Способ обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех
METHOD FOR PROCESSING SIGNALS IN AN ADAPTIVE ANTENNA ARRAY WHEN RECEIVING CORRELATED SIGNALS AND INTERFERENCE

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]. 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] 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], 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.
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 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.
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.
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.
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.
При реализации предлагаемого способа обработки сигналов в адаптивной антенной решетке при приеме коррелированных сигналов и помех выполняется следующая последовательность операций:
- 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;
- 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;
- на основе пеленгационной характеристики формируют вектор весовых коэффициентов, соответствующий полезному сигналу, и вычитают его из сигналов, соответствующих ответвленной части мощности по соответствующим каналам - 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;
- суммируют сигналы с N блоков комплексного взвешивания сигналов, образуя выходной сигнал адаптивной антенной решетки - 5;
- сигналы, соответствующие прошедшей части мощности, суммируют в N блоках комплексного взвешивания сигналов с полученными комплексными весовыми коэффициентами в каналах антенных элементов - 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.
На фиг. 2 представлена диаграмма направленности адаптивной антенной решетки при мощности помехи на 20 дБ больше мощности полезного сигнала.
На фиг. 3 представлена диаграмма направленности адаптивной антенной решетки при равных мощностях помехи и полезного сигнала.
На фиг. 4 представлена пеленгационная характеристика адаптивной антенной решетки.
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.
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.
Прежде чем рассмотреть функционирование адаптивной антенной решетки, реализующей предложенный способ обработки сигналов, для его обоснования необходимо изложить следующее.
о
0
Пусть имеется N - элементная адаптивная антенная решетка, на вход которой поступает один полезный сигнал с направления θ, ϕ и помеховые сигналы с направлений
В качестве критерия адаптации выбран критерий максимума отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ)
ss
где R - ковариационная матрица полезного сигнала;
nn
R - ковариационная матрица сигналов помех;
Н - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения.
Как известно, оптимальный вектор весовых коэффициентов для данного критерия имеет вид
0
где S - вектор, элементами которого являются комплексные амплитуды токов в излучателях, обеспечивающие формирование главного максимума ДН в направлении полезного сигнала.
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 образом
2
где σ - мощность тепловых шумов в каналах антенной решетки;
- мощность -го помехового сигнала;
- вектор-столбец, элементами которого являются комплексные величины, учитывающие фазовые задержки при распространении плоской волны, приходящей с направления  в излучателях антенны;
Е - единичная матрица размерности N×N.
Однако если рассмотреть простейший случай прихода полезного сигнала, который заранее неизвестен, и одной помехи в виде
s
1
где P, P - 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 вид
где γ - коэффициент корреляции.
0
1
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 θ=0°, направление прихода помехового сигнала θ=-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.
В связи с этим для решения сформулированной задачи о подавлении адаптивной антенной решеткой помех, коррелированных с полезным сигналом, рассмотрим следующий подход.
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 соотношений
для метода Кейпона и
для метода «теплового шума»,
где S(θ, ϕ) - сканирующий вектор;
Т,* - обозначения операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.
Сканирующий вектор может быть представлен следующим образом
0
0
где ε, μ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства;
ω - циклическая частота пеленгации;
n
n
x, y - координаты n-го элемента антенной решетки;
θ, ϕ - углы сканирования АР.
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.
На фигуре 4 представлена пеленгационная характеристика для тех же исходных данных, которые были взяты для построения диаграммы направленности, представленной на фигуре 3.
Затем формируется вектор весовых коэффициентов вида
0
0
где θ, ϕ - углы прихода полезного сигнала.
Вектор весовых коэффициентов  вычитается из выражения (5) и полезный сигнал исключается из канала адаптации.
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).
Степень коррелированности между собой помеховых сигналов на качество адаптации не влияет.
Рассмотрим функционирование адаптивной антенной решетки.
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.
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.
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.
Литература
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986, с. 80-86, 179-240.
2. ТИИЭР, 1967, т. 55, №12, с. 78-95.
3. IEEE Trans Antennas and Propag., vol. AP-26, 1978, №2, p. 228-235.
4. Патент RU 2609792 от 03.02.2017 г.