自適應(yīng)波束形成技術(shù)簡介(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自適應(yīng)波束形成技術(shù)簡介摘要:介紹了自適應(yīng)波束抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷程,以及各種自適應(yīng)波束形成算法的原理和特點,討論了自適應(yīng)波束抗干擾技術(shù)的應(yīng)用情況,探討了該技術(shù)在工程應(yīng)用上面臨的主要問題以及解決途徑和方法。1引言隨著電子干擾理論與技術(shù)的迅速發(fā)展,電子干擾對雷達(dá)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。天線相當(dāng)于空間濾波器,是雷達(dá)抗干擾的第一道防線,天線抗干擾技術(shù)主要有低副瓣和超低副瓣、副瓣匿影、自適應(yīng)副瓣對消、自適應(yīng)陣列系統(tǒng)、波束控制、天線覆蓋和掃描控制等。傳統(tǒng)的雷達(dá)天線具有固定的波束方向,不能在抵消干擾的同時自動跟蹤期望信號的來向,無法適應(yīng)未來復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的需要。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)作為一

2、個新的理念,是利用算法對天線的波束實現(xiàn)自適應(yīng)的控制。自適應(yīng)陣列天線抗干擾就是在保證期望信號大增益接收的前提下,自適應(yīng)地使天線的方向圖零陷對準(zhǔn)干擾的方向,從而抑制掉干擾或者降低干擾信號的強度。 最初,自適應(yīng)陣列天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、聲納、軍事抗干擾通信等領(lǐng)域,完成空間濾波和定位等。近年來,隨著移動通信及現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展,利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能。天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度得到了大大的提高。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)在雷達(dá)中有以下的應(yīng)用潛力:(1)抗衰落,減少多徑效應(yīng) 電波在傳播過程中經(jīng)過反射、折射及散射等多種途徑到達(dá)接收端。隨著目標(biāo)移動及環(huán)境變化,信號瞬時值及延遲失真變化非常

3、迅速且不規(guī)則,造成信號多徑衰落。采用自適應(yīng)陣列天線控制接收方向,天線自適應(yīng)地在目標(biāo)方向形成主波束,并對接收到的信號進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理,使有用接收信號的增益最大,其它方向的增益最小,從而減少信號衰落的影響。(2)抗干擾能力強 利用自適應(yīng)陣列天線,借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異,選擇恰當(dāng)?shù)暮喜?quán)值,形成正確的天線接收模式,即:將主瓣對準(zhǔn)有用信號,零陷和低增益副瓣對準(zhǔn)主要的干擾信號,從而可更有效地抑制干擾。其中零陷所帶來的干擾消除叫做主動抑制,旁瓣對消干擾叫做被動抑制?？垢蓴_應(yīng)用的實質(zhì)是空間域濾波。自適應(yīng)陣列天線波束具有方向性,可區(qū)別不同入射角的無線電波,可調(diào)整控制天線陣單元的激勵“權(quán)值”

4、,其調(diào)整方式與具有時域濾波特性的自適應(yīng)均衡器類似,可以自適應(yīng)電波傳播環(huán)境的變化,優(yōu)化天線陣列方向圖,將其“零點”自動對準(zhǔn)干擾方向,大大提高陣列的輸出信噪比,提高系統(tǒng)可靠性。(3)增加系統(tǒng)容量自適應(yīng)陣列天線波束變窄,提高了天線增益及C/I指標(biāo),減少了雷達(dá)系統(tǒng)的同頻干擾,降低了頻率復(fù)用系數(shù),可提高頻譜利用效率。采用自適應(yīng)陣列天線是解決復(fù)雜電磁環(huán)境、多目標(biāo)容量難題的既經(jīng)濟(jì)又高效的方案,可在不影響甚至提高接收質(zhì)量的情況下,大幅提高雷達(dá)的工作容量。采用自適應(yīng)陣列天線,雷達(dá)的C/I和SINR指標(biāo)大大提高,同時對單個或多個目標(biāo)的覆蓋定向能力增強,可使雷達(dá)的探測區(qū)域大大增加。2自適應(yīng)波束形成技術(shù)的發(fā)展 自適應(yīng)

5、陣列天線的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代,其中最具代表性的工作包括Adams提出的基于SNR輸出的自適應(yīng)處理器以及Widrow提出的寬帶和窄帶自適應(yīng)陣列結(jié)構(gòu)。近年來,隨著研究的不斷深入,其基本理論日趨成熟,出現(xiàn)了大量的自適應(yīng)波束形成算法 適應(yīng)波束形成通過不同的準(zhǔn)則來確定自適應(yīng)權(quán),并利用不同的自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。主要的準(zhǔn)則有:最小均方誤差(MSE)準(zhǔn)則;最大信噪比(SNR)準(zhǔn)則;最大似然比(LH)準(zhǔn)則;最小噪聲方差(NV)準(zhǔn)則等。Monzingo和Miler在他們的專著中闡述了理想情況下這4種準(zhǔn)則是等價的。不管選擇什么樣的準(zhǔn)則,都是要采用一定的算法調(diào)整陣波束方向圖,從而實現(xiàn)自適應(yīng)控制。 法的分類有

6、幾種,按照算法的實現(xiàn)可以分為開環(huán)算法和閉環(huán)算法。早期主要注重于閉環(huán)算法的研究,主要的閉環(huán)算法有最小均方(LMS)算法、差分最陡下降(DSD)算法、加速梯度(AG)算法以及它們的變形算法。閉環(huán)算法簡單、性能可靠,不需數(shù)據(jù)存儲。但其主要缺點是收斂于最佳權(quán)的響應(yīng)時間取決于數(shù)據(jù)特征值分布,在某些干擾分布情況下,算法收斂速度較慢,從而大大限制了它的應(yīng)用場合。因此,近20年來,人們把興趣更多集中在開環(huán)算法研究上。REED等人最早提出了著名的開環(huán)算法:直接求逆(DMI或SMI)法。DMI法通過直接干擾方差矩陣的逆來求解Winner-Hopf方程以獲得最優(yōu)權(quán)值,然后作加權(quán)相消,它的收斂速度和相消性能都比閉環(huán)算

7、法好得多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,高速度芯片的產(chǎn)生為開環(huán)算法提供了更好的前提條件。為了利于數(shù)字實現(xiàn)以及克服DMI方法運算量大、穩(wěn)健性差等不足,又提出了一些改進(jìn)的快速穩(wěn)健的算法。Miller對采樣協(xié)方差矩陣含有期望信號時的情況進(jìn)行了研究,并且指出期望信號的存在嚴(yán)重降低了DMI算法輸出SINR的收斂速度,期望信號越強,降低越嚴(yán)重。DMI等開環(huán)算法運算量大,難以工程實現(xiàn),所以必須想辦法來降低算法的運算量。曾經(jīng)采用的主要方法是特征結(jié)構(gòu)法和功率最小化法等。針對陣列元數(shù)較多的雷達(dá),Hung和Turner提出了一種快速波束形成算法,即正交化算法(又稱Hung-Turner算法)。為了使正交化算法能夠有效對消

8、寬帶干擾,Gershman把導(dǎo)數(shù)約束和正交化算法相結(jié)合,提出了約束正交化算法。同時,對于存在相干干擾時的波束形成方法,人們也進(jìn)行了大量的研究。另外,天線接收平臺的震動和運動、干擾位置的快速變化及自適應(yīng)權(quán)值的更新速度相對較慢等,必然會引起一定的失配現(xiàn)象,很可能因干擾不在零陷位置而不能有效地對其進(jìn)行抑制。甚至在某些情況下,常規(guī)方法完全失效,因此人們提出了有效的解決方法,也就是加寬干擾零陷,使得干擾來向始終處在零陷內(nèi),從而有效地抑制干擾。 自適應(yīng)波束形成算法又可以按照參考的不同分為時間參考算法和空間參考算法。為了系統(tǒng)分析問題,可以根據(jù)發(fā)射端是否發(fā)射參考信號,分為盲和非盲兩大類,非盲算法基于發(fā)射端發(fā)送

9、的時域參考信號,盲算法不需要發(fā)射端發(fā)送參考信號,根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則,可得到最佳維納解。實際應(yīng)用中,協(xié)方差矩陣和互相關(guān)矩陣事先未知,不能直接計算天線的最優(yōu)加權(quán),權(quán)向量輸入數(shù)據(jù)的變化自適應(yīng)地更新,常用的最基本的算法有DMI算法、LMS算法、RLS算法等。 盲自適應(yīng)波束形成算法,是指在波束形成算法中不需要與發(fā)射信號強相關(guān)的參考信號,不需要訓(xùn)練序列,而是利用信號本身所具有的空域特性、時域特性、頻域特性自適應(yīng)地完成波束形成。盲自適應(yīng)波束形成算法主要分以下幾種,一是基于DOA估計的自適應(yīng)波束形成算法,首先根據(jù)陣列響應(yīng)的先驗知識估計信號的DOA,用于DOA估計的高分辨技術(shù)包括MU-SIC算法、ESPRIT

10、算法等,估計出信號的波達(dá)方向,就能根據(jù)這些信息建立最優(yōu)波束形成器。這種方法由于需要估計波達(dá)方向和波束形成兩個過程,運算量較大。另一種方法就是基于信號特性恢復(fù)的自適應(yīng)波束形成算法。由于干擾和噪聲的存在,信號的一些固有特性,如恒模特性、周期平穩(wěn)特性,在傳輸過程中會受到破壞,因此在接收端通過對這些信號的特性的恢復(fù)可以自動地抑制干擾,其中,恒模算法(CMA)是應(yīng)用最廣泛的一種盲自適應(yīng)波束形成算法。一些特殊調(diào)制的信號,如FM、PSK、FSK信號等都具有恒定的振幅,在信號傳輸過程中,由于干擾和噪聲的存在,這種恒模特性會受到破壞,在接收端通過調(diào)整天線陣的加權(quán)向量使天線陣列輸出信號的包絡(luò)變化最小,算法收斂后就

11、可以在信號來向上形成一個主波束,而在干擾方向上形成零陷?；谛盘栔芷谄椒€(wěn)性的盲自適應(yīng)算法也可用于自適應(yīng)波束的形成,與恒模算法相比,該方法對信號的約束更強。 另外,人們還提出了一些別的盲自適應(yīng)算法,比如判決引導(dǎo)算法(DD)、解擴(kuò)-再擴(kuò)頻算法等。DD算法將解調(diào)后的判決輸出信號作為參考信號,進(jìn)行自適應(yīng)波束形成;解擴(kuò)-再擴(kuò)頻DR算法主要用于CDMA系統(tǒng)。3自適應(yīng)波束形成技術(shù)的現(xiàn)狀 近三十多年來,采用陣列天線的相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展迅速,數(shù)字波束形成技術(shù)(DBF)在相控陣?yán)走_(dá)中得到了廣泛應(yīng)用,是目前相控陣?yán)走_(dá)的一個重要發(fā)展方向。自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)將天線技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合,是提高雷達(dá)、通訊、聲納等系

12、統(tǒng)中天線性能的強有力的技術(shù)。但是在工程實現(xiàn)中,由于涉及到算法的一些技術(shù)難題,在大型相控陣陣列天線中采用的自適應(yīng)數(shù)字波束技術(shù)尚處在試驗階段,工程應(yīng)用尚未有公開報道,但是作為自適應(yīng)波束形成技術(shù)的特例,旁瓣自適應(yīng)對消技術(shù)在雷達(dá)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字波束技術(shù)革新到自適應(yīng)數(shù)字波束技術(shù)還需要大量的試驗和技術(shù)攻關(guān),目前遇到的主要問題是運算量和穩(wěn)健性的問題。應(yīng)用到大型陣列天線的數(shù)字波束技術(shù)和自適應(yīng)數(shù)字波束技術(shù)保密性極強,公開報道極少,目前掌握的有關(guān)的工程實現(xiàn)都是較早的技術(shù)文獻(xiàn),難以代表當(dāng)前的發(fā)展水平。 自適應(yīng)波束近些年的成功應(yīng)用主要是在通信領(lǐng)域,也就是智能天線技術(shù),經(jīng)過幾十年的發(fā)展,智能天線的理論研究已日

13、趨成熟,目前研究工作主要集中在移動通信的智能天線實現(xiàn)技術(shù)上。4需要解決的主要問題 雖然陣列信號處理技術(shù)從理論到工程的轉(zhuǎn)化取得了不少研究成果,但是這些成果都是在實驗室的條件下來完成的,離真正的工程應(yīng)用還有一定的距離。造成這種現(xiàn)象的原因主要有:(1)以前對陣列信號處理的理論研究主要是在作了許多假設(shè)條件的理想情況下進(jìn)行的,因而所取得的研究成果都是在無誤差的條件下得到的,而對于實際系統(tǒng),誤差的存在不可避免,并且信號環(huán)境十分復(fù)雜,因此把穩(wěn)健性較差的陣列信號處理理論算法直接用在實際系統(tǒng)中,取得的效果勢必比預(yù)測的理論效果差得多,甚至有時會使系統(tǒng)無法工作;(2)陣列信號處理的理論算法運算量較大,對硬件設(shè)備要求

14、較高,對于目前的硬件速度,要對實際系統(tǒng)完成實時運算還有一定的困難,而且上述的實驗系統(tǒng)也都是經(jīng)過某些簡化后進(jìn)行的。因此陣列信號的穩(wěn)健性算法和快速算法一直是關(guān)注的焦點。穩(wěn)健性和運算量問題是自適應(yīng)算法是否可行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法在采樣數(shù)據(jù)中沒有考慮期望信號成分,在這種情況下,算法相對期望信號的大小、方向誤差以及有限快拍的采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性很好,基于此提出了一些快速收斂的算法。但是,即使在理想的情況下(期望信號的約束導(dǎo)向矢量精確已知),由于實際的采樣數(shù)據(jù)中包含期望信號信息,也使得算法的收斂速度相對無期望信號信息時慢得多,尤其是在低快拍數(shù)據(jù)的情況下,自適應(yīng)波束算法的實際性能相對理論計算性能將下

15、降很多。實際上,影響算法性能的主要因素還是實際環(huán)境、采樣數(shù)據(jù)、天線陣列與假設(shè)存在的出入。一種典型情況就是假設(shè)的陣列響應(yīng)與實際的陣列響應(yīng)存在誤差,眾所周知,自適應(yīng)陣列天線技術(shù)對于此類誤差是非常敏感的,這是因為存在這種誤差時,自適應(yīng)算法在計算陣列權(quán)系數(shù)的時候就會將期望信號作為干擾進(jìn)行抑制,從而在期望信號方向上形成零陷而不是在實際的期望信號方向保持增益最大。由于實際中存在的期望信號指向誤差、陣列排列的不規(guī)則以及環(huán)境傳播介質(zhì)的不均勻、本地散射、陣元互耦,陣列相對期望信號的響應(yīng)誤差是經(jīng)常存在的。 自適應(yīng)算法對相關(guān)信號的去相關(guān)能力是實際存在的另一個客觀問題。在陣列信號處理中,往往存在相干干擾信號,如多徑反射、智能干擾等。在這種情況下,常規(guī)自適應(yīng)波束形成方法會引起期望信號對消,造成波束形成器的性能急劇下降,因此存在相干干擾時的自適應(yīng)波束形成技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注。由于多徑傳播、電子有源干擾等因素的影響,奇異(秩損)的信源協(xié)方差矩陣使得陣列協(xié)方差矩陣的大(信號)特性值的個數(shù)小于信源數(shù),信號子空間將成為源子空間的子空間,在這種情況下,由于信源的相干,信號源之間重新組合成新的虛擬信號源分布,而此虛擬的信號源位置分布與實際的分布不同。當(dāng)采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法時,形成的自適應(yīng)干擾零陷與虛擬信號源一一對應(yīng),此時,常規(guī)自適應(yīng)波束形成器在實際相關(guān)干擾信源方向不能