АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ADAPTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке, например в системах радиосвязи с подвижными объектами.
В ТИИЭР, 1967, т.55, №12, с.78-95 приводится схема адаптивной антенной решетки (ААР), 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, так как терялся бы смысл в передаче полезного сигнала, то эталонный сигнал может значительно отличаться от полезного, что вызывает существенное снижение помехозащищенности ААР.
Адаптивная антенная решетка, конструкция которой описана в журнале "IEEE Trans. Antennas and Propag.", vol.AP-26, 1978, №2, p.228-235, реализует алгоритм минимизации выходной мощности и обладает сравнительно хорошими характеристиками по помехозащищенности. Однако в том случае, когда помеха отсутствует или ее мощность меньше мощности полезного сигнала, то вследствие минимизации полной выходной мощности может произойти подавление полезного сигнала.
Известны схемы адаптивных антенных решеток, реализующих алгоритм максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума (см. Р.А.Монзинго, Т.У. Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с.80-86, 179-240). Для работы ААР такого типа необходима точная априорная информация о направлении прихода полезного сигнала. Поэтому ААР такой конструкции неприменимы в радиотехнических системах, где подобная информация отсутствует либо является неточной (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами).
7
Из известных ААР наиболее близкой по технической сущности является решетка, описанная в авторском свидетельстве Российской Федерации №02207680, МПК Н01Q 21/00 (заявлено 08.12.2000 г., опубликовано 27.06.2003 г.). Это устройство содержит N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, N адаптивных контуров с управляющими входами, каждый из адаптивных контуров состоит из первого умножителя, N вторых умножителей, сумматора, третьего умножителя, блока вычитания, усилителя, интегратора, причем первый вход первого умножителя соединен с выходом соответствующего антенного элемента, второй вход первого умножителя соединен с выходом общего сумматора, выход первого умножителя подключен к первому входу блока вычитания, первые входы вторых умножителей подключены ко вторым выходам блока вычисления множителя Лагранжа, вторые входы вторых умножителей подключены к выходам соответствующих адаптивных контуров, выходы вторых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход сумматора подключен к второму входу третьего умножителя, к первому входу которого подключен первый выход блока вычисления множителя Лагранжа, выход третьего умножителя подключен к второму входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен к входу усилителя, выход усилителя подключен к входу интегратора, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего комплексного весового умножителя, причем первый вход первого умножителя, второй вход первого умножителя, первые входы вторых умножителей, первый вход третьего умножителя, вторые входы вторых умножителей являются соответственно первым, вторым, третьими, четвертым и пятыми входами, а выход интегратора - выходом адаптивного контура, блок формирования множителя Лагранжа состоящий из N блоков комплексного сопряжения, N×N первых умножителей, N×N вторых умножителей, блока вычисления матрицы А, сумматора, блока формирования параметра α, блока вычитания, усилителя, интегратора, причем первые выходы адаптивных контуров соединены со входами соответствующих блоков комплексного сопряжения, выходы которых подключены к первым входам соответствующих первых умножителей, входы блоков комплексного сопряжения подключены к вторым входам соответствующих первых умножителей, выходы первых умножителей подключены к вторым входам соответствующих вторых умножителей, первые входы которых соединены с соответствующими выходами блока вычисления матрицы, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала от внешнего устройства, выходы вторых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход блока формирования параметра α подключен к первому входу блока вычитания, выход сумматора подключен к второму входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен ко входу усилителя, выход усилителя подключен к входу интегратора, выход которого подключен к четвертому входу блока адаптивных контуров причем входы блоков комплексного сопряжения являются первыми входами, вход блока вычисления матрицы А - управляющим входом, а выход интегратора и выходы блока вычисления матрицы А - соответственно первым и вторыми выходами блока формирования множителя Лагранжа.
Устройство обеспечивает хорошую помехозащищенность приема сигналов с непрерывной структурой (не имеющих пауз в ходе их передачи) в условиях частичной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов, когда направления прихода сигналов от передатчика известно с точностью до определенного углового сектора (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами), по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.
Однако данная конструкция ААР не обеспечивает должного подавления помех в условиях полной априорной неопределенности о направлении прихода сигналов.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке адаптивной антенной решетки, обеспечивающей повышение помехозащищенности приема сигналов в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов и помех, за счет применения двухэтапной обработки принимаемых сигналов. На первом этапе определяются направления на источники радиоизлучений, а на втором - непосредственно пространственная фильтрация полезного сигнала и помех.
Для достижения этого технического результата в известной адаптивной антенной решетке, содержащей N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, N адаптивных контуров с управляющими входами, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, вторые входы соединены с выходом общего сумматора, третьи и четвертые входы соединены соответственно со вторым и первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа, первые выходы подключены к пятым входам адаптивных контуров и управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей, вместо блока вычисления множителя Лагранжа и N адаптивных контуров введен блок формирования вектора весовых коэффициентов (ВВК) с управляющим входом, соединенный с устройством ввода информации о возможном направлении прихода сигнала, входы блока формирования вектора весовых коэффициентов соединены с выходами соответствующих антенных элементов, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей.
При этом блок формирования вектора весовых коэффициентов состоит из аналого-цифрового преобразователя, конвертора, блока комплексного умножения, блока вычисления собственного вектора, блока формирования тестового сигнала, блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, блока анализа данных, причем выходы блока антенных элементов соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к соответствующим входам конвертора, выходы конвертора соединены с соответствующими входами блока комплексного умножения, выходы которого подключены к соответствующим входам блока вычисления собственного вектора, выходы блока формирования тестового сигнала подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения и блока анализа данных, выходы блока вычисления собственного вектора подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, выход которого подключен к соответствующему входу блока анализа данных, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы блока анализа данных подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей, причем входы аналого-цифрового преобразователя являются входами, вход блока анализа данных - управляющим входом, а выходы блока анализа данных соответственно выходами блока формирования вектора весовых коэффициентов.
Благодаря введению блока формирования ВВК достигается более высокая помехозащищенность приема сигналов в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами без псевдослучайной перестройки рабочей частоты) за счет пространственной фильтрации полезного сигнала на основании полученных данных о пространственных параметрах источников радиоизлучений. Кроме того, предлагаемая ААР обеспечивает высокую помехозащищенность приема не только для сигналов с непрерывной структурой, но и для сигналов с дискретной прерывистой структурой.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 представлена функциональная схема адаптивной антенной решетки;
- на фиг.2 - схема блока формирования вектора весовых коэффициентов;
- на фиг.3 - схема общего сумматора;
- на фиг.4 - представлены вычисленные направления на источники радиоизлучения;
- на фиг.5 - представлен результат работы заявляемой ААР;
- на фиг.6 - представлен результат работы прототипа при тех же исходных данных с учетом секторного подхода к предполагаемому месту нахождения источника полезного сигнала.
Заявляемое устройство, показанное на фиг.1, состоит из блока антенных элементов 1, блока комплексных весовых умножителей 2, общего сумматора 3, блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 с управляющим входом, причем выходы N антенных элементов блока антенных элементов 1 через N комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2 соединены с N входами общего сумматора 3, выход которого является выходом ААР, входы блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 соединены с соответствующими выходами антенных элементов блока антенных элементов 1, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 соединены с управляющими входами соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2.
Блок формирования вектора весовых коэффициентов 4, показанный на фиг.2, состоит из аналого-цифрового преобразователя 2.1, конвертора 2.2, блока комплексного умножения 2.3, блока вычисления собственного вектора 2.4, блока формирования тестового сигнала 2.5, блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6, блока анализа данных 2.7, причем выходы блока антенных элементов 1 соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя 2.1, выходы которого подключены к соответствующим входам конвертора 2.2, выходы конвертора 2.2 соединены с соответствующими входами блока комплексного умножения 2.3, выходы которого подключены к соответствующим входам блока вычисления собственного вектора 2.4, выходы блока формирования тестового сигнала 2.5 подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6 и блока анализа данных 2.7, выходы блока вычисления собственного вектора 2.4 подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6, выход которого подключен к соответствующему входу блока анализа данных 2.7, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы блока анализа данных 2.7 подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2, причем входы аналого-цифрового преобразователя 2.1 являются входами, вход блока анализа данных 2.7 - управляющим входом, а выходы блока анализа данных 2.7 соответственно выходами блока формирования вектора весовых коэффициентов 4.
Блок антенных элементов 1 состоит из N идентичных антенных элементов и представляет собой многоэлементную антенную решетку (см. Шиллер, Йоган. Мобильные коммуникации: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002).
Блок комплексных весовых умножителей 2 состоит из N комплексных весовых умножителей (см. Р.А.Монзинго, Т.У.Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986).
Общий сумматор 3 может быть выполнен в виде высокочастотных трансформаторов на коаксиальных или микрополосковых линиях в зависимости от диапазона частот (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. T.1. / Бурин Л.И., Васильев В.П., Каганов В.И и др., под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978).
Блок формирования вектора весовых коэффициентов 4 может быть выполнен на цифровом процессоре обработки сигналов, например микросхема TMS320C30 (см. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г.Остапенко, С.И.Лавлинский, А.Б.Сушков и др., Под ред. А.Г.Остапенко. - М.: Радио и связь, 1994. - с.88). Кроме того, в настоящее время производятся специализированные модули цифровой обработки сигналов, позволяющие реализовать заявляемую адаптивную антенную решетку в виде программно аппаратных средств (Субмодуль цифрового приема ADMDDC8WBL, установленный на базовом модуле AMBPCI, выпускаемый ЗАО «Инструментальные Системы», www.insys.ru, mfo@msys.rn. Тел. (495)781-27-50, факс (495)781-27-51).
В качестве внешнего устройства используется устройство формирования и выдачи информации о направлении прихода сигнала (место формирования управляющего сигнала находится вне ААР и зависит от конкретной радиотехнической системы).
Так, например, в системах связи с подвижными объектами на этапе установления соединения мобильная станция посылает запрос на установление соединения. Подсистема BSS переадресовывает этот запрос центру MSC. Центр MSC проверяет, может ли данный абонент пользоваться требуемой службой, кроме того, этот сигнал может быть использован в качестве управляющего сигнала для ААР (см. Шиллер, Йоган. Мобильные коммуникации: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002).
Адаптивная антенная решетка работает следующим образом.
Радиосигналы принимаются антенными элементами 1, взвешиваются комплексными весовыми умножителями 2 и суммируются в общем сумматоре 3, выход которого и является выходом устройства. При помощи блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 осуществляется настройка комплексных весовых умножителей с целью повышения отношения сигнал/(помеха плюс шум) на выходе устройства. На основе управляющей информации о возможном направлении прихода сигнала, поступающей от внешнего устройства, в блоке формирования вектора весовых коэффициентов 4 производится цифровая обработка сигналов с выходов антенных элементов, определяются пространственные параметры источников радиоизлучения и на основе данных о направлении прихода полезного сигнала рассчитываются весовые коэффициенты (N-мерный вектор), по значениям которых в блоке комплексных весовых умножителей 2 производится взвешивание элементов сигнала.
В общем случае в блоке формирования вектора весовых коэффициентов 4 решаются три основные задачи:
1. Преобразование сигналов поступающих с блока антенных элементов в цифровую форму, что существенно облегчает дальнейшую работу по определению направлений на источники радиоизлучений и формирование вектора весовых коэффициентов.
2. Определение направлений на источники радиоизлучений.
3. Формирование вектора весовых коэффициентов на основании данных предыдущего этапа и управляющего сигнала от внешнего устройства.
XX
Преобразование принимаемых сигналов в цифровой вид осуществляется в блоке N канального АЦП соответствующие входы которого соединены с выходами антенных элементов. Выходы АЦП соединены со входами конвертера, в котором производится перенос принимаемого сигнала на нулевую частоту, децимация и фильтрация. Далее в блоке комплексного умножения производится формирование матрицы принимаемых сигналов и помех R:
XX
CC
ПШ
+
где R - корреляционная матрица сигнала, помех и шума; Х - вектор принимаемого сигнала, помех и шума на выходе блока антенных элементов;  - операция комплексного сопряжения и транспонирования; R(Θ) - корреляционная матрица принимаемого сигнала; Θ - направление прихода сигнала; R - корреляционная матрица помех и шума.
В свою очередь, для адаптивных антенных решеток, состоящих из идентичных и невзаимодействующих антенных элементов, при пренебрежении межэлементной декорреляцией комплексных огибающих сигналов можно записать:
С
j
+
где Р - мощность принимаемого сигнала;  - вектор волнового фронта сигнала; φ - фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала, принимаемого 7-м антенным элементом по отношению к сигналу, принимаемому первым антенным элементом;  - операция комплексного сопряжения и транспонирования.
Очевидно, что в (2) от Θ зависят только фазовые сдвиги . При этом фазовый сдвиг определяется расстоянием между антенными элементами, направлением прихода сигнала, длиной волны (см. Р.А.Монзинго, Т.У.Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986. - С.54):
j
j
где φ - фазовый сдвиг сигнала, принимаемого j-м антенным элементом по отношению к первому; d - расстояние между j-м и первым антенными элементами; λ - длина волны принимаемого сигнала; Θ - направление прихода принимаемого сигнала.
Повышение помехозащищенности приема сигналов можно обеспечить путем применения двухэтапной обработки принимаемых сигналов.
На первом этапе производится минимизации мощности суммарного сигнала (полезный сигнал плюс помеха плюс шум) на выходе ААР. При этом необходимо решить задачу Куна-Такера (см. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979, с.52-56), и ее общее решение можно представить в виде:
min
XX
ХХ
min
где W - вектор весовых коэффициентов; Q(λ(R)) - собственный вектор, соответствующий минимальному собственному числу матрицы R; λ - минимальное собственное число.
Данная операция выполняется в блоке вычисления собственного вектора, блока формирования вектора весовых коэффициентов (блок 2.4, фиг.2).
Зная структуру ААР, можно сформировать вектор как функцию пространственных параметров V(θ) (блок 2.5, фиг.2). Сканируя этим вектором в пространственной области при совпадении текущих значений направления θ с источниками радиоизлучений, выражение (5) обращается в ноль, а при использовании логарифмической шкалы стремится к минус бесконечности (Марчук Л.А. Пространственно-временная обработка сигналов в линиях радиосвязи. - Л.: ВАС, 1991. 136 с.).
min
ХХ
ХХ
min
j
+
где Q(λ(R)) - собственный вектор, соответствующий минимальному собственному числу матрицы R; λ - минимальное собственное число;  - вектор сканирующего сигнала; θ - направление, для которого формируется вектор сканирующего сигнала; φ - фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала, принимаемого j-м антенным элементом, по отношению к сигналу, принимаемому первым антенным элементом;  - операция комплексного сопряжения и транспонирования.
На втором этапе осуществляется максимизация мощности сигнала на основе данных о пространственных параметрах источников радиоизлучений, полученных на первом этапе, т.е. формирование диаграммы направленности по критерию максимум выходного отношения сигнал/(помеха + шум) (МОСП) (блок 2.6, фиг.2).
+
+
2
2
ПШ
ПП
ШШ
ПП
ШШ
Ш
Ш
где  - вектор волнового фронта сигнала в случае антенной решетки, состоящей из N идентичных и невзаимодействующих антенных элементов; φ - фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала, принимаемого i-м антенным элементом, по отношению к сигналу, принимаемому первым антенным элементом;  - операция комплексного сопряжения и транспонирования; β - нормировочный коэффициент; R=R+R - корреляционная матрица помех и шума; R=E{PP} - корреляционная матрица помех,  - вектор волнового фронта помехи; Е{*} - обозначение операций математического ожидания; R=σ I - корреляционная матрица шума, где σ  - дисперсия теплового шума, I - единичная диагональная матрица.
ПШ
C
ПШ
C
Вектор весовых коэффициентов, оптимальный по критерию МОСП - выражение (6), формируется корреляционной матрицей помех и шума R, а пространство, свободное от помех - вектором волнового фронта V. Таким образом, вектор весовых коэффициентов формирует N-мерное подпространство, ортогональное пространству мешающих сигналов (R) и синфазное свободному от помех пространству (V).
1
2
N-1
Реализация выражения (6) осуществляется в блоке анализа данных (блок 2.7, фиг.2). При этом Н(θ)=0 указывает на наличие источника радиоизлучения в направлении θ. Совокупность θ, при которых Н(θ)=0, позволяет сформировать массив угловых параметров источников радиоизлучений - S(θ,θ,…θ), где N - количество антенных элементов.
1
2
N-1
Результирующая диаграмма направленности формируется по команде внешнего устройства на основе уже имеющихся данных об угловых параметрах всех источников радиоизлучений S(θ,θ,…θ). При этом один из источников радиоизлучений (ИРИ) - полезный сигнал, а все остальные - помехи, а само значение вектора весовых коэффициентов будет являться функцией от векторов волновых фронтов одного полезного сигнала и (N-2) помех:
12
23
0
0
Детальное сопоставление характеристик алгоритмов ААР прототипа и заявляемой ААР было проведено с использованием метода имитационного моделирования. При моделировании использовалась 8-элементная кольцевая ААР, состоящая из изотропных невзаимодействующих антенных элементов, разнесенных в пространстве на d=d=m/2 (m - длина волны сигнала), и следующие предположения о сигнально-помеховой обстановке:
- количество сигналов - 1, помех - 2;
С
П1
П2
0
- несущие частоты сигнала и помех тождественны (f=f=f=f);
- соотношение мощностей сигнала, помех и дисперсии теплового шума:
, , ;
С
- углы прихода сигналов (относительно условного направления на север) Θ=50°,
П1
П2
Θ=35°, Θ=70° (учитывались только углы в азимутальной плоскости).
Результаты расчетов зависимости отношения сигнал/(помеха плюс шум) от ошибки в определении направления прихода сигнала применительно к восьмиэлементной ААР представлены на фиг.4-6. При этом на фиг.4 показаны вычисленные направления на источники радиоизлучения (вычисления производятся в блоке вычисления направлений на ИРИ заявляемой ААР). На фиг.4 видно, что ошибки в определении азимутальных параметров ИРИ составляют единицы градусов. Следует отметить, что качество работы заявляемой ААР помимо заложенного в нее алгоритма напрямую зависит от качества реализации всех составляющих элементов. Поэтому необходимо иметь в виду, что приведенные здесь значения являются почти потенциально достижимыми. Реальные же значения величины подавления помех будут непосредственно определяться самой реализацией ААР. На фиг.5 показан результат работы заявляемой ААР, т.е. сформирована ДН ААР с учетом результатов определения направления на ИРИ и информации о предполагаемом направлении источника полезного сигнала. На фиг.6 показан результат работы (ДН ААР) прототипа при тех же исходных данных с учетом секторного подхода к предполагаемому месту нахождения источника полезного сигнала.
Анализ данных, представленных на фиг.4-6, показывает, что помехозащищенность (отношение сигнал/(помеха плюс шум) на выходе ААР) приема в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников радиосигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами) заявляемой ААР выше, чем ААР прототипа, в рассматриваемых сигнально-помеховых ситуациях. При этом в заявляемой ААР отсутствует эффект непреднамеренного подавления полезного сигнала и обеспечивается повышение помехозащищенности по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. Данные преимущества заявляемой ААР будут способствовать повышению помехозащищенности систем радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной сигнально-помеховой обстановке, в частности в системах радиосвязи с подвижными объектами, и, в конечном счете, будут способствовать внедрению ААР в эти системы.