Способ обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Особенностью заявленного способа обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех является то, что сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в М сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала, выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение М 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 сигналов формируют ковариационную матрицу помех А размером Ма×Ма, 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. Техническим результатом является повышение эффективности подавления помех, коррелированных с полезным сигналом. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке.

Известны схемы адаптивных антенных решеток, реализующих алгоритм максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума [1 - Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986, с. 80-86, 179-240]. 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.

В [2 - ТИИЭР, 1967, т. 55, №12, с. 78-95] 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.

Адаптивная антенная решетка, конструкция которой описана в [3 - IEEE Trans Antennas and Propag., vol. AP-26, 1978, №2, p. 228-235], 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.

Известна адаптивная антенная решетка, описанная в [4 - авт. св. СССР №1548820, кл. H01Q 21/00, заявлено 13.10.87, опубликовано 07.03.90, бюл. №9]. Это устройство содержит N антенных элементов, соединенных через гибридные устройства и весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, первого умножителя и 2N адаптивных контуров, каждый из которых состоит из интегратора, коммутатора, усилителя, регулируемого инвертирующего усилителя, блока вычитания, второго умножителя и коррелятора, причем первый и второй входы коррелятора соединены соответственно с выходом гибридного устройства и выходом общего сумматора, а выход коррелятора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя, а выход блока вычитания подключен к входам усилителя и регулируемого инвертирующего усилителя, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого через интегратор соединен с вторым входом весового умножителя и с первым входом второго умножителя, а второй вход второго умножителя соединен с выходом первого умножителя, первый и второй входы которого объединены с выходом общего сумматора и вторым входом коррелятора, а также блок оценки мощности сигнала, блок оценки мощности помех, блок сравнения и блок управления, причем входы блоков оценки мощности сигнала и мощности помех подключены к выходу общего сумматора, а выходы подключены к входам блока сравнения, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов, выход блока управления подключен к управляющим входам регулируемых инвертируемых усилителей, а выход соединен с выходом блока оценки мощности помех.

В зависимости от сигнально-помеховой обстановки устройство работает по методу минимизации или максимизации выходной мощности, что предотвращает подавление полезного сигнала и повышает помехоустойчивость решетки.

Однако данная реализация адаптивной антенной решетки имеет ряд недостатков: повышение помехоустойчивости обеспечивается только по отношению к помеховым сигналам, полоса частот и мощность которых превышает полосу частот и мощность полезного сигнала; эффективность работы адаптивной антенной решетки существенно снижается в случае незначительного превышения мощности помехи над мощностью сигнала на входе антенных элементов; в случае, когда число степеней свободы решетки превышает количество воздействующих на ее вход помех и мощность сигнала меньше суммарной мощности помех, минимизация общей выходной мощности адаптивной антенной решетки ведет к подавлению не только помех, но и полезного сигнала, например, при воздействии на вход трехэлементной решетки полезного сигнала и одной помехи, адаптивная антенная решетка, минимизирующая выходную мощность, формирует два "нуля" диаграммы направленности: один в направлении прихода помехи, а второй - в направлении прихода сигнала.

Общим недостатком рассмотренных способов обработки сигналов в адаптивных антенных решетках является неспособность системы выделить помеху, которая сильно коррелирует с сигналом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех является способ обработки входных сигналов в M - элементной адаптивной антенной решетке с Ма адаптивными каналами (модулями), описанный в [5 - Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Звездина Ю.А., Сильницкий С.А. Квазиоптимальная обработка сигналов в адаптивных антенных решетках радиосвязи // Электромагнитные волны и электронные системы, 2009, №5, Т. 14, С. 52-55], взятый за прототип. Способ состоит в том, что принимаемые каждым M-ым каналом модульной 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. Сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в Ма модулях, чтобы получить выходные сигналы Ма модулей. Формируют с использованием сигналов, соответствующих ответвленной части мощности, две матрицы сигналов А и В размером Ма×Ма. Первую матрицу формируют с использованием выходных сигналов модулей, в которых исключена составляющая сигналов, а вторую матрицу, при неизвестной помеховой обстановке, - с использованием амплитудно-фазовых распределений, обеспечивающих формирование изотропных диаграмм направленности модулей. На основе полученных матриц А и В формируют ковариационную матрицу помех С=В-1А(В-1)* и определяют комплексные весовые коэффициенты в виде вектор-строки J из Mа элементов по формуле J=J0C-1, где J0 - исходный вектор, с которым суммируют сигналы модулей при отсутствии помех, суммируют выходные сигналы модулей с комплексными весовыми коэффициентами J, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки.

Данный способ-прототип позволяет исключить из ковариационной матрицы составляющую сигнала и осуществить подавление помех, подобных по спектру сигналу. Однако преобразования матриц А и В искажают информацию о распределении амплитуд и фаз помеховых сигналов в пространстве, особенно в том случае, когда диаграмма направленности любого модуля с нулем в направлении на сигнал содержит дополнительные нули. Эта ситуация возникает при включении в состав модуля более двух антенных элементов. В результате часть помех может быть пропущена при решении задачи адаптации, а весовые коэффициенты J являются квазиоптимальными.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение эффективности подавления помех, коррелированных с полезным сигналом, в модульной адаптивной антенной решетке.

Для решения указанной задачи предлагается способ обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех, состоящий в том, что для каждого положения максимума диаграммы направленности принимаемые каждым M-ым 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 M сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала, выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение M 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 А 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.

Сравнительный анализ заявленного способа и способа-прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность действий, а именно: введены два действия:

- преобразуют сигналы, соответствующие ответвленной части мощности входных сигналов, в M сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала;

- выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение M преобразованных сигналов в Ма помеховых сигналов, чтобы комплексные амплитуды составляющих помех в них приближались к комплексным амплитудам помех в выходных сигналах соответствующих модулей;

и изменены режимы действий, связанные с:

- получением сигналов на входах Ма модулей: суммируют сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, в Ма модулях с заданными комплексными весовыми коэффициентами;

- формированием ковариационной матрицы помех: формируют ковариационную матрицу помех А размером Ма×Ма с помощью полученных Ма помеховых сигналов;

- нахождением вектора комплексных весовых коэффициентов: находят оптимальный для модульной адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор комплексных весовых коэффициентов.

Введение двух действий и изменение режима трех действий позволяет по сравнению со способом-прототипом обеспечить технический результат, заключающийся в повышении эффективности подавления помех, коррелированных с полезным сигналом.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех из литературы неизвестны, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-6.

На фигуре 1 приведена структурная схема модульной адаптивной антенной решетки, реализующей предложенный способ обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех.

На фигуре 2 показана диаграмма направленности модуля (адаптивного канала), включающего 4 антенных элемента. На фигуре 3 представлена угловая зависимость, характеризующая чувствительность модульной адаптивной антенной решетки к помехам.

На фигуре 4 представлена диаграмма направленности модульной адаптивной антенной решетки до (пунктирная кривая) и после адаптации (сплошная кривая).

На фигурах 5, 6 приведены распределения соответственно амплитуд и фаз комплексных весовых коэффициентов в каналах модульной адаптивной антенной решетки, соединенные для наглядности ломанными линиями.

При реализации предлагаемого способа обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех выполняется следующая последовательность операций:

- принимаемые каждым M-ным каналом модульной 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;

- сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в Ма модулях с заданными комплексными весовыми коэффициентами в каналах антенных элементов, чтобы получить выходные сигналы модулей - 2;

- сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в M сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала - 3;

- выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение M преобразованных сигналов в Ма помеховых сигналов, чтобы комплексные амплитуды составляющих помех в них приближались к комплексным амплитудам помех в выходных сигналах соответствующих модулей - 4;

- формируют с помощью полученных Ма помеховых сигналов ковариационную матрицу помех А размером Ма×Ма - 5;

- находят оптимальный для модульной адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор комплексных весовых коэффициентов - 6;

- суммируют выходные сигналы Ма модулей с найденным оптимальным для модульной адаптивной антенной решетки по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектором комплексных весовых коэффициентов, образуя выходной сигнал модульной адаптивной антенной решетки - 7.

В состав модульной адаптивной антенной решетки (ΑΑΡ) (фиг. 1) входят антенные элементы 1, фазовращатели 2, первые блоки комплексного взвешивания сигналов 3, сумматоры модулей 4, вторые блоки комплексного взвешивания сигналов 5, устройство временной обработки сигналов 6, блок хранения наборов комплексных весовых коэффициентов 7, блок формирования комплексных весовых функций 8, блок аппроксимации диаграмм направленности (ДН) модулей в области боковых лепестков 9, блок формирования ковариационной матрицы помех 10, блок формирования комплексных весовых коэффициентов 11, устройство управления 12 и блок хранения диаграмм направленности модулей 13.

M антенных элементов 1 соединены через M фазовращателей 2 со входами первых блоков комплексного взвешивания сигналов 3, выходы которых соответствующим образом подключены ко входам Ма сумматоров модулей 4. Выходы сумматоров модулей 4 через вторые блоки комплексного взвешивания сигналов 5 подключены ко входам устройства временной обработки сигналов 6. Блок хранения наборов комплексных весовых коэффициентов 7 посредством информационных выходов подключен к первым информационным входам блока формирования комплексных весовых функций 8, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими каналами модульной ΑΑΡ (после фазовращателей 2). Информационные выходы блока формирования комплексных весовых функций 8 электрически связаны с первыми информационными входами блока аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9. Информационные выходы блока аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9 подключены к информационным входам блока формирования ковариационной матрицы помех 10. Информационные выходы блока формирования ковариационной матрицы помех 10 электрически связаны с информационными входами блока формирования комплексных весовых коэффициентов 11. Выходы блока формирования комплексных весовых коэффициентов 11 подключены к управляющим входам вторых блоков комплексного взвешивания сигналов 5. На управляющие входы фазовращателей 2 и первых блоков комплексного взвешивания сигналов 3 информация поступает соответственно с первых и вторых информационных выходов устройства управления 12. Управление блоком хранения наборов комплексных весовых коэффициентов 7 производится сигналами управления, поступающими с третьих выходов устройства управления 12. Информационные выходы блока хранения ДН модулей 13 подключены ко вторым информационным входам блока аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9, а его управляющие входы соединены с четвертыми выходами устройства управления 12. Синхронизация работы устройств и блоков модульной ААР может производиться устройством управления 12. Цепи синхронизации на фиг. 1 не показаны.

Прежде чем рассмотреть функционирование модульной адаптивной антенной решетки, реализующей предложенный способ обработки сигналов, для его обоснования изложим следующее.

Пусть имеется М - элементная ААР, в которой приемные каналы объединены в Ма управляемых модулей по Мс каналов в каждом. Пусть ДН каждого антенного канала описывается комплексной функцией . На вход ААР с направления θ0 поступает сигнал, а в направлениях θj (j=1,2,…,J) расположены источники помех.

Предположим, что в течение интервала времени t=[t0,t0+T] комплексные огибающие сигнала, помех и шума описываются функциями y(t), xj(t) и n(t) соответственно.

В результате на выходе m-го антенного элемента ААР формируется исходная смесь сигналов, помех и шума, которая описывается выражением вида:

Пусть сигналы с выходов антенных элементов суммируются в ААР с весами, соответствующими комплексным весовым коэффициентам (КВК) вектора-строки j=(j1,j2…,jМ). Тогда комплексная огибающая сигнала на выходе ААР представляет собой сумму функций (1):

Введем прямоугольную матрицу J, число строк которой равно числу Ма управляемых модулей ААР, а в каждой i-ой строке от нуля отличны только Мс коэффициентов, комплексные значения которых соответствуют комплексным весовым коэффициентам i-го модуля. Тогда на выходах модулей формируется вектор сигналов:

С учетом введенных обозначений выходной сигнал ААР определяется суммой выходных сигналов модулей (3), т.е.:

где w - вектор комплексных весовых коэффициентов (КВК) модулей ААР.

Необходимо найти такой вектор КВК , который обеспечивает максимальное значение отношения сигнал/(помеха + шум) (ОСПШ) на выходе ААР при условии, что комплексная огибающая сигнала коррелирована с комплексной огибающей помех.

Средняя мощность сигнала, принимаемого ААР в течение рассматриваемого интервала времени, определяется выражением:

Здесь и в дальнейшем символ «*» применительно к скалярной величине означает комплексное сопряжение, а к векторной - эрмитово сопряжение; «-» - знак статистического усреднения в течение заданного времени.

Тогда средняя выходная мощность принимаемого сигнала ААР за рассматриваемый временной интервал описывается функцией вида:

Остановимся на процедуре статистического усреднения более подробно. Представим величину в виде:

В соответствии со статистической теорией антенн [6 - Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. - 368 с.] шумы отдельных каналов можно полагать статистически независимыми друг от друга и от внешних сигналов. Это позволяет упростить выражение (7) и записать его в виде:

где - дисперсия внутренних шумов в антенном элементе ААР.

При отсутствии помех в выражении (8) можно опустить все слагаемые, которые связаны с комплексными огибающими xi(t). В результате выражение (6) в этой ситуации примет вид:

Здесь матрица - единичная матрица, а δk,l - символы Кронекера.

В теории адаптации обычно полагают, что сигнал и помехи являются статистически независимыми. В этом случае из выражения (8) исключаются слагаемые, содержащие перекрестные произведения сигнала и помех, а выражение (9) записывается в виде:

где ковариационная матрица помех.

Из выражения (10) следует, что величина ОСПШ может быть представлена в виде отношения эрмитовых форм

В теории матриц имеются теоремы [7 - Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-е изд. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988], в соответствии с которыми максимальная величина отношения эрмитовых форм достигается при условии, что

Однако, как следует из выражений (6) и (7), наличие в них слагаемых, отражающих ненулевую ковариацию сигнала и помехи, не позволяет в общем случае считать решение вида (12) оптимальным.

В связи с этим для решения сформулированной задачи о подавлении адаптивной ААР помех, коррелированных с сигналом, рассмотрим следующий метод.

Сформируем сначала М наборов КВК по формуле:

В выражении (13) матрица амплитуд W выбирается случайным образом с помощью датчика случайных чисел, распределенных равномерно в интервале от 0 до 1. Значения вектора θm задаются случайным образом в области наиболее вероятного появления помех (в области боковых лепестков Ω) таким образом, чтобы θm не попадало в область главного луча ААР.

Полученные распределения позволяют сформировать М комплексных весовых функций

Выражение (13) представляет собой формулу для матричного синтеза «нуля» ДН [8 - Зелкин В.Г., Соколов Е.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. Радио. 1980. 296 с.], поэтому все функции имеют «нуль» ДН в направлении θ0 и максимумы в направлениях θm.

Считаем, что ДН модулей ААР описываются выражениями вида:

Аппроксимируем ДН модулей в области боковых лепестков с помощью весовых функций , решив задачу минимизации среднеквадратического отклонения для каждого модуля:

Известно [9 - Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета). - М.: Сов. радио, 1974], что решение задачи (16) может быть получено методом наименьших квадратов в виде:

где

Отсюда следует, что выражение (17) можно представить в векторной форме в виде:

Интерес представляет случай, когда матрица С является диагональной. В этом случае с точностью до постоянного множителя выражение (20) можно представить в виде:

Выражение (21) будет точным, если каналы ААР размещены с шагом 0,5λ, а область боковых лепестков Ω приближается к всей области видимых углов. При этом матрицу С можно представить в виде:

Следует обратить внимание на то, что расширение области боковых лепестков, т.е. сужение главного луча, имеет место в случае увеличения числа антенных элементов. Это означает, что выражение (21) является справедливым для многоэлементных антенных решеток.

Если решение задачи аппроксимации достаточно точно, то для произвольных источников помех ковариационная матрица помех, определяемая с помощью Ма адаптивных каналов (модулей), будет приближаться к ковариационной матрице помех В исходной решетки. В результате решение задачи подавления помех можно будет искать по формуле (12).

Рассмотрим функционирование модульной адаптивной антенной решетки.

Для каждого положения максимума ДН принятые антенными элементами 1 сигналы, представляющие собой смесь полезного сигнала, помеховых сигналов и собственных шумов каналов ΑΑΡ, поступают на фазовращатели 2. В соответствии с информацией о направлении главного максимума ДН, поступающей с первого информационного входа устройства управления 12 на управляющие входы фазовращатели 2, фазовращатели 2 перестраиваются, и главный максимум ДН ориентируется в направлении на полезный сигнал. Сигналы на выходах фазовращателей разделяются по мощности на прошедшую и ответвленную части. Сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, поступают на первые блоки комплексного взвешивания сигналов 3, а сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, - на вторые входы блока формирования комплексных весовых функций 8. В первых блоках комплексного взвешивания сигналов 3 с использованием заданных КВК, соответствующих требуемой форме ДН, хранящихся в устройстве управления 12 и поступающих с его вторых информационных выходов, входные сигналы взвешиваются. Взвешенные сигналы поступают на входы сумматоров модулей 3, где алгебраически складываются, образуя выходные сигналы модулей.

На первые входы блока формирования комплексных весовых функций 8 из блока хранения наборов комплексных весовых коэффициентов 7 выбираются КВК, соответствующие выбранному направлению максимума ДН, в котором для полезного сигнала в каждом из модулей сформирован нуль. В блоке формирования комплексных весовых функций 8 происходит преобразование поступивших сигналов в M сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала. В блоке аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9 на основе информации, извлекаемой из блока хранения ДН модулей 13 и поступающей на вторые информационные входы блока аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9, и сигналов, соответствующих M сигналам с исключенной составляющей полезного сигнала и поступающих на первые информационные входы блока аппроксимации ДН модулей в области боковых лепестков 9, производится преобразование M сигналов в Ма помеховых сигналов (по числу модулей) таким образом, чтобы комплексные амплитуды составляющих помех в них приближались к комплексным амплитудам помех в выходных сигналах соответствующих модулей. В блоке формирования ковариационной матрицы помех 10 с помощью полученных Ма помеховых сигналов формируется ковариационная матрица помех А размером Ма×Ма. На основе сигналов, соответствующих элементам ковариационной матрицы помех А размером Ма×Ма, поступающих с ее выходов, в блоке формирования комплексных весовых коэффициентов 11 определяется оптимальный для модульной ΑΑΡ по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор весовых коэффициентов. Сигналы, соответствующие компонентам этого вектора, подаются на управляющие входы вторых блоков комплексного взвешивания сигналов 5. В устройстве временной обработки сигналов 6 выходные сигналы Ма модулей суммируются с найденным оптимальным для модульной ΑΑΡ по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектором комплексных весовых коэффициентов, образуя выходной сигнал модульной ААР.

Для подтверждения работоспособности и эффективности патентуемого способа обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех было проведено компьютерное моделирование. В качестве примера рассмотрим М=64 - элементную линейную антенную решетку с шагом между элементами d=0,5λ.

ДН антенного элемента описывается комплексной функцией

Помеховая обстановка задана с помощью трех источников помех, размещенных в направлениях θ1,2,3=(2,4°; 3,6°; 4,4°). Сигнал (полезный сигнал) приходит с направления θ0=0.

Выходы антенных элементов линейной антенной решетки объединены в модули по 4 антенных элемента в каждом, что позволяет получить 16 адаптивных каналов (модулей) с идентичными амплитудными ДН, показанными на фиг. 2.

На фиг. 3 представлена угловая зависимость функции которая показывает, что после применения формулы (13) все комплексные весовые функции обеспечивают формирование глубокого нуля в направлении на источник сигнала. При этом в области боковых лепестков чувствительность ААР изменяется в диапазоне 37…47 дБ в пределах от -60° до 60°. При формировании функций используются все элементы ААР без группировки по модулям, что позволяет избежать появления дополнительных нулей ДН.

Сопоставление фиг. 2 и фиг. 3 показывает, что динамический диапазон чувствительности обычной ААР к помехам гораздо выше, что связано с изменениями ДН адаптивного канала в области «нулей» ДН на фиг. 2. Кроме того, обычная ΑΑΡ не позволяет исключить полностью составляющую сигнала из смеси сигнала и помех, что оказывает влияние на подавление помех, коррелированных с сигналом.

На фиг. 4 представлены ДН ΑΑΡ до (пунктирная кривая) и после адаптации (сплошная кривая). На фиг. 5 и фиг. 6 показаны распределения комплексных весовых коэффициентов в каналах ΑΑΡ. Для удобства значения амплитуд и фаз комплексных весовых коэффициентов соединены отрезками.

Из анализа фиг. 4 следует, что теоретическая глубина формируемых провалов в направлениях на источники помех достигает -90 дБ. Области «нулей» в формируемой ДН расположены с периодом, который связан с ориентацией «нулей» ДН модуля (адаптивного канала).

Модульная 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 [см. например: 10 - Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. С. 66-82, 121-130]. Для создания электронных блоков хранения, вычислений и управления (под номерами 6-13 на фиг. 1) существует развитая элементная база, в частности программируемые логические интегральные схемы и цифровые сигнальные процессоры, обеспечивающие реализацию функций управления и обработки данных. В частности, такими возможностями обладает отечественный сигнальный контроллер 1892 ВМ3Т [11 - Плетнева И.Д. Реализация алгоритмов управления адаптивными антенными решетками на базе цифрового сигнального контроллера // Изв. вузов. Электроника, 2009, №3, с. 61-67].

Приведенные выше материалы подтверждают соответствие критерию "промышленная применимость" предложенного способа.

Таким образом, патентуемый способ обработки сигналов в модульной 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, при отсутствии априорной информации о направлениях их прихода без нарушения рабочего режима работы модульной адаптивной антенной решетки.

Способ обработки сигналов в модульной адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех, состоящий в том, что для каждого положения максимума диаграммы направленности принимаемые каждым М-ным 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, отличающийся тем, что сигналы, соответствующие ответвленной части мощности, преобразуют в М сигналов, в которых исключена составляющая полезного сигнала, выполняют с учетом информации о диаграммах направленности модулей такое изменение М 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 сигналов формируют ковариационную матрицу помех А размером Ма×Ма, 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.



 

Похожие патенты:

Антенна // 2605944
Изобретение относится к области техники сверхвысоких частот. Особенностью заявленной антенны является то, что в нее дополнительно введен идентичный отрезок коаксиальной линии, расположенный перпендикулярно той же широкой стенке волновода и соединенный с ним идентично первому отрезку, при этом для обеспечения согласования с волноводом оба отрезка смещены от оси симметрии его широкой стенки к его узкой стенке, расстояние между погруженными во внутриволноводное пространство нижними концами внутренних проводников отрезков равно половине длины волны в волноводе, а удаленные концы излучающих проводников соединены гальванически с верхними концами внутренних проводников отрезков, верхние концы наружных проводников которых разомкнуты.

Настоящее изобретение относится к области систем радиосвязи, более конкретно к устройствам систем радиосвязи, содержащим антенну с возможностью электронного управления лучом.

Изобретение относится к области радиосвязи. Заявлены антенная система и базовая станция, содержащая данную антенную систему; причем особенностью заявленной антенной системы является то, что модуль массива TRX выполнен с возможностью передавать сигналы передачи во входной порт модуля матрицы Батлера; модуль матрицы Батлера выполнен с возможностью генерировать первые сигналы посредством обработки сигналов передачи и передавать первые сигналы во входные порты модуля фидерной сети через выходные порты модуля матрицы Батлера; а модуль фидерной сети выполнен с возможностью генерировать вторые сигналы посредством обработки первых сигналов и передавать вторые сигналы в модуль массива антенных элементов через выходные порты модуля фидерной сети; модуль матрицы Батлера выполнен так, что сигналы, подаваемые на первый входной порт и второй входной порт модуля матрицы Батлера, представляют собой разные сигналы передачи, а сигналы, выводимые из выходных портов с первого по четвертый модуля матрицы Батлера, представляют собой первые сигналы, соответствующие упомянутым разным сигналам передачи.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является формирование провалов в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) в нескольких заданных направлениях, имеющих угловые координаты в сферической системе кординат.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к средствам приема и передачи радиоволн. Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки содержит передающий и приемный каналы, первое, второе и третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей, защитное устройство, выпрямитель, согласованную нагрузку, обратноходовой преобразователь.

Использование: для формирования компенсационной диаграммы направленности в плоской антенной решетке. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют прием сигналов антенными элементами плоской антенной решетки с электронным сканированием лучом и суммируют их, формируя остронаправленную сканирующую диаграмму направленности плоской антенной решетки с использованием выбранных комплексных амплитуд антенных элементов с учетом требуемого превышения уровня компенсационной диаграммы направленности над уровнем боковых лепестков остронаправленной сканирующей диаграммы направленности.

Изобретение относится к полосковой СВЧ антенной технике, в частности к распределительной системе для фазированной антенной решетки. Технический результат - формирование оптимальных амплитудных распределений для суммарной и разностной диаграмм направленности (ДН), возможность реализации в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Изобретение относится к радиолокации, точнее к фазированным антенным решеткам (ФАР) СВЧ диапазона, и может быть использовано в пассивной и активной радиолокации для осуществления непрерывного параллельного контроля пространства.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к широкополосным антенным системам, рабочий диапазон частот которых перекрывает несколько октав. Технический результат - расширение диапазона рабочих частот комбинированной антенной системы, работающей в активном и пассивном режимах.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - повышение предела подавления помеховой импульсной мощности в узкополосных приемно-передающих каналах радиотехнических систем, работающих в диапазоне СВЧ, в условиях короткоимпульсных помеховых воздействий большой мощности при проведении испытаний на электромагнитную совместимость.

Изобретение относится к области антенной техники. Особенностью заявленного способа определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки является то, что задают набор направлений луча, охватывающий область видимости фазированной антенной решетки, плоскость раскрыва фазированной антенной решетки, электрические длины от элементов которой до входа измерительной аппаратуры произвольны, располагают под углом относительно фронта плоской электромагнитной волны, изменяя с помощью фазовращателей сдвиги фаз сигналов, проходящих через элементы фазированной антенной решетки, устанавливают луч фазированной антенной решетки в одно из направлений набора, измеряют амплитуду и фазу сигнала, затем операции повторяют, каждый раз устанавливая луч фазированной антенной решетки последовательно в остальные направления, амплитуды сигнала, измеренные при каждом направлении луча, умножают на заранее определенные для этих направлений амплитуды сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки, а фазы сигнала, измеренные при каждом направлении луча, складывают с заранее определенными для этих направлений фазами сигнала от одного элемента в составе фазированной антенной решетки. Техническим результатом является повышение точности и уменьшение времени определения диаграммы направленности фазированных антенных решеток. 1 ил.
Наверх