DE60107961T2 - Phasenstabilisierung in einer adaptiven antennengruppe - Google Patents

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung betrifft adaptive Antennengruppen, und insbesondere Techniken zur Stabilisierung der Verstärkung einer adaptiven Antennengruppe auf ein gewünschtes Signal, während Interferenzen auf null gehalten werden.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• EP 0 869 578 A1 betrifft einen adaptiven Empfangs-Diversity-Apparat und einen adaptiven Übertragungs-Diversity-Apparat. Insbesondere ist eine phasenstabilisierte adaptive Antennengruppe vorgeschlagen, die eine bewegte Antennengruppe und eine Vielzahl von Signalkanälen aufweist, die mit der Antennengruppe gekoppelt sind, wobei jeder ein Kanalsignal produziert. Der hierin offenbarte Apparat umfasst einen Empfangs- und Abstrahlungs-Mustersteuerungsbereich zur Bereitstellung eines Empfangssignals von einer Antenne mit einem ersten Empfangsstrahlungsmuster durch ein erstes Steuerungssignal, einen Strahlungs-Mustersteuerungsbereich zur Bereitstellung des zuvor erwähnten Empfangssignals mit einem zweiten Empfangsstrahlungsmuster durch ein zweites Steuerungssignal basierend auf einem Ausgang eines Bewegungsrichtungs-Abschätzbereichs zum Abschätzen einer Bewegungsrichtung einer Sendeseite, und ein Empfangs signalverarbeitungssystem mit einem Multiplikationsbereich zum Multiplizieren des zuvor erwähnten Empfangssignals durch das erste Steuerungssignal und das zweite Steuerungssignal.
• US 3,964,065 betrifft ein System, das einen Breitbandhochfrequenz-Vektormultiplizierer in einem ausgewogenen Prozess zum Auslöschen unerwünschter Hochfrequenzsignale verwendet. Das Auslöschen wird durch Einstellen sowohl der gewünschten als auch der Interferenzsignale erreicht, die das System passieren. Die Einstellung wird durch Verwendung von Vektormultiplizierern erreicht, die die Phase um gleiche Beträge verschieben und die Amplitude um proportionale Beträge von einem oder mehreren Hochfrequenzsignalen in Antwort auf die getrennte Phasenverschiebung und Amplitudensteuerungskräfte variieren.
• Es sei eine adaptive Antennengruppe auf einer sich drehenden Plattform betrachtet. Sie kann Daten über ein kohärentes Verarbeitungsintervall sammeln, um Statistiken der Interferenz plus Rauschen abzuschätzen und ein Gewicht zu dessen Dämpfung zu erzeugen. Da sich die Antenne dreht, wird der ausgebildete Strahl ein Ansprechen auf ein Ziel oder einen Störfleck haben, der variiert. Diese Modulation reduziert die Fähigkeit einer Störfleckauslöschung und einer Zielerfassung. Es gibt momentan keine Verfahren, die dieses Problem ansprechen.
• Eine andere Situation tritt bei einer adaptiven Antennengruppe in einer gestörten Umgebung auf, die bezüglich der Zeit variiert. Beispielsweise können Zeitvariationen für Störsenderbewegung, Antennenbewegung oder Störsenderwellenformveränderungen auftreten. Die adaptiven Antennengruppen-Strahllenkungsgewichte müssen periodisch aktualisiert werden, um die Auslö schungen der Störsender aufrechtzuerhalten, was eine Zeitveränderung in das Antennenmuster bringt. Dies wird das gewünschte Signal und den Störfleck modulieren.
• Diese Erfindung liefert eine Lösung für diese Probleme.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung stabilisiert die Verstärkung einer adaptiven Antennengruppe auf ein gewünschtes Signal, während Interferenzen auf null gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass adaptive Gewichte mit einem komplexen Skalar multipliziert werden, der bei der Antennengruppendrehung variiert, oder wenn die adaptiven Gewichte aktualisiert werden, um Nullen in einem sich ändernden Störsenderfeld aufrechtzuerhalten. Dies gewährleistet, dass das Ansprechen auf ein Signal aus einer bekannten Richtung während der Drehung konstant gehalten wird, oder wenn die Gewichte aktualisiert werden. Diese Erfindung ist selbst in Systemen nützlich, in denen die Drehung oder die Aktualisierung schnell erfolgt.
• Ein phasenstabilisiertes adaptives Antennengruppensystem für eine sich drehende Sensorantennengruppe wird beschrieben. Das System umfasst eine Antennengruppe, eine Vielzahl von Signalkanälen, die mit der Antennengruppe gekoppelt sind, deren jeder ein Kanalsignal erzeugt, wobei jeder Kanal eine adaptive Signal-Gewichtungsvorrichtung zum Gewichten des Kanalsignals mit einem Kanalgewicht umfasst. Das System umfasst ferner eine Kombiniervorrichtung zum Kombinieren der gewichteten Kanalsignale, um ein Strahlsignal zu bilden. Entsprechend einem Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das System ferner eine Phasenkompensationsvorrichtung zur Beaufschlagung der Gruppensignale oder des Strahlsignals mit Phasenkompensationsgewichten, die abhängig von der Antennenposition variieren, derart, dass die Antwort auf ein Signal aus einer bekannten Richtung im Wesentlichen konstant gehalten wird, während die Sensorantennengruppe gedreht wird, oder wenn die Gewichte aktualisiert werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer adaptiven Antennengruppe mit den Schritten: Drehen der Antennengruppe bezüglich eines Ziels, Bereitstellen einer Vielzahl von Signalkanälen, die mit der Antennengruppe gekoppelt sind, deren jeder ein Kanalsignal erzeugt, adaptives Gewichten jedes Kanalsignals mit einem Kanalgewicht, und Kombinieren der gewichteten Kanalsignale, um ein Strahlsignal auszubilden. Das Verfahren umfasst ferner zur Phasenstabilisierung der Antwort auf ein Ziel bei einer vorgegebenen Winkelposition den Schritt: Anwenden der Phasenkompensationsgewichte auf die Gruppensignale oder das Strahlsignal, das abhängig von der Antennenposition variiert, derart, dass die Antwort auf ein Signal aus einer bekannten Richtung im Wesentlichen konstant gehalten wird, während sich die Sensorgruppe dreht, oder wenn die Gewichte aktualisiert werden.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform davon, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
• 1 ein schematisches Diagramm eines nichtstabilisierten adaptiven Antennengruppensystems ist;
• 2 ein schematisches Diagramm eines stabilisierten adaptiven Antennengruppensystems ist, das die Erfindung verkörpert;
• 3 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform eines stabilisierten adaptiven Antennengruppensystems entsprechend der Erfindung ist;
• 4 ein schematisches Diagramm eines verallgemeinerten Sensorsystems entsprechend der Erfindung ist;
• 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines luftgestützten Sensorsystems ist, das die Erfindung verkörpert.
• DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Ein nicht-stabilisiertes adaptives Antennengruppensystem 20 ist in dem vereinfachten schematischen Blockdiagramm von 1 gezeigt. Das System umfasst eine Vielzahl von Kanälen 22A, 22B ... 22N. Jeder Kanal umfasst ein Antennenelement (24A, 24B ... 24N), einen Empfänger (26A, 26B ... 26N), einen Analog/Digital-Wandler (ADC) (28A, 28B ... 28N) und einen Gewichtungs-Multiplizierer (30A, 30B ... 30N). Die Kanäle können von einer einzelnen Antenne oder einem Sensor (für digitale Strahlformungssysteme) oder vielen Antennen, die zusammengefügt sind (die Ausgänge eines analogen Strahlformungssystems) sein. Die digitalisierten Eingangskanalsignale x₁, x₂ ... x_N sind Ausgangssignale der jeweiligen ADCs und werden mit den Gewich ten w₁, w₂ ... w_N multipliziert. Die gewichteten Eingangskanalsignale werden im Summierer 32 summiert, um das Antennengruppensignal y bei 34 zu erzeugen. Ein Gewichte-Rechner 36 spricht auf die Kanalsignale x₁, x₂ ... x_N an, um die Gewichte w₁, w₂ ... w_N adaptiv zu berechnen, die auf die jeweiligen Kanäle angewendet werden. Die komplexe Antwort auf die Eingangskanäle (entweder vom einzelnen Sensor oder von geformten Strahlen) auf ein Signal, das aus der Richtung θ kommt, wenn die Antenne um einen Winkel φ gedreht wird, wird definiert als der Vektor d(θ, φ) = [d1(θ, φ) d2(θ, φ) ... dN(θ, φ)]T. (Gleichung 1)wobei d_n(θ, φ) die Antwort des n-ten Kanals auf das Signal ist, das aus der Richtung θ eintrifft, wenn die Antenne um einen Winkel φ gedreht wird. Diese komplexe Antwort ist nicht das Datum, das von den ADCs 28A–28C empfangen wird, sondern kann analytisch bestimmt werden oder durch Sensorkalibrierung, beispielsweise in einem reflexionsfreien Raum. Der adaptive Gewichtungsvektor w (der durch jedes adaptive Antennengruppenverfahren bestimmt werden kann) wird geschrieben als w = [w1 w2 ... wn]T. (Gleichung 2)
• Die adaptiven Gewichte werden bestimmt und für eine gewisse Zeitdauer in einem blockadaptiven Lösungsansatz konstant gehalten. Die Abhängigkeit von der Zeit ist nicht explizit gezeigt, um die Notation zu vereinfachen.
• Die Phasenstabilisierungsforderung bzw. -beschränkung gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung erfordert die Bildung eines neuen zeitvariierenden Gewichts, w_new(θ, φ), wobei φ der Drehwinkel der Antenne ist, der direkt mit der Zeit korrespondiert, so dass wnew(θ, φ)Hd(θ, φ) = K (Gleichung 3)wenn das Ziel in Richtung θ ist, die Antenne um φ gedreht wird, und K eine beliebige komplexe konstante Antwort ist. Der Wert von K wird von dem System-Designer basierend auf dem Dynamikbereich des Systems ausgewählt, und kann typischerweise auf 1 gesetzt werden. Dies kann durch Wahl eines anfänglichen adaptiven w implementiert werden und durch einfaches identisches Einstellen der Amplitude und der Phase jedes Elements von w, wenn sich die Antenne dreht.
• Es gibt zumindest zwei Haupttechniken, durch die die Phaseneinstellung jedes Elements von w implementiert werden kann, wenn sich die Antenne dreht. Die am einfachsten darstellbare umfasst einfach das Ersetzen von w durch das zeitvariierende w_new(θ, φ). Diese Technik ist in dem schematischen Blockdiagramm von 2 gezeigt, das ein stabilisiertes adaptives Antennengruppensystem 50 darstellt. Das System umfasst eine Vielzahl von Kanälen 52A, 52B ... 52N. Jeder Kanal umfasst ein Antennenelement (54A, 54B ... 54N), einen Empfänger (56A, 56B ... 56N), Analog/Digital-Wandler (ADC) (58A, 58B ... 58N), die Eingangskanalsignale x₁, x₂ ... x_N erzeugen, und einen Gewichte-Multiplizierer (60A, 60B ... 60N). Die gewichteten Eingangskanalsignale werden vom Summierer 62 summiert, um das Gruppenantennensignal bei 64 zu erzeugen. Ein Gewichte-Rechner 66 spricht auf die Eingangskanalsignale a₁, a₂ ... a_N an und berechnet adaptiv die Gewichte w_new1(θ , φ), w_new2(θ, φ) ... – w_newN(θ, φ), die auf die jeweiligen Kanäle angewendet werden. In diesem Fall ist das stabilisierte Gewicht gegeben durch

  

  wobei "*" das Komplexkonjugierte eines Skalars darstellt (d.h., falls x = a+jb, x* = a–jb), ^H die komplexkonjugierte Transponierte eines Vektors darstellt. Gleichung 4 zeigt, wie die Gewichte durch die Antennenbewegung beeinflusst werden. Speziell erzeugt das innere Produkt von w und d reziprok einen Wert, dessen Amplitude und Phase sich mit der Antennendrehung ändern, da sich der Antwortvektor d ändert. Deshalb ändern sich die Amplitude und Phase der w_new Koeffizienten, wenn sich die Antenne dreht.
• Obgleich das Ziel dieser Erfindung in der Stabilisierung der Phase besteht, wird es im Allgemeinen notwendig sein, sowohl die Amplitude als auch die Phase des Gewichts-Vektors einzustellen.
• Da die Ausführungsform von 2 die Phasenstabilisierung durch wirksames Multiplizieren jedes Elements des Gewichtungsvektors mit einem einzelnen Term erreicht, und das Strahlformen eine lineare Operation ist, kann die Anzahl der Operationen reduziert werden, indem die Berechnung nach der Strahlformung ausgeführt wird. Diese zweite Technik ist in dem vereinfachten schematischen Blockdiagramm von 3 dargestellt, die eine weitere Ausführungsform eines stabilisierten adaptiven Anten nengruppensystems 80 zeigt. Das System umfasst eine Vielzahl von Kanälen 82A, 83B ... 82N. Jeder Kanal umfasst ein Antennenelement (84A, 84B ... 84N), einen Empfänger (86A, 86B ... 86N), Analog/Digital-Wandler (ADC) (88A, 88B ... 88N), die die digitalisierten Eingangskanalsignale a₁, a₂ ... a_N erzeugen, und einen Gewichte-Multiplizierer (90A, 90B ... 90N). Die gewichteten Eingangskanalsignale werden am Summierer 92 summiert. Ein Gewichte-Rechner 94 spricht auf die Signale a₁, a₂, ... a_N an und berechnet adaptiv die Gewichte w₁, w₂ ... w_N, die auf die jeweiligen Kanäle angewendet werden. Bei dieser Ausführungsform sind diese Gewichte wie für die nicht-stabilisierte Antennengruppe von 1 berechnet.
• Der Ausgang des Summierers 92 wird seinerseits am Multiplizierer 96 mit dem Verstärkungskorrekturterm g(θ, φ) multipliziert, der von der Phasenstabilisierungsschaltung 98 geliefert wird, um das stabilisierte Antennengruppenausgangssignal bei 100 zu erzeugen.
• In dem in 3 gezeigten Fall ist der Verstärkungskorrekturterm wie zuvor gegeben durch
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• Die vorliegende Erfindung kann in jedem System eingesetzt werden, das eine adaptive Antennengruppe auf einer sich drehenden Plattform verwendet, oder allgemeiner mit Bezug auf Systeme, bei denen sich die Antennengruppe bezüglich eines Ziels bewegt. Die Erfindung kann für jede Antennengruppe verwendet werden, die sich körperlich relativ zu einem Ziel bewegt, bei spielsweise für eine Antennengruppe, die sich um irgendeinen Wert dreht, oder für eine Antennengruppe auf einer Plattform, die manövriert wird. Diese Erfindung ist sowohl für mechanisch abtastende als auch elektronisch abtastende Antennengruppen nützlich. Beide Abtasttechniken eines Strahls sind für einen Durchschnittsfachmann gut bekannt. 4 zeigt in verallgemeinerter Form ein Blockdiagramm eines solchen Systems 100. Dieses Sensorsystem umfasst eine rotierende oder sich bewegende Antennengruppe 102, ein Empfängersystem 104 zum Verarbeiten mehrerer Kanäle von der Antennengruppe, eine ADC-Funktion 106 zum Umwandeln der analogen Signale von dem Empfängersystem in digitale Form, einen phasenstabilisierten Strahl 108, der phasenstabilisierte Gewichte verwendet, wie zuvor beschrieben und unter Berücksichtigung der Ausführungsformen von 2 oder 3, und einen Systemprozessor zum Verarbeiten der resultierenden Signale. Das Signal umfasst eine Steuerungsfunktion 112, die verwendet werden kann, um den gewünschten Antwortvektor d(θ, φ) (Gleichung 1) zu liefern und die Verarbeitungsfunktionen zu steuern.
• Die Erfindung kann auch bei manövrierenden luftgestützten adaptiven Antennengruppen angewendet werden, falls das Manöver für den Signalprozessor bekannt ist, der typischerweise alle Verarbeitungsaufgaben nach der ADC-Funktion ausführt. Ein adaptives luftgestütztes Radarsystem wird nicht gut arbeiten, wenn das Flugzeug manövriert. Insbesondere sind Kampfflugzeuge hohen Beschleunigungspegeln ausgesetzt. Falls das Manöver für den Signalprozessor bekannt ist, beispielsweise falls er Daten von dem Flugzeugnavigationssystem empfängt, kann dann die angepasste Antennengruppenantwort konstant gehalten werden, indem diese Erfindung verwendet wird. Ein solches luftgestütztes Antennen gruppensystem 150 ist in 5 gezeigt. Das System umfasst die Antennenelemente 152A, 152B ... 152N, eine Bank von Empfängern 154A, 154B ... 154N und entsprechende ADCs 156A, 156B ... 156N. Die digitalisierten Ausgangssignale werden von dem phasenstabilisierten Strahlformer 162 verarbeitet, der von dem Flugzeugträgheitsnavigationssystem (INS) 170 Manöverinformationen empfängt. Die Manöverinformation wird verwendet, um die geeigneten phasenstabilisierten Gewichte zu bestimmen, die von dem Strahlformer angewendet werden sollen, der ein Ausgangssignal 162 erzeugt, das phasenstabilisiert ist, um die Flugzeugmanöver zu kompensieren.
• Es versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen rein erläuternd für die möglichen spezifischen Ausführungsformen zu verstehen sind, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Andere Anordnungen sind entsprechend diesen Prinzipien für einen Durchschnittsfachmann leicht ersichtlich, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.

Claims (4)

1. Phasenstabilisierte adaptive Antennengruppe (50; 80) mit: einer Drehantennenanordnung (54A–54N; 84A–84N); einer Vielzahl von Signalkanälen (52A–52N; 82A–82N), die mit der Antennenanordnung verbunden sind, wobei jeder ein Kanalsignal erzeugt, wobei jeder Kanal eine adaptive Signalgewichtungsvorrichtung (60A–60N, 66; 90A–90N, 94) zum Gewichten des Kanalsignals mit einem Kanalgewicht aufweist; einer Kombiniervorrichtung (62; 92) zum Kombinieren der gewichteten Kanalsignale, um ein Strahlsignal zu bilden; und einer Phasenkompensationsvorrichtung (66, 60A–60N; 96, 98) zum Anwenden von Phasenkompensationsgewichten auf die Antennengruppensignale oder das Strahlsignal, die abhängig von der Antennenanordnungsposition variieren, derart, dass die Antwort auf ein Signal aus einer bekannten Richtung konstant gehalten wird, während die Antennenanordnung bewegt wird, oder wenn die Gewichte aktualisiert werden, und um einen Satz von Kanalgewichten bereitzustellen, die als Vektor definiert sind

   

   auf ein Signal, das aus einer Richtung θ eintritt, wenn die Antenne um den Winkel φ gedreht wird, und wobei d_n(θ, φ) die Antwort des n-ten Kanals auf das Signal ist, das aus der Richtung θ eintrifft, wenn die Antenne um einen Winkel φ gedreht wird, K* die Komplexkonjugierte einer beliebigen komplexen konstanten Antwort ist, die von dem Systementwerfer gewählt wird, w ein anfängliches adaptives Gewicht ist und H die Komplexkonjugierte Transponierte eines Vektors ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkompensationsvorrichtung einen Multiplizierer zum Multiplizieren des Strahlsignals mit einem Verstärkungskorrekturterm aufweist, und eine Vorrichtung (98) zum Liefern des Verstärkungskorrekturterms g(θ, φ), derart, dass

   

   wobei das Zielsignal in einem Winkel θ ist und der Strahl in einem Winkel φ.
3. Verfahren zum Betreiben einer adaptiven Antennengruppe mit den Schritten: Drehen der Antennenanordnung relativ zu einem Ziel, Bereitstellen einer Vielzahl von Signalkanälen, die mit der Antennenanordnung verbunden sind, wobei jeder ein Kanalsignal erzeugt, adaptives Gewichten jedes Kanalsignals mit einem Kanalgewicht, Kombinieren der gewichteten Kanalsignale, um ein Strahlsignal zu bilden, und Phasenstabilisieren der Antwort auf ein Ziel in einer gegebenen Winkelposition, wobei der Phasenstabilisierungsschritt ferner die Schritte aufweist: Anwenden von Phasenkompensationsgewichten auf die Antennengruppensignale oder das Strahlsignal, die abhängig von der Strahlabtastposition variieren, so dass die Antwort auf ein Signal aus einer bekannten Richtung konstant gehalten wird, während die Antennenanordnung gedreht wird, oder wenn die Gewichte aktualisiert werden, und Anwenden eines Satzes von Kanalgewichten, die als Vektor

   

   definiert sind, auf ein Signal, das aus der Richtung θ eintrifft, wenn die Antenne in einem Winkel φ gedreht wird, und wobei d_n(θ, φ) die Antwort des n-ten Kanals auf das aus der Richtung θ eintreffende Signal ist, wenn die Antenne gedreht wird in einem Winkel von φ, K* die Komplexkonjugierte einer beliebigen komplexen konstanten Antwort ist, die von dem Systementwerfer gewählt wird, w ein anfängliches adaptives Gewicht ist und H die komplexkonjugierte Transponierte eines Vektors ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anwendens der Phasenkompensationsgewichte aufweist: Liefern eines Satzes von Verstärkungskompensationsgewichten g(θ, φ), so dass

   

   wobei das Zielsignal in einem Winkel θ ist und der Strahl in einem Winkel φ; und Multiplizieren des Strahlsignals mit dem Verstärkungskorrekturterm.