[发明专利]自适应阵列天线数字波束合成抗干扰处理方法

说明书

本发明公开的一种自适应阵列天线数字波束合成抗干扰处理方法，计算精度高、处理时延低、抗干扰能力强。本发明通过下述技术方案实现：ADC模块输出的阵列多通道的数字中频接收信号通过数据预处理模块进行数字下变频和数字滤波和时域抽头得到多通道的空时二维接收数据，自相关矩阵计算模块对空时二维数据及其共轭转置数据计算乘累加得到自相关矩阵；然后自相关矩阵求逆模块采用对自相关矩阵求逆运算；权值系数计算模块利用自相关逆矩阵和空时二维导向矢量实时计算自适应权值系数；空时波束合成模块对时间同步的空时二维基带数据和自适应权值系数进行复数乘法累加，得到经抗干扰处理后的数字信号经DAC模块数模变换和上变频输出模拟中频信号。

技术领域

本发明涉及阵列信号处理技术领域，具体涉及自适应阵列抗干扰的实现方法。

背景技术

自适应阵列处理能够显著提高现代信息系统在复杂信号环境中的适应能力，被广泛应用于雷达、声呐、导航等诸多领域。随着人为干扰的日益增多和电磁环境的日益恶劣，抗干扰逐渐成为卫星导航接收机的必备能力之一。由于卫星导航信号到达地面时极其微弱，很容易受到有意或无意的干扰，传统的单天线多延迟系统仅从时域抗干扰，抑制干扰能力有限。利用阵列天线增加空域自由度，通过空域-时域联合处理能够显著增强导航信号接收机的抗干扰性能。多个天线以不同的方式放置,即不同的阵形,会使得导航接收机具有不同的空域抗干扰性能。在目前的抗干扰技术中，自适应阵列天线占有十分重要的地位，它能够动态的跟踪用户信号，并根据外部信号环境自动调节各阵元的加权系数，使波束方向图主瓣对准期望信号来向并使零陷或较低的旁瓣对准干扰信号来向，从而达到使干扰信号置零的效果，有效的抑制干扰信号。自适应天线阵为通信抗干扰技术的一种主要分支。对于无线通信系统，电子干扰首先是从天线进入接收系统中，自适应天线就是在天线内设置一道关卡，在干扰比信号强得多的情况下，让己方信号通过，将干扰信号抑制掉。但当干扰源数大于自适应阵天线的自由度时，自适应天线阵无法起到对强干扰的抑制作用。在相干环境下(如蜂窝移动通信系统中市区多径环境)，相干干扰的存在会导致阵列中期望信号被对消掉，自适应阵列性能会急剧下降，常用的处理方法是空间平滑。然而，采用常规均匀空间平滑的自适应阵列对相干干扰的抑制能力较差，而且会损失阵列孔径。方阵、矩形阵和Y形阵是三种常用的卫星导航抗干扰阵列结构。天线因素对阵列抗干扰性能有影响，对天线而言，阵列互耦、单元不一致性是引起阵列抗干扰性能下降的主要因素。在卫星导航抗干扰中，传统自适应波束形成算法在干扰方向形成零陷，从而抑制干扰。然而信源与干扰源时域相关、空域相邻时，传统自适应波束形成算法会导致波束畸变，期望信号会被抑制造成检测不理想。该算法采用的有限次采样所带来的阵列协方差矩阵估计误差，以及相干干扰信号的存在等都将会导致自适应波束形成器的性能下降，而且现有算法的高计算复杂度也很大程度上限制了其应用。

在阵列抗干扰技术中，自适应抗干扰算法根据最优化目标的不同，演进相应的自适应处理算法也日趋多样，包括功率倒置(PI)算法、波束控制(BS)算法、最小均方误差(MMSE)算法、最小方差无畸变(MVDR)算法和线性约束最小方差(LCMV)算法等。不同的自适应抗干扰算法所需要的应用条件以及形成的方向图均有所不同，它们不但在性能和计算量上各有优劣，而且在抗干扰性能和实现难易程度上也各不相同。所以在实际工程应用时，应根据应用场景的条件和需求，选择合适的自适应抗干扰算法。功率倒置算法的自适应天线系统虽然特别适合于卫星导航系统等信号很弱而干扰较强的场合。但在有干扰信号的时候，只有当干扰信号功率大到一定程度之后功率倒置阵才对其有抑制效果。由于功率倒置阵不区分有用信号还是干扰信号，只是尽可能地使阵列输出功率最小。在卫星导航系统中，有用信号是深埋在噪声以下的，而干扰信号通常较强才能起到干扰效果。当干扰信号功率较小时，输出干扰信号的功率随着输入干扰信号的增加而增加，此时功率倒置阵表现出不起作用的状态；而当干扰信号功率高于某一门限时，输入干扰信号越强，输出干扰信号功率反而越小，这是功率倒置的特性。另外在大功率条件下射频前端的饱和失真也会导致对消性能的下降。在相干环境下，基于线性约束最小方差(LCMV)准则的波束形成算法将失效，阵列性能会急剧下降。此外，在信号的空间角度间隔较小且SNR较低时，波达方向估计分辨率也较差。