Способ адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала в антенной решетке

Авторы патента:

Малев Александр Сергеевич (RU)

Зиброва Елена Петровна (RU)

Поздняков Александр Иванович (RU)

Лафицкий Александр Юрьевич (RU)

H01Q21/00 - Антенные решетки и системы (с изменяемой ориентацией луча или изменяемой формой диаграммы направленности H01Q 3/00; электрически длинные антенны H01Q 11/00)

Владельцы патента RU 2788573:

Акционерное общество "Концерн "Созвездие" (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и применяется в системах радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке. Технический результат – повышение помехоустойчивости приемного устройства на основе антенной решетки в условиях частичной неопределенности о пространственных параметрах источников сигнала и помех. Для этого в способе, основанном на методах цифрового формирования диаграммы направленности и фильтрации сигналов во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, полученный разностный сигнал обрабатывается многоканальным адаптивным фильтром, по другим каналам которого поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, при этом в качестве алгоритма адаптации применяется метод стохастического градиента. 7 ил.

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

Современные способы и устройства борьбы с помехами основаны на пространственной обработке сигналов с использованием адаптивных антенных решеток (ААР), диаграмму направленности которых формируют таким образом, чтобы максимально ослабить помехи.

Известные способы формирования диаграммы направленности ААР основаны либо на алгоритме максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума [1], либо на алгоритмах вычисления весовых коэффициентов по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО) [2].

Для работы адаптивной антенной решетки, описанной в [1], должна быть известна информация о направлении прихода полезного сигнала. Неточное задание направления прихода сигнала, а также неточности в цифровой системе коррекции характеристик приемных каналов приводят к подавлению составляющей полезного сигнала.

Адаптивная антенная решетка, представленная в [2], реализует алгоритм минимизации выходной мощности и обладает достаточно хорошими характеристиками по помехоустойчивости. Однако данная реализация адаптивной антенной решетки имеет ряд недостатков: эффективность работы адаптивной антенной решетки существенно снижается в случае отсутствия помехи или незначительного превышения мощности помехи над мощностью сигнала на входе антенных элементов. Минимизация общей выходной мощности адаптивной антенной решетки ведет к подавлению не только помех, но и полезного сигнала.

В [3] представлена адаптивная антенная решетка, в которой вместо блока максимизации выходной мощности введен блок вычисления множителя Лагранжа с управляющим входом, через который поступает информация о направлении прихода полезного сигнала. Данная конструкция адаптивной антенной решетки имеет более высокую помехозащищенность приема сигналов в условиях частичной неопределенности информации о пространственных параметрах источника сигнала.

Общим недостатком перечисленных выше технических решений является относительно низкая степень ослабления помех, угол прихода которых незначительно отличается от угла прихода полезного сигнала.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ формирования лучей, описанный в [4] стр. 380 рис. 14.4, принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

С помощью задержек синхронизируются составляющие, приходящие по направлению приема полезного сигнала, которые затем суммируются, формируя входной сигнал, состоящий из суммы полезного сигнала и помех. Синфазные сигналы, поступающие с отдельных ненаправленных элементов попарно, вычитаются, формируя эталонные сигналы, содержащие только помеху, которые подаются на ряд адаптивных фильтров, затем суммируются, и результат вычитается из входного сигнала. Таким образом способ осуществляет пространственную фильтрацию полезного сигнала, приходящего по направлению приёма, формируя оценку полезного сигнала с минимальным среднеквадратическим отклонением.

Недостатком способа-прототипа является его чувствительность к ошибкам, связанным с несоответствием используемой модели антенной решетки и реальной системы. При высоких отношениях сигнал/шум и сигнал/помеха из-за неточности определения направления прихода полезного сигнала, неточности выравнивания характеристик приемных каналов по амплитуде и фазе, взаимного влияния антенных элементов решетки, а также других дестабилизирующих факторов подавляется составляющая полезного сигнала. Перечисленные системные ошибки приводят также к ухудшению характеристик способа-прототипа при воздействии помехи в основном лепестке диаграммы направленности.

Задачей предлагаемого способа является повышение помехоустойчивости приемного устройства на основе адаптивной антенной решетки в условиях частичной неопределенности о пространственных параметрах источников сигнала и помех путем реализации комбинированного способа адаптивного формирования диаграммы направленности.

Для решения поставленной задачи в способе адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала в антенной решетке, основанному на методах цифрового формирования диаграммы направленности и фильтрации сигналов во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, согласно изобретению, полученный разностный сигнал обрабатывается многоканальным адаптивным фильтром, по другим каналам которого поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, при этом в качестве алгоритма адаптации применяется метод стохастического градиента.

Заявляемый способ адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала основан на методах цифрового формирования диаграммы направленности антенной системы и фильтрации во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки, состоящих из суммы сигнала и помех, выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала. Затем полученный разностный сигнал обрабатывается в соответствующем канале многоканального адаптивного фильтра, описанного, например, в [5]. При этом на другие каналы многоканального адаптивного фильтра поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, причем в качестве алгоритма адаптации используется метод стохастического градиента.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, где обозначено:

1 - n-элементная антенная решетка;

2 - блок приема и формирования цифрового квадратурного сигнала;

3 - блок фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала;

4 - сумматор сфазированных квадратурных сигналов;

5 - блок выделения помеховых составляющих из синфазных сигналов, их взвешивания, суммирования и адаптивной подстройки весовых коэффициентов;

6 - блок вычитания помехи из сигнала;

7 - многоканальный фильтр с настраиваемыми коэффициентами импульсной характеристики;

8 - адаптивный процессор, реализующий алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки;

9 - блок формирования опорного сигнала и вычисления разности принятого и опорного сигналов.

Устройство содержит последовательно соединенные антенную решетку 1 и блок приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2, выход которого соединен с первыми входами многоканального фильтра с настраиваемыми коэффициентами 7 и адаптивным процессором, реализующим алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки 8. Кроме того, выход блока приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2 через последовательно соединенные блок фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала 3, сумматор сфазированных квадратурных сигналов 4 и блок вычитания помехи из сигнала 6 соединен со вторыми входами многоканального фильтра с настраиваемыми коэффициентами импульсной характеристики 7 и адаптивным процессором, реализующим алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки 8. При этом выход блока фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала 3 соединен с первым входом блока выделения помеховых составляющих из синфазных сигналов, их взвешивания, суммирования и адаптивной подстройки весовых коэффициентов 5, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания помехи из сигнала 6, выход которого соединен со вторым входом блока 5. Выход многоканального фильтра 7 соединен с входом блока формирования опорного сигнала и вычисления разности принятого и опорного сигнала 9, выход которого соединен с третьим входом адаптивного процессора 8, выход которого соединен с третьим входом многоканального фильтра 7, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства заключается в следующем.

Сигналы с элементов антенной решетки 1 обрабатываются в блоке приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2. Оцифрованные квадратурные сигналы поступают в блок фазирования антенной решетки 3, затем в сумматор 4, где формируется сигнал антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, и в блок выделения помеховых составляющих 5. Выделенные помеховые составляющие взвешиваются и суммируются, формируя помеховый сигнал, который вычитается в блоке 6 из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, осуществляя пространственную фильтрацию сигнала, поступающего с интересующего направления. Сигнал с выхода блока 6 имеет вид:

(1)

где x_i(k) – фазированный сигнал i-го элемента антенной решетки,

w_i(k) – адаптивный весовой коэффициент, k – временной индекс отсчётов сигнала, N – количество элементов антенной решетки, знак * означает комплексное сопряжение.

Далее этот сигнал вместе с сигналами с выхода блока 2 обрабатывается многоканальным фильтром 7, выходной сигнал которого имеет вид:

(2)

где y_i=1,…N сигналы с выхода блока 2, y_N+1 – сигнал с выхода блока 6,

h_i – импульсная характеристика i-го канала многоканального фильтра,

n – временной индекс, M – длина линий задержек многоканального фильтра.

В блоке 9 формируется опорный сигнал и вычисляется сигнал ошибки, который используется блоком 8 для адаптивной подстройки коэффициентов многоканального фильтра 7.

Расчет весовых коэффициентов в блоке 5 производится путем минимизации среднего квадрата разности между сигналом антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, и помеховым сигналом, поступающим с выхода блока 6. Расчет импульсной характеристики многоканального фильтра 7 осуществляется блоком 8 путем минимизации среднего квадрата разности выхода блока 7 и опорного сигнала, формируемого блоком 9. Описанные процедуры выполняются одновременно и независимо друг от друга.

Минимизируемые функции могут быть записаны следующим образом:

(3)

где d(k) – опорный сигнал, формируемый в блоке 9; s – определяется по формуле (2); угловые скобки < > означают усреднение.

Минимизацию можно проводить методом стохастического градиента, характеризующегося линейной, относительно числа параметров, вычислительной сложностью и хорошо изученными свойствами устойчивости и сходимости.

Выражения для итерационного обновления параметров примут вид:

(4)

где μ₁, μ₂ - параметры сходимости алгоритма.

Сопоставление характеристик алгоритмов способа-прототипа и предлагаемого способа было проведено с использованием имитационного моделирования. При моделировании использовалась 8-элементная эквидистантная кольцевая антенная решетка, при этом учитывалось взаимное влияние элементов антенной решетки, угол прихода сигнала отличался от ожидаемого на 5°, коэффициенты передачи каналов решетки имеют разброс 1 дБ по амплитуде и 2.5° по углу.

На фиг.2 изображены зависимости выходного отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ) от входного отношения сигнал/помеха (ОСП), угол прихода сигнала -5°, ожидаемый угол прихода сигнала 0°, угол прихода помехи 10°, отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе решетки фиксировано и равно 5 дБ. Таким образом, помеха действует в основном лепестке диаграммы направленности. Из рисунка видно, что при входном ОСП более -12дБ, предлагаемый способ обеспечивает большее выходное ОСПШ. Из рисунка также видно, что с увеличением входного ОСП, выходное ОСПШ практически совпадает с теоретическим пределом.

На фиг. 3 изображены зависимости выходного ОСПШ от входного ОСП, для случая, когда помеха действует с угла 75° вне основного лепестка диаграммы направленности. Параметры моделирования выбраны такими же, как в предыдущем случае. Из рисунка видно, что при входных ОСП <-20 предложенный способ обеспечивает выходное ОСПШ на уровне способа-прототипа, тогда как при более высоких входных ОСП обеспечивается выигрыш в выходном ОСПШ.

Результаты моделирования показывают, что в случае частичной неопределенности задания направления прихода полезного сигнала, а также наличия неравномерности коэффициентов передачи приемных каналов антенной решетки предлагаемый способ более эффективно подавляет помеху, чем способ-прототип, как при попадании помехи в основной лепесток диаграммы направленности, так и вне основного лепестка ДН.

На фиг.4 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления 0° и помехи с направления 10°. Отношение сигнал/помеха -6 дБ, отношение сигнал/шум 20 дБ.

На фиг.5 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления 0° и помехи с направления 75°. Отношение сигнал/помеха 10 дБ, отношение сигнал/шум 20 дБ.

На фиг.6 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления -5° и помехи с направления 10°. Ожидаемое направление прихода сигнала 0°. Отношение сигнал/помеха 10 дБ.

На фиг.7 представлена диаграмма направленности при приходе полезного сигнала с направления 0° и двух помех: помеха 1 с направления 15°, отношение сигнал/помеха 0 дБ, помеха 2 с направления 75°, отношение сигнал/помеха -10 дБ.

Из полученных результатов видно, что предлагаемый способ обеспечивает более эффективное, относительно способа-прототипа, подавление помехи в основном лепестке диаграммы направленности, сохраняет направление на сигнал и формирует глубокий нуль диаграммы направленности в направлении помех при работе в условиях, когда соотношение сигнал/помеха близко к нулю и выше, а также обладает большей устойчивостью к системным ошибкам, обусловленным неточностью задания направления прихода полезного сигнала, межканальной неидентичностью амплитудно-частотных характеристик приемных каналов и других дестабилизирующих факторов. Данные преимущества заявляемого способа пространственно-временной фильтрации сигнала в адаптивной антенной решетке способствуют повышению помехозащищенности систем радиосвязи, функционирующих в сложной, динамически меняющейся сигнально-помеховой обстановке.

Источники информации

[1] Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986, с. 80-86, 179-240.

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

[3] Заявка на изобретение 2000130838/09 от 08.12.2000 «Адаптивная антенная решетка».

[4] Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989, с. 375-381.

[5] Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М.: Техносфера, 2013, с. 27.

Способ адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала в антенной решетке, основанный на методах цифрового формирования диаграммы направленности и фильтрации сигналов во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, отличающийся тем, что полученный разностный сигнал обрабатывается многоканальным адаптивным фильтром, по другим каналам которого поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, при этом в качестве алгоритма адаптации применяется метод стохастического градиента.

Изобретение относится к радиолокации, в частности к фазированным антенным решеткам. Оптически переключаемая фазированная антенная решетка содержит волноводно-щелевые антенны, формирующие единое антенное полотно, и управляется методом частотного сканирования.

Двухдиапазонная антенная система // 2784393

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, а именно к антенным системам с суммарно-разностной обработкой сигнала. Техническим результатом антенной системы является формирование восьми независимых выходных СВЧ-сигналов при увеличении коэффициента усиления и снижении уровня боковых лепестков антенной системы высокочастотного диапазона.

Цифровой приёмно-передающий модуль активной фазированной антенной решётки // 2781038

Изобретение относится к антенной технике, а именно, к активным фазированным антенным решеткам (АФАР) с цифровым формированием и управлением диаграммой направленности (ДН). Технический результат - обеспечение согласованного формирования ДН АФАР в режимах излучения и приема широкополосных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов.

Радиолокационная антенная решетка // 2780948

Изобретение относится к антенной технике, а именно к радиолокационным антенным решеткам. Техническим результатом является обеспечение необходимого отвода тепла от антенных модулей при увеличении мощности фазированной антенной решетки, создание равных тепловых режимов для модулей ФАР, повышение ремонтопригодности.

Способ повышения помехоустойчивости и пропускной способности приемных каналов связи // 2780310

Изобретение относится к антенной технике и служит для обеспечения приема сигналов спутниковых систем связи и навигации в диапазоне дециметровых волн подвижными морскими объектами и автономными необитаемыми подводными аппаратами, использующими кабельные антенны. Технический результат заключается в обеспечении одновременного ненаправленного радиоприема в диапазоне частот от 0,1 Гц (крайне низкие частоты - КНЧ) до 120 МГц (очень высокие частоты - ОВЧ) и направленного радиоприема сигналов спутниковых систем в диапазоне дециметровых волн.

Способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех // 2777692

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке. При реализации предлагаемого способа обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех выполняется следующая последовательность операций: принимаемые каждым N-м 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; сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в N блоках комплексного взвешивания сигналов с полученными комплексными весовыми коэффициентами в каналах антенных элементов - 2; 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» - 3; на основе пеленгационной характеристики формируют вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу, и вычитают его из сигналов, соответствующих ответвленной части мощности по соответствующим каналам - 4; 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 - 5; суммируют сигналы с N блоков комплексного взвешивания сигналов, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки - 6.

Конвертер для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток // 2777219

Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности к конвертеру для преобразования электромагнитной волны в постоянный электрический ток. Технический результат заключается в упрощении конструкции конвертера.

Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки свч-диапазона // 2776863

Изобретение относится к антенной технике, а именно к приемопередающим модулям АФАР СВЧ-диапазона. Технический результат - повышение надежности работы приемных каналов приемопередающего модуля, увеличение угла обзора, повышение точности определения координат цели и дальности ее обнаружения.

Неэквидистантная линейная антенная решетка // 2776775

Изобретение относится к антенной технике, в частности к неэквидистантным линейным антенным решеткам. Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона длин волн, в пределах которого обеспечивается наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки.

Печатная двухдиапазонная дипольная антенна // 2776603

Использование: для построения отдельно стоящих антенн и многодипольных антенн и фазированных антенных решёток радиолокационных и радионавигационных систем с линейной поляризацией радиоизлучения в двух диапазонах, разнесённых между собой по частоте. Сущность изобретения заключается в том, что печатная двухдиапазонная дипольная антенна содержит тонкую прямоугольную диэлектрическую подложку 1 с лицевой 2 и обратной 3 поверхностями, имеющую пару больших 4, 5 и пару малых 6, 7 сторон.