СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к антенной технике, и может быть использовано в адаптивных антенных решетках (ААР).

Известны различные способы подавления помех на основе пространственной селекции сигналов. Необходимые свойства ААР достигаются соответствующим выбором весовых коэффициентов. В результате в элементах антенной решетки (АР) формируется такое амплитудно-фазовое распределение (АФР), которое обеспечивает неизменный уровень полезного сигнала и создает нуль в направлениях воздействия помех. Одним из способов, обеспечивающим формирование нулей диаграммы в направлениях на источники помех, является так называемый способ "дерева" нулей (Монзинго Р.А. Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М. Радио и связь, 1986, с. 47) /1/, когда выделяются элементы, используемые для формирования главного луча диаграммы направленности (ДН) и для подавления помех соответственно. При этом формируется многослойная структура, и каждый из слоев будет формировать один нуль диаграммы. К другим способам частичной адаптации относятся АР с предварительным формированием лучей (там же, с. 399 - 402), в основе которого лежит линейное преобразование вектора сигналов с выходов элементов АР в вектор меньшей размерности, а также АР с регулированием части ее элементов (там же, с. 403 406), где осуществляется управление лишь частью элементов решетки, при этом важно определить, какими элементами исходной решетки следует управлять. При образовании субапертур для уменьшения числа управляющих элементов объединяют ряд соседних каналов в группы, суммарный сигнал с выхода которых подвергается адаптивному весовому взвешиванию (Проблемы антенной техники. Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. М. Радио и связь, 1989, с. 194) /2/.

Наиболее общим для N-элементной АР является случай, когда формирование заданных свойств в определенном направлении осуществляется всей совокупностью элементов, или способ весового суммирования (Монзинго Р.А. Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М. Радио и связь, 1986, с. 47). При этом возможность управления и изменения формы ДН АР с целью улучшения качества приема полезного сигнала и одновременного подавления помех достигается за счет соответствующего выбора комплексных весовых коэффициентов. Сигналы от каждого элемента поступают на весовые усилители с изменяемыми комплексными коэффициентами передачи, затем суммируются, образуя выходной сигнал АР (там же, фиг. 2.10).

Основным недостатком данного способа является то, что при увеличении количества элементов значительно возрастает количество решаемых уравнений, что влечет за собой увеличение времени для получения оптимального решения, а получаемое АФР в элементах АР усложняется, что приводит к появлению дополнительных трудностей в управлении ДН даже в условиях ограниченного количества воздействующих помех.

Известен также наиболее близкий по технической сущности способ-прототип при M воздействующих помехах с разделением N-элементной антенной решетки на группы, причем в каждой группе сигналы суммируют в фазе, а напряжения помех адаптивно компенсируют путем регулирования амплитуды и фазы смеси сигнала и помех с каждого антенного элемента до установления их требуемого значения (IEEE Trans. on antennas and propagation, September, v.АР 24 N 5, p. 686 - 689) /3/.

Основным недостатком способа-прототипа является то, что задачу адаптации необходимо решать для каждой группы. И несмотря на уменьшение размерности уравнений по сравнению с адаптацией по всем элементам, их количество остается неизменным.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является сокращение объема вычислительных операций и упрощение управлением ДН антенны при гарантированном подавлении заданного количества воздействующих помех, для чего исходная АР делится на отдельные подрешетки с числом элементов, на единицу превышающих возможное количество помех, причем каждая подрешетка будет формировать нуль в направлениях воздействия помех, а суммарный отклик всех подрешеток от полезного сигнала останется неизменным. К техническому результату изобретения можно отнести уменьшение количества антенных элементов, используемых для оценки параметров входных сигналов.

Таким образом, сущность изобретения заключается в упрощении алгоритмов определения вектора весовых коэффициентов и синтезе более простого АФР по сравнению со случаем, когда нули образуются при одновременном учете всех элементов АР. Амплитудная составляющая и относительное положение фазовых составляющих определяется только для образовавшейся подрешетки. Существенным признаком, отличительным от прототипа, является оценка направлений прихода сигналов только элементами первой подрешетки при полной ее адаптации, который распространяется лишь для случая ограниченного количества воздействующих помех. Число элементов подрешетки на единицу превышает возможное количество помех.

Для анализа причинно-следственных связей рассмотрим задачу подавления помех в ААР как синтез алгоритма определения вектора весовых коэффициентов. Полагаем, что на N-элементную эквидистантную AP с шагом d при разбиении на подрешетки по N₀ элементов в каждой воздействует как полезный сигнал s(t) с длиной волны λ_o приходящий с направления θ_o так и помехи J_p(t) с длинами волн приходящие с направлений θ_p относятся к классу узкополосных детерминированных сигналов, причем θ_o≠θ_p.
При воздействии помех сигнал на 1-ом элементе будет иметь вид

Выходной сигнал можно записать

где m номер образовавшейся подрешетки; ν N/N₀ число подрешеток;
k-номер элемента в подрешетке (фиг. 1); j мнимая единица.

Величины x_ik(t), представляют собой комплексные числа. Для получения сигнала s(t) и подавления каждой помехи J_p(t) требуется для всех и для всех выполнение условия
y(t) S(t).

Пусть каждая подрешетка вносит свой вклад в составляющую полезного сигнала с коэффициентом K_m. Действительные коэффициенты K_m в соответствии с (3) удовлетворяют условию

Полагая, что подрешетки равноценны между собой, получим K_m N₀/N и тогда для выполнения (3) необходимо решить систему из N₀ управлений с N₀ неизвестными.

Представим комплексный весовой коэффициент в показательном виде через амплитудную W_k и фазовую Ψ_k составляющие

Решение указанной системы уравнений для N₀=2 будет иметь вид

Итак, при воздействии одной помехи (M 1) количество элементов в подрешетке можно ограничить двумя (N₀ 2). При этом амплитудная составляющая весового коэффициента не зависит от номера элемента в подрешетке, а при уменьшении углового рассогласования между полезным сигналом и помехой должен возрастать коэффициент усиления. При увеличении количества подрешеток максимальное значение усиления уменьшается (фиг. 2).

Характер изменения фазовых соотношений в каждой из подрешеток повторяется, но их абсолютное значение отличается на величину фазового сдвига между подрешетками

Следовательно, фазовое распределение для каждой пары зависит от обобщенной фазы помехи Φ₁ обеспечивая получение нуля на помеху, а разность фаз между каждой из пар обеспечивает выделение полезного сигнала (фиг. 3).

Решение (3) для N₀ 3 будет иметь вид

Коэффициенты усиления для крайних элементов подрешеток одинаковы.

В случае воздействия на подрешетку трех элементов одной помехи J₁ положение нуля для потенциальной помехи J₂ может быть произвольное. Целесообразно выбрать его таким, чтобы амплитудные составляющие W_k были минимальными. Последнее справедливо при
Φ_o-Φ₂= ±π. (14)
Тогда фазовые соотношения примут вид

Фазовое распределение в этом случае показано на фиг. 4. Полученные выражения подтверждают выводы, сделанные для подрешетки из двух элементов.

Сравнение двух вариантов воздействия одной помехи на подрешетку из двух и трех элементов позволяет сделать вывод, что увеличение числа элементов AP при фиксированном количестве помех в AAP приводит к увеличению количества градаций весовых усилителей в каждом канале, а также к усложнению амплитудного распределения в элементах. Следовательно, разбиение элементов AP на подрешетки с числом элементов, определяемых количеством воздействующих помех, можно считать целесообразным.

На фиг. 1 изображена N-элементная AAP, разделенная на ν подрешеток по N₀ элементов в каждой, где обозначено: 1 элемент AP; 2 весовой усилитель с комплексным коэффициентом передачи W_i; 3 сумматор; 4 - сигнальный процессор; 5 устройство управления; 6 выход AAP.

На фиг. 2 изображены графики изменения коэффициента усиления W от углового рассогласования между полезным и помеховым сигналами Dq_o1 при N₀ 2 для различных N, где обозначено: 1 для N 2; 2 для N 4; 3 для N 8.

На фиг. 3 изображено фазовое распределение в элементах AAP для варианта N₀ 2, N 8. Цифрами обозначено: 1 элемент AP; 7 фаза; 8 - разность фаз между подрешетками (2Φ_o); 9 разность фаз между соседними элементами в подрешетке (Φ₁).

На фиг. 4 изображено фазовое распределение в элементах AAP для варианта N₀ 3, N 9, ΔΦ_o2=π. Цифрами обозначено: 1 элемент AP; 7 фаза в первом элементе первой подрешетки; 8 разность фаз между подрешетками (3Φ_o); 9 отклонение фазы в крайнем элементе подрешетки по отношению к исходному состоянию (π-Φ_o1)/2..

Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого способа построим ДН ААР с выбранными весовыми коэффициентами. При воздействии волны с плоским фронтом для ДН ААР можно записать

Весовые коэффициенты должны удовлетворять условиям

Для N₀ 2 комплексные весовые коэффициенты имеют вид

Постановка (20), (21) в (18) для N-элементной AP, разделенной на подрешетки из двух элементов приведет к следующему выражению амплитудной составляющей ДН

Анализ выражения (19) показывает, что при Φ=Φ₁ в направлении воздействия помехи формируется нуль f(Φ)=0 При Φ=Φ_o полезный сигнал проходит на выход решетки f(Φ)=1 Максимальное значение соответствует положению Φ ≈ Φ₁± π/2 со значением f_max≈ 1/sin[Φ_o-Φ₁)/2]
При изменении Δθ_o1=θ_o-θ₁ в пределах ±(60.120)^o сигнал находится в пределах главного лепестка, и усиление меняется незначительно. При изменении Δθ_o1 в других пределах направление прихода сигнала попадает в боковой лепесток, и для сохранения уровня сигнала неизменным необходимо значительное усилие каждого канала.

Проводя для AAP с подрешетками из трех элементов аналогичный анализ, можно получить, что характер изменения ДН в принципе повторяет аналогичный характер для парных элементов, однако направление прихода полезного сигнала попадает в створ главного лепестка (при одной помехе) при интервале Δθ_o1= ±(70 ... 110)^°..

Итак, AP с весовыми коэффициентами, удовлетворяющими условиям (2), (3), обеспечивает прием полезного сигнала и подавление помех. Входной сигнал x(t), поступая на элементы антенной решетки 1 (см. фиг. 1), проходит через весовые усилители 2 и сумматоры 3. На вход сигнального процессора 4 сигналы поступают с выходов антенных элементов 1 первой подрешетки. На основе оценки параметров входных сигналов, осуществляемых сигнальным процессором, устройство управления 5 определяет АФР всех элементов АР таким образом, чтобы весовые коэффициенты удовлетворяли условию (3). На выходе ААР 6 получается сигнал s(t).

Использование: радиотехника, адаптивные антенные решетки. Способ подавления помех на основе пространственной селекции сигналов заключается в приеме смеси сигнала и M помех на N антенных элементов, разделенных по ν группе по N₀ антенных элементов в каждой, где N₀=M + 1, и суммировании сигналов с n групп, причем в каждой из групп амплитуду и фазу смеси сигнала и помех с каждого антенного элемента регулируют до установления требуемого значения, при котором напряжения сигналов суммируют в фазе, а напряжения помех компенсируют, причем в первой из групп требуемые значения амплитуды устанавливают равными соответствующим значениям амплитуды в первой группе, а требуемые значения фазы устанавливают равными сумме требуемых значений фазы в первой группе и значений фазы, соответствующих разности хода сигнала, позволяет при осуществлении изобретения сократить объем вычислительных операций и упростить управление диаграммой направленности антенны при подавлении заданного количества воздействующих помех. 4 ил.

Способ подавления помех на основе пространственной селекции сигналов, основанный на приеме смеси сигнала и М помех на N антенных элементов, разделенных на ν групп по N₀ антенных элементов в каждой, где N₀ М + 1, и суммировании сигналов с n групп, причем каждой из групп амплитуду и фазу смеси сигнала и помех с каждого антенного элемента регулируют до установления требуемого значения, при котором напряжения сигналов суммируют в фазе, а напряжения помех компенсируют, причем в первой из групп требуемые значения амплитуды и фазы устанавливают адаптивно, отличающийся тем, что в остальных группах требуемые значения амплитуды устанавливают равными соответствующими значениями амплитуды в первой группе, а требуемые значения фазы устанавливают равными сумме требуемых значений фазы в первой группе и значений фазы, соответствующих разности хода сигнала.