СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АДАПТИВНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD OF SHAPING ADAPTIVE ANTENNA ARRAY DIRECTIONAL PATTERN

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для формирования диаграммы направленности коротковолновой приемной адаптивной антенной решетки.
Известен способ ориентации адаптивной антенной решетки, включающий в себя установление заданного направления луча диаграммы направленности, вычисление весовых коэффициентов, связанных с заданным направлением луча, причем вычисление этих весовых коэффициентов не зависит от свойств принимаемых сигнала и помех, и использование вычисленных весовых коэффициентов для формирования диаграммы направленности [1].
Этот способ не требует использования пилот-сигнала, но он не обеспечивает подавления сосредоточенных по углам прихода помех, если эти помехи попадают в пределы основного или боковых лепестков диаграммы направленности. Адаптация по этому способу заключается только в изменении ориентации диаграммы направленности антенной решетки.
Известен способ формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки, включающий в себя преобразование принятых элементами решетки аналоговых радиочастотных сигналов в форму, удобную для дискретизации, преобразование этих аналоговых сигналов в цифровую форму, численную оптимизацию весовых коэффициентов и использование оптимизированных весовых коэффициентов для формирования рабочей диаграммы направленности [2, 3].
Описанные в [2, 3] способы позволяют подавлять сосредоточенные по углам прихода помехи, но для этого они требуют наличия пилот-сигнала.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ, описанный в [4]. Этот способ формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки включает в себя преобразование принятых элементами решетки аналоговых радиочастотных сигналов в форму, удобную для дискретизации, преобразование этих аналоговых сигналов в цифровую форму, установление заданных направлений лучей диаграммы направленности, предварительное вычисление весовых коэффициентов, связанных с каждым заданным направлением луча, причем предварительное вычисление этих весовых коэффициентов не зависит от свойств принимаемых сигнала и помех, хранение предварительно вычисленных весовых коэффициентов в банке данных, численную оптимизацию весовых коэффициентов (которая в данном случае осуществляется перебором комплектов весовых коэффициентов) и использование оптимизированных весовых коэффициентов для формирования рабочей диаграммы направленности.
В [4] сообщается, что в процессе численной оптимизации весовых коэффициентов может достигаться либо максимальное отношение сигнал-помеха, либо максимум принимаемой мощности сигнала совместно с помехой. В первом случае необходим пилот-сигнал, под которым может пониматься любая информация, передаваемая наряду с полезным сигналом, делающая возможным отличить его от помехи: как-то группа бит в кодовой последовательности, поднесущая и т.п. Использование пилот-сигнала для адаптации нежелательно: его надо организовать, не у каждого из возможных корреспондентов он имеется, на него затрачивается энергия и т.д. Во втором случае имеется возможность потерять связь с корреспондентом из-за наличия сосредоточенной помехи, превышающей по уровню полезный сигнал: в этом случае диаграмма направленности антенной решетки настроится на направление помехи [5].
Задачей изобретения является создание способа формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки, позволяющего получить подавление сосредоточенных по углам прихода помех, в том числе сравнимых по уровню с полезным сигналом и превосходящих его, без использования пилот-сигнала.
Этот технический результат достигается тем, что в известный способ формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки, включающий в себя преобразование принятых элементами решетки аналоговых радиочастотных сигналов в форму, удобную для дискретизации, преобразование этих аналоговых сигналов в цифровую форму, установление заданных направлений лучей диаграммы направленности, предварительное вычисление весовых коэффициентов, связанных с каждым заданным направлением луча, причем предварительное вычисление этих весовых коэффициентов не зависит от свойств принимаемых сигнала и помех, хранение предварительно вычисленных весовых коэффициентов в банке данных, численную оптимизацию весовых коэффициентов и использование оптимизированных весовых коэффициентов для формирования рабочей диаграммы направленности, дополнительно введены операции вычисления эталонной диаграммы направленности по предварительно вычисленным весовым коэффициентам, взятым из банка данных, нормирования эталонной диаграммы направленности на максимум, вычисления диаграммы направленности по сигналам, принятым элементами антенной решетки, нормирования ее на максимум, вычисления вектора разности этих диаграмм направленности, причем в процессе численной оптимизации весовых коэффициентов минимизируется абсолютная величина упомянутого вектора разности диаграмм направленности.
Возможность достижения названного выше технического результата при использовании заявляемого способа установлена в ходе выполнения серии численных экспериментов.
На фиг.1 приведена блок-схема адаптивной антенной решетки, поясняющая заявляемый способ.
На фиг.2 показаны исходные диаграммы направленности (до оптимизации), построенные по значениям токов в элементах антенной решетки, наведенным сигналом и помехой.
На фиг.3 показаны диаграммы направленности после оптимизации, построенные по значениям токов в элементах антенной решетки, наведенным сигналом и помехой.
На фиг.4 показаны рабочие диаграммы направленности адаптивной антенной решетки. На каждой из фигур 2-4 показаны также эталонные диаграммы направленности.
Предлагаемый способ поясняется блок-схемой адаптивной антенной решетки, представленной на фигуре 1, где обозначено: 1 - элементы антенной решетки, 2 - преобразователи сигнала в форму, удобную для дискретизации, 3 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП), 4 - управляющий компьютер, 5 - процессор управляющего компьютера 4, 6 - банк данных (участок памяти управляющего компьютера 4, выделенный для хранения информации о весовых коэффициентах), 7 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Сигналы, принятые элементами 1 адаптивной антенной решетки, поступают в блоки 2, где производятся преобразование частоты, фильтрация помех, частоты которых находятся вне полосы частот сигнала, и демодуляция. Далее в АЦП (блоки 3) производится преобразование сигналов в цифровую форму, после чего они поступают в управляющий компьютер 4, в процессоре 5 которого происходит обработка сигналов, для которой используют предварительно вычисленные для заданных направления и частоты комплексные весовые коэффициенты, хранящиеся в банке данных (блок 6). В процессе обработки оптимизируют весовые коэффициенты для получения минимальной разницы между эталонной и рабочей нормированными диаграммами направленности. Затем в процессоре 5 амплитуды сигналов от элементов решетки умножают на амплитуды соответствующих им оптимизированных весовых коэффициентов, а их фазы складывают с фазами соответствующих весовых коэффициентов, т.е. производят умножение комплексных сигналов от элементов решетки на соответствующие им комплексные весовые коэффициенты. После этого производят суммирование полученных величин, а суммарный сигнал преобразуют в аналоговую форму в ЦАП (блок 7).
Оптимизацию весовых коэффициентов производят следующим образом. Рассчитывают эталонную диаграмму направленности в предположении, что сигналы в элементах решетки соответствуют падению на них плоской волны с заданного направления и заданной частоты, используя набор весовых коэффициентов из банка данных для этих же направления и частоты. Нормируют эту диаграмму направленности на максимум в соответствии с выражением:
где F(θ, φ) - нормированная диаграмма направленности для полярного угла θ и азимута φ;
max
F - максимальное значение диаграммы направленности;
n - число элементов антенной решетки;
i
F(θ, φ) - диаграмма направленности i-го элемента;
- весовой коэффициент, соответствующий i-му элементу;
- амплитуда сигнала на i-м элементе;
k - волновое число, k=2π/λ, где λ - длина волны;
- радиус-вектор i-го элемента с координатами x, y, z;
- орт в направлении θ, φ;
- коэффициент отражения Френеля для параметров почвы в месте расположения антенной решетки.
Комплексные величины обозначены точкой.
Берут отсчет сигналов (преобразованных в цифровую форму) от элементов решетки, усредненных по времени для устранения влияния быстрых замираний и модуляции сигнала и помех. Рассчитывают диаграмму направленности по упомянутым отсчетам сигналов и текущему значению весовых коэффициентов. Нормируют ее на максимум. Варьируя текущие значения весовых коэффициентов, уменьшают абсолютную величину вектора разности эталонной и текущей диаграмм направленности. При достижении требуемой величины вектора разности диаграмм направленности процесс оптимизации останавливают, соответствующее ему значение текущей диаграммы направленности считают рабочей диаграммой направленности, а соответствующий набор весовых коэффициентов - рабочим и его используют для обработки полезного сигнала. Процесс оптимизации повторяют через заданный интервал времени или при нарушении характеристик качества канала. В качестве исходных значений для оптимизации берут значения весовых коэффициентов эталонной диаграммы направленности.
В конкретном примере заявляемого способа оптимизацию весовых коэффициентов выполняют с помощью подпрограммы оптимизации UNLSF из пакета научных подпрограмм IMSL, поставляемых в комплекте современного транслятора с фортрана [6]. Подпрограмма IMSL решает нелинейную задачу наименьших квадратов с использованием модифицированного алгоритма Левенберга-Маркварта и конечно-разностного якобиана. В качестве целевой функции используют m-мерный вектор, составленный из модулей разностей нормированных диаграмм направленности - эталонной и вычисляемой по сигналам, принятым элементами антенной решетки, для каждой из m точек диаграмм направленности.
В банке данных хранят наборы весовых коэффициентов, предварительно вычисленных для всех частот и направлений, предусмотренных волновым расписанием радиостанции. В процессе предварительного расчета весовые коэффициенты также могут быть оптимизированы для увеличения коэффициента направленного действия (сужения диаграмм направленности за счет использования сверхнаправленности) и для компенсации погрешностей, вызванных неточностями изготовления и монтажа антенной решетки, влияние которых при использовании сверхнаправленности может быть существенным.
Возможность подавления сосредоточенных по углам прихода помех с уровнем, сравнимым с уровнем полезного сигнала и превосходящим его, без использования пилот-сигнала при минимизации разности между эталонной и рабочей диаграммами направленности выявлена и подтверждена в ходе выполнения серии численных экспериментов. На фигурах 2-4 представлены диаграммы направленности, построенные для антенной решетки в виде кругового кольца радиусом 8 м, образованным шестью элементами, работающей на частоте 3 МГц. Элементы решетки - симметричные вертикальные вибраторы длиной 2 м с высотой подвеса центра вибратора над землей 3 м. Параметры земли: относительная диэлектрическая проницаемость 10, удельная проводимость 0,01 С/м. Заданное направление: азимут нулевой, полярный угол θ=70°. На всех трех фигурах азимутальная диаграмма направленности соответствует полярному углу θ=70°, диаграмма направленности в вертикальной плоскости - нулевому азимуту φ=0. Кривые 3 и 4 на всех трех фигурах - эталонные диаграммы направленности: 3 - азимутальная, 4 - в вертикальной плоскости. Часть эталонной диаграммы направленности в вертикальной плоскости, соответствующая θ>90°, показана как зеркальное отражение. Эталонные диаграммы направленности оптимизированы в процессе предварительного вычисления весовых коэффициентов с целью повышения коэффициента направленного действия за счет сверхнаправленности. На фиг.2 кривые 1 (азимутальная диаграмма направленности) и 2 (диаграмма направленности в вертикальной плоскости) построены для двух сигналов равных амплитуд и фаз, приходящих с заданного направления φ=0, θ=70° и с направления θ=70°, φ=50°, которое считается направлением прихода помехи, до адаптации (т.е. до оптимизации, направленной на уменьшение вектора разности текущих и эталонных диаграмм направленности). На фиг.3 те же кривые 1 и 2 изображают диаграммы направленности, рассчитанные таким же образом, т.е. по сигналам, полученным от двух источников, после адаптации. Видно, что азимутальная диаграмма направленности существенно приблизилась к эталонной. На фиг.4 показаны диаграммы направленности, рассчитанные, как и на фиг.3, по оптимизированным весовым коэффициентам, но по сигналам только от одного источника, работающего с заданного направления; таким образом, это и есть истинные диаграммы направленности: именно такие получились бы при движении источника сигнала вокруг антенны - так, как измеряют диаграмму направленности приемных коротковолновых антенн, облетом. Действительно, при падении плоской волны с заданного направления на элементах решетки наведутся соответствующие сигналы. Далее эти сигналы умножаются на весовые коэффициенты и суммируются. Если обратить направление хода сигналов, то получим следующее. Сигналы от передатчика разделяются на n частей, умножаются на весовые коэффициенты и поступают в элементы антенны, где и излучаются. На основании принципа взаимности это будет такая же диаграмма направленности, что и в приемном варианте. На азимутальной диаграмме направленности имеется глубокий провал в направлении, близком к φ=50°, т.е. помеха существенно подавлена (точное значение подавления 21,36 дБ относительно сигнала с заданного направления; сигнал в заданном направлении составляет 0,8888 от максимума, поскольку максимум несколько сдвинулся). Сигнал и помеха не отличались друг от друга ни по частоте, ни по уровню, ни по фазе, ни по какому-нибудь другому признаку, который можно было бы посчитать за наличие пилот-сигнала.
Адаптация по эталонной диаграмме направленности занимает больше времени, чем по пилот-сигналу, однако для коротковолнового диапазона это, как правило, не существенно, т.к. помеховая обстановка в этом диапазоне обычно изменяется медленно.
Использованные источники
7
1. Патент РФ №2216829, МПК H01Q 3/26.
7
2. Патент РФ №2232485, МПК H04Q 7/30.
3. Патент РФ №2287880, МПК H01Q 21/29 (2006.01), H01Q 3/26 (2006.01).
4. Патент США №7312750, МПК H01Q 3/22 (2006.01), H01Q 3/26 (2006.01).
5. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.
6. Бартеньев О.В. ФОРТРАН ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ. Математическая библиотека IMSL: Ч.2. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. - 320 с.