Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка
AUTOMATED MULTIFUNCTIONAL ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи, радиолокации и радионавигации при приеме сигналов в условиях воздействия помех.
Известна адаптивная антенная решетка [1, с. 56, 2], содержащая N антенных элементов. В канал каждого антенного элемента введено устройство с квадратурными каналами, с помощью которого сигнал разделяется на синфазную и квадратурную составляющие, а каждая из составляющих подвергается операции умножения на весовой коэффициент. Получаемые после такой обработки сигналы складываются в сумматоре. Управление величинами весовых коэффициентов осуществляется с помощью сигнального процессора.
Однако данная адаптивная антенная решетка функционирует в узкой полосе частот, форма диаграммы направленности будет постоянной, а сама антенна сможет выполнять только одну функцию.
Известна адаптивная антенная решетка [3], содержащая антенные элементы, гибридные устройства, обеспечивающие разделение сигналов на синфазные и квадратурные составляющие, весовые умножители, общий сумматор, адаптивные контуры, полосовой и заградительный фильтры, блоки измерения мощности, блок сравнения и блок управления. С помощью фильтров, блоков измерения мощности, блока сравнения и блока управления обеспечивается минимизация и максимизация выходной мощности общего сумматора в режимах подавления помехи и выделения полезного сигнала.
Недостатком данной адаптивной антенной решетки является усложнение схемы адаптивной антенной решетки и необходимость раздельного выполнения режимов минимизации помехи и максимизации мощности полезного сигнала. Также она способна принимать только один полезный сигнал в единицу времени.
Известна адаптивная антенная решетка [4] содержит N антенных элементов, на выходах которых установлены N полосовых фильтров, M×N блоков комплексного взвешивания сигналов, М сигнальных сумматоров, общий сумматор и адаптивный процессор. Адаптивный процессор выполнен в виде совокупности М блоков формирования весовых коэффициентов. М выходов каждого из N полосовых фильтров соединены для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала с соответствующими входами М блоков формирования весовых коэффициентов непосредственно, а с соответствующими входами М сигнальных сумматоров - через блоки комплексного взвешивания сигналов. Данная адаптивная антенная решетка обладает высокой помехоустойчивостью при обработке широкополосных сигналов при любой сигнально-помеховой обстановке.
Основным недостатком рассматриваемой адаптивной антенной решетки является то, что она способна принимать только один полезный сигнал в единицу времени. Второй недостаток - отсутствие функции универсальности, то есть адаптивная антенная решетка может применяться только для систем радиосвязи, либо только для систем радионавигации, либо только для систем радиолокации.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является многофункциональная адаптивная антенная решетка [5], содержащая N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор. Адаптивный процессор состоит из блока формирования управляющего вектора, отвечающего за фазирование антенной решетки в направление прихода полезного сигнала и форму главного максимума диаграммы направленности, блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы N антенных элементов подключены ко входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и ко входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов через блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены ко входам блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выход блок формирования управляющего вектора подключен к управляющему входу блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов, являющиеся выходами адаптивного процессора, подключены к управляющим входам N блоков комплексного взвешивания, выходы которых подключены к общему сумматору.
Недостатком данной многофункциональной адаптивной антенной решетки является то, что она функционирует в узкой полосе частот и не способна одновременно принимать несколько полезных сигналов, приходящих с различных направлений.
Предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка направлена на достижение технического результата, заключающегося в возможности антенной решетки одновременно формировать более одной диаграммы направленности для различных частотных диапазонов в различных направлениях и оперативно изменять формы главных максимумов диаграмм направленности, за счет изменения амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки в сложной сигнально-помеховой обстановке. Это позволяет одновременно использовать одну и ту же антенную решетку для различных целей, например, для радиосвязи или для радиолокации, или для радионавигации и т.д., что делает ее универсальной для различных систем.
Для достижения указанного технического результата в многофункциональную адаптивную антенную решетку, являющуюся наиболее близким аналогом (прототипом), содержащую N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, адаптивный процессор, состоящий из блока формирования вектора весовых коэффициентов, в состав которого входят блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок перемножения, дополнительно введены N полосовых фильтров, пульт оператора, K сумматоров по частотной составляющей, а также K ключей К1 и K ключей К2, количество блоков комплексного взвешивания сигналов увеличено в K раз, в адаптивный процессор дополнительно введены K-1 блоков формирования вектора весовых коэффициентов, блок аппроксимации вектора весовых коэффициентов, K ключей К1 и K ключей К2, причем выходы N антенных элементов через N полосовых фильтров подключены к соответствующим информационным входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а также к информационным входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, управляющие выходы пульта оператора подключены к блоку формирования управляющего вектора каждого из K блоков формирования вектора весовых коэффициентов адаптивного процессора, выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены к первым входам блока перемножения, второй вход блока перемножения подключен к выходу блока формирования управляющего вектора, выходы каждого из K блока перемножения, являющиеся выходами K блоков формирования вектора весовых коэффициентов через K ключей К1 подключены ко входам блока аппроксимации вектора весовых коэффициентов, выход которого является управляющим выходом адаптивного процессора, подключенным к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, а через K ключей К2 подключены к соответствующим управляющим входам N×K блоков комплексного взвешивания сигналов, выходы N×K блоков комплексного взвешивания сигналов подключены к соответствующим K сумматорам по частотной составляющей, выходы K сумматоров по частотной составляющей через K ключей К1 подключены к общему сумматору, выход которого является выходом устройства, а через K ключей К2 к выходам устройства.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
- введены N полосовых фильтров, пульт оператора, K сумматоров по частотной составляющей, 2K ключей К1 и 2K ключей К2, количество блоков комплексного взвешивания сигналов увеличилось в K раз;
- изменены связи между элементами;
- в адаптивный процессор дополнительно введены K-1 блоков формирования вектора весовых коэффициентов и блок аппроксимации вектора весовых коэффициентов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки.
На фиг. 2 представлена структурная схема адаптивного процессора.
На фиг. 3 приведена структурная схема блока формирования весовых коэффициентов.
На фиг. 4 приведен частотный диапазон функционирования автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки, разделенный на K частных каналов обработки.
На фиг. 5 приведена оптимальная (1) и аппроксимированная (2) частотная зависимость реальной части вектора весовых коэффициентов.
На фиг. 6 приведена оптимальная (1) и аппроксимированная (2) частотная зависимость мнимой части вектора весовых коэффициентов
В состав автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки (фиг. 1) входят антенные элементы 1, образующие N-элементную антенную решетку и подключенные к N полосовым фильтрам 2. Пульт оператора 3 подключен к адаптивному процессору 4, выходы N полосовым фильтрам 2 подключены к адаптивному процессору 4 и ко входам N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Выходы адаптивного процессора 4 подключены ко входам N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов, выходы N×K блоков 5 комплексного взвешивания сигналов подключены к соответствующим K сумматорам по частотной составляющей 6, выходы которых через K ключей К1 подключены к общему сумматору 7, а через K ключей К2 являются выходами устройства.
Адаптивный процессор 4 (фиг. 2) состоит из совокупности K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов, управляющие входы которых соединены с пультом оператора 3, а информационные входы - с выходами полосовых фильтров 2. Выходы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов через K ключей К1 подключены к блоку 9 аппроксимации вектора весовых коэффициентов, выход которого является управляющим выходом адаптивного процессора, а через K ключей К2 являются управляющими выходами адаптивного процессора.
Каждый из K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов (фиг. 3) состоит из блока 10 формирования управляющего вектора, управляющий вход которого соединен с пультом оператора 3, а выход со входом блока 13 перемножения, блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, входы которого подключены к выходам полосовых фильтров 2. N выходов блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов соединены с N входами блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого соединены со входами блока 13 перемножения. Выход блока 13 перемножения является выходом блока 8 формирования вектора весовых коэффициентов.
Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой автоматизированной многофункциональной адаптивной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование приема узкополосного полезного сигнала или части широкополосного полезного сигнала для каждого из K частотного канала обработки.
0,
0
l
l,
Рассмотрим N-элементную антенную решетку с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления θ ϕ и подавление помех, приходящих с неизвестных направлений θ, ϕ (l=1, …, L). Требуется определить и реализовать набор весовых коэффициентов в каналах адаптивной антенной решетки, обеспечивающих максимум отношения сигнал / (помеха + шум) на выходе адаптивной антенной решетки.
Запишем критерий максимума отношения сигнал / (помеха + шум):
ss
где R - ковариационная матрица полезного сигнала;
nn
R - ковариационная матрица сигналов помех;
W - вектор весовых коэффициентов;
T,* - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.
Оптимальная зависимость вектора весовых коэффициентов имеет вид [1]:
где  - обратная ковариационная матрица помеховых сигналов;
0
n
n
0
0
n
0
0
0
0
S=Аехр(-ik(xsinθcosϕ+уsinθsinϕ)) - управляющий вектор, обеспечивающий построение заданной диаграммы направленности (в заданном направлении θ, ϕ с заданной формой главного максимума);
n
А - вектор амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки;
k - волновое число;
0
0
θ, ϕ - углы направления прихода полезного сигнала;
n
n
х, y - координаты n-го элемента антенной решетки.
Ковариационная матрица помеховых сигналов при произвольном числе помеховых сигналов определяется соотношением вида:
2
где σ - мощность тепловых шумов антенной решетки;
Е - единичная матрица размерностью N×N;
ν - мощность помехового сигнала;
- вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме -го () помехового сигнала.
Тогда обратная ковариационная матрица с использованием выражения (2) записывается так:
p
n
р
р
n
р
р
где U=exp(-ik(xsinθcosϕ+уsinθsinϕ)) - вектор-столбец, элементами которого являются комплексные сомножители, учитывающие фазовый набег на каждом элементе антенной решетки при приеме р-го (р=1, …, L) помехового сигнала.
В соотношении (4) известны все члены за исключением коэффициентов , которые можно найти из выражения (3) и (4), учитывая условие:
В частном случае одной помехи коэффициент  определяется в виде:
а обратная ковариационная матрица помеховых сигналов после подстановки (5) в (4) определяется формулой:
Выражение для вектора весовых коэффициентов в этом случае имеет вид:
0
1
После проведения математических преобразований выражения (7) с учетом соотношений для S и U, получим аналитическую зависимость вектора весовых коэффициентов. Полученный вектор весовых коэффициентов позволяет сфазировать антенную решетку в направление прихода полезного сигнала, сформировать требуемую форму главного максимума диаграммы направленности, а также «нули» диаграммы направленности в направлении помеховых сигналов.
В случае, когда полезный сигнал характеризуется не одной частотой, а спектром частот возникает необходимость формирования вектора весовых коэффициентов для всего частотного диапазона, что на практике невозможно. Поэтому предлагается для каждого k-го частотного канала обработки оптимально определять вектор весовых коэффициентов для k-ой частоты. Для остальных частот непрерывного спектра сигнала производить аппроксимацию вектора весовых коэффициентов различными функциями, например, кусочно-постоянной или кусочно-линейной (фиг. 4-6).
Таким образом, выражение (7) примет вид:
где  - оптимальный вектор весовых коэффициентов для k-ой частоты;
- аппроксимирующая функция (фиг. 5-6).
Предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка функционирует следующим образом.
Аддитивная смесь полезных сигналов, приходящих с различных направлений на различных частотах, шума и помеховых сигналов принимается N антенными элементами 1. N полосовых фильтров 2 разделяют принятую аддитивную смесь сигналов на K частотных диапазона (фиг. 4). Часть разделенной аддитивной смеси сигналов поступает на входы блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Аналогично вторая часть аддитивной сигналов подается на соответствующие информационные входы адаптивного процессора 4, а именно, на соответствующие информационные входы блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов, а в каждом из них на входы блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов.
0
n
n
0
0
n
0
0
Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора 4. Аддитивная смесь сигналов, разделенная на K частотных диапазонов, поступает на входы соответствующего k-го блока 8 формирования вектора весовых коэффициентов, а в каждом из них на входы блока 11 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, в котором в соответствии с приведенными соотношениями формируются элементы ковариационной матрицы помеховых сигналов для k-го частотного канала обработки. Сигналы, соответствующие элементам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов. Далее сигналы от блока 12 обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов поступают на первые входы блока 13 перемножения. На второй вход блока 13 перемножения поступает управляющий сигнал от блока 10 формирования управляющего вектора (S=Аехр(-ik(xsinθcosϕ+уsinθsinϕ))), содержащий сведения о направлении прихода полезного сигнала и форме требуемого главного максимума диаграммы направленности. Форма главного максимума диаграммы направленности напрямую зависит от задач, выполняемых антенной решеткой, и способна изменяться в масштабе реального времени. Сигнал о направлении прихода полезного сигнала и изменении амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки, а следовательно и формы главного максимума диаграммы направленности, выдается блоком 10 формирования управляющего вектора по команде с пульта оператора 3. В блоке 13 перемножения формируются сигналы для управления соответствующими блоками 5 комплексного взвешивания сигналов. Формирование этих сигналов выполняется на основе правил умножения матриц, которые легко реализуются с использованием перемножителей и сумматоров низкочастотных сигналов. Выходные сигналы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов через замкнутые по команде с пульта оператора 3 ключи К2 являются выходными сигналами адаптивного процессора. Если по команде, поступающей с пульта оператора, замкнуты ключи К1, то выходные сигналы K блоков 8 формирования вектора весовых коэффициентов поступают на входы блока 9 аппроксимации вектора весовых коэффициентов, где производится формирование вектора весовых коэффициентов в соответствии с выражением (8). В результате на выходе адаптивного процессора создаются управляющие воздействия, поступающие на соответствующие управляющие входы блоков 5 комплексного взвешивания сигналов. Сигналы с выходов блоков 5 комплексного взвешивания сигналов поступают на входы соответствующих сумматоров по частотной составляющей 6. Выходы сумматоров по частотной составляющей 6 через замкнутые по команде, поступающей с пульта оператора 3, ключи К1 являются выходами устройства. В данном случае сигналы, поступающие на выход устройства, представляют собой принятые одновременно с различных направлений узкополосные сигналы. Через замкнутые по команде, поступающей с пульта оператора 3, ключи К2 сигналы с выходов сумматоров по частотной составляющей 6 поступают на общий сумматор 7, в котором производится суммирование сигналов по частоте. Выход общего сумматора 7 является выходом устройства. В данном случае сигнал, поступающий с выхода устройства, является принятый с определенного направления широкополосный сигнал. При необходимости объединения нескольких частотных диапазонов с пульта оператора 3 поступает команда на замыкание соответствующих ключей К1. Для остальных частотных каналов обработки по команде с пульта оператора 3 замыкаются соответствующие ключи К2. Ключи К1 и К2 по одной и той же команде замыкаются во всех элементах устройства. Таким образом, автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может одновременно принимать сигналы, приходящие с различных направлений с различной шириной спектра от различных радиотехнических систем.
Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может быть реализована на современной элементной базе. Выполнение введенных блоков не вызывает затруднений.
Из сказанного следует, что предлагаемая автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка в зависимости от вида выполняемых задач, от которых зависит форма главного максимума диаграммы направленности, обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, позволяет принимать полезные сигналы, поступающие с различных направлений на различных частотах, оперативно изменять форму главного максимума диаграммы направленности. Автоматизированная многофункциональная адаптивная антенная решетка может быть реализована с использованием существующих радиоэлектронных средств и элементов.
Таким образом, введение совокупности новых элементов позволяет получить технический результат, заключающегося в возможности антенной решетки одновременно формировать более одной диаграммы направленности на различных частотных диапазонах в различных направлениях и оперативно изменять формы главных максимумов диаграмм направленности, за счет изменения амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки в сложной сигнально-помеховой обстановке. Это позволяет одновременно использовать одну и ту же антенную решетку для различных целей, например, для радиосвязи или для радиолокации, или для радионавигации и т.д., что делает ее универсальной для различных систем.
Литература
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 56.
2. АС СССР, №1506569, 1987 г.
3. АС СССР, №1548820, 1990 г.
4. RU, №2466482, 2012 г.
5. RU, №2579996, 2016 г.