基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法研究

劉春靜　張錦中　馬利祥

摘? 要：寬帶自適應(yīng)波束形成在雷達(dá)工程、電子對(duì)抗、通信、麥克風(fēng)陣列等很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，尤其是針對(duì)寬帶干擾源的抑制越來越重要。傳統(tǒng)的基于自適應(yīng)波束形成的寬帶干擾源抑制算法都是通過頻域變換后進(jìn)行處理的，隨著信號(hào)帶寬的增大，算法的復(fù)雜度也越來越大。為了降低算法復(fù)雜度，研究了一種基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法，以時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆绞叫D(zhuǎn)陣列，將干擾源的入射角度調(diào)整到陣列法向方向，從而消除寬帶信號(hào)的色散效應(yīng)。計(jì)算機(jī)仿真表明，該算法能夠取得較好的信干噪比改善效果。

關(guān)鍵詞：時(shí)延補(bǔ)償;寬帶干擾;波束形成

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）34-0012-02

Abstract： Wideband adaptive beamforming has been widely used in radar engineering， electronic countermeasures， communications， microphone arrays and many other fields. In particular， the suppression of wideband interference sources is becoming more and more important. The traditional wideband interference suppression algorithm based on adaptive beamforming is processed by frequency domain transformation. With the increase of signal bandwidth， the complexity of the algorithm is also increasing. In order to reduce the complexity of the algorithm， a wideband interference suppression algorithm based on time-delay compensation is studied. The array is rotated by time-delay compensation， and the incidence angle of the interference source is adjusted to the normal direction of the array， thus eliminating the dispersion effect of wideband signals. Computer simulation shows that the proposed algorithm can achieve better signal-to-interference-noise ratio （SINR） improvement.

Keywords： time delay compensation; wideband interference; beamforming

自適應(yīng)波束形成[1-5]是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用的陣列處理技術(shù)，涉及的領(lǐng)域包括通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、聲吶、麥克風(fēng)陣列和射電天文等諸多方面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，射頻信號(hào)的工作帶寬越來越寬，傳統(tǒng)的窄帶波束形成算法已不能夠滿足現(xiàn)有的需求，因此，寬帶波束形成算法的研究逐漸成為了最新的研究熱點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用來看，5G寬帶通信、寬帶相控陣?yán)走_(dá)、寬帶聲吶系統(tǒng)等的研究都在如火如荼地開展，這些射頻電子系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，增大了系統(tǒng)間的相互干擾，從而對(duì)天線陣列前端寬帶波束形成器的需求也越來越迫切。

文獻(xiàn)[6]研究了基于均勻圓陣的魯棒的寬帶波束形成算法，將圓陣導(dǎo)向矢量分解到模式空間上，從而達(dá)到算法簡化的目的。文獻(xiàn)[7]提出了一種固定的頻率不變的波束形成算法，算法設(shè)計(jì)不需要最小化約束函數(shù)，還能夠求解出最優(yōu)的實(shí)波束形成系數(shù)。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)頻分布的寬帶自適應(yīng)波束形成算法，能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的檢測性能和更好的魯棒特性。文獻(xiàn)[9]討論了802.11ac與4.9GHz下的寬帶自適應(yīng)波束形成陣列，實(shí)現(xiàn)了不同基站或移動(dòng)端要求下的波束設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要意義。

本文研究了一種基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法，在已知干擾源方向的條件下，對(duì)天線陣列的接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償，將干擾源方向調(diào)整到與帶寬無關(guān)的陣列法向上，再完成陣列接收數(shù)據(jù)的加權(quán)自適應(yīng)波束形成。

1 基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法

在寬帶干擾環(huán)境下，由于干擾源的頻率分量增加，傳統(tǒng)的窄帶干擾抑制算法已經(jīng)不能夠滿足要求;根據(jù)前一節(jié)的分析，我們注意到陣列法線方向（？準(zhǔn)=0）入射信號(hào)的特殊性質(zhì)，如果通過時(shí)延補(bǔ)償方法將寬帶干擾信號(hào)的入射角度調(diào)整為0°，則可以在補(bǔ)償完成后采用窄帶的干擾抑制算法。令

其中？準(zhǔn)J為寬帶干擾源的入射角度，diag{·}表示向量的對(duì)角化運(yùn)算。

對(duì)陣列接收信號(hào)的時(shí)延補(bǔ)償可改寫為如下表達(dá)式：

（1）

其中x（n）為天線陣列接收的原始信號(hào)，xtd（n）為經(jīng)過時(shí)延補(bǔ)償后的陣列接收信號(hào)。此時(shí)的陣列相關(guān)矩陣為

（2）

基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法中的Dm（m=1，2，...，M）為第m個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的干擾源角度的時(shí)延補(bǔ)償，時(shí)延補(bǔ)償值由v（？準(zhǔn)J）的相對(duì)波達(dá)時(shí)延差決定，參考陣元的時(shí)延補(bǔ)償D1設(shè)為0，自適應(yīng)權(quán)值的估計(jì)結(jié)果為

wm（m=1，2，...，M）為向量w的第m個(gè)元素。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)均勻直線陣列的陣元個(gè)數(shù)為10，工作頻率為10GHz，天線陣元間距為半波長，期望信號(hào)入射角度為-30度，功率為0dB，干擾信號(hào)角度為20度，功率為60dB，干擾帶寬為100MHz，采樣樣本為4000，SINR損失定義為

其中Ri+n為干擾與噪聲組合的相關(guān)矩陣。

仿真對(duì)比了窄帶最優(yōu)波束形成器、理想的最優(yōu)寬帶SMI算法和基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法，分別如圖1～3所示。圖1為SINR損失隨角度變化的關(guān)系曲線，可以看出通過對(duì)干擾信號(hào)的抑制，在干擾方向上的SINR損失是最小的。圖2為SINR損失隨寬帶干擾源帶寬變化的關(guān)系曲線，窄帶最優(yōu)波束形成器的SINR損失最小，尤其需要注意的是，隨著干擾信號(hào)帶寬的增大，SINR損失是逐漸增大的。圖3為三種算法形成的自適應(yīng)波束圖對(duì)比，基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法對(duì)干擾方向進(jìn)行了補(bǔ)償，因此形成的干擾零點(diǎn)位置為0度，抑制深度為-98.2dB。

3 結(jié)論

本文通過詳細(xì)分析基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶拵Ц蓴_源抑制算法的基本原理，闡述了實(shí)現(xiàn)寬帶干擾抑制的設(shè)計(jì)流程，通過數(shù)值仿真分析對(duì)比了干擾抑制算法與理想SMI算法的性能，驗(yàn)證了所述算法的有效性。后續(xù)工作將進(jìn)一步展開對(duì)多個(gè)寬帶干擾源抑制算法的研究，以拓展時(shí)延補(bǔ)償算法的適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐敏，等.基于多級(jí)阻塞的穩(wěn)健相干自適應(yīng)波束形成[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2019，41（07）：1705-1711.

[2]王悅，等.平面天線陣快速正交投影波束形成算法[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2019，17（03）：339-344.

[3]王昊，等.協(xié)方差矩陣重構(gòu)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2019，44（02）：170-176.

[4]段曉菲，等.四元數(shù)域?qū)拵敯糇赃m應(yīng)波束形成[J].雷達(dá)學(xué)報(bào)，2019，8（01）：117-124.

[5]唐敏，等.單快拍相干信號(hào)自適應(yīng)波束形成方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2019，41（06）：1224-1229.

[6]Shefeng Yan et al. Robust time-domain wideband modal beamforming with circular arrays[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， August 2019， Early Access， pp.1120-1125.

[7]Alexey A. Erokhin et al. Frequency-invariant beamforming with real FIR-filters [J]. 2019 Radiation and scattering of electromagnetic waves， June 2019， pp. 11-15.

[8]Yaqi Liu et al. Robust adaptive wideband beamforming based on time frequency distribution[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， August 2019， pp. 4370-4382.

[9]Moh Chuan Tan et al. A wideband beamforming antenna array for 802.11ac and 4.9GHz [J]. 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation， April 2019， pp. 1203-1206.