ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2099838

АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Имя изобретателя: Колинько А.В.; Комарович В.Ф.; Марчук Л.А.; Савельев А.Н. 
Имя патентообладателя: Военная академия связи
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.08.08 

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. Целью изобретения является разработка адаптивной антенной решетки (ААР), обладающей более высокой помехозащищенностью приема сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи ( например, сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ)), по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. Поставленная цель достигается тем, что в известной ААР, 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, а первые выходы подключены к соответствующим входам комплексных весовых умножителей, дополнительно введен блок максимизации выходной мощности, первые и вторые входы которого соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а выходы соединены с соответствующими третьими входами адаптивных контуров.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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 радиосязи с подвижными объектами.

Известны схемы адаптивных антенных решеток (ААР), реализующих алгоритм максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума (см. Р.А.Монзинго, Т.У.Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М. Радио и связь, 1986, с.80 86, 179 -240). Для работы ААР такого типа используется априорная информация о направлении прихода полезного сигнала. Поэтому ААР такой конструкции неприменимы в радиотехнических системах, где подобная информация отсутствует (например, в системах связи с подвижными объектами).

В ТИИЭР, 1967, т. 55, N 12, с.78 95 приводится схема 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 полезного сигнала, то эталонный сигнал может значительно отличаться от полезного, что вызывает существенное снижение помехозащищенности ААР.

ААР, конструкция которой описана в журнале "IEEE Trans Antennas and Propag", vol. AP-26, 1978, N 2, р.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 и подавление полезного сигнала.

Из известных ААР наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является решетка, описанная в авт. св. СССР N 1548820, кл. H 01 Q 21/00 (заявлено 13.10.87, опубликовано 07.03.90 бюл. N 9). Это устройство содержит N антенных элементов, соединенных через гибридные устройства, и весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, первого умножителя и 2N адаптивных контуров, каждый из которых состоит из интегратора, коммутатора, усилителя, регулируемого инвертирующего усилителя, блока вычитания, второго умножителя и коррелятора, причем первый и второй входы коррелятора соединены соответственно с выходом гибридного устройства и выходом общего сумматора, а выход коррелятора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя, а выход блока вычитания подключен к входам усилителя и регулируемого инвертирующего усилителя, выходы которых подключены к входам коммутатора, выход которого через интегратор соединен с вторым входом 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, а также блок оценки мощности сигнала, блок оценки мощности помех, блок сравнения и блок управления, причем входы блоков оценки мощности сигнала и мощности помех подключены к выходу общего сумматора, а выходы подключены к входам блока сравнения, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов, выход блока управления подключен к управляющим входам регулируемых инвертируемых усилителей, а выход соединен с выходом блока оценки мощности помех.

В зависимости от сигнально-помеховой обстановки устройство работает по методу минимизации или максимизации выходной мощности, что предотвращает подавление полезного сигнала и повышает помехозащищенность решетки.

Однако данная конструкция ААР имеет ряд недостатков:

повышение помехозащищенности обеспечивается только по отношению к помеховым сигналам, полоса частот и мощность которых превышает полосу частот и мощность полезного сигнала;

эффективность работы ААР существенно снижается в случае незначительного превышения мощности помехи над мощностью сигнала на входе антенных элементов (АЭ);

в случае, когда число степеней свободы решетки превышает количество воздействующих на ее вход помех и мощность сигнала меньше суммарной мощности помех, минимизация общей выходной мощности ААР ведет к подавлению не только помех, но и полезного сигнала, например, при воздействии на вход трехэлементной решетки полезного сигнала и одной помехи, ААР, минимизирующая выходную мощность, формирует два "нуля" диаграммы направленности: один в направлении прихода помехи, а второй в направлении прихода сигнала.

Целью изобретения является разработка ААР, обладающей более высокой помехозащищенностью приема сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи (например, сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ)), по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ААР, содержащей N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, адаптивных контуров с управляющими входами, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, вторые входы соединены с выходом общего сумматора, а первые выходы подключены к соответствующим управляющим входам комплексных весовых умножителей, дополнительно введен блок максимизации выходной мощности, первые и вторые входы которого соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а выходы соединены с соответствующими третьими входами адаптивных контуров. При этом блок максимизации выходной мощности состоит 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 вторых умножителей и N выходных сумматоров, выходы коммутатора подключены к первым входам соответствующих первых делителей, вторые входы которых соединены с первым выходом коммутатора, управляющий вход которого подключен к управляющим входам запоминающих устройств, входы которых подключены к выходам соответствующих первых делителей, причем 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, к 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 второго сумматоров подключены к выходу блока формирования параметра регуляризации, а выходы первого сумматора и вторых сумматоров соединены с первыми входами соответствующих вторых умножителей, выходы которых подключены к входам соответствующих выходных сумматоров, причем входы коммутатора, вторые входы вторых умножителей и управляющий вход коммутатора являются соответственно первыми, вторыми и управляющими входами, а выходы сумматоров выходами блока максимизации мощности сигнала.

Благодаря введению блока максимизации выходной мощности в схему ААР достигается более высокая помехозащищенность приема сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи (например, сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ)), по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.

функциональная схема ААР.

Фиг. 1 представлена функциональная схема ААР.

схема блока адаптивных контуров.

Фиг. 2 схема блока адаптивных контуров.

Заявляемое устройство, показанное на фиг. 1, состоит из блока антенных элементов 1, блока комплексных весовых умножителей 2, общего сумматора 3, N блоков адаптивных контуров 4 с управляющими входами, блока максимизации мощности сигнала 5 с управляющим входом, причем выходы N комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2 соединены с N входами общего сумматора, выход которого является выходом ААР, первые входы N адаптивных контуров 4 соединены с выходами N антенных элементов блока антенных элементов 1, вторые входы адаптивных контуров 4 подключены к выходу общего сумматора 3, а первые выходы адаптивных контуров 4 соединены с соответствующими управляющими входами комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2, N первых и N вторых входов блока максимизации выходной мощности к первым и вторым выходам соответствующих блоков адаптивных контуров 4, а N выходов блока максимизации выходной мощности 5 соединены с третьими входами соответствующих блоков адаптивных контуров 4.

Блок адаптивных контуров 4, показанный на фиг. 2, состоит из: интегратора 4.1, умножителей 4.2 и 4.3, коммутатора 4.4, инвертирующего усилителя 4.5, усилителя 4.6, блока вычитания 4.7, коррелятора 4.8, причем первый и второй входы коррелятора 4.8 соединены соответственно с выходом блока антенных элементов 1 и выходом общего сумматора 3, а выход коррелятора 4.8 соединен с первым входом блока вычитания 4.7, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя 4.2, а выход блока вычитания подключен к входам усилителя 4.6 и инвертирующего усилителя 4.5, выходы которых подключены соответственно к соответствующему второму входу блока максимизации мощности сигнала 5 и к первому входу коммутатора 4.4, управляющий вход которого подключен к внешнему устройству, второй вход соединен с соответствующим выходом блока максимизации мощности сигнала 5, а выход через интегратор 4.1 соединен с соответствующим вторым входом блока комплексных весовых умножителей 2 и с первым входом первого умножителя 4.2, а второй вход первого умножителя 4.2 соединен с выходом второго умножителя 4.3, первый и второй входы которого объединены с выходом общего сумматора 3 и вторым входом коррелятора 4.8.

схема блока максимизации мощности сигнала применительно к трехэлементной ААР.

Фиг. 3 схема блока максимизации мощности сигнала применительно к трехэлементной ААР.

Фиг. 8 схема блока формирования параметра регуляризации.

Фиг. 9 схема блока вычитания.

схема сумматора.

Фиг. 4 схема сумматора.

схема коммутатора.

Фиг. 7 схема коммутатора.

схема интегратора.

Фиг. 5 схема интегратора.

схема блока формирования параметра регуляризации. схема блока вычитания.
схема коммутатора.

Фиг. 6 схема коммутатора.

схема умножителя (делителя).

Фиг. 10 схема умножителя (делителя).

 
схема блока комплексного сопряжения.

Фиг. 11 схема блока комплексного сопряжения.

результаты моделирования ААР.

Фиг. 12 результаты моделирования ААР.

Блок максимизации выходной мощности 5, показанный на фиг. 3, состоит из: коммутатора 5.1, N первых делителей 5.2, N запоминающих устройств 5.3, первого сумматора 5.4, N-1 блоков комплексного сопряжения 5.5, N-2 вторых делителей 5.7, N-2 вторых сумматоров 5.8, блока формирования параметра регуляции 5.9, NЧN вторых умножителей 5.10 и N выходных сумматоров 5.11, причем первые выходы блоков адаптивных контуров 4 через коммутатор 5.1, управляющий вход которого подсоединен к внешнему устройству, подключен к первым входам первых делителей 5.2, вторые входы которых соединены с первым выходом коммутатора 5.1, а выходы подключены к входам запоминающих устройств 5.3, причем выход первого запоминающего устройства подключен к первому входу первого сумматора 5.4, а выходы остальных запоминающих устройств соединены с входами блоков комплексного сопряжения 5.5, с первыми входами первых умножителей 5.6 и с первыми входами соответствующих вторых умножителей 5.10, выходы блоков комплексного сопряжения 5.5 подключены к первым входам соответствующих вторых умножителей 5.10 и к вторым входам первых умножителей 5.6, выходы которых попарно подключены к первым и вторым входам соответствующих вторых делителей 5.7, выходы которых соединены с первыми входами вторых сумматоров 5.8, причем вторые входы первого 5.4 и вторых 5.8 сумматоров подключены к выходу блока формирования параметра регуляризации 5.9, а выходы первого сумматора 5.4 и вторых сумматоров 5.8 соединены с первыми входами соответствующих вторых умножителей 5.10, вторые входы которых подключены к соответствующим вторым выходам блоков адаптированных контуров 4, а выходы соединены с входами соответствующих выходных сумматоров 5.11, выходы которых подключены к третьим входам соответствующих адаптивных контуров 4.

В качестве внешнего устройства используются устройства формирования управляющего сигнала (место формирования управляющего сигнала находится вне ААР и зависит от конкретной радиотехнической системы. Так, например, для систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты управляющий сигнал может поступать из синтезатора частот при перестройке приемника на другую частоту, когда на данной частоте полезный сигнал отсутствует).

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

Сумматоры 3, 5.4, 5.8 и 5.11 могут быть выполнены в виде высокочастотных трансформаторов на коаксиальных или микрополосковых линиях в зависимости от диапазона частот (фиг.4). Интегратор 4.1 может быть выполнен в виде конденсатора или набора конденсаторов (например, микросхема К228НЕ1), разряженного электромагнитным реле (фиг.5) или электронным ключом (например, ключ диодный К228КН1). В качестве коммутаторов 4.4 и 5.1 могут быть использованы электромагнитные реле (фиг.6 и фиг.7 соответственно) или электронные коммутаторы на микросхемах К155КП5. Коррелятор 4.8 может быть выполнен в виде умножителя. Запоминающие устройства 5.3 могут быть выполнены в виде конденсаторов или набора конденсаторов (например, микросхема К228НЕ1), разряжаемых электромагнитными реле (фиг. 5) или электронными ключами (например, ключ диодный К228КН1) применительно к аналоговым схемам, либо на микросхемах оперативных запоминающих устройств (например, микросхема К155ЗУ3) применительно к цифровым схемам. Блок формирования регуляризации 5.9 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. В качестве инвертирующего усилителя 4.5 может быть использован усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, с отрицательной связью (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. Т.1. Бурин Л.П. Васильев В.П. Каганов В. И. и др. Под ред. Д.П.Линде. М. Энергия, 1978, с.33, рис.1-30), а в качестве усилителя 4.6 может быть использован эмиттерный повторитель на биополярном транзисторе (см. там же, с.41, рис.1-41а). Блок вычитания 4.7 может быть выполнен в виде высокочастотного трансформатора на коаксиальных либо микрополосковых линиях (в зависимости от диапазона частот) с включенными встречно первичными обмотками (фиг.9). Умножители 4.2, 4.3, 5.6, 5.10 и коррелятор 4.8 могут быть выполнены в виде схемы, изображенной на фиг.10, причем в качестве усилителей 1 и 2 использован усилительный каскад на биополярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, с отрицательной обратной связью (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах. Т.1. Бурин Л.И. Васильев В.П. Каганов В.И. и др. Под ред.Д.П.Линде. 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). Делители 5.2, 5.7 могут быть выполнены в виде схемы, изображенной на фиг.10, причем в качестве усилителей 1, 2 и 3 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. Т.1. Бурин Л.И. Васильев В. П. Каганов В.И. и др. Под ред. Д.П.Линде. М. Энергия, 1978, с.33, рис.1-30), а в качестве электронного аттенюатора использован электронный аттенюатор на транзисторе (см. там же, с.75, рис.1-88б). Блоки комплексного сопряжения 5.5 могут быть выполнены в виде схем разложения сигнала на синфазную и квадратурную составляющие с включением в квадратурную ветвь дополнительного фазовращателя на p фиг.11.

Кроме того, блоки адаптивных контуров 4 и блок максимизации выходной мощности 5 могут быть выполнены на цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C30 (Цифровые процессоры обработки сигналов. Справочник. А. Г.Остапенко, С.И.Лавинский, А.Б.Сушков и др. Под ред.А.Г.Остапенко. 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 максимизации мощности сигнала 5 осуществляется настройка комплексных весовых умножителей 2 с целью повышения отношения сигнал/(помеха+шум) на выходе устройства. Настройка осуществляется в два этапа. На первом этапе при отсутствии полезного сигнала адаптивными контурами 4 осуществляется минимизация выходной мощности ААР (блок максимизации мощности сигнала 5 в работе не участвует). В результате формируется характеристика направленности ААР с "нулями" в направлении прихода помех. На втором этапе при наличии полезного сигнала адаптивными контурами 4 и блоком максимизации мощности сигнала 5 осуществляется максимизация выходной мощности ААР с учетом "нулей" характеристики направленности ААР, полученных на первом этапе. С целью недопущения непреднамеренного подавления полезного сигнала максимизация выходной мощности ААР производится регуляризованным рекуррентным алгоритмом. Переключение режимов работы ААР осуществляется с помощью управляющего сигнала (место формирования управляющего сигнала находится вне ААР и зависит от конкретной радиотехнической системы. Так, например, для систем радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты управляющий сигнал может поступать из синтезатора частот при перестройке приемника на другую частоту, когда на данной частоте полезный сигнал отсутствует) коммутаторами 4.4 и 5.1. Запоминание параметров характеристики направленности ААР, сформированной на первом этапе (минимизация выходной мощности при отсутствии полезного сигнала), осуществляется запоминающими устройствами 5.3.

При отсутствии на входе ААР полезного сигнала на управляющие входы адаптивных контуров 4 и блока максимизации мощности сигнала 5 поступает управляющий сигнал "Нет полезного сигнала". По этой команде коммутатор 5.1 блока максимизации мощности 5 отключает первые входы блока максимизации мощности от адаптивных контуров 4, а коммутаторы 4.4 адаптивных контуров 4 переводят их в режим минимизации выходной мощности устройства.

Мощность выходного сигнала ААР при отсутствии полезного сигнала на ее входе, с точностью до постоянного множителя, определяется выражением (см.Р. А. Монзинго, Т.У.Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М. Радио и связь, 1986, с.83):



где N-мерный вектор весовых коэффициентов (ВВК) ААР; N-мерные векторы k-й помехи и теплового шума соответственно; N количество элементов ПФ; L число источников помех; E{ Ч} + обозначения операций математического ожидания и эрмитового сопряжения соответственно. Тогда оптимизационная задача минимизации выходной мощности будет иметь вид:



Решение задачи может быть получено градиентным методом (см.Compton R.T. Power optimization in adaptive arrays: a technique for interference protection// IEEE Trans, 1980, V.AP-28, N 1, pp.79 -85):



Реализация алгоритма (3) обеспечивается адаптивными контурами 4, в состав каждого из них входят: интегратор 4.1, умножители 4.2 и 4.3, коммутатор 4.4, инвертирующий усилитель 4.5, усилитель 4.6, блок вычитания 4.7, коррелятор 4.8, причем первый и второй входы коррелятора 4.8 соединены соответственно с выходом блока антенных элементов 1 и выходом общего сумматора 3, а выход коррелятора 4.8 соединен с первым входом блока вычитания 4.7, второй вход которого соединен с выходом первого умножителя 4.2, а выход блока вычитания подключен к входам усилителя 4.6 и инвертирующего усилителя 4.5, выходы которых подключены соответственно к соответствующему второму входу блока максимизации мощности сигнала 5 и к первому входу коммутатора 4.4, управляющий вход которого подключен к внешнему устройству, второй вход соединен с соответствующим выходом блока максимизации мощности сигнала 5, а выход через интегратор 4.1 соединен с соответствующим вторым входом блока комплексных весовых умножителей 2 и с первым входом первого умножителя 4.2, а второй вход первого умножителя 4.2 соединен с выходом второго умножителя 4.3, первый и второй входы которого объединены с выходом общего сумматора 3 и вторым входом коррелятора 4.8. При этом вектор весовых коэффициентов на выходах интеграторов 4.1; вектор входных сигналов на выходах антенных элементов 1; сигнал на выходе общего сумматора 3; m коэффициент усиления в адаптивных контурах 4 (коэффициент усиления инвертирующих усилителей 4.5), а на выход коммутаторов 4.4 блоков адаптивных контуров 4 коммутируются первые входы.

Можно показать (см.Compton R.T. Power optimization in adaptive arrays: a technique for interference protection// IEEE Trans, 1980, V. AP-28, N1, pp. 79 -85), что для квазистанционарной модели сигнально-помеховой обстановки решением (2) и (3) будет собственный вектор (СВ), соответствующий минимальному собственному числу (СЧ) lmin корреляционной матрицы (КМ) Rпш



При этом вектор весовых коэффициентов ортогонален векторам помех то есть определяют характеристику направленности ААР с нулями в направлении прихода помех.

Если для линейной эквидистантной ААР обозначить Z = eij(j - фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала на выходе второго элемента АР по отношению к первому), то характеристику направленности ААР можно представить в виде нормированного полинома соответственно в алгебраической и мультипликационной форме (см.Журавлев А.К. Лукошкин А.П. Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. Л. ЛГУ, 1983, с.18)

f(Z)= ZN-1+a1ZN-2+.aN-2Z+aN-1, (5)

f(Z)=(Z-C1)(Z-C2).(Z-CN-1), (6)

где Cj корни полинома.

Очевидно, что коэффициенты aj полинома (5) совпадают с элементами Wj+1/W1 BBK , а корни полинома Cj имеют вид eijj и располагаются на единичной окружности в плоскости комплексной переменной Z. При этом положение Cj на единичной окружности однозначно определяют нуль XH направление прихода помехи.

Можно доказать, что существует бесконечное множество различных значений коэффициентов aj полинома (5), являющихся решениями задачи (2) и обеспечивающих одинаковые значения корней Cj полинома (6), следовательно, существует (собственный вектор ), обеспечивающий, наряду с подавлением помех, максимальное усиление полезного сигнала. Данный ВВК является решением оптимизационной задачи



где N-мерный вектор сигнала; Cj, Cj' корни полиномов, коэффициенты которых являются компонентами нормированных векторов вектор, удовлетворяющий ограничениям задачи (7)).

Решение задачи (7) можно получить с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа. Однако полученные алгоритмы оказываются сложными и неконструктивными. Поэтому вместо ВВК, полученного в результате решения оптимизационной задачи (7), можно использовать вектор весовых коэффициентов, полученный в результате решения оптимизационной задачи



где A NЧL матрица ограничений, состоящая из L N-мерных векторов вектор ограничений; jjl фазовый сдвиг j-й помехи на выходе i+1-го элемента ПФ по отношению к первому, тождественен ВВК, полученному в результате решения оптимизационной задачи (7). Справедливость этого утверждения непосредственно следует из того, что как ограничения j=0, так и ограничения определяют ХН ААР с нулями в направлениях прихода помех, то есть принадлежит пространству, базисом которого являются линейно-независимые векторы

Алгоритм расчета ВВК, обеспечивающий решение задачи (8), синтезирован с использованием метода проецирования (см. Караваев В.В. Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. М. Радио и связь, 1987, с.27-28)



где P=1-A(A+)-1A+ проектор на линейное многообразие, порожденное решением системы Выражение (9) реализует условнооптимальную обработку максимизацию мощности сигнала при полном подавлении помех.

В качестве проектора Р целесообразно использовать матрицу, пространство столбцов которой будет ортогонально векторам помех, т.е.



При этом проектор Р может быть восстановлен по любому из собственных векторов и применительно к линейной эквидистантной ААР представлен в виде



где первый элемент вектора



bjj коэффициенты, определяемые из условия тождественности корней алгебраических полиномов f1(Z)-fN-1(Z), коэффициентами которых являются составляющие нормированных векторов , * обозначение операции комплексного сопряжения. Можно показать, что применительно к линейной эквидистантной ААР коэффициенты bjj определяются из уравнения

bjj = (W1(j)W*1(j))/(W1(N)W*1(N)), (12)

где W1(j) j-й элемент вектора .

Например, применительно к трехэлементной эквидистантной ААР, состоящей из изотропных невзаимодействующих антенных элементов, значение проектора Р, сформированного согласно (11), (12), принимает вид



Вследствие того, что действие операторов F1j заключается в перестановке и комплексных сопряжениях компонент вектора а собственно определяется с использованием выходного сигнала ААР, алгоритм (9) практически инвариантен как к ошибкам вычислений, так и к различного рода реализационным погрешностям.

ВВК, получаемый в результате решения рекуррентного алгоритма (9), является СВ КМ Rпш, обеспечивающим максимальное усиление полезного сигнала при полном подавлении помех. Следовательно, при малых угловых расстояниях между источниками сигнала и помехи наряду с помехой будет подавляться также и полезный сигнал. С целью устранения указанного эффекта производится регуляризация алгоритма (9) и вместо проектора Р применяется проектор

P = P + UI (14) U вещественный коэффициент), и алгоритм (9) принимает вид:



При появлении полезного сигнала на входе ААР на управляющие входы адаптивных контуров 4 и блока максимизации мощности сигнала 5 поступает управляющий сигнал "Есть полезный сигнал". По этой команде коммутатор 5.1 блока максимизации мощности сигнала 5 подключает первые входы блока к адаптивным контурам 4, а коммутаторы 4.4 адаптивных контуров 4 переводят их в режим максимизации выходной мощности устройства. При этом блок максимизации мощности сигнала 5 в соответствии с выражениями (11), (12), (14) обеспечивает формирование проектора P' и выполнение операции перемножения проектора P' и вектора обеспечивая совместно с адаптивными контурами 4 выполнение алгоритма (15), причем на выход коммутаторов 4.4 блоков адаптивных контуров 4 коммутируются вторые входы.

Состав и структура блока максимизации мощности сигнала 5 зависят от количества антенных элементов ААР N. В состав блока максимизации мощности сигнала 5 входит коммутатор 5.1, N первых делителей 5.2, N запоминающих устройств 5.3, первый сумматор 5.4, N-1 блок комплексного сопряжения 5.5, N-1 первых умножителей 5.6, N-2 вторых делителей 5.7, N-2 вторых сумматоров 5.8, блок формирования параметра регуляции 5.9, N*N вторых умножителей 5.10 и N выходных сумматоров 5.11, причем первые выходы блоков адаптивных контуров 4 через коммутатор 5.1, управляющий вход которого подсоединен к внешнему устройству, подключен к первым входам первых делителей 5.2, вторые входы которых соединены с первым выходом коммутатора 5.1, а выходы подключены к входам запоминающих устройств 5.3, причем выход первого запоминающего устройства подключен к первому входу первого сумматора 5.4, а выходы остальных запоминающих устройств соединены с входами блоков комплексного сопряжения 5.5, с первыми входами первых умножителей 5.6 и с первыми входами соответствующих вторых умножителей 5.10, выходы блоков комплексного сопряжения 5.5 подключены к первым входам соответствующих вторых умножителей 5.10 и к вторым входам первых умножителей 5.6, выходы которых попарно подключены к первым и вторым входам соответствующих вторых делителей 5.7, выходы которых соединены с первыми входами вторых сумматоров 5.8, причем вторые входы первого 5.4 и вторых 5.8 сумматоров подключены к выходу блока формирования параметров регуляции 5.9, а выходы первого сумматора 5.4 и вторых сумматоров 5.8 соединены с первыми входами соответствующих вторых умножителей 5.10, вторые входы которых подключены к соответствующим вторым выходам блоков адаптивных контуров 4, а выходы соединены с входами соответствующих выходных сумматоров 5.11, выходы которых подключены к третьим входам соответствующих адаптивных контуров 4.

Применение запоминающих устройств 5.3 обеспечивает запоминание ВВК (11).

Детальное сопоставление характеристик алгоритмов ААР прототипа и заявляемой ААР было проведено с использованием метода имитационного моделирования. При моделировании использовались 3-элементная ААР, состоящая из изотропных невзаимодействующих антенных элементов, разнесенных в пространстве на d12= d23=mo/2 (mo длина волны сигнала), и следующие предположения о сигнально-помеховой обстановке:

число сигналов 1, помех 1;

несущие частоты сигнала и помех тождественны;

соотношение мощностей сигнала, помехи и дисперсии теплового шума: 10lg(pc/s2ш) = 10 дБ, 10lg(Pп/s2ш) = 16 дБ;

угол между нормалью к линии размещения антенных элементов и направлением прихода сигнала Qc= 0o.

Результаты расчетов зависимости отношения сигнал/(помеха+шум) от угла между нормалью к линии размещения антенных элементов и направлением прихода помехи (Qп) представлены на фиг.12. При этом кривая, обозначенная цифрой 1, построена соответственно для ААР прототипа, а кривая 2 для заявляемой ААР при U = Uопт = s2ш/N (N= 3). (Моделирование производилось применительно к сигналам, имеющим паузу в ходе передачи).

Из графиков видно, что помехозащищенность (отношение сигнал/(помеха+шум) на выходе) приема сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи (например, сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), предлагаемой ААР выше, чем ААР прототипа, кроме того, 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, будет способствовать внедрению ААР в эти системы.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Адаптивная антенная решетка, содержащая 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, а первые выходы подключены к соответствующим управляющим входам комплексных весовых умножителей, отличающаяся тем, что дополнительно введен блок максимизации выходной мощности, первые и вторые входы которого соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, выходы подключены к соответствующим третьим входам адаптивных контуров, а его управляющий вход подключен к управляющим входам блока адаптивных контуров.

2. Решетка по п. 1, отличающаяся тем, что блок максимизации выходной мощности состоит из коммутатора, N первых делителей, N запоминающих устройств, первого сумматора, N 1 блоков комплексного сопряжения, N 1 первых умножителя, N 2 вторых делителей, N 2 вторых сумматоров, блока формирования параметра регуляризации, N x N вторых умножителей и N выходных сумматоров, выходы коммутаторов подключены к первым входам соответствующих первых делителей, вторые входы которых соединены с первым выходом коммутатора, управляющий вход которого подключен к управляющим входам запоминающих устройств, входы которых подключены к выходам соответствующих первых делителей, причем 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 к 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 сумматора и вторых сумматоров соединены с первыми входами соответствующих вторых умножителей, выходы которых подключены к входам соответствующих выходных сумматоров, причем входы коммутатора, вторые входы вторых умножителей и управляющий вход коммутатора являются соответственно первыми, вторыми и управляющим входами, а выходы выходных сумматоров выходами блока максимизации мощности сигнала.

Версия для печати


вверх