一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法及系统

1.本发明属于卫星通信抗干扰技术领域，更具体地，涉及一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法及系统。


背景技术：

2.相控阵卫通天线通常采用多频段集成一体的卫通天线接收多个频点的下行信号，具有低剖面、高精度控制的特点，在多阵元合成高增益主波束的同时，具有较高的副瓣电平，因而同频段空间电磁干扰很有可能通过副瓣区域混入接收天线，影响卫通天线的接收信噪比。由于相控阵天线的集成化射频前端设计，导致传统相控阵天线在信号对准过程中，缺乏面对高动态场景下稳健的波达角信号处理方法。鉴于此，有必要提供一种用于相控阵卫通天线的波达角处理方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法及系统，旨在解决由于相控阵天线的集成化射频前端设计，导致传统相控阵天线在信号对准过程中，缺乏面对高动态场景下稳健的波达角信号处理方法的问题。
4.为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法，包括以下步骤：运用相控阵卫通天线接收辐射信号，并预估计辐射信号中干扰信号的波达方向；根据预估计干扰信号的波达方向，确定干扰信号的零陷展宽区间；将接收阵元的导向矢量相关矩阵表示为接收阵元的导向矢量及其共轭转置的乘积在干扰信号的零陷展宽区间内的积分，利用牛顿科茨公式求积分对接收阵元的导向矢量相关矩阵进行简化；对简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵进行特征分解，将特征值从大到小排列，筛选部分特征值对应的特征向量构建特征值子空间；基于特征值子空间与接收阵元的权重系数向量之间的乘积为0，结合接收阵元的导向矢量，在零陷展宽区间内做线性约束抑制；采用特征值子空间中的特征向量，构建投影变换矩阵；并采用投影变换矩阵对辐射信号的协方差矩阵进行重构；对重构后的辐射信号的协方差矩阵加入修正因子进行对角加载；利用修正后的辐射信号的协方差矩阵、特征值子空间以及期望信号的导向矢量，获取自适应零陷展宽最优加权权值；根据最优加权权值生成干扰抑制波形；其中，接收阵元等间距排布，阵元间距d≥λ/2，其中，λ为期望信号的波长。
5.进一步优选地，接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）=；a（θ）为
接收阵元的导向矢量；为干扰信号的零陷展宽区间；θ为零陷展宽区间内的角度；ah（θ）为a（θ）的共轭转置；简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）其中，i为积分区间序号；θ
ij
（j=1，2，
…
，5）为第i组积分区间的第j个均匀离散点；f（θ）=a（θ）ah（θ）。
6.进一步优选地，筛选部分特征值的方法为：根据选取特征值子空间；其中，l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；λk为第k个特征值；δ为阈值；span{}为扩张空间；为第k个特征值对应的特征向量；m为总特征值数量。
7.进一步优选地，线性约束抑制为；其中，whu
l
=0；w为接收阵元的权值系数构成的向量；wh为w的共轭转置；u
l
为特征值子空间。
8.进一步优选地，辐射信号的协方差矩阵重构方式为’=tth+εi；其中，ε∈（0，1）；i为单位矩阵；为重构前的协方差矩阵；投影变换矩阵；为第k个特征值对应的特征向量；l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号。
9.进一步优选地，自适应零陷展宽最优加权权值为：其中，a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；p=[ a（θs），u
l
]；f=[1，0，
…
，0]
（l+1）
×1。
[0010]
另一方面，本发明提供了一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽系统，包括：相控阵卫通天线，用于接收辐射信号；其中，辐射信号包括干扰信号和期望信号；波达方向预估模块，用于预估计辐射信号中干扰信号的波达方向；导向矢量相关矩阵的简化模块，用于将接收阵元的导向矢量相关矩阵表示为接收阵元的导向矢量及其共轭转置的乘积在干扰信号的零陷展宽区间内的积分，利用牛顿科茨公式求积分对接收阵元的导向矢量相关矩阵进行简化；特征值子空间的构建模块，用于对简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵进行特征分解，将特征值从大到小排列，筛选部分特征值对应的特征向量构建特征值子空间；线性约束抑制的构建模块，用于基于特征值子空间与接收阵元的权重向量之间的乘积为0，结合接收阵元的导向矢量，在零陷展宽区间内做线性约束抑制；投影变换矩阵的构建模块，用于采用特征子子空间中的特征向量，构建投影变换矩阵；协方差矩阵的重构模块，用于采用投影变换矩阵对辐射信号的协方差矩阵进行重
构；协方差矩阵的修正模块，用于对重构后辐射信号的协方差矩阵加入修正因子进行对角加载；自适应零限展宽最优加权权值的计算模块，用于利用修正后辐射信号的协方差矩阵、特征子空间以及期望信号的导向矢量，获取自适应零限展宽最优加权权值；干扰抑制波形的生成模块，用于根据最优加权权值生成干扰抑制波形；其中，接收阵元等间距排布，阵元间距d≥λ/2，其中，λ为期望信号的波长。
[0011]
进一步，接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）=；a（θ）为接收阵元的导向矢量；为干扰信号的零陷展宽区间；θ为零陷展宽区间内的角度；ah（θ）为a（θ）的共轭转置；简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）其中，i为积分区间序号；θ
ij
（j=1，2，
…
，5）为第i组积分区间的第j个均匀离散点；f（θ）=a（θ）ah（θ）。
[0012]
进一步优选地，筛选部分特征值的方法为：根据选取特征值子空间；其中，l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；λk为第k个特征值；δ为阈值；span{}为扩张空间；为第k个特征值对应的特征向量；m为总特征值数量。
[0013]
进一步优选地，辐射信号的协方差矩阵重构方式为’=tth+εi；其中，ε∈（0，1）；i为单位矩阵；为重构前的协方差矩阵；投影变换矩阵；为第k个特征值对应的特征向量；l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；自适应零陷展宽最优加权权值为：其中，a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；p=[ a（θs），u
l
]；f=[1，0，
…
，0]
（l+1）
×1。
[0014]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供了自适应零陷展宽最优加权权值；a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；u
l
用于加深和展宽零陷展宽区间；充分利用了相控阵天线的阵面切角和权值的数字控制方式，在阵列权值系数更新速度不能适应干扰角度的快速变化的高动态条件下，通过零陷展宽和加深方法，克服了高速运动平台阵列自适应波束零陷角度与干扰信号的入神角度不匹配而造成自适应波束抗干扰性能迅速下降的
缺点。
[0015]
本发明通过投影变换与线性约束抑制结合的零陷展宽方法，可实时针对干扰信号的形成鲁棒的波束方向图，具有快拍影响小、零陷深、零陷宽度可控的性能优势。
附图说明
[0016]
图1是本发明实施例提供的相控阵卫通天线的拓扑示意图；图2是本发明实施例提供的相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法流程图；图3是本发明实施例提供的几种不同算法获取的归一化波束图。
具体实施方式
[0017]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]
图1为相控阵卫通天线的拓扑示意图，如图2所示，本发明提供了一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽方法，包括以下步骤：步骤一：运用相控阵卫通天线接收辐射信号，并设置初始时刻各接收阵元的权值系数为1；波达角零陷展宽方法适用于相控阵形式卫通接收阵列，；接收阵元等间距排布，阵元间距d≥λ/2，其中，λ为波长；其中，辐射信号包括干扰信号；步骤二：预估计干扰信号的波达方向；波达方向预估计利用波达角估计算法获取，可以为典型music算法或其他先验估计算法实现；步骤三：根据预估计干扰信号的波达方向，确定干扰信号的零陷展宽区间，计算接收阵元的导向矢量相关矩阵（θ）=；a（θ）为接收阵元的导向矢量；为干扰信号的零陷展宽区间；θ为零陷展宽区间内的角度；ah（θ）为a（θ）的共轭转置；为了简化算法复杂度，接收阵元的导向矢量相关矩阵可简化为（θ）；其中，i为积分区间序号；θ
ij
（j=1，2，
…
，5）为第i组积分区间的均匀离散点，f（θ）=a（θ）ah（θ）；步骤四：对（θ）进行特征分解，根据选取特征值子空间，l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；λk为第k个特征值；δ为阈值；span{}为扩张空间；为第k个特征值对应的特征向量；m为总特征值数量；特征分解为（θ）=u（θ）uh（θ）；其中，；步骤五：在零陷展宽区间内做线性约束抑制；
线性约束抑制为；其中，whu
l
=0；w为接收阵元的权值系数构成的向量；步骤六：采用特征值子空间u
l
中的特征向量，构造投影变换矩阵；采用投影变换矩阵t对辐射信号的协方差矩阵进行重构，并对重构后的协方差矩阵加入修正因子ε进行对角加载；对辐射信号的协方差矩阵重构方式为’=tth+εi，ε∈（0，1）；i为单位矩阵；为协方差矩阵；步骤七：利用修正后的协方差矩阵’，以及约束条件u
l
、a（θs），求得自适应零陷展宽最优加权权值w
opt
=（’）-1 p f h
/p
h （’）-1
p；a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；u
l
用于加深和展宽零陷展宽区间；p=[ a（θs），u
l
]；f=[1，0，
…
，0]
（l+1）
×1；权值系数更新准则一般选用lcmv算法或mvdr算法；步骤八：根据最优加权权值生成干扰抑制波形。
[0019]
另一方面，本发明提供了一种用于相控阵卫通天线的波达角零陷展宽系统，包括：相控阵卫通天线，用于接收辐射信号；其中，辐射信号包括干扰信号和期望信号；波达方向预估模块，用于预估计辐射信号中干扰信号的波达方向；导向矢量相关矩阵的简化模块，用于将接收阵元的导向矢量相关矩阵表示为接收阵元的导向矢量及其共轭转置的乘积在干扰信号的零陷展宽区间内的积分，利用牛顿科茨公式求积分对接收阵元的导向矢量相关矩阵进行简化；特征值子空间的构建模块，用于对简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵进行特征分解，将特征值从大到小排列，筛选部分特征值对应的特征向量构建特征值子空间；线性约束抑制的构建模块，用于基于特征值子空间与接收阵元的权重向量之间的乘积为0，结合接收阵元的导向矢量，在零陷展宽区间内做线性约束抑制；投影变换矩阵的构建模块，用于采用特征子子空间中的特征向量，构建投影变换矩阵；协方差矩阵的重构模块，用于采用投影变换矩阵对辐射信号的协方差矩阵进行重构；协方差矩阵的修正模块，用于对重构后辐射信号的协方差矩阵加入修正因子进行对角加载；自适应零限展宽最优加权权值的计算模块，用于利用修正后辐射信号的协方差矩阵、特征子空间以及期望信号的导向矢量，获取自适应零限展宽最优加权权值；干扰抑制波形的生成模块，用于根据最优加权权值生成干扰抑制波形；其中，接收阵元等间距排布，阵元间距d≥λ/2，其中，λ为期望信号的波长。
[0020]
进一步，接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）=；a（θ）为接收
阵元的导向矢量；为干扰信号的零陷展宽区间；θ为零陷展宽区间内的角度；ah（θ）为a（θ）的共轭转置；简化后的接收阵元的导向矢量相关矩阵为：（θ）其中，i为积分区间序号；θ
ij
（j=1，2，
…
，5）为第i组积分区间的第j个均匀离散点；f（θ）=a（θ）ah（θ）。
[0021]
进一步优选地，筛选部分特征值的方法为：根据选取特征值子空间；其中，l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；λk为第k个特征值；δ为阈值；span{}为扩张空间；为第k个特征值对应的特征向量；m为总特征值数量。
[0022]
进一步优选地，辐射信号的协方差矩阵重构方式为’=tth+εi；其中，ε∈（0，1）；i为单位矩阵；为重构前的协方差矩阵；投影变换矩阵；为第k个特征值对应的特征向量；l为选取特征值λ的数量；k代表特征值的编号；自适应零陷展宽最优加权权值为：其中，a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；p=[ a（θs），u
l
]；f=[1，0，
…
，0]
（l+1）
×1。
[0023]
为验证算法的有效性，假设有2个独立的干扰信号从俯仰角[-30
°
，40
°
]，方位角为90
°
入射平面阵列；平面阵为10
×
10的平面阵列。其阵元间距为半波长（λ/2）；输入信号为加性高斯白噪声；期望信号从0
°
入射，干扰信号与期望信号之间是独立的，设置信噪比为10，干燥比为30；采用100次蒙特卡罗实验。图3为所形成的波束图的水平剖面图，其横坐标为俯仰角，纵坐标为阵列天线归一化后的增益。
[0024]
设置需要展宽的零陷区间为δθ=4
°
，即零陷展宽区间为[-32,-28] ∪[38,42]；对角加载因子为0.015，快拍数为500，基向量个数为8；图3为几种不同算法的归一化波束图。从中可以得出本发明形成的零陷深度最深，平均零陷深度可以达到-106.3db，能够更好地抑制强干扰。
[0025]
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：（1）本发明提供了自适应零陷展宽最优加权权值；a（θs）为期望信号的导向矢量，用于保证期望信号的增益；u
l
用于加深和展宽零陷展宽区间；充分利用了相控阵天线的阵面切角和权值的数字控制方式，在阵列权值系数更新速度不能适应干扰角度的快速变化的高动态条件下，通过零陷展宽和加深方法，克服了传统方式性能迅速下降的缺点。
[0026]
（2）本发明通过投影变换与线性约束抑制结合的零陷展宽方法，可实时针对干扰信号的形成鲁棒的波束方向图，具有快拍影响小、零陷深、零陷宽度可控的性能优势。
[0027]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。