RU2777692C1 - Method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference - Google Patents

Method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference Download PDF

Info

Publication number
RU2777692C1
RU2777692C1 RU2021118724A RU2021118724A RU2777692C1 RU 2777692 C1 RU2777692 C1 RU 2777692C1 RU 2021118724 A RU2021118724 A RU 2021118724A RU 2021118724 A RU2021118724 A RU 2021118724A RU 2777692 C1 RU2777692 C1 RU 2777692C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
interference
antenna array
power
adaptive antenna
Prior art date
Application number
RU2021118724A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Николаевич Новиков
Original Assignee
Артем Николаевич Новиков
Filing date
Publication date
Application filed by Артем Николаевич Новиков filed Critical Артем Николаевич Новиков
Application granted granted Critical
Publication of RU2777692C1 publication Critical patent/RU2777692C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering and communications, and can be used in radio location, radio navigation, and radio communication systems operating in a complex interference environment. In the implementation of the proposed method for processing signals in an adaptive antenna array, when correlated signals and interference are being received, the following sequence of operations is performed: the signals received by each Nth channel of the adaptive antenna array for the set position of maximum of the antenna pattern, wherein said signals constitute a combination of a useful signal, interference, and noise, are divided by power into the passed and branched parts - 1; the signals corresponding to the passed part of power are summed in N complex signal weighting blocks with the obtained complex weighting coefficients in channels of the antenna elements - 2; based on the signals corresponding to the branched part of power, a covariance matrix is formed, reversed, and a direction-finding characteristic is formed based on super-resolution methods, such as the Capon method or the "heat noise" method - 3; based on the direction-finding characteristic, a weighting coefficient vector corresponding to the useful signal is formed and subtracted from the signals corresponding to the branched part of power by the corresponding channels - 4; a covariance interference matrix is formed from the signals wherefrom the useful signal component is excluded, said matrix is reversed, and the complex weighting coefficient vector optimal for the adaptive antenna array by the criterion of the maximum of the signal/(interference+noise) ratio is found - 5; signals from N complex signal weighting blocks are summed, forming the output signal of the adaptive antenna array - 6.
EFFECT: increase in the effectiveness of suppressing the interference correlated with a useful signal, the direction of arrival whereof is exactly unknown apriori, in an adaptive antenna array.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке.The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in radar, radio navigation and radio communication systems operating in a difficult interference environment.

Известны схемы адаптивных антенных решеток, реализующих алгоритм максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума [1]. Для работы адаптивной антенной решетки такого типа используется априорная информация о направлении прихода полезного сигнала. Поэтому адаптивные антенные решетки такой конструкции неприменимы в радиотехнических системах, где подобная информация отсутствует.Schemes of adaptive antenna arrays are known that implement the algorithm for maximizing the output ratio of the useful signal power to the sum of the interference and noise powers [1]. To operate an adaptive antenna array of this type, a priori information about the direction of arrival of the useful signal is used. Therefore, adaptive antenna arrays of this design are not applicable in radio engineering systems where such information is not available.

В [2] приводится схема адаптивной антенной решетки, реализующей алгоритм минимизации среднеквадратического отклонения принимаемого сигнала от эталонного. Для работы алгоритма в устройстве необходимо формировать эталонный сигнал. Это возможно при наличии априорной информации о полезном сигнале. А поскольку такая информация никогда не является полной, то эталонный сигнал может значительно отличаться от полезного, что вызывает существенное снижение помехоустойчивости адаптивной антенной решетки.In [2], a diagram of an adaptive antenna array is presented that implements an algorithm for minimizing the standard deviation of the received signal from the reference one. For the algorithm to work in the device, it is necessary to generate a reference signal. This is possible if there is a priori information about the useful signal. And since such information is never complete, the reference signal can differ significantly from the useful one, which causes a significant decrease in the noise immunity of the adaptive antenna array.

Адаптивная антенная решетка, конструкция которой описана в [3], реализует алгоритм минимизации выходной мощности и обладает сравнительно хорошими характеристиками по помехоустойчивости. Однако в том случае, когда помеха отсутствует или ее мощность меньше мощности полезного сигнала, то вследствие минимизации полной выходной мощности может произойти и подавление полезного сигнала.An adaptive antenna array, the design of which is described in [3], implements an output power minimization algorithm and has relatively good noise immunity characteristics. However, in the case when there is no interference or its power is less than the power of the useful signal, then due to the minimization of the total output power, the useful signal may also be suppressed.

Общим недостатком рассмотренных способов обработки сигналов в адаптивных антенных решетках является неспособность системы выделить помеху, которая сильно коррелирует с сигналом.A common disadvantage of the considered signal processing methods in adaptive antenna arrays is the inability of the system to isolate interference that strongly correlates with the signal.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех является способ обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех, описанный в [4], взятый за прототип. Способ состоит в том, что для каждого положения максимума диаграммы направленности принимаемые каждым N-м каналом сигналы разделяют по мощности на прошедшую и ответвленную части, сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в Ма модулях, формируют ковариационную матрицу помех, определяют по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор комплексных весовых коэффициентов, с которым суммируют выходные сигналы модулей, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки. В соответствии с изобретением сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в N сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала, выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение N преобразованных сигналов в Ма помеховых сигналов, чтобы комплексные амплитуды составляющих помех в них приближались к комплексным амплитудам помех в выходных сигналах соответствующих модулей, а с помощью полученных Ма помеховых сигналов формируют ковариационную матрицу помех размером Ма×Ма и находят оптимальный для модульной адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор комплексных весовых коэффициентов, сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в Ма модулях с заданными комплексными весовыми коэффициентами.The closest in technical essence to the claimed method of processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference is a method of processing signals in a modular adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference, described in [4], taken as a prototype. The method consists in the fact that for each position of the maximum of the radiation pattern, the signals received by each N-th channel are divided by power into the transmitted and branched parts, the signals corresponding to the transmitted part of the power are summed in Ma modules, a covariance matrix of interference is formed, and determined by the criterion of the maximum ratio signal/(interference + noise) vector of complex weight coefficients, with which the output signals of the modules are summed, forming the output signal of the adaptive antenna array. In accordance with the invention, the signals corresponding to the branched part of the power are converted into N signals in which the useful signal component is excluded, taking into account information about the radiation patterns of the modules, such a change in the N converted signals into Ma interference signals is performed so that the complex amplitudes of the interference components in them approach complex noise amplitudes in the output signals of the corresponding modules, and with the help of the received Ma interference signals, a covariance matrix of interference with the size Ma × Ma is formed and the optimal for the modular adaptive antenna array is found according to the criterion of the maximum signal / (interference + noise) vector of complex weight coefficients, signals, corresponding to the transmitted part of the power, sum in Ma units with given complex weighting coefficients.

Данный способ-прототип позволяет исключить из ковариационной матрицы составляющую сигнала и осуществить подавление помех, подобных по спектру сигналу. Однако для его реализации и решения задачи синтеза «нуля» диаграммы направленности необходимо априорно знать точное направление прихода полезного сигнала, что на практике реализовать затруднительно.This prototype method allows you to exclude the signal component from the covariance matrix and to suppress noise similar in spectrum to the signal. However, to implement it and solve the problem of synthesizing the "zero" of the radiation pattern, it is necessary to know a priori the exact direction of arrival of the useful signal, which is difficult to implement in practice.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности подавления помех, коррелированных с полезным сигналом, направление прихода которого точно априорно не известно, в адаптивной антенной решетке.The technical result of the invention is to increase the efficiency of interference suppression correlated with a useful signal, the direction of arrival of which is not exactly known a priori, in an adaptive antenna array.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех, включающем прием для каждого положения максимума диаграммы направленности каждым N-м каналом сигналов, которые разделяют по мощности на прошедшую и ответвленную части. Сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в N сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала на основе информации о пеленгационных характеристиках, таких как мощность и направление прихода, полученных на основе методов сверхразрешения. Формируют на основе этой информации вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу, и вычитают сформированный вектор весовых коэффициентов из сигналов, соответствующих ответвленной части мощности. С помощью полученных сигналов формируют ковариационную матрицу помех размером N×N. Находят оптимальный для адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха+шум) вектор комплексных весовых коэффициентов. Сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют с полученными комплексными весовыми коэффициентами, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference, including the reception for each position of the maximum of the radiation pattern by each N-th channel of signals, which are divided by power into the transmitted and branched parts. The signals corresponding to the power tap part are converted into N signals in which the wanted signal component is eliminated based on direction-finding characteristics information such as power and direction of arrival derived from super-resolution techniques. Based on this information, a vector of weight coefficients is formed corresponding to the useful signal, and the generated vector of weight coefficients is subtracted from the signals corresponding to the branched part of the power. With the help of the received signals, an N×N noise covariance matrix is formed. The optimal for the adaptive antenna array is found according to the criterion of maximum signal/(interference+noise) vector of complex weight coefficients. The signals corresponding to the transmitted part of the power are summed with the obtained complex weight coefficients, forming the output signal of the adaptive antenna array.

При реализации предлагаемого способа обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех выполняется следующая последовательность операций:When implementing the proposed signal processing method in an adaptive antenna array, when receiving correlated signals and interference, the following sequence of operations is performed:

- принимаемые каждым N-ым каналом адаптивной антенной решетки сигналы для заданного положения максимума диаграммы направленности, представляющие собой смесь полезного сигнала, помех и шума, разделяют по мощности на прошедшую и ответвленную части - 1;- the signals received by each N-th channel of the adaptive antenna array for a given position of the maximum of the radiation pattern, which are a mixture of the useful signal, interference and noise, are divided by power into the transmitted and branched parts - 1;

- на основе сигналов, соответствующих ответвленной части мощности, формируют ковариационную матрицу, обращают ее и формируют пеленгационную характеристику на основе методов сверхразрешения, таких как метод Кейпона или «теплового шума» - 2;- on the basis of the signals corresponding to the branched part of the power, a covariance matrix is formed, inverted and a direction-finding characteristic is formed based on super-resolution methods, such as the Capon method or "thermal noise" - 2;

- на основе пеленгационной характеристики формируют вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу, и вычитают его из сигналов, соответствующих ответвленной части мощности по соответствующим каналам - 3;- on the basis of the direction-finding characteristic, a vector of weight coefficients is formed corresponding to the useful signal, and it is subtracted from the signals corresponding to the branched part of the power on the corresponding channels - 3;

- из сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала формируют ковариационную матрицу помех, обращают ее и находят оптимальный для адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха+шум) вектор комплексных весовых коэффициентов - 4;- from the signals in which the useful signal component is excluded, a covariance matrix of interference is formed, it is inverted and the optimal for the adaptive antenna array is found according to the criterion of the maximum signal/(interference+noise) ratio vector of complex weight coefficients - 4;

- суммируют сигналы с N блоков комплексного взвешивания сигналов, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки - 5;- summarize the signals from N blocks of complex signal weighting, forming the output signal of the adaptive antenna array - 5;

- сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в N блоках комплексного взвешивания сигналов с полученными комплексными весовыми коэффициентами в каналах антенных элементов - 6.- the signals corresponding to the transmitted part of the power are summed in N blocks of complex signal weighting with the obtained complex weight coefficients in the channels of the antenna elements - 6.

На фиг. 1 приведена структурная схема адаптивной антенной решетки, реализующей предложенный способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех.In FIG. Figure 1 shows a block diagram of an adaptive antenna array that implements the proposed signal processing method in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference.

На фиг. 2 представлена диаграмма направленности адаптивной антенной решетки при мощности помехи на 20 дБ больше мощности полезного сигнала.In FIG. Figure 2 shows the radiation pattern of an adaptive antenna array with an interference power 20 dB higher than the useful signal power.

На фиг. 3 представлена диаграмма направленности адаптивной антенной решетки при равных мощностях помехи и полезного сигнала.In FIG. 3 shows the directivity diagram of an adaptive antenna array with equal powers of the interference and the useful signal.

На фиг. 4 представлена пеленгационная характеристика адаптивной антенной решетки.In FIG. 4 shows the direction finding characteristic of the adaptive antenna array.

В состав адаптивной антенной решетки (фиг. 1) входят антенные элементы 1, первый блок формирования вектора весовых коэффициентов 2, блок формирования управляющего вектора 3, блок формирования пеленгационного рельефа 4, второй блок формирования вектора весовых коэффициентов 5, блок обращения ковариационной матрицы 6, блок формирования ковариационной матрицы помех 7, блок комплексного суммирования сигналов 8, блок формирования ковариационной матрицы 9, блоки комплексного взвешивания сигналов 10, общий сумматор 11.The composition of the adaptive antenna array (Fig. 1) includes antenna elements 1, the first block for generating the weight vector 2, the block for generating the control vector 3, the block for generating the direction finding relief 4, the second block for generating the weight vector 5, the block for inverting the covariance matrix 6, the block formation of the covariance matrix of interference 7, block of complex summation of signals 8, block of formation of the covariance matrix 9, blocks of complex weighting of signals 10, common adder 11.

N антенных элементов 1 соединены с первыми входами блока комплексного суммирования сигналов 8, с входами блока формирования ковариационной матрицы 9 и первыми входами блоков комплексного взвешивания сигналов 10, выходы которых соединены со входами общего сумматора 11, выход которого является выходом адаптивной антенной решетки. Выход блока комплексного суммирования сигналов 8 соединен со входом блока формирования ковариационной матрицы помех 7, выход которого соединен с первым входом блока обращения ковариационной матрицы 6. Второй вход блока обращения ковариационной матрицы 6 соединен с выходом блока формирования ковариационной матрицы 9. Первый выход блока обращения ковариационной матрицы 6 соединен со входом блока формирования пеленгационного рельефа 4, первый выход которого соединен со входом первого блока формирования вектора весовых коэффициентов 2, выход которого соединен со вторым входом блока комплексного суммирования сигналов 8. Второй выход блока формирования пеленгационного рельефа 4 соединен со входом блока формирования управляющего вектора 3, выход которого соединен со вторым входом второго блока формирования вектора весовых коэффициентов 5, выход которого соединен со вторыми входами блоков комплексного взвешивания сигналов 10. Первым входом второго блока формирования вектора весовых коэффициентов 5 является второй выход блока обращения ковариационной матрицы 6.N antenna elements 1 are connected to the first inputs of the complex signal summing block 8, to the inputs of the covariance matrix formation block 9 and the first inputs of the complex signal weighting blocks 10, the outputs of which are connected to the inputs of the common adder 11, the output of which is the output of the adaptive antenna array. The output of the complex signal summation block 8 is connected to the input of the noise covariance matrix formation block 7, the output of which is connected to the first input of the covariance matrix inversion block 6. The second input of the covariance matrix inversion block 6 is connected to the output of the covariance matrix formation block 9. The first output of the covariance matrix inversion block 6 is connected to the input of the direction finding relief formation block 4, the first output of which is connected to the input of the first block for the formation of the weight vector 2, the output of which is connected to the second input of the complex signal summation block 8. The second output of the direction finding relief formation block 4 is connected to the input of the control vector formation block 3, the output of which is connected to the second input of the second block for generating the vector of weight coefficients 5, the output of which is connected to the second inputs of the blocks for complex signal weighing 10. The first input of the second block for forming the vector of weight coefficients ov 5 is the second output of the covariance matrix inversion block 6.

Прежде чем рассмотреть функционирование адаптивной антенной решетки, реализующей предложенный способ обработки сигналов, для его обоснования необходимо изложить следующее.Before considering the functioning of an adaptive antenna array that implements the proposed signal processing method, it is necessary to state the following to justify it.

Пусть имеется N - элементная адаптивная антенная решетка, на вход которой поступает один полезный сигнал с направления θо, ϕ0 и помеховые сигналы с направлений

Figure 00000001
Let there be an N - element adaptive antenna array, the input of which receives one useful signal from the direction θ o , ϕ 0 and interference signals from the directions
Figure 00000001

В качестве критерия адаптации выбран критерий максимума отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ)The criterion of maximum signal/(interference+noise) ratio (SINR) was chosen as the adaptation criterion

Figure 00000002
Figure 00000002

где Rss - ковариационная матрица полезного сигнала;where R ss - covariance matrix of the useful signal;

Rnn - ковариационная матрица сигналов помех;R nn - covariance matrix of interference signals;

Н - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения.H - symbols of operations of transposition and complex conjugation.

Как известно, оптимальный вектор весовых коэффициентов для данного критерия имеет видAs is known, the optimal vector of weight coefficients for a given criterion has the form

Figure 00000003
Figure 00000003

где S0 - вектор, элементами которого являются комплексные амплитуды токов в излучателях, обеспечивающие формирование главного максимума ДН в направлении полезного сигнала.where S 0 is a vector, the elements of which are the complex amplitudes of the currents in the emitters, which ensure the formation of the main maximum of the RP in the direction of the useful signal.

Так как в теории антенной техники считается, что помеховые сигналы статистически независимы и полезный сигнал априорно известен, то ковариационная матрица помеховых сигналов может быть представлена следующим образомSince in the theory of antenna technology it is considered that interference signals are statistically independent and the useful signal is known a priori, the covariance matrix of interference signals can be represented as follows

Figure 00000004
Figure 00000004

где σ2 - мощность тепловых шумов в каналах антенной решетки;where σ 2 is the power of thermal noise in the channels of the antenna array;

Figure 00000005
- мощность
Figure 00000006
-го помехового сигнала;
Figure 00000005
- power
Figure 00000006
-th interference signal;

Figure 00000007
- вектор-столбец, элементами которого являются комплексные величины, учитывающие фазовые задержки при распространении плоской волны, приходящей с направления
Figure 00000008
в излучателях антенны;
Figure 00000007
- a column vector whose elements are complex quantities that take into account phase delays in the propagation of a plane wave coming from the direction
Figure 00000008
in antenna emitters;

Е - единичная матрица размерности N×N.E - identity matrix of dimension N×N.

Однако если рассмотреть простейший случай прихода полезного сигнала, который заранее неизвестен, и одной помехи в видеHowever, if we consider the simplest case of the arrival of a useful signal, which is unknown in advance, and one interference in the form

Figure 00000009
Figure 00000009

где Ps, P1 - значение амплитуды полезного и помехового сигнала соответственно, то ковариационная матрица с учетом того, что шумы в каналах антенной решетки являются статистически независимыми между собой и с приходящими сигналами, будет иметь видwhere P s , P 1 - the value of the amplitude of the useful and interfering signal, respectively, then the covariance matrix, taking into account the fact that the noise in the channels of the antenna array are statistically independent of each other and with incoming signals, will have the form

Figure 00000010
Figure 00000010

где γ - коэффициент корреляции.where γ is the correlation coefficient.

В этом случае вектор весовых коэффициентов (2) не будет оптимальным, а адаптивная антенная решетка не сможет адаптироваться. Для подтверждения данного утверждения проведено моделирование рассматриваемого случая. Рассмотрена линейная антенная решетка, состоящей из 25 излучателей. Направление прихода полезного сигнала θ0=0°, направление прихода помехового сигнала θ1=-31°. Мощность помехи на 20 дБ больше мощности полезного сигнала, коэффициент корреляции γ=0,5. На фигуре 2 представлены две диаграммы направленности, одна из который с «нулем» в направлении помехи для случая, когда полезный сигнал исключен из ковариационной матрицы (пунктирная кривая), другая (сплошная кривая) - без подавления помехи, для случая, когда ковариационная матрица представлена выражением (5). На фигуре 3 также представлены две диаграммы направленности при тех же исходных данных, но мощность полезного сигнала равна мощности помехи. Как видно из представленных диаграмм с ростом мощности полезного сигнала адаптивная антенная решетка усиливает помеху даже при незначительной корреляции.In this case, the weight vector (2) will not be optimal, and the adaptive antenna array will not be able to adapt. To confirm this statement, modeling of the case under consideration was carried out. A linear antenna array consisting of 25 emitters is considered. The direction of arrival of the useful signal θ 0 =0°, the direction of arrival of the interfering signal θ 1 =-31°. The interference power is 20 dB more than the useful signal power, the correlation coefficient γ=0.5. Figure 2 shows two radiation patterns, one of which is with "zero" in the direction of the interference for the case when the useful signal is excluded from the covariance matrix (dashed curve), the other (solid curve) - without interference suppression, for the case when the covariance matrix is represented expression (5). Figure 3 also shows two radiation patterns with the same initial data, but the power of the useful signal is equal to the power of the interference. As can be seen from the presented diagrams, with an increase in the power of the useful signal, the adaptive antenna array amplifies the interference even with a slight correlation.

В связи с этим для решения сформулированной задачи о подавлении адаптивной антенной решеткой помех, коррелированных с полезным сигналом, рассмотрим следующий подход.In this regard, to solve the formulated problem of suppressing interference correlated with a useful signal by an adaptive antenna array, we consider the following approach.

После формирования ковариационной матрицы на основе выражения (5) для каждого направления и ее обращения необходимо сформировать пеленгационную характеристику на основе методов сверхразрешения, таких как метод Кейпона или метод «теплового шума». Данные методы в меньшей степени подвержены влиянию коррелированных между собой сигналов и позволяют точно определять пространственные и мощностные характеристики сигналов. Пеленгационные характеристики строятся на основе следующих соотношенийAfter the formation of the covariance matrix based on expression (5) for each direction and its inversion, it is necessary to form a direction-finding characteristic based on super-resolution methods, such as the Capon method or the “thermal noise” method. These methods are less affected by correlated signals and allow accurate determination of the spatial and power characteristics of the signals. The direction finding characteristics are built on the basis of the following relations

Figure 00000011
Figure 00000011

для метода Кейпона иfor the Capon method and

Figure 00000012
Figure 00000012

для метода «теплового шума»,for the "thermal noise" method,

где S(θ, ϕ) - сканирующий вектор;where S(θ, ϕ) is the scanning vector;

Т,* - обозначения операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.T, * - designations of operations of transposition and complex conjugation, respectively.

Сканирующий вектор может быть представлен следующим образомThe scan vector can be represented as follows

Figure 00000013
Figure 00000013

где ε0, μ0 - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства;where ε 0 , μ 0 - absolute dielectric and magnetic permeability of free space;

ω - циклическая частота пеленгации;ω - cyclic frequency of direction finding;

xn, yn - координаты n-го элемента антенной решетки;x n , y n - coordinates of the n-th element of the antenna array;

θ, ϕ - углы сканирования АР.θ, ϕ - AR scanning angles.

Далее на основе информации о точном направлении прихода полезного сигнала и его мощности формируется вектор весовых коэффициентов, представляющий собой образ полезного сигнала, и вычитается из аддитивной смеси сигналов (5). Если сигналы полностью коррелированы и помеховый сигнал не разрешается с полезным, так как попадает в область главного максимума диаграммы направленности, то формируется такой вектор весовых коэффициентов, который исключает все сигналы, попадающие в область главного максимума диаграммы направленности.Further, based on information about the exact direction of arrival of the useful signal and its power, a vector of weight coefficients is formed, which is the image of the useful signal, and is subtracted from the additive mixture of signals (5). If the signals are fully correlated and the interference signal is not resolved with the useful one, since it falls into the region of the main maximum of the directivity diagram, then such a vector of weight coefficients is formed that excludes all signals falling into the region of the main maximum of the directivity diagram.

На фигуре 4 представлена пеленгационная характеристика для тех же исходных данных, которые были взяты для построения диаграммы направленности, представленной на фигуре 3.The figure 4 shows the direction finding characteristic for the same initial data that were taken to construct the radiation pattern shown in figure 3.

Затем формируется вектор весовых коэффициентов видаThen a vector of weight coefficients of the form

Figure 00000014
Figure 00000014

где θ0, ϕ0 - углы прихода полезного сигнала.where θ 0 , ϕ 0 - angles of arrival of the useful signal.

Вектор весовых коэффициентов

Figure 00000015
вычитается из выражения (5) и полезный сигнал исключается из канала адаптации.Weight vector
Figure 00000015
is subtracted from expression (5) and the useful signal is excluded from the adaptation channel.

Из сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала формируют ковариационную матрицу помех, обращают ее и находят оптимальный для адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха+шум) вектор комплексных весовых коэффициентов (2).From the signals in which the useful signal component is excluded, a covariance matrix of interference is formed, it is inverted, and the optimal for the adaptive antenna array is found according to the criterion of the maximum signal/(interference+noise) ratio vector of complex weight coefficients (2).

Степень коррелированности между собой помеховых сигналов на качество адаптации не влияет.The degree of correlation between interfering signals does not affect the quality of adaptation.

Рассмотрим функционирование адаптивной антенной решетки.Consider the functioning of an adaptive antenna array.

Для каждого положения максимума диаграммы направленности, принимаемые каждым антенным элементом 1 сигналы, представляющие собой смесь полезного сигнала, помеховых сигналов и собственных шумов каналов адаптивной антенной решетки разделяют по мощности на прошедшую и ответвленную части. Сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, поступают на входы вторых блоков комплексного взвешивания сигналов 10. Сигналы, соответствующие ответвленной части мощности поступают первые входы блока комплексного суммирования сигналов 8 и входы блока формирования ковариационной матрицы 9, где производится формирование ковариационной матрицы. Сигналы, соответствующие ковариационной матрице, поступают на второй вход блока обращения ковариационной матрицы 6, где производится обращение ковариационной матрицы. Сигналы с блока обращения ковариационной матрицы 6 поступают на вход блока формирования пеленгационного рельефа 4, в котором формируется пеленгационная характеристика. Сигналы, содержащие информацию о направлении прихода полезного сигнала и его мощности, с блока формирования пеленгационного рельефа 4 поступают вход блока формирования управляющего вектора 3, где формируется управляющий вектор, и на вход первого блока формирования вектора весовых коэффициентов 2, в котором формируется вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу. Сигналы с первого блока формирования вектора весовых коэффициентов 2 поступают на второй вход блока комплексного суммирования сигналов 8, где из смеси сигналов производится вычитание полезного сигнала. Сигнал с выхода блока комплексного суммирования сигналов 8, в котором исключена составляющая полезного сигнала, поступает на вход блока формирования ковариационной матрицы помех 7. Сигналы с выхода второго блока формирования ковариационной матрицы помех 7 поступают на первый вход блока обращения ковариационной матрицы 6. Сигналы со второго выхода блока обращения ковариационной матрицы 6 поступают на первый вход второго блока формирования вектора весовых коэффициентов 5. На второй вход второго блока формирования вектора весовых коэффициентов 5 поступают сигналы с выхода блока формирования управляющего вектора 3. Во втором блоке формирования вектора весовых коэффициентов 5 формируется оптимальный для адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха+шум) вектор комплексных весовых коэффициентов. Сигналы с выхода второго блока формирования вектора весовых коэффициентов 5 поступают на вторые входы блоков комплексного взвешивания сигналов 10, где комплексно суммируются с сигналами, соответствующими прошедшей части мощности. Сигналы с выходов блоков комплексного взвешивания сигналов 10 поступают входы общего сумматора 11, выход которого является выходом адаптивной антенной решетки.For each position of the maximum of the radiation pattern, the signals received by each antenna element 1, which are a mixture of the useful signal, interference signals and own noise of the channels of the adaptive antenna array, are divided by power into the transmitted and branched parts. The signals corresponding to the transmitted part of the power are fed to the inputs of the second blocks of complex signal weighting 10. The signals corresponding to the branched part of the power are received by the first inputs of the block of complex summation of signals 8 and the inputs of the block for forming the covariance matrix 9, where the covariance matrix is formed. The signals corresponding to the covariance matrix are fed to the second input of the covariance matrix inversion block 6, where the covariance matrix is inverted. The signals from the covariance matrix inversion block 6 are fed to the input of the direction finding relief formation block 4, in which the direction finding characteristic is formed. Signals containing information about the direction of arrival of the useful signal and its power, from the direction finding relief formation unit 4, enter the input of the control vector formation unit 3, where the control vector is formed, and to the input of the first block for the formation of the weight vector 2, in which the weight vector is formed, corresponding to the desired signal. The signals from the first block for forming the vector of weight coefficients 2 are fed to the second input of the complex summation of signals 8, where the useful signal is subtracted from the mixture of signals. The signal from the output of the block of complex signal summation 8, in which the component of the useful signal is excluded, is fed to the input of the block for generating the noise covariance matrix 7. The signals from the output of the second block for generating the covariance matrix of noise 7 are fed to the first input of the block for inverting the covariance matrix 6. Signals from the second output The covariance matrix inversion block 6 is fed to the first input of the second weight vector generation block 5. The signals from the output of the control vector formation block 3 are received at the second input of the second weight vector generation block 5. In the second weight vector generation block 5, the optimal for the adaptive antenna is formed. gratings according to the criterion of maximum signal/(interference+noise) ratio vector of complex weight coefficients. The signals from the output of the second block for the formation of the vector of weight coefficients 5 are fed to the second inputs of the blocks of complex weighting of signals 10, where they are complexly summed with the signals corresponding to the transmitted part of the power. The signals from the outputs of the blocks of complex weighing of signals 10 enter the inputs of the total adder 11, the output of which is the output of the adaptive antenna array.

Адаптивная антенная решетка, реализующая патентуемый способ, может быть построена на основе широко используемых в разработках и хорошо освоенных в производстве СВЧ приборов: антенных элементов, управляемых аналоговых или цифровых фазовращателей, блоков комплексного взвешивания сигналов и сумматоров сигналов. Для создания электронных блоков вычислений и управления существует развитая элементная база, в частности программируемые логические интегральные схемы и цифровые сигнальные процессоры, обеспечивающие реализацию функций управления и обработки данных.An adaptive antenna array that implements the patented method can be built on the basis of microwave devices widely used in development and well mastered in production: antenna elements, controlled analog or digital phase shifters, complex signal weighting units and signal adders. To create electronic computing and control units, there is a developed element base, in particular, programmable logic integrated circuits and digital signal processors that provide the implementation of control and data processing functions.

Таким образом, патентуемый способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех практически реализуем и обеспечивает объявленный технический результат, заключающийся в повышении эффективности подавления помех, коррелированных с полезным сигналом, направление прихода которого точно априорно не известно, в адаптивной антенной решетке.Thus, the patent-pending method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference is practically feasible and provides the declared technical result, which consists in increasing the efficiency of suppressing interference correlated with a useful signal, the direction of arrival of which is not exactly known a priori, in an adaptive antenna array.

ЛитератураLiterature

1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986, с. 80-86, 179-240.1. Monzingo R.A., Miller T.W. Adaptive antenna arrays. Introduction to theory. M.: Radio and communication, 1986, p. 80-86, 179-240.

2. ТИИЭР, 1967, т. 55, №12, с. 78-95.2. TIIER, 1967, v. 55, No. 12, p. 78-95.

3. IEEE Trans Antennas and Propag., vol. AP-26, 1978, №2, p. 228-235.3. IEEE Trans Antennas and Propag., vol. AP-26, 1978, No. 2, p. 228-235.

4. Патент RU 2609792 от 03.02.2017 г.4. Patent RU 2609792 dated February 3, 2017

Claims (1)

Способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех, состоящий в том, что для каждого положения максимума диаграммы направленности принимаемые каждым N-м каналом сигналы разделяют по мощности на прошедшую и ответвленную части, сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в N сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала, с помощью полученных N сигналов формируют ковариационную матрицу помех размером N×N, находят оптимальный для адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха+шум) вектор комплексных весовых коэффициентов, сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют с полученными комплексными весовыми коэффициентами, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки, отличающийся тем, что преобразование сигналов, соответствующих ответвленной части мощности, в N сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала выполняют с учетом информации о пеленгационных характеристиках, таких как мощность и направление прихода, полученных на основе методов сверхразрешения, формируют на основе этой информации вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу, и вычитают сформированный вектор весовых коэффициентов из сигналов, соответствующих ответвленной части мощности.A method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference, consisting in the fact that for each position of the maximum of the radiation pattern, the signals received by each N-th channel are divided by power into the transmitted and branched parts, the signals corresponding to the branched part of the power are converted into N signals, in which the component of the useful signal is excluded, using the received N signals, a covariance matrix of interference with a size of N × N is formed, the optimal for the adaptive antenna array is found according to the criterion of the maximum signal / (interference + noise) vector of complex weight coefficients, signals corresponding to the transmitted parts of the power are summed with the obtained complex weight coefficients, forming the output signal of the adaptive antenna array, characterized in that the conversion of signals corresponding to the branched part of the power into N signals in which the useful signal component is excluded is performed taking into account information about the bearing characteristics, such as power and direction of arrival, obtained on the basis of super-resolution methods, based on this information, a vector of weight coefficients corresponding to the useful signal is formed, and the generated vector of weight coefficients is subtracted from the signals corresponding to the branched part of the power.
RU2021118724A 2021-06-28 Method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference RU2777692C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777692C1 true RU2777692C1 (en) 2022-08-08

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803416C1 (en) * 2023-02-22 2023-09-12 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for forming weight coefficients in the processing channels of a broadband adaptive antenna array

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024192A1 (en) * 1996-11-26 1998-06-04 Trw Inc. Cochannel signal processing system
US6665545B1 (en) * 1995-02-22 2003-12-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University Method and apparatus for adaptive transmission beam forming in a wireless communication system
RU2579996C2 (en) * 2014-01-16 2016-04-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Multifunctional adaptive antenna array
RU2609792C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-03 Евгений Николаевич Мищенко Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference
RU195782U1 (en) * 2019-09-25 2020-02-05 Новиков Артем Николаевич BROADBAND ADAPTIVE ANTENNA ARRAY
RU2731875C1 (en) * 2020-05-12 2020-09-08 Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" Adaptive antenna array for bistatic radar system
RU2752878C2 (en) * 2019-11-27 2021-08-11 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method of direction finding for broadband signals with increased resolution

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6665545B1 (en) * 1995-02-22 2003-12-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University Method and apparatus for adaptive transmission beam forming in a wireless communication system
WO1998024192A1 (en) * 1996-11-26 1998-06-04 Trw Inc. Cochannel signal processing system
RU2579996C2 (en) * 2014-01-16 2016-04-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Multifunctional adaptive antenna array
RU2609792C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-03 Евгений Николаевич Мищенко Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference
RU195782U1 (en) * 2019-09-25 2020-02-05 Новиков Артем Николаевич BROADBAND ADAPTIVE ANTENNA ARRAY
RU2752878C2 (en) * 2019-11-27 2021-08-11 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Method of direction finding for broadband signals with increased resolution
RU2731875C1 (en) * 2020-05-12 2020-09-08 Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" Adaptive antenna array for bistatic radar system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Статья: "МЕТОДИКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ В АДАПТИВНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ", Ж. Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12, 2021. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803416C1 (en) * 2023-02-22 2023-09-12 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ Method for forming weight coefficients in the processing channels of a broadband adaptive antenna array

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Reconfigurable adaptive array beamforming by antenna selection
Takao et al. An adaptive array utilizing an adaptive spatial averaging technique for multipath environments
CN108051782B (en) Large-scale phased array difference beam forming system based on subarray division
Zhang et al. Robust presteering derivative constraints for broadband antenna arrays
Steyskal Digital beamforming at Rome Laboratory.
Feng et al. Phased array beamforming with practical constraints
Bodhe et al. Beamforming Techniques for Smart Antennas using Rectangular Array Structure
Hamici Fast beamforming with fault tolerance in massive phased arrays using intelligent learning control
RU2777692C1 (en) Method for processing signals in an adaptive antenna array when receiving correlated signals and interference
Liu et al. Design and analysis of broadband beamspace adaptive arrays
JP2021005861A (en) Fast spatial search using phased array antennas
RU2366047C1 (en) Adaptive antenna array
Li et al. Robust adaptive array beamforming based on modified norm constraint algorithm
Okorogu et al. Design and simulation of a low cost digital beamforming (DBF) receiver for wireless communication
RU2330356C1 (en) Method of interference suppression while receiving electromagnetic circularly polarised wave by antenna array of identically oriented radiators
RU2208880C2 (en) Device for generating directivity pattern zero of phased antenna array in noise direction
RU2609792C1 (en) Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference
RU2755642C1 (en) Method for forming highly directional scanning compensation directive patterns in flat phased antenna array with spatial excitation
RU2577827C1 (en) Self-focusing multibeam antenna array
RU2291459C2 (en) System of protection of impulse radar stations from active noise interference
Nayeri et al. A comparison of digital beamforming and power minimization adaptive nulling algorithms using a software defined radio antenna array
JP2006121513A (en) Distributed aperture antenna equipment
RU2788820C1 (en) Method for spatial interference compensation using information about the direction to the signal source
RU2629921C1 (en) Method of adaptive signal processing in modular phase antenna lattice
RU2301483C1 (en) Method for suppressing randomly polarized interference in receiving circular-polarization electromagnetic wave by adaptive antenna array