АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи при приеме сигналов в условиях воздействия помех, источники которых находятся в движении.
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 функционирование данной адаптивной антенной решетки при изменении направления прихода полезного и помеховых сигналов связано с большими вычислительными и временными затратами.
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 и необходимость раздельного выполнения режимов минимизации помехи и максимизации мощности полезного сигнала, что приводит к увеличению вычислительных затрат и снижению быстродействия.
Известна адаптивная антенная решетка [4], содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с входами общего сумматора, N адаптивных контуров, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, а вторые входы - с выходами общего сумматора. Первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим входам комплексных весовых умножителей. Первые и вторые входы блока максимизации выходной мощности соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а выходы - с соответствующими входами адаптивных контуров. Адаптивная антенная решетка обладает большей помехозащищенностью по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот.
Однако подобную адаптивную антенную решетку целесообразно использовать при приеме сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи, например сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты. Кроме того, введение блока максимизации выходной мощности и изменение связей, обусловленных этим введением, существенно усложняет адаптивную антенную решетку.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является многофункциональная адаптивная антенная решетка [5], в состав которой входят N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, адаптивный процессор, содержащий блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы антенных элементов подключены к соответствующим входам блоков комплексного взвешивания сигналов и к входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены к входами блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов, являющиеся выходами адаптивного процессора, подключены к управляющим входам блоков комплексного взвешивания, выходы которых подключены к общему сумматору.
Недостатками данного устройства, как и аналогов, являются большие вычислительные затраты и низкое быстродействие при формировании «нулей» диаграммы направленности антенной решетки в направлении прихода помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников.
Предлагаемая адаптивная антенная решетка направлена на достижение технического результата - повышение быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при приеме полезного сигнала и подавлении помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников за счет подстройки вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода.
Для достижения указанного технического результата в адаптивный процессор, содержащий блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок формирования вектора весовых коэффициентов, многофункциональной адаптивной антенной решетки, являющейся наиболее близким аналогом (прототипом), содержащей N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, дополнительно введен блок измерения отношения сигнал / (помеха + шум). Также изменена структура блока формирования вектора весовых коэффициентов, состоящего из блока формирования шага, четырех вычислительных модулей и блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выходы N антенных элементов подключены к информационным входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и к входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока формирования вектора весовых коэффициентов, а именно к первым входам первого вычислительного модуля блока формирования вектора весовых коэффициентов, ко второму входу первого вычислительного модуля подключен первый выход блока формирования шага. Выходы первого вычислительного модуля подключены к первым входам третьего вычислительного модуля, второй выход блока формирования шага подключен к входу второго вычислительного модуля, выходы которого подключены ко вторым входам третьего вычислительного модуля, выходы которого подключены к первым входам четвертого вычислительного модуля, второй вход которого подключен к выходу блока формирования управляющего вектора, информационный вход которого подключен к внешнему источнику. Третий вход четвертого вычислительного модуля подключен к выходу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выход четвертого вычислительного модуля, являясь выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов и адаптивного процессора, подключен к управляющим входам блоков комплексного взвешивания, а также ко второму входу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Входы N блоков комплексного взвешивания подключены к общему сумматору, выход которого подключен к входу блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум) адаптивного процессора, выход которого подключен к входу блока формирования шага и к первому входу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выход общего сумматора также является выходом устройства.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:
в адаптивный процессор введен блок измерения отношения сигнал / (помеха + шум);
изменены связи между блоками: выход общего сумматора подключен к адаптивному процессору, а именно, к блоку измерения отношения сигнал / (помеха + шум); выход блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подключен к блоку формирования вектора весовых коэффициентов; выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к входам блока формирования вектора весовых коэффициентов;
изменена структура блока формирования вектора весовых коэффициентов.
Сочетание отличительных признаков предложенной адаптивной антенной решетки из доступной литературы неизвестно, поэтому она соответствует критерию изобретения «новизна».
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней областях позволяет сделать вывод, что введенные элементы в указанной совокупности неизвестны, и их введение в адаптивную антенную решетку указанным образом и с указанными связями позволяет обеспечить ей новое свойство - осуществлять подстройку вектора весовых коэффициентов на основе градиентного метода с целью оперативного изменения направления «нулей» диаграммы направленности. Данное свойство позволяет эффективно подавлять помеховые сигналы, источники которых находятся в движении. В целом это обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
На фигуре 1 приведена структурная схема адаптивной антенной решетки.
На фигуре 2 представлен вариант выполнения адаптивного процессора.
На фигуре 3 приведена схема блока формирования вектора весовых коэффициентов.
0
На фигуре 4 приведены графики переходных характеристик при формировании вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода для случаев, когда за начальные значения вектора весовых коэффициентов берется вектор S (кривая 1) и значение вектора весовых коэффициентов, полученное на предыдущем этапе подстройки (кривая 2).
0
На фигуре 5 приведен график изменения амплитуды вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение вектора S.
0
На фигуре 6 приведен график изменения фазы вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение вектора S.
На фигуре 7 приведен график изменения амплитуды вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение, полученное на предыдущем этапе подстройки.
На фигуре 8 приведен график изменения фазы вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение, полученное на предыдущем этапе подстройки.
На фигуре 9 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в начальный момент времени Т=0 при изменении углового положения источников помеховых сигналов.
На фигуре 10 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в середине процесса подстройки вектора весовых коэффициентов Т/2 при изменении углового положения источников помеховых сигналов.
На фигуре 11 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в установившемся режиме.
В состав адаптивной антенной решетки (фиг. 1) входят антенные элементы 1, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор 2, выходы которого подключены к входам N блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор 4, к которому подключены выходы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, выход общего сумматора 4 подключен к адаптивному процессору 2, а также является выходом устройства.
Адаптивный процессор 2 (фиг. 2) включает в свой состав блок 5 формирования управляющего вектора, блок 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок 7 формирования вектора весовых коэффициентов, блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум). Выходы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов, второй вход которого подключен к выходу блока 5 формирования управляющего вектора. Информационный вход блока 5 формирования управляющего вектора подключен к внешнему источнику. Выход блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов является выходом адаптивного процессора 2. Выход блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подключен к блоку 7 формирования вектора весовых коэффициентов.
Блок 7 формирования вектора весовых коэффициентов (фиг. 3) включает в свой состав блок 9 формирования шага, четыре вычислительных модуля 10-13 и блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Выходы блока 9 формирования шага подключены к входам первого и второго вычислительных модулей 10 и 11. Выходы первого и второго вычислительных модулей 10 и 11 подключены к соответствующим входам третьего вычислительного модуля 12. К соответствующим входам четвертого вычислительного модуля 13 подключены выходы третьего вычислительного модуля 12 и блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Выход четвертого вычислительного модуля 13 подключен к входу блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов и является выходом блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов.
Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой адаптивной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование приема полезного сигнала, реализованного в предлагаемом устройстве при воздействии различных помеховых сигналов, источники которых постоянно изменяют свое положение в пространстве.
0
0
Рассмотрим N-элементную антенную решетку с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления θ, ϕ и подавление помеховых сигналов, приходящих с неизвестных направлений , , (), источники которых постоянно изменяют свое положение в пространстве. Требуется определить и реализовать набор весовых коэффициентов в каналах адаптивной антенной решетки, обеспечивающих максимум отношения сигнал / (помеха + шум) на выходе адаптивной антенной решетки.
Целевой функцией является максимум ОСПШ
где W - вектор весовых коэффициентов;
ss
R - ковариационная матрица полезного сигнала;
nn
R - ковариационная матрица помеховых сигналов;
+ - операция комплексного сопряжения и транспонирования.
Для максимизации выражения (1) необходимо, чтобы вектор весовых коэффициентов принял оптимальное значение
0
где S - вектор, отвечающий за формирование диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении прихода полезного сигнала в отсутствии помех.
* - операция комплексного сопряжения.
Весовые коэффициенты, полученные на основе выражения (2), позволяют сформировать «нули» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлениях на источники помеховых сигналов и подавить их. Однако, если источники помеховых сигналов находятся в движении, необходимо постоянно вычислять обратную ковариационную матрицу помеховых сигналов, что связано с большими временными и вычислительными затратами. В связи с этим, данный подход целесообразнее применять для случая стационарных источников помех.
Так как целевой функции (1) соответствует только один глобальный максимум, то для его поиска возможно применение градиентного метода, описанного в [1]
где W(j+1) - значение вектора весовых коэффициентов на j+1 итерации ();
W(j) - значение вектора весовых коэффициентов на j-ой итерации;
α(j) - число, определяющее направление и шаг адаптации на j-ой итерации;
w
∇(Q) - градиент целевой функции.
Выражение (3) после несложных математических преобразований примет вид
где Е - единичная матрица;
dt - шаг итерации;
γ - коэффициент, характеризующий интенсивность адаптации;
ΔW(j) - вектор, характеризующий шумы адаптации.
0
opt
0
Следует отметить, что в начальный момент времени при первой итерации значение W(j) равно W(0)=S. Далее с каждым шагом W(j) будет стремиться к W. Основным достоинством данного метода является то, что отпадает необходимость в прямом обращении ковариационной матрицы помеховых сигналов. Однако выражение (4) эффективно для случая, когда источники сигналов не перемещаются в пространстве. Это связано с тем, что в случае изменения направления излучения хотя бы одного из источников помеховых сигналов необходимо производить подстройку вектора весовых коэффициентов, опять начиная с W(0)=S (фиг. 5-6), хотя сам вектор весовых коэффициентов изменяется незначительно. Данный подход приводит к увеличению времени переходного процесса (фиг. 4 кривая 1) при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и снижению быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на источники помеховых сигналов, находящихся в движении (фиг. 9-11 пунктирная кривая).
nn
Для сокращения время переходного процесса при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и повышения быстродействия функционирования адаптивная антенная решетка при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на помеховые сигналы, источники которых находятся в движении, необходимо, чтобы при каждом изменении ковариационной матрицы R производился пересчет вектора весовых коэффициентов на основе выражения (4), но уже с учетом предыдущего значения, так как его амплитудные и фазовые характеристики изменяются незначительно (фиг. 7-8). Скорость пересчета вектора весовых коэффициентов должна быть в разы больше скорости изменения направления на источник полезного сигнала и помех.
С учетом вышесказанного, выражение (3) примет вид
В выражении (5) индекс  обозначает изменение углового положения источников излучения помеховых сигналов.
Тогда выражение (4) преобразуется к виду
0
0
Отличительной особенностью функционирования адаптивной антенной решетки на основе выражения (6) является тот факт, что вектор весовых коэффициентов W(i, j) только в начальный момент при первой итерации принимает значение W(0,0)=S, далее, при изменении углового положения источников помех и, следовательно, ковариационной матрицы помеховых сигналов , вектор весовых коэффициентов принимает значение вектора, полученного при предыдущем угловом положении источников помех (фиг. 7-8), то есть W(i+1, 0)=W(i, J). Такой подход позволяет уже в начальный момент времени при изменении углового положения источников помеховых сигналов обеспечить формирование «нулей» диаграммы направленности в их направлении (фиг. 9-11 сплошная кривая) и значительно сократить время переходного процесса (фиг. 4 кривая 2). В случае, если изменяется направление излучения полезного сигнала, алгоритм, описанный выше, повторяется, то есть вектор весовых коэффициентов в начальный момент времени принимает значение W(0,0)=S.
Предлагаемая адаптивная антенная решетка функционирует следующим образом.
Аддитивная смесь полезного сигнала, шума и помехового сигнала принимается N антенными элементами 1. Часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала поступает на входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Аналогично вторая часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала подается на соответствующие входы адаптивного процессора 2, а именно, на входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов.
0
n
n
0
0
n
0
0
Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора 2. Смесь полезного и помехового сигналов подаются на входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, в которых в соответствии с приведенными соотношениями формируются коэффициенты ковариационной матрицы помеховых сигналов. Сигналы, соответствующие коэффициентам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов. На управляющий вход блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов поступает также сигнал от блока 5 формирования управляющего вектора (S=Aexp(-ik(x sin θ cos ϕ+у sin θ sin ϕ))), содержащего сведения о направлении прихода полезного сигнала и амплитудно-фазовом распределении токов в излучателях антенной решетки. Сигнал о направлении прихода полезного сигнала и изменении амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки поступает на информационный вход блока 5 формирования управляющего вектора от внешнего источника. По управляющей команде от блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) в блоке 7 формирования вектора весовых коэффициентов формируются сигналы, соответствующие элементам вектора весовых коэффициентов. Формирование этих сигналов выполняется на основе градиентного метода.
nn
nn
0
Рассмотрим подробнее функционирование блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов. На входы первого вычислительного модуля 10 поступают сигналы от блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, а также сигнал от блока 9 формирования шага. В результате в первом вычислительном модуле 10, хранящем информацию о значении коэффициента γ, производится операция умножения γdtR. Сигнал от блока 9 формирования шага поступает на вход второго вычислительного модуля 11, который хранит информацию о размерности единичной матрицы Е. В результате во втором вычислительном модуле 11 производится операция (dt-1)Е. Сигналы от первого и второго вычислительных модулей 10 и 11 поступают на соответствующие входы третьего вычислительного модуля 12, где производится операция сложения [(dt-1)Е+γdtR]. Далее сигналы от третьего вычислительного модуля 12 поступают на входы четвертого вычислительного модуля 13. Также на входы четвертого вычислительного модуля 13 поступают сигналы блока 5 формирования управляющего вектора и от блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов, в котором хранится значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанное на предыдущем шаге итерации. В четвертом вычислительном модуле 13 производится формирование вектора весовых коэффициентов на основе выражения (6), значение которого записывается в блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Управляющие воздействия от вычислительного модуля 13 поступают на соответствующие управляющие входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Составляющие полезного сигнала, умноженные на свои весовые коэффициенты, поступают в сумматор 4, где производится суммирование сигналов. С выхода сумматора 4 сигнал поступает на вход адаптивного процессора 2, а именно на вход блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум), где производится измерение ОСПШ и сравнение его со значением, полученным на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ больше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подает команду на блок 9 формирования шага, который формирует значение следующего шага итерации, и блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ меньше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подает команду только на блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Данный сигнал поступает на четвертый вычислительный модуль 13 и далее на управляющие входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, затем на сумматор 4 и на выход устройства. В случае, если источник полезного сигнала изменил свое местоположение, то в качестве значения вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге, выступает значение управляющего вектора S, которое поступает на четвертый вычислительный модуль 13 от блока 5 формирования управляющего вектора, сформированного на основе информационного сигнала, поступившего от внешнего источника.
Исследование полученных закономерностей проведено на основе антенной решетки прямоугольного раскрыва 10×10 излучателей (N=100). Направление прихода полезного сигнала по углу θ изменяется от 0° до 10°, по углу ϕ не изменяется и равно 0°. На ААР воздействуют четыре помехи мощностью 30 дБ каждая. Направления прихода помеховых сигналов по углу ϕ не изменяются и равны 0°. Направления прихода по углу θ первой помехи изменяется от -17° до 12°, второй - от 17° до 32°, третьей - от 28° до 38°, четвертой - от 45° до 55°. Уровень шума адаптации составляет -50 дБ. Коэффициент, характеризующий интенсивность адаптации γ, принят равным 0.3.
Результаты моделирования приведены на фигурах 4-11.
Адаптивная антенная решетка может быть реализована на современной элементной базе. Выполнение введенных блоков не вызывает затруднений.
Сказанное выше подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость» предложенного технического решения.
Из сказанного следует, что адаптивная антенная решетка обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, источники которых находятся в движении, в реальном масштабе времени.
Таким образом, введение нового блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум), а также изменение структуры блока формирования вектора весовых коэффициентов позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при приеме полезного сигнала и подавлении помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников за счет подстройки вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода.
Литература
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.
2. Авторское свидетельство 1506569. Устройство для приема широкополосных сигналов с адаптивной антенной решеткой / В.И. Журавлев, Т.О. Бокк. - Бюллетень изобретений №33, 25.06.1987 г. - H04L 7/02.
3. Авторское свидетельство 1548820. Адаптивная антенная решетка / Л.А. Марчук, В.В. Поповский, В.И. Евдокимов, С.М. Крымов, И.В. Сергеев. - Бюллетень изобретений №9, 07.03.1990 г. - H0/Q 21/00.
4. Патент 2099838 (РФ). Адаптивная антенная решетка / А.В. Колинько, В.Ф. Комарович, Марчук Л.А., Савельев А.Н. - Опубл. 20.12.97 г. - Н01021/00.
5. Патент 2579996 (РФ). Многофункциональная адаптивная антенная решетка / А.Н. Новиков, Д.С Махов. - Опубл. 10.04.16 г. - H01Q 21/00.