自適應波束形成技術(shù)簡介

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1、標準文檔自適應波束形成技術(shù)簡介摘要:介紹了自適應波束抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷程,以及各種自適應波束形成算法的原理和特點,討論了自適應波束抗干擾技術(shù)的應用情況,探討了該技術(shù)在工程應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,電子干擾對雷達構(gòu)成了嚴重的威脅。天線相當于空間濾波器,是雷達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、自適應副瓣對消、自適應陣列系統(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,無法適應未來復雜電磁

2、環(huán)境下工作的需要。自適應陣列天線技術(shù)作為一個新的理念,是利用算法對天線的波束實現(xiàn)自適應的控制。自適應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,自適應地使天線的方向圖零陷對準干擾的方向,從而抑制掉干擾或者降低干擾信號的強度。最初,自適應陣列天線技術(shù)主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信等領域,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。自適應陣列天線技術(shù)在雷達中有以下的應用潛力:實用文案標準文檔(1)抗衰落,減少多徑效

3、應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接收端。隨著目標移動及環(huán)境變化,信號瞬時值及延遲失真變化非常迅速且不規(guī)則,造成信號多徑衰落。采用自適應陣列天線控制接收方向,天線自適應地在目標方向形成主波束,并對接收到的信號進行自適應加權(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?shù)暮喜?quán)值,形成正確的天線接收模式,即:將主瓣對準有用信號,零陷和低增益副瓣對準主要的干擾信號,從而可更有效地抑制干擾。其中零陷所帶來的干

4、擾消除叫做主動抑制,旁瓣對消干擾叫做被動抑制。抗干擾應用的實質(zhì)是空間域濾波。自適應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”,其調(diào)整方式與具有時域濾波特性的自適應均衡器類似,可以自適應電波傳播環(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)容量自適應陣列天線波束變窄,提高了天線增益及C/I指標,減少了雷達系統(tǒng)的同頻干擾,降低了頻率復用系數(shù),可提高頻譜利用效率。采用自適應陣列天線是解決復雜電磁環(huán)境、多目標容量難題的既經(jīng)濟又高效

5、的方案,可在不影響甚至提高接收質(zhì)量的情況下,大幅提高雷達的工作容量。采用自適應陣列天線,雷達的C/I和SINR指標大大提高,同時對單個或多個目標的覆蓋定向能力增強,可使雷達的探測區(qū)域大大增加。2　自適應波束形成技術(shù)的發(fā)展自適應陣列天線的研究可以追溯到20世紀60年代,其中最具代表性的工作包括Adams提出的基于SNR輸出的自適應處理器以及Widrow提出的寬帶和窄帶自適應陣列結(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)了大量的自適應波束形成算法實用文案標準文檔適應波束形成通過不同的準則來確定自適應權(quán),并利用不同的自適應算法

6、來實現(xiàn)。主要的準則有:最小均方誤差(MSE)準則;最大信噪比(SNR)準則;最大似然比(LH)準則;最小噪聲方差(NV)準則等。Monzingo和Miler在他們的專著中闡述了理想情況下這4種準則是等價的。不管選擇什么樣的準則,都是要采用一定的算法調(diào)整陣波束方向圖,從而實現(xiàn)自適應控制。法的分類有幾種,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

7、佳權(quán)的響應時間取決于數(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,又提出了一些改進的快速穩(wěn)健的算法。Miller

8、對采樣協(xié)方差矩陣含有期望信號時的情況進行了研究,并且指出期望信號的存在嚴重降低了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