自适应波束形成技术简介.doc

自适应波束形成技术简介摘要:介绍了自适应波束抗干扰技术的发展历程,以及各种自适应波束形成算法的原理和特点,讨论了自适应波束抗干扰技术的应用情况,探讨了该技术在工程应用上面临的重要问题以及解决途径和方法。1引言随着电子干扰理论与技术的迅速发展,电子干扰对雷达构成了严重的威胁。天线相称于空间滤波器,是雷达抗干扰的第一道防线,天线抗干扰技术重要有低副瓣和超低副瓣、副瓣匿影、自适应副瓣对消、自适应阵列系统、波束控制、天线覆盖和扫描控制等。传统的雷达天线具有固定的波束方向,不能在抵消干扰的同时自动跟踪盼望信号的来向,无法适应未来复杂电磁环境下工作的需要。自适应阵列天线技术作为一个新的理念,是运用算法对天线的波束实现自适应的控制。自适应阵列天线抗干扰就是在保证盼望信号大增益接受的前提下,自适应地使天线的方向图零陷对准干扰的方向,从而克制掉干扰或者减少干扰信号的强度。最初,自适应阵列天线技术重要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信等领域,完毕空间滤波和定位等。近年来,随着移动通信及现代数字信号解决技术的迅速发展,运用数字技术在基带形整天线波束成为也许。天线系统的可靠性与灵活限度得到了大大的提高。自适应阵列天线技术在雷达中有以下的应用潜力:(1)抗衰落,减少多径效应电波在传播过程中通过反射、折射及散射等多种途径到达接受端。随着目的移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真变化非常迅速且不规则,导致信号多径衰落。采用自适应阵列天线控制接受方向,天线自适应地在目的方向形成主波束,并对接受到的信号进行自适应加权解决,使有用接受信号的增益最大,其它方向的增益最小,从而减少信号衰落的影响。(2)抗干扰能力强运用自适应阵列天线,借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异,选择恰当的合并权值,形成对的的天线接受模式,即:将主瓣对准有用信号,零陷和低增益副瓣对准重要的干扰信号,从而可更有效地克制干扰。其中零陷所带来的干扰消除叫做积极克制,旁瓣对消干扰叫做被动克制。抗干扰应用的实质是空间域滤波。自适应阵列天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。(3)增长系统容量自适应阵列天线波束变窄,提高了天线增益及C/I指标,减少了雷达系统的同频干扰,减少了频率复用系数,可提高频谱运用效率。采用自适应阵列天线是解决复杂电磁环境、多目的容量难题的既经济又高效的方案,可在不影响甚至提高接受质量的情况下,大幅提高雷达的工作容量。采用自适应阵列天线,雷达的C/I和SINR指标大大提高,同时对单个或多个目的的覆盖定向能力增强,可使雷达的探测区域大大增长。2自适应波束形成技术的发展自适应阵列天线的研究可以追溯到20世纪60年代,其中最具代表性的工作涉及Adams提出的基于SNR输出的自适应解决器以及Widrow提出的宽带和窄带自适应阵列结构。近年来,随着研究的不断进一步,其基本理论日趋成熟,出现了大量的自适应波束形成算法适应波束形成通过不同的准则来拟定自适应权,并运用不同的自适应算法来实现。重要的准则有:最小均方误差(MSE)准则;最大信噪比(SNR)准则;最大似然比(LH)准则;最小噪声方差(NV)准则等。Monzingo和Miler在他们的专著中阐述了抱负情况下这4种准则是等价的。不管选择什么样的准则,都是要采用一定的算法调整阵波束方向图,从而实现自适应控制。法的分类有几种,按照算法的实现可以分为开环算法和闭环算法。初期重要注重于闭环算法的研究,重要的闭环算法有最小均方(LMS)算法、差分最陡下降(DSD)算法、加速梯度(AG)算法以及它们的变形算法。闭环算法简朴、性能可靠,不需数据存储。但其重要缺陷是收敛于最佳权的响应时间取决于数据特性值分布,在某些干扰分布情况下,算法收敛速度较慢,从而大大限制了它的应用场合。因此,近2023来,人们把爱好更多集中在开环算法研究上。REED等人最早提出了著名的开环算法:直接求逆(DMI或SMI)法。DMI法通过直接干扰方差矩阵的逆来求解Winner-Hopf方程以获得最优权值,然后作加权相消,它的收敛速度和相消性能都比闭环算法好得多。随着数字技术的迅速发展,高速度芯片的产生为开环算法提供了更好的前提条件。为了利于数字实现以及克服DMI方法运算量大、稳健性差等局限性,又提出了一些改善的快速稳健的算法。Miller对采样协方差矩阵具有盼望信号时的情况进行了研究,并且指出盼望信号的存在严重减少了DMI算法输出SINR的收敛速度,盼望信号越强,减少越严重。DMI等开环算法运算量大,难以工程实现,所以必须想办法来减少算法的运算量。曾经采用的重要方法是特性结构法