СПОСОБ АДАПТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОМЕХ

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в многоэлементных апертурных антеннах радиокомплексов наземного или космического базирования для адаптивного подавления приходящих на антенну внешних радиопомех (далее - помеха).

Известен способ адаптивного подавления помех в многоэлементной апертурной антенне. (Р.А.Монзинго, Т.У.Миллер, Адаптивные антенные решетки. М.: "Радио и связь", 1986 г., стр.78-89). При данном способе заданными величинами являются: диаграммы направленности (ДН) антенных элементов многоэлементной апертурной антенны, геометрические параметры взаимного расположения антенных элементов и значения комплексных коэффициентов передачи каждого антенного элемента. Априорные данные о величине и направлении прихода помехи не используются. Многоэлементную апертурную антенну переводят из режима приема рабочей информации в режим тестирования и осуществляют обзор пространства, дискретно изменяя направление главного лепестка ДН антенны, с общим числом реализуемых тестовых направлений, равным числу антенных элементов N. Для каждого направления ДН с номером направления - n на выходе многоэлементной антенны измеряют комплексную величину принимаемого сигнала , являющегося смесью суммарного полезного сигнала и помехи. По измеренным данным строят корреляционную матрицу , где - величина, комплексно сопряженная , а n, m=1, …, N. Путем математических вычислений по измеренной корреляционной матрице U определяют и устанавливают в антенных элементах под номерами i комплексные коэффициенты передачи k(U)_i, где i=1,…, N, что обеспечивает подавление помехи при максимальном отношении сигнала к помехе.

К недостаткам данного способа относятся;

- необходимость перевода антенны из режима приема рабочей информации в режим тестирования на время подготовки к проведению процедуры подавления помех;

- необходимость проведения большого объема сложных и высокоточных измерений величин и рост числа измерений и вычислений с ростом числа антенных элементов;

- необходимость полного повторения процедур измерений и вычислений при изменении энергетических и пространственных характеристик помехи.

Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками первого аналога:

- использование данных о параметрах многоэлементной антенной системы;

- определение и установка в антенных элементах величин комплексных коэффициентов передачи, обеспечивающих подавление помех.

Известен способ подавления помех (патент RU 2311708, 2006 г.) - наиболее близкий по технической сущности к патентуемому изобретению, который принят за прототип изобретения. В известном изобретении по заданной функции нормированного амплитудного распределения поля в плоской апертуре антенны ρ₀(x, y) строится последовательность двумерных ортонормированных полиномов P_nm(x, y). По известным углам прихода помех (θ_q, φ_q), где q=1, 2, …, M, минимизируют функционал , где - исходная энергетическая ДН антенны, λ_q - множители Лагранжа, находят значения C_nm - коэффициентов Фурье разложения функции фазового распределения поля в плоской апертуре антенны Ф(x, y) и определяют Ф(x, y) по формуле , где k - волновое число свободного пространства, 1 - максимальный линейный размер апертуры антенны. Реализуют Ф(x, y) в апертуре антенны, что обеспечивает формирование провалов в ДН в направлениях прихода помех.

К недостаткам известного изобретения относятся:

- необходимость получения данных о направлениях прихода помех от внешних источников информации;

- необходимость при изменении углов прихода помех (θ_q, φ_q) повторения вычислений в полном объеме.

Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками прототипа:

- использование данных о геометрических параметрах плоской апертуры антенны и параметрах антенных элементов;

- использование массива двумерных ортонормированных полиномов P_nm(x, y);

- определение и установка в плоской апертуре антенны фазового распределения поля, обеспечивающего формирование провала в ДН в нужных направлениях.

Настоящее изобретение - способ адаптивного подавления пространственных помех решает задачи эффективного подавления внешней помехи и автономной оценки направлений на источники помех путем управления распределением фазы поля в апертуре многоэлементной антенной системы.

Технический результат настоящего изобретения - обеспечение подавления помех при отсутствии априорной информации о направлениях их прихода без нарушения режима бесперебойного приема антенной системой рабочей информации, внесение при подавлении помех минимальных потерь в главном направлении ДН, обеспечение адаптации процедуры подавления помех к изменению направления прихода помех, минимизации реального времени, затрачиваемого на подавление помех, и обеспечение автономной оценки направлений на источники помех.

Сущность патентуемого способа адаптивного подавления пространственных помех поясняется описанием примера его реализации и чертежами, на которых представлены:

Фиг.1. Схема многоэлементной апертурной антенны с избирательным управлением уровнями боковых лепестков ДН.

Фиг.2. ДН с подавленным первым боковым лепестком.

Фиг.3. ДН с подавленным вторым боковым лепестком.

Фиг.4. ДН с подавленным пятым боковым лепестком.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1 - антенная система, 1-1 - плоская многоэлементная антенная решетка; 1-1-1_r - антенный элемент под номером r; 1-1-2_r - управляемый фазовращатель антенного элемента под номером r; 1-2 - сумматор сигналов; 1-3 - блок измерений, вычислений и управления, U_Σ - суммарный сигнал на выходе сумматора сигналов 1-2; К - внешняя команда на проведение процедуры подавления помех; K_r - команда блока измерений, вычислений и управления на установку в управляемом фазовращателе антенного элемента под номером r фазы Ф_r(x_r,y_r); Ф_r(x_r, y_r) - величина фазы управляемого фазовращателя 1-1-2_r.

Способ адаптивного подавления пространственных помех в отсутствии априорной информации о направлении прихода помех включает создание антенной системы 1, в которую входят плоская многоэлементная антенная решетка 1-1, состоящая из антенных элементов 1-1-1_r и управляемых фазовращателей 1-1-2_r, сумматора сигналов 1-2 и блока измерений, вычислений и управления 1-3. Полезный сигнал и сигнал помехи поступают на антенные элементы 1-1-1_r, с выхода которых их направляют через управляемые фазовращатели 1-1-2_r в сумматор сигналов 1-2, на выходе которого получают U_Σ - суммарный сигнал на выходе сумматора сигналов 1-2. U_Σ направляют в блок измерений, вычислений и управления 1-3. По внешней команде К или периодически по программе блока измерений, вычислений и управления 1-3 в блоке измерений, вычислений и управления 1-3 автоматически проводят анализ характеристик U_Σ, выявляют наличие или отсутствие в нем помех, вырабатывают и подают команды K_r на установку в управляемых фазовращателях 1-1-2_r значений фаз Ф_r(x_r,y_r), обеспечивающих подавление помех. Суммарный сигнал U_Σ через блок измерений, вычислений и управления 1-3 непрерывно транслируют в радиокомплекс.

Для антенной системы 1 известными являются: Ω(x, y) - область апертуры плоской многоэлементной антенной решетки 1-1, которая может быть различной (круг, эллипс, прямоугольная вырезка или несколько компланарных раскрывов, представляющих плоскую многосвязную область); N - общее число антенных элементов; x_r, y_r -координаты фазовых центров антенных элементов под номерами r, где r=1,…,N, Ф₀(x, y) - функция исходного фазового распределения основой поляризационной составляющей напряженности поля в апертуре; P_nm(x, y) - множество ортонормированных гармоник, где (n, m) - номера гармоник; - исходная энергетическая диаграмма направленности (ДН) с фиксированным направлением главного лепестка, где θ, φ - сферические координаты точки наблюдения; δ_п - пороговое значение индикатора помех δ.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение при любом фиксированном направлении главного лепестка ДН подавления пространственных помех при отсутствии информации о направлениях их прихода без нарушения режима приема антенной системой рабочей информации, минимизации реального времени, затрачиваемого на подавление помех, и автономной оценки направлений на источники помех.

Множество P_nm(x, y) - это гармоники разложения по известной методике (Суетин П.К., Ортогональные многочлены по двум переменным. М.: Наука, 1976 г., стр. xxx) функции ρ₀(x, y) на области Ω(x, y), где ρ₀(x,y) - нормированное относительно своего максимального значения в области Ω(x, y) известное для многоэлементной антенной решетки 1-1 амплитудное распределение основой поляризационной составляющей напряженности поля в апертуре Е₀(x, y).

Индикатор помех δ характеризует влияние помех на качество U_Σ. При конкретной реализации настоящего изобретения физический смысл индикатора помех δ определяется физическим содержанием параметра Q - характеристики качества сигнала U_Σ, используемой в конкретном радиокомплексе. Например, в качестве Q могут использовать либо P_Σ - мощность суммарного сигнала U_Σ, либо p_Σ - вероятность ошибок в U_Σ, а в качестве индикатора помех δ могут использовать, соответственно, величину равную величине изменения P_Σ, или величину , равную величине изменения p_Σ, которые регистрируют в ходе реализации патентуемого способа подавления помех, где , без подавления помех, при подавлении помех, без подавления помех, при подавлении помех. При наличии помехи ее подавление приводит к снижению P_Σ или к уменьшению p_Σ, что приводит к росту величин δ_M и δ_в. Превышение величиной δ порогового значения - δ_п означает, что в U_Σ присутствует помеха. Пороговое значение δ_п определяют из тактико-технических требований к конкретному радиокомплексу.

Реализация способ адаптивного подавления пространственных помех делится на два этапа. На первом этапе единовременно создают и заносят в память блока измерений, вычислений и управления 1-3 массив вспомогательных данных. На втором этапе по внешним командам или по программе блока измерений, вычислений и управления 1-3 проводят необходимое число раз типовую процедуру выявления и подавления помех с использованием массива вспомогательных данных.

Работы первого этапа можно проводить предварительно. В реальном времени необходимо проводить только процедуру выявления и подавления помех, причем при ее повторении используют уже существующий массив вспомогательных данных. Такая структура реализации патентуемого изобретения обеспечивает минимизацию реального времени, затрачиваемого на подавление помех.

На этапе единовременного создания и занесения в память блока измерений, вычислений и управления 1-3 массива вспомогательных данных выполняют следующие операции.

Выделяют в боковых лепестках энергетической ДН смежные по углу φ сектора и выбирают контрольные направления (θ_ij, φ_ij), соответствующие максимумам боковых лепестков в этих секторах, где i - номер бокового лепестка ДН, j - номер сектора в боковом лепестке. Из полученных (θ_ij, φ_ij) формируют массив контрольных угловых направлений, в которых будут выявлять наличие помех.

При конкретной реализации настоящего изобретения массив контрольных угловых направлений формируют исходя из конфигурации ДН антенной решетки 1-1 и целевого назначения радиокомплексов, в которых используется антенная система. Например, если ДН не имеет особых зон, логично делить боковые лепестки ДН по углу φ равномерно на J смежных угловых секторов с угловыми размерами секторов, приблизительно равными ширине боковых лепестков, а в качестве φ_ij брать направления координатных лучей

где j=0, 1, 2,…, J, где Δθ_л - усредненная ширина бокового лепестка ДН, а в качестве θ_ij брать значения θ, соответствующие максимуму бокового лепестка ДН под номером i в направлении φ_ij, где i=1, 2,…, I, I - число боковых лепестков, учитываемых при анализе. Максимальный номер бокового лепестка i=I, учитываемого при анализе, выбирают, как правило, из энергетических соображений, например, из условия , где - величина энергетической ДН в главном направлении, а величина ε определяется тактико-техническими требованиями к радиокомплексу.

Для контрольных угловых направлений (θ_ij, φ_ij) формируют массивы режекторных наборов фаз для управляемых фазовращателей 1-1-2_r, установка которых в фазовращателях обеспечивает формирование провалов в боковых лепестках ДН, т.е. подавление помех, в этих контрольных угловых направлениях.

Разлагают Ф₀(x, y) в ряд Фурье по функциям P_nm(x, y), который представляют в виде Ф₀(x, у)=Ф₀₁(x, у)+Ф₀₂(x, у), где , - коэффициенты Фурье разложения функции Ф₀(x, y), l - максимальный линейный размер плоской многоэлементной антенной решетки 1-1, k - волновое число свободного пространства.

Составляющие ряда Фурье - Ф₀₁(x, y), Ф₀₂(x, y) в силу взаимной ортогональности являются независимыми друг от друга аддитивными фазовыми распределениями, т.е. изменения в одной составляющей не влияет на вид другой.

Составляющая Ф₀₁(x, y) задает направление главного лепестка ДН. Поэтому для любого фиксированного направления главного лепестка ДН функцию Ф₀₁(x, y) не меняют на всех этапах реализации патентуемого способа подавления помех.

Составляющая Ф₀₂(x, y) определяет вид боковых лепестков. Поэтому для формирования провалов в боковых лепестках ДН в заданных направлениях управляют только составляющей Ф₀₂(x, y).

Для каждого контрольного углового направления (θ_ij, φ_ij) путем минимизации функционала где λ_ij - множители Лагранжа, n, m - номера гармоник P_nm(x,y), находят значения - коэффициентов Фурье и рассчитывают функцию по формуле . Рассчитывают режекторное фазовое распределения поля в апертуре антенны по формуле . Из значений в точках x_r, y_r формируют режекторный набор фаз , где r=1, …, N.

Установка в плоской многоэлементной антенной решетке 1-1 режекторного набора фаз Ф_ij(x_r, y_r) обеспечивает формирование провала в ДН в направлении (θ_ij, φ_ij), не изменяя направления главного лепестка ДН и не внося значительных потерь в главном направлении ДН.

Массивы (θ_ij, φ_ij), , составляющие массив вспомогательных данных, заносят в память блока измерений, вычислений и управления 3.

Процедуру выявления и подавления помех проводят с периодичностью задаваемой внешними командами или программой блока измерений, вычислений и управления 1-3.

Каждую процедуру выявления и подавления помех проводят следующим образом.

Измеряют величину Q₁ - характеристику качества суммарного сигнала на выходе сумматора сигналов 1-2, соответствующую текущему распределению фазы напряженности поля в плоской многоэлементной антенной решетки 1-1.

Используя содержащийся в памяти блока измерений, вычислений и управления 1-3 массив вспомогательных данных, тестируют каждое контрольное угловое направление (θ_ij, φ_ij) на наличие помех с этого направления. По командам блока измерений, вычислений и управления 1-3 устанавливают в управляемых фазовращателях 1-1-2_ij плоской многоэлементной антенной решетки 1-1 значения фаз, соответствующие режекторному набору фаз для этого направления, и измеряют величину Q_ij - характеристику качества суммарного сигнала на выходе сумматора сигналов 1-2 при установке режекторного набора фаз . По значениям Q₁ и Q_ij вычисляют соответствующую им величину индикатора помех δ_ij. Если δ_ij>δ_п, делают вывод, что в направлении (θ_ij, φ_j) действует помеха, которую надо подавить, и присваивают этому контрольному угловому направлению обозначение , а соответствующему режекторному набору фаз - обозначение , где r=1,…, N.

По завершению тестирования всех контрольных угловых направлений формируют массив контрольных угловых направлений , в которых выявлено воздействие помех, и соответствующий этим направлениям массив режекторных наборов фаз - .

Текущим распределением фазы напряженности поля в апертуре может быть исходное фазовое распределение Ф₀(x,y) или фазовое распределение, установленное в результате реализации предыдущей процедуры выявления и подавления помех. Патентуемый порядок выявления контрольных угловых направлений, в которых необходимо подавить помехи, обеспечивает выявления контрольных угловых направлений в обоих случаях.

По командам блока измерений, вычислений и управления 3 устанавливают в управляемых фазовращателях 1-1-2_ij плоской многоэлементной антенной решетки 1-1 значения фаз, соответствующие результирующему режекторному набору фаз , где суммирование ведется по всем i_п, j_п, а r=1, …, N. Установка в плоской многоэлементной антенной решетке 1-1 обеспечивает подавление всех выявленных помех.

Выявленные контрольные угловые направления используют как оценку направлений на источники помех.

Если условие δ_ij>δ_п, не выполняется ни для одного направления (θ_ij, φ_ij), текущее фазовое распределение сохраняют в антенне без изменений.

Патентуемая процедура выявления и подавления помех адаптивна к изменениям состава и направлениям прихода помех, поскольку предусматривает автоматическое выявление контрольных угловых направлений, в которых действуют помехи, при любых направлениях прихода и состава помех, а установка в управляемых фазовращателях 1-1-2_i,j плоской многоэлементной антенной решетки 1-1 соответствующего результирующего режекторного набора фаз автоматически обеспечивает подавление помех.

Отличительные признаки изобретения

Единовременно формируют массив вспомогательных данных

Выделяют в боковых лепестках энергетической ДН смежные по углу φ сектора и выбирают контрольные направления (θ_ij, φ_ij), соответствующие максимумам боковых лепестков в этих секторах, где i - номер бокового лепестка ДН, j - номер сектора в боковом лепестке. Из полученных (θ_ij, φ_ij) формируют массив контрольных угловых направлений, в которых будут выявлять наличие помех.

Для контрольных угловых направлений (θ_ij, φ_ij) формируют массивы режекторных наборов фаз для управляемых фазовращателей 1-1-2_r.

Разлагают Ф₀(x, y) в ряд Фурье по функциям P_nm(x, y), который представляют в виде Ф₀(x,y)=Ф₀₁(x,y)+Ф₀₂(x,y), где , - коэффициенты Фурье разложения функции Ф₀(x, y), 1 - максимальный линейный размер плоской многоэлементной антенной решетки 1-1, k - волновое число свободного пространства.

Для каждого контрольного углового направления (θ_ij, φ_ij) путем минимизации функционала где λ_ij - множители Лагранжа, n, m - номера гармоник P_nm(x,y), находят значения - коэффициентов Фурье и рассчитывают функцию по формуле . Рассчитывают режекторное фазовое распределения поля в апертуре антенны по формуле . Из значений в точках x_r, y_r формируют режекторный набор фаз , где r=1, …, N.

Массивы (θ_ij, φ_ij), , составляющие массив вспомогательных данных, заносят в память блока измерений, вычислений и управления 3.

Процедуру выявления и подавления помех проводят с периодичностью, задаваемой внешними командами или программой блока измерений, вычислений и управления 1-3.

Каждую процедуру выявления и подавления помех проводят следующим образом.

Измеряют величину Q₁ - характеристику качества суммарного сигнала на выходе сумматора сигналов 1-2, соответствующую текущему распределению фазы напряженности поля в плоской многоэлементной антенной решетки 1-1.

Используя содержащийся в памяти блока измерений, вычислений и управления 1-3 массив вспомогательных данных, тестируют каждое контрольное угловое направление (θ_ij, φ_ij) на наличие помех с этого направления. По командам блока измерений, вычислений и управления 1-3 устанавливают в управляемых фазовращателях 1-1-2_ij плоской многоэлементной антенной решетки 1-1 значения фаз, соответствующие режекторному набору фаз для этого направления, и измеряют величину Q_ij - характеристику качества суммарного сигнала на выходе сумматора сигналов 1-2 при установке режекторного набора фаз . По значениям Q₁ и Q_ij вычисляют соответствующую им величину индикатора помех δ_ij. Если δ_ij>δ_п, делают вывод, что в направлении (θ_ij, φ_ij) действует помеха, которую надо подавить, и присваивают этому контрольному угловому направлению обозначение , а соответствующему режекторному набору фаз - обозначение где r=1, …, N.

По завершении тестирования всех контрольных угловых направлений формируют массив контрольных угловых направлений , в которых выявлено воздействие помех, и соответствующий этим направлениям массив режекторных наборов фаз - .

По командам блока измерений, вычислений и управления 3 устанавливают в управляемых фазовращателях 1-1-2_i,j плоской многоэлементной антенной решетки 1-1 значения фаз, соответствующие результирующему режекторному набору фаз , где суммирование ведется по всем i_п, j_п, а r=1, …, N. Установка в плоской многоэлементной антенной решетке 1-1 обеспечивает подавление всех выявленных помех.

Выявленные контрольные угловые направления используют как оценку направлений на источники помех.

Если условие δ_ij>δ_п, не выполняется ни для одного направления (θ_ij, φ_ij), текущее фазовое распределение сохраняют в антенне без изменений.

Реализация способа адаптивного подавления пространственных помех

Измерительная система, реализующая патентуемый способ, может быть построена на основе широко используемых в разработках и хорошо освоенных в производстве СВЧ приборов: антенных элементов, управляемых аналоговых или цифровых фазовращателей и сумматоров сигналов. Для создания электронных блоков измерений, вычислений и управления существует развитая элементная база.

Для подтверждения работоспособности и эффективности патентуемого способа адаптивного подавления пространственных помех было проведено компьютерное моделирование процедуры подавления пространственных помех, результаты которых иллюстрируются на фиг.2, фиг.3, фиг.4.

Моделирование проводилось для линейной антенной решетки с размером kl=30π и с направлением главного лепестка ДН θ₀=0. В качестве направлений прихода помех были выбраны середина первого бокового лепестка ДН, середина второго бокового лепестка ДН и середина пятого бокового лепестка ДН.

Рассчитывались: η_i(дБ) - величина подавления бокового лепестка ДН под номером i; σ_0i(дБ)- величина снижения главного лепестка ДН, возникающая при подавлении бокового лепестка под номером i; γ_i(дБ)=η_i-σ_0i - выигрыш в соотношении сигнал/помеха при подавлении бокового лепестка под номером i.

На фиг.2, фиг.3, фиг.4 сравниваются исходная энергетическая ДН (линия 1 на фигурах) и ДН, для которых подавление боковых лепестков применено в соответствии с патентуемым способом (линия 2 на фигурах). На фигурах вертикальной стрелкой обозначаются подавляемые боковые лепестки.

При подавлении помехи с направления первого бокового лепестка ДН (см. Фиг.2) было полечено: η₁=24.3 дБ, σ₀₁=1,7 дБ, γ₁=22,6 дБ.

При подавлении помехи с направления второго бокового лепестка ДН (см. Фиг.3) было полечено: η₂=31.68 дБ, σ₀₂=0.32 дБ, γ₂=31,36 дБ.

При подавлении помехи с направления пятого бокового лепестка ДН (см. Фиг.4) было полечено: η₅=41.93 дБ, σ₀₅=0.07 дБ, γ₅=41.86 дБ.

Полученные с помощью математического моделирования результаты показывают большую эффективность подавления помех при использовании патентуемого способа адаптивного подавления пространственных помех (выигрыш в соотношении сигнал/помеха при подавлении помехи составляет (22÷42) дБ при незначительном, на (0.07÷1,7)дБ, снижении уровня главного лепестка ДН.

Таким образом, патентуемый способ адаптивного подавления пространственных помех практически реализуем и обеспечивает объявленный технический результат -обеспечивает подавление помех при отсутствии априорной информации о направлениях их прихода без нарушения рабочего режима работы антенны; вносит при подавлении помех минимальные потери в главном направлении ДН; обеспечивает адаптацию процедуры подавления помех к изменению направления прихода помех; обеспечивает минимизацию реального времени, затрачиваемого на подавление помех, и автономную оценку направлений на источники помех.