АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2003 года по МПК H01Q21/00 

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. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. 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).

Из известных ААР наиболее близкой по технической сущности является решетка, описанная в авторском свидетельстве Российской Федерации 95114216, МПК⁵ Н 01 Q 21/00 (заявлено 8.08.95, опубликовано 20.12.97, бюл. 35). 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 интегратора, коммутатора, усилителя, инвертирующего усилителя, первого и второго умножителей, блока вычитания, коррелятора, причем первый вход коррелятора соединен с выходом соответствующего антенного элемента, второй вход коррелятора соединен с выходом общего сумматора, выход коррелятора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, а выход блока вычитания подключен к входам усилителя и инвертирующего усилителя, выход усилителя подключен к первому входу коммутатора, управляющий вход которого подключен к внешнему устройству, выход инвертирующего усилителя подключен ко вторым входам N соответствующих вторых умножителей блока максимизации выходной мощности, ко второму входу коммутатора подключен выход соответствующего выходного сумматора блока максимизации выходной мощности, выход коммутатора через интегратор соединен с управляющим входом соответствующего комплексного весового умножителя и с первым входом второго умножителя, а второй вход второго умножителя соединен с выходом первого умножителя, первый и второй входы которого объединены с выходом общего сумматора и вторым входом коррелятора, при этом первый, второй входы коррелятора, второй вход коммутатора являются соответственно первым вторым и третьим входами адаптивного контура, выход интегратора и выход инвертирующего усилителя являются соответственно первым и вторым выходами адаптивного контура, управляющий вход коммутатора является управляющим входом адаптивного контура, блок максимизации выходной мощности, состоящий из коммутатора, N первых делителей, N запоминающих устройств, первого сумматора, (N-1) блоков комплексного сопряжения, (N-1) первых умножителей, (N-2) вторых делителей, (N-2) вторых сумматоров, блока формирования параметра регуляризации, N•N вторых умножителей, N выходных сумматоров, причем входы коммутатора соединены с выходами интеграторов соответствующих адаптивных контуров, выходы коммутатора подключены к первым входам соответствующих первых делителей, вторые входы которых соединены с первым выходом коммутатора, а выходы подключены ко входам запоминающих устройств, управляющие входы которых соединены с управляющими входами коммутаторов блока максимизации выходной мощности и адаптивных контуров, выход первого запоминающего устройства подключен к первому входу первого сумматора, а выходы остальных запоминающих устройств соединены с входами блоков комплексного сопряжения, с первыми входами первых умножителей и с первыми входами соответствующих вторых умножителей, выходы блоков комплексного сопряжения подключены к первым входам соответствующих вторых умножителей и ко вторым входам первых умножителей, выходы которых попарно подключены к первым и вторым входам соответствующих вторых делителей, выходы которых соединены с первыми входами вторых сумматоров, причем вторые входы первого и вторых сумматоров подключены к выходу блока формирования параметра регуляризации, а выходы первого и вторых сумматоров соединены с первыми входами соответствующих вторых умножителей, вторые входы которых подключены ко вторым выходам соответствующих адаптивных контуров, а выходы соединены со входами соответствующих выходных сумматоров, выходы которых подключены к третьим входам соответствующих адаптивных контуров.

Устройство обеспечивает прием сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи, и работает в два этапа: на первом этапе при отсутствии полезного сигнала адаптивными контурами осуществляется минимизация выходного сигнала, на втором этапе при наличии полезного сигнала адаптивными контурами и блоком максимизации выходной мощности осуществляется максимизация выходной мощности ААР с учетом "нулей" характеристики направленности ААР в направлении прихода помех, полученных на первом этапе.

Однако данная конструкция ААР обеспечивает работу только при приеме сигналов, имеющих фиксированные во времени паузы при передаче, причем эти паузы должны быть строго детерминированы для приемника корреспондента (своего приемника) и случайны для источника электромагнитных помех (постановщика помех). То есть такая конструкция ААР обеспечивает эффективную работу только в системах с дискретной прерывистой структурой сигнала (например, в системах с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты - ППРЧ).

Целью изобретения является разработка адаптивной антенной решетки, обеспечивающей повышение помехозащищенности 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.

Поставленная цель достигается тем, что 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 входы соединены с соответствующими выходами блока максимизации выходной мощности, первые выходы подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей, блок максимизации выходной мощности, первые и вторые входы которого подключены к соответствующим первым и вторым выходам адаптивных контуров, а управляющий вход подключен к управляющему входу блока адаптивных контуров, вместо блока максимизации выходной мощности введен блок вычисления множителя Лагранжа с управляющим входом, на который поступает информация о секторе возможных направлений прихода сигнала, первые входы блока вычисления множителя Лагранжа подключены к соответствующим первым выходам адаптивных контуров, первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим пятым входам адаптивных контуров. При этом блок формирования множителя Лагранжа состоит 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; адаптивный контур 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.

Благодаря введению блока вычисления множителя Лагранжа, достигается более высокая помехозащищенность приема сигналов, имеющих непрерывную структуру, в условиях частичной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами без псевдослучайной перестройки рабочей частоты) по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. Кроме того, предлагаемая ААР обеспечивает высокую помехозащищенность приема не только для сигналов с непрерывной структурой, но и для сигналов с дискретной прерывистой структурой.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 представлена функциональная схема адаптивной антенной решетки;
на фиг.2 - схема адаптивного контура;
на фиг.3 - схема блока вычисления множителя Лагранжа;
на фиг.4 - схема сумматора;
на фиг.5 - схема интегратора;
на фиг.6 - схема блока комплексного сопряжения;
на фиг.7 - схема блока вычитания;
на фиг.8 - схема блока формирования параметра α;
на фиг.9 - схема умножителя.

Заявляемое устройство, показанное на фиг.1, состоит из блока антенных элементов 1, блока комплексных весовых умножителей 2, общего сумматора 3, блока адаптивных контуров 4, блока вычисления множителя Лагранжа 5 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, первые входы N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 соединены с выходами N антенных элементов блока антенных элементов 1, вторые входы адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 подключены к выходу общего сумматора 3, а первые выходы адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 соединены с управляющими входами соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2, N первых входов блока вычисления множителя Лагранжа 5 подключены к первым входам соответствующих адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, первый и N•N вторых выходов блока вычисления множителя Лагранжа соединены соответственно с четвертым и N третьими выходами N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, первые выходы N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 соединены с соответствующими N пятыми входами N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4.

Адаптивный контур, показанный на фиг.2, состоит из: первого умножителя 4.1, N вторых умножителей 4.2, сумматора 4.3, третьего умножителя 4.4, блока вычитания 4.5, усилителя 4.6, интегратора 4.7, причем первый и второй входы первого умножителя 4.1 соединены соответственно с выходом соответствующего антенного элемента блока антенных элементов 1 и выходом общего сумматора 3, а выход первого умножителя 4.1 соединен с первым входом блока вычитания 4.5, второй вход которого соединен с выходом третьего умножителя 4.4, первый вход которого соединен с первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа 5, а второй вход соединен с выходом сумматора 4.3, N входов которого соединены с выходами N вторых умножителей 4.2, первые входы которых соединены с N соответствующими вторыми выходами блока вычисления множителя Лагранжа 5, при этом первые входы N вторых умножителей 4.2 первого адаптивного контура соединены с первыми N из N•N вторых выходов блока вычисления множителя Лагранжа 5, первые входы N вторых умножителей 4.2 второго адаптивного контура соединены с вторыми N из N•N вторых выходов блока вычисления множителя Лагранжа 5 и т. д. , первые входы N вторых умножителей 4.2 N-го адаптивного контура соединены с N-ными (последними) N из N•N вторых выходов блока вычисления множителя Лагранжа 5, вторые входы вторых умножителей 4.2 соединены с выходами N соответствующих адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, выход блока вычитания 4.5 соединен с входом усилителя 4.6, выход которого соединен с интегратором 4.7, выход интегратора 4.7 подключен к управляющему входу соответствующего комплексного весового умножителя блока комплексных весовых умножителей 2 и является выходом адаптивного контура.

Блок вычисления множителя Лагранжа 5, показанный на фиг.3, состоит из: N блоков комплексного сопряжения 5.1, N•N первых умножителей 5.2, N•N вторых умножителей 5.3, блока вычисления матрицы А 5.4, сумматора 5.5, блока формирования параметра α 5.6, блока вычитания 5.7, усилителя 5.8, интегратора 5.9, причем входы N блоков комплексного сопряжения 5.1 соединены с выходами N соответствующих адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, выходы N блоков комплексного сопряжения 5.1 соединены с соответствующими первыми входами N•N первых умножителей 5.2, при этом выход первого блока комплексного сопряжения 5.1 соединен с первыми входами первых N из N•N первых умножителей 5.2, выход второго блока - с первыми входами вторых N из N•N первых умножителей 5.2 и т.д., выход N-го блока - с первыми входами N-ных (последних) N из N•N первых умножителей 5.2, вторые входы N•N первых умножителей 5.2 соединены с соответствующими входами N блоков комплексного сопряжения 5.1, при этом с входом первого блока комплексного сопряжения соединены вторые входы первого, N+1, 2N+1,.... N•(N-1)+1 первых умножителей 5.2, с входом второго блока комплексного сопряжения соединены вторые входы второго, N+2, 2N+2,..., N•(N-l)+2 первых умножителей 5.2 и т.д., с входом N-го блока комплексного сопряжения соединены вторые входы N-гo, 2N,..., N•N-го первых умножителей 5.2, выходы N•N первых умножителей соединены с вторыми входами соответствующих N•N вторых умножителей 5.3, к первых входам которых подключены N•N соответствующих выходов блока вычисления матрицы 5.4 с управляющим входом, на который от внешнего устройства поступает информация о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы N•N вторых умножителей соединены с N•N входами сумматора 5.5, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания 5.7, первый вход которого соединен с выходом блока формирования параметра α 5.6, выход блока вычитания 5.7 соединен с входом усилителя 5.8, выход которого соединен с входом интегратора 5.9, выход которого соединен с четвертым входом N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 и является первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа 5, N•N выходов блока вычисления матрицы 5.4 соединены с N соответствующими третьими входами N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, при этом первые N выходов блока вычисления матрицы 5.4 соединены с N входами первого адаптивного контура блока адаптивных контуров 4, вторые N выходов - с N входами второго адаптивного контура блока адаптивных контуров 4 и т.д., N-ные (последние) N выходов - с N входами N-го (последнего) адаптивного контура блока адаптивных контуров 4.

В качестве внешнего устройства используется устройство формирования и выдачи информации о секторе возможных направлений прихода сигнала (место формирования управляющего сигнала находится вне ААР и зависит от конкретной радиотехнической системы). Так, например, в системе транкинговой связи DigiStar существует служба автоматического определения координат (см. Тамаркин В.М., Громов В.Б., Сергеев С.И. Системы и стандарты транкинговой связи. - М. : ИТЦ "Мобильные коммуникации", 1998, с. 105 и 106). Поэтому направление прихода сигнала от подвижной станции может быть достаточно точно рассчитано. С учетом погрешности местоопределения и частоты обновления информации о местоположении станции в системах радиосвязи с подвижными объектами может быть определен сектор возможных направлений прихода сигнала.

Блок комплексных весовых умножителей 2 состоит из N комплексных весовых умножителей (см. Монзинго Р. А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, c.56).

Сумматоры 3, 4.3 и 5.5 могут быть выполнены в виде высокочастотных трансформаторов на коаксиальных или микрополосковых линиях в зависимости от диапазона частот (фиг. 4). Умножители 4.1, 4.2, 4.4, 5.2, 5.3 могут быть выполнены в виде схемы, изображенной на фиг.9, причем в качестве усилителей 1 и 2 использован усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, с отрицательной обратной связью (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. T.1 /Бурин Л.И., Васильев В.П. , Каганов В.И. и др., под ред. Линде Д.П. - М.: Энергия, 1978, с. 33, рис. 1-30), в качестве усилителя 3 использован эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе (см. там же с. 41, рис.1-41а), а в качестве электронного аттенюатора использован электронный аттенюатор на транзисторе (см. там же с. 75, рис. 1-88б). Блок вычитания 4.5, 5.7 может быть выполнен в виде высокочастотного трансформатора на коаксиальных либо микрополосковых линиях в зависимости от диапазона частот с включенными встречно первичными обмотками (фиг. 7). Усилители 4.6, 5.8 могут быть выполнены на биполярном транзисторе (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. T.1 / Бурин Л. И. , Васильев В. П., Каганов В.И и др., под ред. Линде Д.П. - М.: Энергия, 1978, с. 41, рис.1-41а). Интеграторы 4.7, 5.9 могут быть выполнены в виде конденсатора или набора конденсаторов (например, микросхема К228НЕ1), разряжаемого электромагнитным реле (фиг.5) или электронным ключом (например, ключ диодный К228КН1). Блоки комплексного сопряжения 5.1 могут быть выполнены в виде схем разложения сигнала на синфазную и квадратурную составляющие с включением в квадратурную ветвь дополнительного фазовращателя на π (см. фиг. 6). Блок вычисления матрицы А 5.4 может быть выполнен на однопроцессорной микроЭВМ или на основе процессорной платы 2133 и модуля аналогового/цифрового интерфейса 5648 фирмы Octagon Systems (см. ProSoft. Краткий каталог продукции. 4.0.- М.: ProSoft, 1999, с. 104-105). Блок формирования параметра α 5.6 может быть выполнен в виде делителя напряжения (фиг.8) применительно к аналоговым схемам либо в виде постоянного запоминающего устройства (например, микросхема К155РЕ3) применительно к цифровым схемам.

Кроме того, блок адаптивных контуров 4 и блок вычисления множителя Лагранжа 5 могут быть выполнены 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. Остапенко А.Г. - М.: Радио и связь, 1994, с. 88).

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 адаптивных контуров 4 и блока вычисления множителя Лагранжа 5 осуществляется настройка комплексных весовых умножителей с целью повышения отношения сигнал/(помеха плюс шум) на выходе устройства. На основе управляющей информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, поступающей от внешнего устройства, например от системы автоматического определения координат в системах радиосвязи с подвижными объектами (см. Тамаркин В. М. , Громов В.Б., Сергеев С.И. Системы и стандарты транкинговой связи. -М.: ИТЦ "Мобильные коммуникации", 1998, с. 105 и 106), в блоке вычисления множителя Лагранжа 5 рассчитываются обобщенный множитель Лагранжа λ и матрица преобразования сигнала А, по которым в адаптивных контурах блока адаптивных контуров 4 определяются весовые коэффициенты (N-мерный вектор), по значениям которых в блоке комплексных весовых умножителей 2 производится взвешивание элементов сигнала.

Априорно известны только интервальные оценки направления прихода сигнала, следовательно, без потерь общности можно считать направление прихода сигнала Θ случайной величиной, распределенной в интервале от Θ-ΔΘ до Θ+ΔΘ с функцией плотности вероятности распределения f(Θ). Тогда мощность сигнала на выходе ААР также можно считать случайной величиной, математическое ожидание которой с точностью до постоянного коэффициента определяется выражением (см. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с. 80-82):

где - вектор весовых коэффициентов;
матрица преобразования;
R_CC(Θ)= E{ SS⁺} - корреляционная матрица сигнала, приходящего с направления Θ;
(Θ-ΔΘ, Θ+ΔΘ) - заданный сектор возможных направлений прихода сигнала от Θ-ΔΘ до Θ+ΔΘ;
Е{ *} , ⁺ - обозначения операций математического ожидания и эрмитового сопряжения соответственно.

В общем случае от направлений прихода сигнала зависят как модули, так и аргументы элементов матрицы R_CC(Θ). Однако в некоторых частных, но практически важных случаях от Θ зависят только аргументы элементов R_СС(Θ). Например, для адаптивных антенных решеток, состоящих из идентичных и невзаимодействующих антенных элементов, при пренебрежении межэлементной декорреляцией комплексных огибающих сигналов можно записать
R_CC(Θ)=P_CV_CV_C ⁺, (2)
где Р_C - мощность сигнала,

ϕ_j - фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала, принимаемого j-м антенным элементом по отношению к сигналу, принимаемому первым антенным элементом.

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. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с. 54):

где ϕ_j - фазовый сдвиг сигнала, принимаемого j-м антенным элементом по отношению к первому;
d_j - расстояние между j-м и первым антенными элементами;
λ - длина волны принимаемого сигнала.

Повышение помехозащищенности приема сигналов можно обеспечить путем минимизации мощности суммарного сигнала (полезный сигнал плюс помеха плюс шум) на выходе ААР при обеспечении мощности полезного сигнала не менее определенного заранее заданного значения.

Тогда оптимизационная задача будет иметь вид

где R_XX = { ХX⁺} = R_cc+R_ПШ - корреляционная матрица сигнала, помех и шума;
W⁺ R_ХХ W - мощность суммарного сигнала на выходе ААР (см. Монзинго Р.А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с. 80-82);
α - положительный вещественный коэффициент.

Выражение (4) представляет собой стандартную 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
W_α = Q(λ_min(R_XX-λ₀A)), (5)
где Q(λ_min(R_XX-λ₀A)) - собственный вектор, соответствующий минимальному собственному числу матрицы (R_XX-λ₀A);
λ₀ - обобщенный множитель Лагранжа.

Коэффициент λ₀ в (5) зависит от сигнально-помеховой обстановки и его аналитическое определение достаточно проблематично. Поэтому, основываясь на принципе двойственности и применяя градиентный метод (см. Compton R.T. Power optimization in adaptive arrays: a technique for interference protection // IEEE Trans. Antennas Propag. 1980. V. AP-28. 1. Pp.79-85), решение задачи (4) представим в виде рекуррентных процедур

где μ_1k, μ_2k - шаговые постоянные;
Pr{*} - проектор на гиперсферу единичного радиуса.

Учитывая выпуклость целевой функции методами стохастической аппроксимации (см. Поляк Б.Т. Сходимость и скорость сходимости итеративных стохастических алгоритмов. II. Линейный случай // Автоматика и телемеханика. 1977, 4, с.101-107) доказана глобальная сходимость алгоритма (6).

Реализация алгоритма (6) обеспечивается блоком адаптивных контуров 4 и блоком вычисления множителя Лагранжа 5, причем первое уравнение алгоритма (6) реализуется блоком адаптивных контуров 4, в состав которого входят N адаптивных контуров, состоящих из первого умножителя 4.1, N вторых умножителей 4.2, сумматора 4.3, третьего умножителя 4.4, блока вычитания 4.5, усилителя 4.6, интегратора 4.7, при этом первый и второй входы первого умножителя 4.1 соединены соответственно с выходом соответствующего антенного элемента блока антенных элементов 1 и выходом общего сумматора 3, а выход первого умножителя 4.1 соединен с первым входом блока вычитания 4.5, второй вход которого соединен с выходом третьего умножителя 4.4, первый вход которого соединен с первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа 5, а второй вход соединен с выходом сумматора 4.3, N входов которого соединены с выходами N вторых умножителей 4.2, первые входы которых соединены с N соответствующими вторыми выходами блока вычисления множителя Лагранжа 5, вторые входы вторых умножителей 4.2 соединены с выходами N соответствующих адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, выход блока вычитания 4.5 соединен с входом усилителя 4.6, выход которого соединен с интегратором 4.7, выход интегратора 4.7 подключен к управляющему входу соответствующего комплексного весового умножителя блока комплексных весовых умножителей 2 и является выходом адаптивного контура, а второе уравнение алгоритма (6) реализуется блоком вычисления множителя Лагранжа 5, в состав которого входят N блоков комплексного сопряжения 5.1, N•N первых умножителей 5.2, N•N вторых умножителей 5.3, блока вычисления матрицы А 5.4, сумматора 5.5, блока формирования параметра α 5.6, блока вычитания 5.7, усилителя 5.8, интегратора 5.9, при этом входы N блоков комплексного сопряжения 5.1 соединены с выходами N соответствующих адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4, выходы N блоков комплексного сопряжения 5.1 соединены с соответствующими первыми входами N•N первых умножителей 5.2, вторые входы N•N первых умножителей 5.2 соединены с соответствующими входами N блоков комплексного сопряжения 5.1, выходы N•N первых умножителей соединены с вторыми входами соответствующих N•N вторых умножителей 5.3, к первых входам которых подключены N•N соответствующих выходов блока вычисления матрицы 5.4 с управляющим входом, на который от внешнего устройства поступает информация о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы N•N вторых умножителей соединены с N•N входами сумматора 5.5, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания 5.7, первый вход которого соединен с выходом блока формирования параметра α 5.6, выход блока вычитания 5.7 соединен с входом усилителя 5.8, выход которого соединен с входом интегратора 5.9, выход которого соединен с четвертым входом N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4 и является первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа 5, N•N выходов блока вычисления матрицы 5.4 соединены с N соответствующими третьими входами N адаптивных контуров блока адаптивных контуров 4. При этом вектор входных сигналов на выходах антенных элементов блока антенных элементов 1; вектор весовых коэффициентов на выходах интеграторов 4.7 блока адаптивных контуров 4; сигнал на выходе общего сумматора 3; μ₁ - коэффициент усиления усилителей 4.6 блока адаптивных контуров 4; μ₂ - коэффициент усиления усилителей 5.8 блока вычисления множителя Лагранжа 5.

Детальное сопоставление характеристик алгоритмов ААР прототипа и заявляемой ААР было проведено с использованием метода имитационного моделирования. При моделировании использовалась 3-элементная линейная эквидистантная ААР, состоящая из изотропных невзаимодействующих антенных элементов, разнесенных в пространстве на d₁₂ = d₂₃ = m₀/2 (m₀ - длина волны сигнала), и следующие предположения о сигнально-помеховой обстановке:
- количество сигналов - 1, помех - 2;
- несущие частоты сигнала и помех тождественны (f_c=f_n1=f_n2=f₀);
- соотношение мощностей сигнала, помех и дисперсии теплового шума:
- углы прихода сигналов (относительно нормали к линии расположения антенных элементов) Θ_c = 5^°, Θ_п1 = 45^°, Θ_п2 = 75^° (учитывались только углы в азимутальной плоскости);
- f(Θ) = 1/(Θ+ΔΘ-Θ-ΔΘ) = 1/2ΔΘ - равномерное распределение возможного направления прихода сигнала в заданном секторе.

Результаты расчетов зависимости отношения сигнал/(помеха плюс шум) от ошибки в определении направления прихода сигнала применительно к трехэлементной ААР представлены на фиг.10. При этом кривая, обозначенная цифрой 1, соответствует потенциально достижимому значению отношения сигнал/(помеха плюс шум), кривая 2 построена для ААР прототипа, кривые 3 и 4 построены для заявляемой ААР при значениях параметра α = 0,98α₀ и α = 0,5α₀ соответственно. При этом α₀ = W+0

AW₀, W₀ = Q(λ_max(R_cc(Θ)), ||W₀|| = 1.
Из графиков видно, что помехозащищенность (отношение сигнал/(помеха плюс шум) на выходе ААР) приема сигналов с непрерывной структурой (не имеющих пауз в ходе их передачи) в условиях частичной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами) предлагаемой ААР выше, чем ААР прототипа, кроме того, при соответствующем выборе коэффициента α в рассматриваемых сигнально-помеховых ситуациях отношение сигнал/(помеха плюс шум) на выходе заявляемой ААР при небольших ошибках в оценке пространственных (угловых) параметров сигнала близко к потенциально достижимому, в то время как в ААР прототипа происходит резкое снижение помехозащищенности. 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.

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. Техническим результатом изобретения является разработка адаптивной антенной решетки, обладающей более высокой помехозащищенностью приема сигналов в условиях частичной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами) по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. Поставленный результат достигается тем, что в известной адаптивной антенной решетке вместо блока максимизации выходной мощности введен блок вычисления множителя Лагранжа с управляющим входом, который соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, первые входы блока вычисления множителя Лагранжа подключены к соответствующим первым выходам адаптивных контуров, первый выход подключен к четвертым входам адаптивных контуров, а вторые выходы подключены к третьим входам адаптивных контуров, первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим пятым входам адаптивных контуров. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Адаптивная антенная решетка, содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, N адаптивных контуров, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, вторые входы соединены с выходом общего сумматора, первые выходы подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей, отличающаяся тем, что блок вычисления множителя Лагранжа соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, первые входы блока вычисления множителя Лагранжа подключены к соответствующим первым выходам адаптивных контуров, первый и вторые выходы подключены соответственно к четвертым и третьим входам адаптивных контуров, первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим пятым входам адаптивных контуров. 2. Адаптивная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что блок формирования множителя Лагранжа состоит из N блоков комплексного сопряжения, NxN первых умножителей, NxN вторых умножителей, блока вычисления матрицы А, сумматора, блока формирования параметра α, блока вычитания, усилителя, интегратора, выходы блоков комплексного сопряжения 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, к первым входам которых подключены соответствующие выходы блока вычисления матрицы, управляющий вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигналов, 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, 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 вторым выходами блока формирования множителя Лагранжа; адаптивный контур состоит из первого умножителя, N вторых умножителей, сумматора, третьего умножителя, блока вычитания, усилителя, интегратора, выход первого умножителя подключен к первому входу блока вычитания, выходы вторых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход сумматора подключен к второму входу третьего умножителя, выход третьего умножителя подключен к второму входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен к входу усилителя, выход усилителя подключен к входу интегратора, 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.