数字相控阵天线多方向的噪声调制方法与流程

本发明涉及天线阵列信号调制的，特别涉及数字相控阵天线多方向的噪声调制方法。

背景技术：

1、数字相控阵天线广泛应用于无线通信、雷达、测控等领域。具体在测控领域，当卫星测控地面站与卫星进行通信时，卫星测控地面站的数字相控阵天线发射信号主瓣始终跟踪卫星的数字相控阵天线移动，理论上只会通过数字相控阵天线发射信号主瓣进行通信信号发送，但是除了数字相控阵天线发射信号主瓣外的各个方向会产生旁瓣波束，这些旁瓣波束也能够辐射通信信号，导致存在通信信号泄密等安全隐患。为此，需要对数字相控阵天线在旁瓣方向发出的信号进行抑制，避免旁瓣方向产生信号泄露。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，其通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，以此生成对主瓣方向信号没有任何影响的人工噪声信号作为旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。

2、本发明提供数字相控阵天线多方向的噪声调制方法，包括如下步骤：

3、步骤s1，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子；基于所述幅相校准因子，对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，使得所有天线通道分别输出相应的幅相校准信号；

4、步骤s2，获取所述数字相控阵天线包含的所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号；确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；

5、步骤s3，基于所述主瓣方向信号的导向矢量，生成对所述主瓣方向信号没有任何影响的人工噪声信号；基于所述人工噪声信号，生成旁瓣方向噪声信号；并基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号；

6、步骤s4，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。

7、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s1中，确定对数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，还包括：

8、基于数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的幅相偏差，对所述数字相控阵天线的所有天线通道进行幅相校正，使得所有天线通道具有相同的幅相参数；

9、向完成幅相校正的数字相控阵天线的所有天线通道分别输入信号，并获取所有天线通道各自对应的输出信号；

10、基于所述输入信号和所述输出信号，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子。

11、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s1中，基于所述输入信号和所述输出信号，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，包括：

12、基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵x和所有天线通道的输出信号矩阵b，构建如下面公式(1)的关于所述数字相控阵天线的信号传输方程，

13、b＝x·h+w  (1)

14、在上述公式(1)中，w表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的高斯白噪声矩阵；h表示对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；

15、基于上述公式(1)，构建如下面公式(2)关于高斯白噪声矩阵的最小均方误差方程，

16、

17、对上述公式(2)进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵；再基于所述幅相校准因子矩阵，确定对所述数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准各自对应的幅相校准因子。

18、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s1中，对上述公式(2)进行求解，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵，包括：

19、基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵x，得到自相关矩阵rx；其中，rx＝x×xh，xh表示输入信号矩阵x的转置共轭矩阵，×表示叉乘；

20、基于所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵x和所有天线通道的输出信号矩阵b，得到互相关矩阵p；其中，p＝x×b*，b*表示输出信号矩阵b的共轭矩阵，×表示叉乘；

21、基于下面公式(3)，得到对所述数字相控阵天线进行幅相校准对应的幅相校准因子矩阵h，

22、

23、在上述公式(3)，表示自相关矩阵rx的逆矩阵。

24、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s2中，确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，包括：

25、基于所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数，确定所述数字相控阵天线整体的导向矢量

26、从所述数字相控阵天线整体的导向矢量确定所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量

27、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s2中，所述数字相控阵天线的天线通道分布几何参数包括所述数字相控阵天线中平行于x轴方向的天线阵元间距和平行于y轴方向的天线阵元间距。

28、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s3中，基于所述主瓣方向信号的导向矢量，生成对所述主瓣方向信号没有任何影响的人工噪声信号；基于所述人工噪声信号，生成旁瓣方向噪声信号，包括：

29、基于下面公式(4)，确定对所述主瓣方向信号没有任何影响的人工噪声信号的导向矢量，

30、

31、在上述公式(4)中，表示人工噪声信号对应的导向矢量w0的转置矩阵；

32、再基于所述人工噪声信号对应的导向矢量w0，生成旁瓣方向噪声信号。

33、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s3中，基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，包括：

34、利用下面公式(5)，基于所述波束合成信号和所述旁瓣方向噪声信号，得到所述数字相控阵天线的最终输出信号，

35、

36、在上述公式(5)中，d表示所述数字相控阵天线的最终输出信号；表示所述数字相控阵天线整体的导向矢量；x表示所述数字相控阵天线包含的所有天线通道的输入信号矩阵；表示所述波束合成信号；w0表示所述旁瓣方向噪声信号。

37、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s4中，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号，包括：

38、设定最终发射信号的发送总功率为p，所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比为η，所述旁瓣方向噪声信号在所述最终发射信号的功率占比为1-η，则

39、所述波束合成信号的主瓣方向信号的信号功率ps(θ)如下：

40、

41、在上述公式(6)中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示的转置共轭矩阵；e表示求均值；‖ ‖表示求一阶范数；‖ ‖2表示求二阶范数；θ表示信号的俯仰角；

42、所述旁瓣方向噪声信号的信号功率pn(θ)如下：

43、

44、在上述公式(7)中，表示所述波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量；表示的转置共轭矩阵；e表示求均值；‖ ‖表示求一阶范数；‖ ‖2表示求二阶范数；w0表示旁瓣方向噪声信号；θ表示信号的俯仰角；

45、利用下面公式(8)，确定所述最终发射信号的误差矢量幅度evm(θ)，

46、

47、对所述误差矢量幅度evm(θ)进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η；

48、再基于求解得到的功率占比η，对所述最终输出信号进行关于所述波束合成信号的主瓣方向信号和所述旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。

49、在本技术公开的一个实施例中，在所述步骤s4中，对所述误差矢量幅度evm(θ)进行约束优化问题解算，求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η，包括：

50、设定在主瓣方向宽度ωm内，所述误差矢量幅度evm(θ)不大于门限thm，以及在旁瓣方向宽度ωs内，所述误差矢量幅度evm(θ)不小于门限ths，从而确定下面的约束优化方程，

51、max pe,s.t.  evm(θ)≤thm,θ∈ωm

52、evm(θ)≥ths,θ∈ωs

53、对上述约束优化方程进行解算，从而求解得到所述波束合成信号在所述最终发射信号的功率占比η。

54、相比于现有技术，该数字相控阵天线多方向的噪声调制方法通过数字相控阵天线旁瓣抑制和旁瓣噪化，在旁瓣方向添加噪声或特定规格信号，在实现主瓣方向信号传输的同时，可有效提升通信的抗截获和抗定位能力，并可实施信息欺骗；该噪声调制方法主要包括基于数字相控阵天线包含的所有天线通道进行幅相校准对应的幅相校准因子，对数字相控阵天线包含的所有天线通道各自的输入信号分别进行幅相校准，将所有天线通道各自输出的幅相校准信号共同叠加形成的波束合成信号，并波束合成信号的主瓣方向信号的导向矢量，以此生成对主瓣方向信号没有任何影响的人工噪声信号作为旁瓣方向噪声信号；基于波束合成信号和旁瓣方向噪声信号，得到数字相控阵天线的最终输出信号；还对最终输出信号进行关于波束合成信号的主瓣方向信号和旁瓣方向噪声信号的功率分配，得到最终发射信号。在抗截获方面，采用旁瓣噪声信号调制技术，降低旁瓣方向信噪比，使接收的天线辐射旁瓣信号不具备进行解调、解译和破译的信号质量条件，即无法得到足够高信噪比的信号进行解译还原和密码破译；在抗定位方面，采用辐射源旁瓣方向信号时频调制技术，大幅度降低主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关性，使基于时差/时频差等定位系统无法通过主瓣方向信号和旁瓣方向信号的相关处理提取信号相关峰，有效降低天线被定位的可能性；在信息欺骗方面，通过改变加载在旁瓣方向信号上的时频调制波形，可在实现抗定位的基础上，生成多个虚假信息相关峰，使基于时差/时频差等定位系统得到错误的辐射源数量和位置，实现信息欺骗。

55、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

56、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。