相校准因子，并且在该幅相校准因子的作用下天线通道内部的高斯白噪声最小，从而将该幅相校准因子作为天线通道的最优幅相校准因子。
优选地，在该步骤S1中，基于该输入信号和该输出信号，确定对该数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于该数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，构建如下面公式（1）的关于该数字相控阵天线的信号传输方程，
B=X·H+W （1）
在上述公式（1）中，W表示该数字相控阵天线包含的所有天线通道的高斯白噪声矩阵；H表示对该数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；
基于上述公式（1），构建如下面公式（2）关于高斯白噪声矩阵的最小均方误差方程，
（2）
对上述公式（2）进行求解，得到对该数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；再基于该幅相校准因子矩阵，确定对该数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准各自对应的幅相校准因子。
在上述技术方案中，在实际应用中，数字相控阵天线的所有天线通道对接收到的输入信号进行传输过程中，每个天线通道均会受到来自环境等方面的噪声干扰，这些噪声干扰会在天线通道内部形成相应的高斯白噪声，并且天线通道内部的高斯白噪声大小与天线通道内部的幅相校准因子相关；其中，天线通道的幅相校准因子是指对天线通道的振幅参数和相位参数进行校准对应的因子。在完成对数字相控阵天线的所有天线通道的幅相校正的情况下，假设数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B；其中，该输入信号矩阵X可为一维矩阵形式或二维矩阵形式，这取决于数字相控阵天线为一维阵列天线还是二维阵列天线，相应地，该输出信号矩阵B也可为一维矩阵形式或二维矩阵形式。根据数字相控阵天线的所有天线通道接收输入信号，对输入信号进行幅相调制后形成相应的输出信号的过程可以得到信号传输方程B=X·H+W，此时可以确定天线通道内部的高斯白噪声W=B﹣X·H，并构建关于高斯白噪声W的最小均方误差方程，求解该最小均方误差方程的意义在于求解得到对天线通道进行幅相校准的幅相校准因子，并且在该幅相校准因子的作用下天线通道内部的高斯白噪声最小，从而将该幅相校准因子作为天线通道的最优幅相校准因子。
优选地，在该步骤S1中，对上述公式（2）进行求解，得到对该数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵，包括：
基于该数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X，得到自相关矩阵Rx；其中，Rx=X×XH，XH表示输入信号矩阵X的转置共轭矩阵，×表示叉乘；
基于该数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，得到互相关矩阵P；其中，P=X×B*，B*表示输出信号矩阵B的共轭矩阵，×表示叉乘；
基于下面公式（3），得到对该数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵H，
（3）
在上述公式（3），表示自相关矩阵Rx的逆矩阵。
在上述技术方案中，对上述最小均方误差方程进行求解，可以得到维纳霍夫最优解，即当数字相控阵天线的所有天线通道对应的幅相校准因子形成的矩阵为该维纳霍夫最优解时，数字相控阵天线的所有天线通道的高斯白噪声达到最小。在实际求解过程中，可认为输入信号和输出信号处于二阶平稳状态，并利用平均法估算，从而得到Rx=X×XH以及P=X×B*，上述对最小均方误差方程的求解过程属于本领域的常规手段，这里不做详细叙述。
优选地，在该步骤S2中，确定该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，包括：
基于该数字相控阵天线的天线通道分布几何参数，确定该数字相控阵天线整体的导向矢量；
从该数字相控阵天线整体的导向矢量确定该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量/>。
在上述技术方案中，在实际信号处理中，该波束合成信号是由数字相控阵天线的所有天线通道的输出信号进行数字波束合成得到的，该主瓣方向信号是指该波束合成信号对应于主瓣方向的信号，并且该波束合成信号的主瓣方向上的信号的增益最大，同时该波束合成信号的主瓣方向是与该数字相控阵天线整体的导向矢量相关，而该数字相控阵天线整体的导向矢量则是决定于该数字相控阵天线的所有天线通道的几何分布。根据数字相控阵天线的工作原理可知，假设数字相控阵天线是一个N*M的二维平面矩阵，可以得到数字相控阵天线整体的导向矢量如下：
,
,
,
其中，是归一化幅相权值，/>是信号的俯仰角，/>是信号的方位角，dx是该数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距，dy是该数字相控阵天线中平行于Y轴方向的天线阵元间距。
再对该数字相控阵天线整体的导向矢量进行分析，将其中具有最大增益的向量作为该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，/>是主瓣方向信号的俯仰角，是主瓣方向信号的方位角。
上述只是以该数字相控阵天线为二维平面矩阵为例子进行举例说明，实际上该数字相控阵天线还可以为一维矩阵分布。当该数字相控阵天线为一维矩阵分布时，该数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量确定与上述确定过程相类似，可以利用相应数学推理过程得到，其属于本领域的常规技术手段，这里不做详细的叙述。
优选地，在该步骤S2中，该数字相控阵天线的天线通道分布几何参数包括该数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距和平行于Y轴方向的天线阵元间距。
在上述技术方案中，从数字相控阵天线的工作原理可知，数字相控阵天线整体的导向矢量决定于数字相控阵天线包含的所有天线阵元的相互分布位置关系，当该数字相控阵天线为二维平面矩阵时，该数字相控阵天线的天线通道分布几何参数包括该数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距和平行于Y轴方向的天线阵元间距，通过确定该数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距和平行于Y轴方向的天线阵元间距，能够准确计算得到数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量。
优选地，在该步骤S3中，基于该数字相控阵天线整体的导向矢量和该主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号，包括：
基于该数字相控阵天线整体的导向矢量和该主瓣方向信号的导向矢量，构建下面的约束优化方程（4）和（5），
（4）
（5）
在上述公式（4）和（5）中，表示该数字相控阵天线整体的导向矢量；表示该主瓣方向信号的导向矢量；W表示该旁瓣方向噪声信号的导向矢量；WH表示该旁瓣方向噪声信号的导向矢量的转置矩阵；r表示该旁瓣方向噪声信号的增益，并且0<r<1；/>表示满足该旁瓣方向噪声信号在数字相控阵天线整体的导向矢量的空间辐射功率最小的情况；/>表示求二阶范数；
再基于该旁瓣方向噪声信号的导向矢量，生成旁瓣方向噪声信号。
在上述技术方案中，在对该波束合成信号添加旁瓣方向噪声信号，该旁瓣方向噪声信号的导向矢量状态会影响该旁瓣方向噪声加载在该波束合成信号后被数字相控阵天线发射后的增益大小和在空间辐射的功率大小。通过上述公式（5）约束旁瓣方向噪声信号的导向矢量W和主瓣方向信号的导向矢量的内积关系满足相应的旁瓣方向噪声信号的增益r条件，并且还通过上述公式（4）约束该旁瓣方向噪声信号通过数字相控阵天线发射出去后在数字相控阵天线整体的导向矢量的空间辐射功率具有最小值。基于上述论证，上述公式（4）和（5）共同形成的约束优化条件的含义为：对于特定数值的增益，需要解决得到旁瓣方向噪声信号的导向矢量W满足方程/>所限定的条件，而对于满足方程/>的导向矢量W的解有多个；再对求得的多个W的解进行关于满足方程/>的筛选，即从多个W的解中找出一个解能够使得旁瓣方向噪声信号具有该解对应的导向矢量时，该旁瓣方向噪声信号在数字相控阵天线整体的导向矢量的空间辐射功率最小，从而保证后续加载在该波束合成信号的旁瓣方向噪声信号在后续发射后形成的空间辐射功率最小。
优选地，在该步骤S3中，基于该波束合成信号和该旁瓣方向噪声信号，得到该数字相控阵天线的最终输出信号，包括：
利用下面公式（6），基于该波束合成信号和该旁瓣方向噪声信号，得到该数字相控阵天线的最终输出信号，
（6）
在上述公式（6）中，d表示该数字相控阵天线的最终输出信号；表示该数字相控阵天线整体的导向矢量；X表示该数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵；/>表示该波束合成信号；W0表示该旁瓣方向噪声信号。
在上述技术方案中，根据数字相控阵天线的信号传输原理可知，该数字相控阵天线的所有天线通道的输出信号叠加形成的波束合成信号可以认为是数字相控阵天线整体的导向矢量作用在数字相控阵天线的所有天线通道的输入信号上，从而最终输出的信号。通过上述公式（6），能够在添加了旁瓣方向噪声信号的情况下，对数字相控阵天线的最终输出信号进行关于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号的叠加表征，上述公式（6）仅仅是该数字相控阵天线的最终输出信号的其中一种数学表征方式，该最终输出信号的表征方式并不局限于上述公式（6），而通过上述公式（6）旨在于更加清晰明了该最终输出信号的信号组成成分。
优选地，在该步骤S4中，对该最终输出信号进行关于该波束合成信号的主瓣方向信号和该旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号，包括：
设定最终发射信号的发送总功率为P，该波束合成信号在该最终发射信号的功率占比为，该旁瓣方向噪声信号在该最终发射信号的功率占比为1-/>，则
该波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率如下：
（7）
在上述公式（7）中，表示该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；/>表示求一阶范数；/>表示求二阶范数；/>表示信号的俯仰角；
该旁瓣方向噪声信号的信号功率如下：
（8）
在上述公式（8）中，表示该波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；/>表示求一阶范数；/>表示求二阶范数；W0表示旁瓣方向噪声信号；/>表示信号的俯仰角；
利用下面公式（9），确定该最终发射信号的误差矢量幅度，/>
（9）
对该误差矢量幅度进行约束优化问题解算，求解得到该波束合成信号在该最终发射信号的功率占比/>；
再基于求解得到的功率占比，对该最终输出信号进行关于该波束合成信号的主瓣方向信号和该旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
在上述技术方案中，通过上述方式，由于该波束合成信号中主瓣方向信号和非主瓣方向信号之间的信号强度比值是相对固定的，并且该主瓣方向信号占该波束合成信号中绝大部分的信号强度，因此可以认为该波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率等同于该波束合成信号的信号功率。先设定最终发射信号的发送总功率为P，该波束合成信号在该最终发射信号的功率占比为，该旁瓣方向噪声信号在该最终发射信号的功率占比为1-/>，并根据数字相控阵天线的信号传输原理，计算得到该波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率/>和该旁瓣方向噪声信号的信号功率/>，以此得到该最终发射信号的误差矢量幅度/>，并对该误差矢量幅度/>进行约束优化问题解算，从而求解得到该约束优化问题的最优解下对应的功率占比/>。再根据求解得到的功率占比/>，对该最终输出信号进行关于该波束合成信号的主瓣方向信号和该旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号，保证功率分配的准确性和可靠性。
优选地，在该步骤S4中，对该误差矢量幅度进行约束优化问题解算，求解得到该波束合成信号在该最终发射信号的功率占比/>，包括：
设定在主瓣方向宽度内，该误差矢量幅度/>不大于门限/>，以及在旁瓣方向宽度/>内，该误差矢量幅度/>不小于门限/>，从而确定下面的约束优化方程，
,
,
对上述约束优化方程进行解算，从而求解得到该波束合成信号在该最终发射信号的功率占比。
在上述技术方案中，通过设定在主瓣方向宽度内，该误差矢量幅度/>不大于门限/>，以及在旁瓣方向宽度/>内，该误差矢量幅度/>不小于门限/>，从而确定上述约束优化方程，而上述约束优化方程是本领域的常规约束优化方程的表达形式，这里不做详细的叙述；此外对于上述约束优化方程可采用Matlab软件进行求解计算，其属于本领域的常规技术手段。通过对上述约束优化方程进行解算，能够求得最优的功率占比/>，便于准确进行该波束合成信号的主瓣方向信号和该旁瓣方向噪声信号的功率分配，提高天线信号发射的可控性。
参阅图2-图3，分别为本发明提供的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法在相应功率分配下的旁瓣增益变化图和旁瓣信噪比变化图。从图2可见，对于16*16方阵形式的数字相控阵天线，当加噪系数（噪声功率占总功率的比值）为0.16时，主瓣增益下降0.757dB，第一旁瓣增益为-13 dB ~-14 dB，未加噪的第二旁瓣增益为-18.2 dB；同时，第一旁瓣信噪比下降21 dB，未加噪的第二旁瓣信噪比下降7 dB。通过上述控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法能够保证数字相控阵天线的信号发射可靠性和安全性。
从上述实施例的内容可知，该控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并基于数字相控阵天线整体的导向矢量和主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，包括如下步骤：
步骤S1，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的幅相偏差，对所述数字相控阵天线的所有天线通道进行幅相校正，使得所有天线通道具有相同的幅相参数；
向完成幅相校正的数字相控阵天线的所有天线通道分别输入信号，并获取所有天线通道各自对应的输出信号；
基于所述输入信号和所述输出信号，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，构建如下面公式(1)的关于所述数字相控阵天线的信号传输方程，
B＝X·H+W (1)
在上述公式(1)中，W表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的高斯白噪声矩阵；H表示对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；
基于上述公式(1)，构建如下面公式(2)关于高斯白噪声矩阵的最小均方误差方程，
对上述公式(2)进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；再基于所述幅相校准因子矩阵，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准各自对应的幅相校准因子；
基于所述幅相校准因子，对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，使得所有天线通道分别输出相应的幅相校准信号；
步骤S2，获取所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号；确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；
步骤S3，基于所述数字相控阵天线整体的导向矢量和所述主瓣方向信号的导向矢量，生成在相应旁瓣方向具有相应增益的旁瓣方向噪声信号，包括：
基于所述数字相控阵天线整体的导向矢量和所述主瓣方向信号的导向矢量，构建下面的约束优化方程(4)和(5)，
在上述公式(4)和(5)中，表示所述数字相控阵天线整体的导向矢量；表示所述主瓣方向信号的导向矢量；w表示所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量；wH表示所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量的转置矩阵；r表示所述旁瓣方向噪声信号的增益，并且0<r<1；/>表示满足所述旁瓣方向噪声信号在数字相控阵天线整体的导向矢量的空间辐射功率最小的情况；‖‖2表示求二阶范数；
再基于所述旁瓣方向噪声信号的导向矢量，生成旁瓣方向噪声信号；基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号；
步骤S4，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
2.如权利要求1所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，对上述公式(2)进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵，包括：
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X，得到自相关矩阵Rx；其中，Rx＝X×XH，XH表示输入信号矩阵X的转置共轭矩阵，×表示叉乘；
基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵X和所有天线通道的输出信号矩阵B，得到互相关矩阵P；其中，P＝X×B*，B*表示输出信号矩阵B的共轭矩阵，×表示叉乘；
基于下面公式(3)，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵H，
在上述公式(3)，表示自相关矩阵Rx的逆矩阵。
3.如权利要求2所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S2中，确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，包括：
基于所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数，确定所述数字相控阵天线整体的导向矢量
从所述数字相控阵天线整体的导向矢量确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量/>
4.如权利要求3所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S2中，所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数包括所述数字相控阵天线中平行于X轴方向的天线阵元间距和平行于Y轴方向的天线阵元间距。
5.如权利要求4所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，包括：
利用下面公式(6)，基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，
在上述公式(6)中，d表示所述数字相控阵天线的最终输出信号；
表示所述数字相控阵天线整体的导向矢量；X表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵；/>表示所述波束合成信号；W0表示所述旁瓣方向噪声信号。
6.如权利要求5所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S4中，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号，包括：
设定最终发射信号的发送总功率为P，所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比为η，所述旁瓣方向噪声信号在所述最终发射信号的功率占比为1-η，则
所述波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率Ps(θ)如下：
在上述公式(7)中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；‖‖表示求一阶范数；‖‖2表示求二阶范数；θ表示信号的俯仰角；
所述旁瓣方向噪声信号的信号功率Pn(θ)如下：
在上述公式(8)中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示/>的转置共轭矩阵；E表示求均值；‖‖表示求一阶范数；‖‖2表示求二阶范数；W0表示旁瓣方向噪声信号；θ表示信号的俯仰角；
利用下面公式(9)，确定所述最终发射信号的误差矢量幅度EVM(θ)，
对所述误差矢量幅度EVM(θ)进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η；
再基于求解得到的功率占比η，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。
7.如权利要求6所述的控制噪声分布的数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其特征在于：
在所述步骤S4中，对所述误差矢量幅度EVM(θ)进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η，包括：
设定在主瓣方向宽度Ωm内，所述误差矢量幅度EVM(θ)不大于门限Thm，以及在旁瓣方向宽度Ωs内，所述误差矢量幅度EVM(θ)不小于门限Ths，从而确定下面的约束优化方程，
max PE,s.t.EVM(θ)≤Thm,θ∈Ωm
EVM(θ)≥Ths,θ∈Ωs
对上述约束优化方程进行解算，从而求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η。
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