基于数字自适应波束成形的抗干扰算法设计与实现

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基于数字波束形成技术的北斗抗干扰终端研究

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2023.05.012引用格式:陈强,王田,薛仁魁,等.基于数字波束形成技术的北斗抗干扰终端研究[J].无线电工程,2023,53(5):1093-1101.[CHEN Qiang,WANG Tian,XUE Renkui,et al.Research on Beidou Anti-jamming Terminal Based on Digital Beam FormingTechnology [J].Radio Engineering,2023,53(5):1093-1101.]基于数字波束形成技术的北斗抗干扰终端研究陈㊀强,王㊀田,薛仁魁,李雨濛,杨文彬,李㊀萌(北京东方计量测试研究所,北京100086)摘㊀要:随着电子对抗环境日益复杂,卫星导航及通信领域的抗干扰技术已从传统的功率倒置自适应调零技术转为数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术㊂针对功率倒置算法不能提高卫星信号增益的问题,对数字波束形成技术进行了研究;针对空时多线性约束波束形成算法的硬件资源问题,对基于空频抗干扰算法的数字波束形成技术进行了研究㊂基于目前导航装备中常见的七阵元终端,将数字波束形成算法与功率倒置算法进行了仿真对比,开展了抗单干扰和五干扰仿真分析及满天星暗室实际测试㊂通过仿真分析及实际测试,同等干扰条件下,采用基于空频抗干扰算法的数字波束形成技术具有更高的输出信干噪比,以及更强的抗干扰能力㊂相关研究结果可以支撑北斗抗干扰终端的研发㊂关键词:数字波束形成技术;抗干扰算法;七阵元终端;仿真分析;暗室测试中图分类号:TN973文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID ):文章编号:1003-3106(2023)05-1093-09Research on Beidou Anti-jamming Terminal Based on Digital BeamForming TechnologyCHEN Qiang,WANG Tian,XUE Renkui,LI Yumeng,YANG Wenbing,LI Meng(Beijing Orient Institute of Measurement and Test ,Beijing 100086,China )Abstract :With the increasingly complex electronic countermeasure environment,the anti-jamming technology in the field ofsatellite navigation and communication has changed from the traditional power-inversion adaptive nulling adjustment technology toDigital Beam Forming (DBF)technology.To solve the problem that the power-inversion algorithm cannot improve the satellite signal gain,the digital beam forming technology is studied.To solve the hardware resource problem of space-time multilinearly constrainedbeam forming algorithm,the digital beam forming technology based on space frequency anti-jamming algorithm is studied.Based on the common seven-element terminals in the current navigation equipment,the digital beamforming algorithm and the power-inversionalgorithm are simulated and compared,and the simulation analysis of anti-single interference and five interference is carried out,as well as the actual test of the sky-full-of-stars anechoic chamber.Through simulation analysis and actual test,under the same interference conditions,digital beamforming technology based on space frequency anti-jamming algorithm has higher output signal tointerference noise ratio and stronger anti-jamming capability.Relevant research results can support the research and the development of Beidou anti-jamming terminal.Keywords :digital beam forming technology;anti-jamming algorithm;seven-element terminal;simulation analysis;anechoicchamber test收稿日期:2023-01-300㊀引言近年来,全球导航卫星系统已广泛应用于日常生活和战争,随着电子战的发展和复杂的传播环境,导航信号容易受到干扰[1-2]㊂针对这一问题,采用了能够在特定方向形成波束/零点的阵列天线抗干扰技术[3]㊂随着电子对抗环境日益复杂,卫星导航及通信领域的抗干扰技术,势必从传统的功率倒置自适应调零技术转为数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术[4]㊂功率倒置自适应调零技术适用于强干扰环境,可以在干扰来波方向形成深零陷,但是不能提高卫星信号增益;DBF 的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线,目的是为了自适应地控制天线波束的主瓣使其对准目标,控制天线波束的零陷,使其对准干扰源,从而可以在强干扰环境下有效地发现和探测目标[5]㊂DBF 技术采用领先的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,兼顾干扰零陷与有用信号增益,可显著提升系统的抗干扰能力,是高性能抗干扰设备的核心技术[6]㊂因此,基于数字波束形成技术的北斗抗干扰终端研究成为抗干扰研究的重要方向之一㊂目前,导航自适应抗干扰算法研究根据实现方式不同,主要分为空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP )[7]和空频自适应处理(Space Frequency Adaptive Processing,SFAP )[8]2种联合域滤波结构㊂STAP 技术在空域滤波的基础上融合时域进行处理,解决了空域滤波自由度受限的问题,但是带来了巨大的计算复杂度,增加实数处理难度[9];SFAP 技术通过快速傅里叶变换将阵列接收信号划分为若干个频带进行阵列处理,在频域计算抗干扰权值[10]㊂该技术计算量相比STAP 技术大为减少㊂基于此,本文使用目前主流的七阵元北斗抗干扰终端,对其抗干扰算法进行了优化研究,并开展了仿真分析及暗室测试验证㊂1㊀抗干扰算法1.1㊀多来向信号处理机制假设多个窄带信号进入阵列天线(天线有多个阵元),通常阵列天线阵元数即为信号处理通道数,天线每个阵元接收到窄带信号后传送至各自通道进行信号处理㊂当信号为窄带信号时,参考阵元接收到的信号可表示如下:s i (t )=u i (t )e j ωt ㊀i ɪ[1,2, ,N ],(1)式中:ω为信号的角频率,u i (t )为第i 个信号的幅度㊂在均匀线阵中,第m 个阵元接收信号为:x m (t )=ðN i =1s i(t -τmi)+n m (t ),(2)式中:τmi =d m sin θi /c 为第i 个信号到达第m 个阵元时相对于参考阵元的时间延迟,d m =d (m -1)为线阵第m 阵元相对于参考阵元的距离,其中d 为阵元间距,c 为电磁波传输速率,θi 为第i 个信号入射角度,n m (t )为第m 个阵元在t 时刻的噪声㊂通常,窄带信号在时域变化较慢,可认为:s i (t -τ)ʈs i (t )㊃e -j ωτ㊂(3)则x m (t )可以表示为:x m (t )=ðN i =1s i(t )e-j ωτmi+n m (t )㊂(4)将M 个阵元在某时刻接收的信号排为列矢量,得到:x 1(t )x 2(t )︙x M (t )éëêêêêêùûúúúúú=e -j ωτ11e -j ωτ12 e-j ωτ1Ne -j ωτ21e -j ωτ22e -j ωτ2N ︙︙︙e -j ωτM 1e-j ωτM 2e -j ωτMN éëêêêêêùûúúúúúˑs 1(t )s 2(t )︙s N (t )éëêêêêêùûúúúúú+n 1(t )n 2(t )︙n M (t )éëêêêêêùûúúúúú㊂(5)将其写成矢量形式如下:X (t )=AS (t )+N (t ),(6)式中:X (t )为阵列的M ˑ1维快拍数据矢量,N (t )为阵列的M ˑ1维噪声数据矢量,S (t )为空间信号的N ˑ1维矢量,A 为空间阵列的M ˑN 维流型矩阵(导向矢量阵)[11]㊂理想情况下,针对从角度θ入射的有用信号,阵列天线只希望收到有用信号和噪声信号,且有用信号和期望信号不相关,天线各阵元噪声信号为高斯白噪声(功率相同),给第m 个阵元收到的信号乘上权重w (m )后相加所有信号,则阵列天线接收的信号可表述为:y (t )=ðM m =1wH mx m (t )+N (t )㊂(7)写成矩阵形式则为:Y (t )=W H X (t )=s (t )W H a (θ)+N (t ),(8)式中:W =[w 1,w 2, ,w M ]T 表示权矢量,a (θ)为期望信号的导向矢量,s (t )为期望信号的复包络;N (t )为噪声向量㊂1.2㊀自适应波束形成算法自适应波束形成通过对阵元加权实现空域滤波,抑制干扰信号的同时增强有用信号,并且可以根据信号环境的变化来自适应地改变各阵元的加权矢量W[12]㊂算法主要目的在于找到最优权矢量,从而使信号通过加权后,能够抑制干扰信号的同时加强有用信号,使阵列天线形成指向性的波束㊂天线方向图函数为:F (θ)=W H a (θ)㊂(9)当加权矢量对某个方向θ0的信号同相相加时,会使得F (θ0)的模值最大,在该方向形成波束㊂因此,为了使主瓣波束指向有用信号的方向,各阵元在该方向必须同相相加[13],阵列加权矢量即是对各阵元进行相位补偿㊂经典闭环算法中利于实现数字多波束的为最小方差无失真响应(Minimum Variance DistortionlessResponse,MVDR)算法[14],该算法在期望信号方向增益约束为1(单位约束),且使得阵列输出功率最小,即干扰和噪声受到抑制而在阵列输出中的功率最小,实现波束形成,算法具体描述如下㊂阵列的输出功率为(设信号与干扰加噪声完全不相干):E [YY H]=E [|W H X |2]=W H E [XX H ]W =W H R X W ,(10)式中:R X 为阵列接收信号的协方差矩阵㊂MVDR 波束形成算法的权矢量为以下问题的解:W MVDR =arg min W Ha (θ0)=1W H R X W ,(11)式中:argmin W Ha (θ0)=1W HR X W 表示使[W HR X W ]中的函数值最小且满足W Ha (θ0)=1的W 的最优解,arg 表示求反函数㊂可由拉格朗日乘子法解得:W opt =R X-1a (θ0)a H (θ0)R -1X a (θ0),(12)式中:a (θ0)为期望信号方向导向矢量[15]㊂从以上可看出,权矢量随噪声加干扰的协方差矩阵变化,因此算法可使阵元在期望方向输出最大信号,实现波束形成㊂对算法进行仿真分析,选取均匀线阵且为十六阵元,阵元间距为半波长,有用信号(期望信号)方向为10ʎ,干扰信号方向为-10ʎ㊁20ʎ㊁40ʎ,噪声为随机高斯白噪声㊂期望信号信噪比为-30dB,干扰信号的干噪比为50dB㊂仿真结果如图1所示㊂图1㊀MVDR 算法方向图Fig.1㊀Pattern of MVDR algorithm权矢量表达式表征,MVDR 算法的性质是最优权矢量可在有用信号方向形成增益尖峰而在干扰方向形成零陷㊂由图1可以看出,在期望方向上产生了高增益并且在干扰方向上产生了很深的零陷㊂上述分析仅针对窄带信号,对于宽带信号波束形成,主要有2种经典的方法:空时多线性约束波束形成和空频波束形成㊂空时多线性约束波束形成是在自适应波束形成过程中,采用空时抗干扰算法,并针对不同频率添加多个线性约束最小方差(Linearly Contrained Mini-mum Variance,LCMV)条件㊂对于宽带多线性约束LCMV 处理器需要设定k 个约束,第k 个约束是当频率为f k 的单位平面波以θk 入射到阵列天线时,阵列的输出为b k ,则第k 个约束可写为:a H k w=b k ,k =1,2, ,K ,(13)式中:a k =a (θk )㊂由此,有k 个约束的优化方程可写为[7]:min E {|y (n )|2}=w HRws.t.㊀C H w =bC =[a 1,a 2, ,a K ]b =[b 1,b 2, ,b K]T ìîíïïïï㊂(14)利用拉格朗日乘子法可以推导出最优解为:w opt =R -1C (C H R -1C )-1b ㊂(15)目前,主流北斗抗干扰终端均采用空时抗干扰算法,对干扰形成抑制的同时,形成多个数字波束[16]㊂但是,空时多线性约束波束形成计算复杂,对硬件资源要求较高㊂因此,本文基于数字波束形成技术,在空频抗干扰算法上进行优化㊂在空频抗干扰算法中,宽带信号被划分为多个子带,每个子带都可以近似为窄带信号,因此,针对每个子带分别做一个线性约束条件,即可在每一个子带形成数字波束,进而实现宽带数字波束㊂从单个线性约束的权值计算公式:Woptk=R -1X a (θk )a H (θk )R -1X a (θk ),(16)可以看出,在计算数字多波束加权矢量时,仅仅是导向矢量a (θk )不同,自相关矩阵的逆R -1X 是可重复利用的,仅需计算一次[17]㊂空频抗干扰将宽带信号在频域上划分为多个窄带信号,然后将每个窄带信号采用窄带波束形成算法,即只添加一个线性约束条件,避免采用多线性约束,降低了算法计算量㊂2㊀抗干扰仿真分析理论上,具有M 个阵元的阵列天线,在做数字波束合成时,与单个阵元收星对比,信噪比会提高10ˑlg(M )dB,本文以某型七阵元抗干扰天线为例,进行仿真分析㊂七阵元的天线阵示意如图2所示,7个阵元依次编号1~7,规定正北方向为方位角0ʎ,正东方向为方位角90ʎ㊂相邻阵元阵间距为0.116m,接近B3频点半波长㊂图2㊀七阵元天线阵示意Fig.2㊀Schematic diagram of seven-element antenna array2.1㊀抗单干扰性能对比功率倒置调零模式下,设定单干扰来向为方位角40ʎ㊁仰角5ʎ,抗干扰后方向图如图3所示,在干扰来向40ʎ方向形成了尖锐的零陷,远离零陷的方向,天线合成增益在-6.43~5dB 波动㊂图3㊀调零模式方向图(单干(40ʎ,5ʎ))Fig.3㊀Pattern of zero adjustment mode(single-interference (40ʎ,5ʎ))当单干扰来向方位角为70ʎ㊁仰角为30ʎ时,方向图如图4所示,远离零陷的方向,天线合成增益在-4~5dB 波动,但增益最低点的方位角与之前干扰从40ʎ方位来时相比有所变化,可见,在天线尺寸及朝向不变时,调零模式抗干扰性能与星况分布和干扰来向有关㊂图4㊀调零模式方向图(单干(70ʎ,30ʎ))Fig.4㊀Pattern of zero adjustment mode(single-interference (70ʎ,30ʎ))数字多波束模式下,设定单干扰来向为方位角40ʎ㊁仰角5ʎ,抗干扰后方向图如图5和图6所示㊂(a )俯视图(b )侧视图图5㊀数字波束模式方向图(单干(40ʎ,5ʎ),波束指向(120ʎ,70ʎ))Fig.5㊀Pattern of digital beam mode (single-interference(40ʎ,5ʎ),beam pointing (120ʎ,70ʎ))(a)俯视图(b)侧视图图6㊀数字波束模式方向图(单干(40ʎ,5ʎ),波束指向(240ʎ,50ʎ))Fig.6㊀Pattern of digital beam mode(single-interference (40ʎ,5ʎ),beam pointing(240ʎ,50ʎ))波束1指向方位角120ʎ㊁仰角70ʎ方向,波束增益8.37dB,在干扰来向40ʎ方向形成了尖锐的零陷,波束形状为一鼓包状,具有一定的波束宽度,在波束范围内,增益较高㊂同理,波束2指向方位角240ʎ㊁仰角50ʎ方向,波束增益8.4dB,可见形成数字多波束后,各个卫星朝向的天线合成增益均有所提高㊂当单干扰来向方位角为70ʎ,仰角为30ʎ时,方向图如图7和图8所示,波束1和波束2也都获得了8dB以上的增益㊂(a)俯视图(b)侧视图图7㊀数字波束模式方向图(单干(70ʎ,30ʎ),波束指向(120ʎ,70ʎ))Fig.7㊀Pattern of digital beam mode(single-interference (70ʎ,30ʎ),beam pointing(120ʎ,70ʎ))(a)俯视图(b)侧视图图8㊀数字波束模式方向图(单干(70ʎ,30ʎ),波束指向(240ʎ,50ʎ))Fig.8㊀Pattern of digital beam mode(single-interference (70ʎ,30ʎ),beam pointing(240ʎ,50ʎ))可见,数字多波束模式下,在抗单干扰过程中,各个卫星载噪比均较调零模式有明显提高,数字多波束模式具有更强的抗干扰能力㊂2.2㊀抗五干扰性能对比在5个干扰存在条件下,七阵元只剩1个维度的自由度,并不能在所有方向都增强信噪比㊂设干扰强度90dB,各个干扰来向如图9所示,绿色方块代表干扰,红色圆圈代表卫星,正上方为正北,方位角0ʎ,方位角沿顺时针方向一圈为0ʎ~ 360ʎ,同一圈圆环的仰角相同,最外围圆环仰角为0ʎ,圆心仰角为90ʎ㊂图9㊀五干扰来向及卫星布置Fig.9㊀Five interference direction and satellite layout五干扰下,调零模式方向图如图10所示,3号星方向增益为-21dB㊂图10㊀五干扰调零模式方向图Fig.10㊀Pattern of five interference zero adjustment mode 数字波形形成模式方向图如图11所示,3号星方向增益为2dB㊂可见,在五干扰场景中,数字波束仍能够在特定方向,明显改善合成增益,从而改善信噪比㊂图11㊀五干扰波束形成模式方向图Fig.11㊀Pattern of five interference beam forming mode 3㊀暗室抗干扰性能测试3.1㊀测试环境测试环境为穹顶满天星式暗室测试环境,包括满天星暗室㊁多射频输出导航信号模拟源㊁干扰源㊁转台及测试评估系统等组成㊂其中室内满天星暗室在天顶和四面墙上布设了75个导航天线和7个干扰天线,在多射频输出导航信号模拟源和7台干扰源的配合下能够模拟不同来向的北斗卫星导航信号和7个不同来向的干扰信号,可以测试抗干扰终端在调零抗干扰工作模式和数字波束形成工作模式下的功能性能㊂满天星暗室测试连接示意及实物如图12所示㊂(a)满天星暗室测试连接示意(b)满天星暗室测试实物图12㊀满天星暗室测试连接示意及实物Fig.12㊀Schematic diagram and object diagram of the test connection in the full sky anechoic chamber3.2㊀测试场景3.2.1㊀导航信号场景仿真场景载体速度ɤ30m /s㊁加速度ɤ5m /s 2㊁加加速度ɤ0.5m /s 3,仿真位置选为116ʎE㊁40ʎN㊁100m,仿真时间为2022年9月30日,导航信号满天星分路输出,满足位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)小于等于4㊂3.2.2㊀单干扰场景①分2种场景:1个宽带干扰;1个窄带干扰㊂②宽带干扰:中心频率1268.52MHz,带宽20.46MHz㊂窄带干扰:中心频率1268.52MHz,带宽2.046MHz㊂③调制方式:QPSK 调制㊂干扰发射天线㊁卫星信号发射天线和接收天线三者之间的夹角不小于30ʎ(以接收天线为顶点),设置卫星信号至接收天线口面电平为-130dBm,干扰信号至接收天线信号电平为-35dBm,相当于干信比为95dB,干扰信号功率可以按1dB 步进,实现干信比95~115dB 变化㊂单干扰布局如图13所示㊂图13㊀单干扰布局Fig.13㊀Layout of single-interference3.2.3㊀五干扰场景①干扰类型涵盖宽带㊁窄带㊁扫频㊁脉冲㊂②宽带干扰:中心频率1268.52MHz,带宽20.46MHz㊂窄带干扰:中心频率1268.52MHz,带宽2.046MHz㊂脉冲干扰:占空比10%~50%可调,周期1μs ~1s随机设置㊂扫频干扰:带宽范围内,用10%带宽的调制信号,扫频速率大于120kHz /s(180s 扫完整个带宽)㊂③调制方式:QPSK 调制㊂设置卫星信号至接收天线口面电平为-130dBm,干扰信号至接收天线信号电平为-50dBm,相当于干信比为80dB,干扰信号功率可以按1dB 步进,实现干信比80~100dB 变化㊂五干扰布局如图14所示㊂图14㊀五干扰布局Fig.14㊀Layout of five interferences3.3㊀测试方法①按照测试场景的要求布设卫星天线,按照干扰场景的要求布设干扰天线,被测设备安装在转台上,转台仰角为90ʎ,方位为0ʎ;②测试系统根据B3频点设置输出-130dBm射频信号至被测设备天线口面为指定信号电平,并播发信号;③给被测终端发送定位指令,设置被测终端进行B3频点信号定位;④通过串口按1s 频度发送5次授时指令,时间不确定度在[-1,1]ms 随机,发送概略位置和历书;⑤给被测终端发送复位指令,测试系统设定被测设备以1Hz 频度上报测试结果,等待120s;⑥测试系统控制转台,使得被测终端按照以下要求匀速旋转:俯仰角在60ʎ~90ʎ,循环往复运动,2(ʎ)/s;极化角在0ʎ~360ʎ,循环往复运动,2(ʎ)/s;⑦测试系统播发干扰信号,对应干信比的起始值为95dB(单干扰)及80dB(五干扰);⑧如在180s 内没有上报结果,则终止被测终端测试;⑨如被测终端正常上报定位结果,待上报定位结果的时间达到180s后,统计该干信比下的定位误差;⑩水平定位误差>7m或垂直定位误差>9m,则停止该被测终端测试;如定位精度满足水平ɤ7m,垂直ɤ9m则记录相应结果;以1dB为步进,增加干扰信号功率,重复步骤⑥~⑧,直至干信比到达最大值㊂定位精度符合指标要求时对应的最大干信比,记为被测终端在对应干扰信号数量下的抗干扰指标㊂3.4㊀测试结果七阵元终端分别在调零抗干扰模式和波束形成抗干扰模式下进行单干扰和五干扰测试,测试结果如表1所示㊂表1㊀抗干扰测试结果Tab.1㊀Anti-jamming test results单位:dB 模式单干扰干信比五干扰干信比自适应调零10984波束形成115974㊀结论基于数字波束形成技术,在空频抗干扰算法上进行优化,将宽带信号划分为多个子带,每个子带都可以近似为窄带信号,针对每个子带分别做一个线性约束条件,避免采用多线性约束,降低了算法计算量㊂通过对七阵元抗干扰终端调零抗干扰和空频波束形成抗干扰2种算法的仿真对比,以及在单干扰和五干扰下仿真分析和满天星暗室实际性能测试㊂结论如下:①同等干扰条件下,采用数字多波束技术,经过对干扰信号处理后,终端可具有更高的输出信干噪比;②波束形成抗干扰算法具有更强的抗干扰能力,尤其在多干扰情况下,抗干扰性能可提高10dB以上㊂随着北斗三号卫星导航应用加速推进,尤其在复杂电磁环境下定位的可信性已引起军民用户的极大关注,空频波束形成抗干扰将成为未来空天导航抗干扰设备的主流技术㊂参考文献[1]㊀GAO G X,SGAMMINI M,LU M Q,et al.ProtectingGNSS Receivers from Jamming and Interference[J].Pro-ceedings of the IEEE,2016,104:1327-1338. 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自适应数字波束形成的抗干扰新技术

・天线技术・自适应数字波束形成的抗干扰新技术邱永红甘仲民摘要　介绍自适应天线系统的基本概念,重点讨论自适应数字波束形成技术,提出了自适应数字波束形成与扩频技术相结合的抗干扰新技术。

关键词　自适应天线　数字波束形成　抗干扰技术Abstract　The basic concept of adaptive array system is introduced with the focus on the adaptive digital beanforming(DBF)technology.A new anti2jamming technology of combining adaptive DBF with spread spectrum is discussed.K eyw ords　adaptive antenna　digital beamforming　anti2jamming technology 早期的通信天线是用来进行电路能量和自由空间能量的转换,而雷达则进一步利用了天线的测向功能。

在信道中,不可避免地存在着噪声和干扰,它们通过天线方向图的边波束或主波束进入接收系统,从而降低系统的接收信噪比。

随着天线技术的发展,自适应天线应运而生。

自适应天线能自动地对干扰信号作出反应,将天线波束零点对准干扰方向,同时保持信号方向的接收能力。

自适应天线与传统天线的最大区别在于:在给定天线阵列形状和尺寸的情况下,自适应天线采用信号处理技术,以优化的方法来实现自适应干扰功能。

1　自适应天线系统自适应天线系统如图1所示。

其主要组成单元为天线阵、波束形成网络和自适应处理器等。

其中,N为天线阵元数目,x n为来自第n个天线阵元(经过模/数转换)的信号,w3n为复加权系数,θ为期望信号的方位角,d3(t)为参考信号(时间参考信号或波束调向参考信号)。

从图1可以看出,自适应处理器是自适应天线系统的核心,波束形成网络的复加权系数是由自适应处理器进行调整的。

2013-自适应波束形成的算法设计与验证-实验指导

《自适应波束形成的算法设计与验证》实验指导
电子科技大学电子工程学院
实验指导书
（实验）课程名称：自适应波束形成的算法设计与验证
电子科技大学教务处制表
《自适应波束形成的算法设计与验证》实验指导
实验规则
为了维护正常的实验教学次序，提高实验课的教学质量，顺利的完成各项实验任务，确保人身、设备安全，特定制如下实验规则：一、实验前必须对每个实验所要求的预备知识要充分预习，另外还要求： 1、认真阅读本实验指导书分析掌握本次实验的基本原理； 2、完成各实验预习要求中制定的内容； 3、熟悉实验任务。二、实验时，认真、仔细的写出源程序，进行调试，有问题向指导老师举手提问。三、实验时注意观察，如发现有异常现象（电脑故障或仪器故障），必须及时报告指导老师，严禁私自乱动。四、实验过程中应仔细观察实验数据并加以记录五、自觉保持实验室的肃静、整洁；实验结束后，必须清理实验桌，将实验设备、工具、连线按规定放好，并填写仪器设备使用记录。六、凡有下列情况之一者，不准做实验： 1、实验开始后迟到 10 分钟以上者； 2、实验中不遵守实验室有关规定，不爱护仪器，表现不好而又不服从管理教育者。七、实验后，必须认真做好实验报告，下次实验时交实验指导老师批阅。没有交实验报告者，在规定时间内没有完成视为缺做一次实验。八、一次未做实验，本实验课成绩视为不及格，原则上与下一届学生进行重修。
《自适应波束形成的算法设计与验证》实验指导
3. 程序验证................................................................................................. 33 实验四 4 阵元线阵接收通道数字处理 .................................................................... 35 实验原理.............................................................................................................. 35 实验目的.............................................................................................................. 35 实验内容.............................................................................................................. 35 实验器材、工具.................................................................................................. 35 实验步骤.............................................................................................................. 35 1. 实验平台................................................................................................. 35 2. FPGA 程序编写 ..................................................................................... 36 3. 程序验证................................................................................................. 40

基于相控阵雷达波束形成的抗干扰技术

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【冯毅华．２】赵红旭．燃气ｓＡＡｃＤ系统的７发应胴ｌ＿ｌ河南科技．０，： — ４Ｊ１２３２２０４３
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３）警窗口，舱控系统发生报警时，根据预先设定的报警级别岛报

一种基于自适应波束形成的导引头抗干扰方法

ｒｎｎｎｆｔｒ．ｏｈｓｐｒｏｅｎａｔｅａｔｊｍｍｉｇｍｅｈｄｂｓｄｏｄｐｉｅｂａｏｍｉｇｔｃｎｑｅｏｍｅｔｉｕｕｅＦｒｔｉｕｐｓ，ａｃｉｎｉａｖ－ｎｔｏａｅｎａａｔｖｅｍｆｒｎｅｈｉｕ
的强度。自适应数字波束形成原理如图２所示，是在采用自适应阵列天线的基础上，利用算法对天线的波束实
２抗干扰实现方法
波束形成本质上是对入射到阵列的信号进行空间滤波的过程，择不同的权值可以实现对不同方向信选
ｆｎｉｇｐｒｏｍａｃｆｓｅｅｅｒｄｄｓｒｏｓｙＩｓｎｔｗｅｌｍａｃｅｔｏｐｅｌｃｒｍａｎｔｃｅｖ — ｉｄｎｅｆｒｎｅｏｅｋｒｉｄｇａｅｅｉｕｌ．ｔｉｏｌｓｔｈｄｗｉｈｃｍｌｘｅｅｔｏｇｅｉｎｉ
置如图１所示。
收稿日期：２１０１—０６—２１０１９—２７２１一Ｏ３修回作者简介：王开斌（９５一）男。工，要从事精确制导与电子１７，高主
对抗方面的研究工作。
２航天电子对抗线的基础上，过对阵列信号进行数字加权来形成波通束变得十分方便灵活，而且可使期望信号得到增强，同
步：先需要估计期望信号和干扰信号的到达方向；首然

自适应波束形成零陷优化抗干扰研究

关键词：相控阵雷达；数字波束形成技术；零陷展宽；零陷加深；稳健性
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４ — ２２３０．２０１４．０１．０１３
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＮｕｌｌＤｅｐｔｈｆｏｒＡｄａｐｔｉｖｅＢｅａｍＦｏｒｍｅｒｏｎＡｎｔｉ－Ｊａｍｍｉｎｇ
ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇｏｆａｎｔｉ－ｉｎｔｅｆｅｒｒｅｎｃｅｉｎａｉｒｓｐａｃｅｆｏｒｒａｄａｒ．Ｔｈｅｒｅｉｓｎｕｌｌｎａｒｒｏｗｉｎｔｈｅｉｎｔｅｆｅｒｒｅｎｃｅｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｄａｐｔｉｖｅｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ，ａｎｄｎｕｌｌｓｈａｌｌｏｗｃａｕｓｅｄｂｙｉｎｔｅｆｅｒｒｅｎｃｅｐｏｗ— ｅｒｕｎｓｔｅａｄｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅａｂｏｖｅｔｗｏｐｒｏｂｌｅｍｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌｙ，ｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｚｅｒｏｉｎｂｒｏａｄｅｎｉｎｇａｎｄｄｅｅｐｅｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｍｕｒｌａｉｓｄｅｄｕｃｅｄ．Ｂｏｔｈｄｅｒｉｖａｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｚｅｒｏｉｎｗｉｄｅｎｉｎｇａｎｄｄｅｅｐｅｎｉｎｇｉｎ－ｔｅｇｒａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｃａｎｇｒｅａｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｂｅａｍｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｆｅｒｒｅｎｃｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ

基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统和方法[发明专利]

专利名称：基于数字波束形成与空时调零级联的抗干扰系统和方法
专利类型：发明专利
发明人：不公告发明人
申请号：CN201110195715.3
申请日：20110713
公开号：CN102879790A
公开日：
20130116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出一种基于数字波束形成与空时调零级联的卫星导航抗干扰系统和方法，将数字波束形成与空时调零处理进行级联，提高了整个系统的抗干扰性能。

包括依次连接的天线阵、射频模块和抗干扰处理模块，抗干扰处理模块包括数字波束形成模块和空时调零处理模块；数字波束形成模块对各天线阵元信号加权合成为指向卫星的参考波束信号，同时获取与导向矢量正交的正交矢量信号；数字波束形成模块的输出级联空时调零处理模块，空时调零处理模块用于对参考波束信号内的干扰信号进行自适应调零抗干扰处理，消除参考波束信号内的干扰信号，输出有用的卫星信号。

申请人：北京泰豪联星技术有限公司
地址：100083 北京市海淀区王庄路1号清华同方科技广场B座905室
国籍：CN
代理机构：北京海虹嘉诚知识产权代理有限公司
代理人：吴小灿
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基于自适应数字波束形成的单脉冲技术分析

1绪论1绪论测控（TT&C，Tracking Telemetry and Command）系统由天上测控分系统和地面测控分系统组成，共同完成飞行器的跟踪、测距、测速、遥测和遥控任务[1]。

这就要求地面测控站能对卫星进行捕获并精密跟踪。

跟踪雷达[2]的作用是对飞行目标不断的进行自动跟踪，并把角坐标的数据经过计算装置处理后传给跟踪系统，以便进行瞄准。

它为了完成跟踪的作用，就要求波束的主瓣指向目标后，波束也必须连续跟随目标移动，以保证天线波束的主瓣指向不断的对准运动的目标，并随时测定目标的瞬时坐标数据，以实现天线对目标的跟踪。

一般以天线轴指向目标作为瞄准目标的依据；一旦运动目标偏离天线轴的指向，天线系统就会自动出现一个天线轴指向偏离目标的误差信号，它通过放大和变换等处理后，去控制电动机驱使天线向着减小误差信号的方向转动，直至天线轴又重新指向目标，使误差信号消失为止，这就是实现自动跟踪的方法。

1.1论文研究的背景和意义随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离和抗干扰能力都提出了越来越高的要求。

近几十年以来，精密跟踪雷达的技术不断发展进步。

连续波雷达的跟踪方法大致有以下几种[2]：波束转换、圆锥扫描和单脉冲技术。

采用顺序比较波瓣法的圆锥扫描天线体制已经不能满足跟踪高速飞行器的要求，这是由于这种体制必须在馈源绕天线轴旋转一周后才能判明目标的方向，这就限制了跟踪速度；在波束扫描过程中，目标运动状态的变化引起回波信号幅度的起伏，给误差信号附加上一个调幅干扰，降低了角度跟踪精度；另外，由于目标的闪烁、大气层的不稳定和极化的偏转等因素所引起回波信号的变化，都会造成严重的跟踪误差。

单脉冲跟踪采用同时比较波瓣法，即由单脉冲天线同时产生几个波束，用几个独立的接收支路，同时接收这几个波束从目标反射的单个回波信号，然后将这些回波信号加以比较来获取目标的角误差信号，所以称为单脉冲跟踪。

基于FPGA+DSP的自适应波束形成设计

基于FPGA+DSP的自适应波束形成设计一、介绍自适应波束形成（Adaptive Beamforming）是一种用于抑制多路径干扰以提高通信系统性能的信号处理技术。

FPGA 和 DSP 技术的结合提供了一种强大的平台，用于实现高效的自适应波束形成算法。

本文将介绍 FPGA 和 DSP 的基本原理，并介绍基于 FPGA 和 DSP 的自适应波束形成设计。

二、FPGA 技术FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑芯片，允许工程师在设计后对其进行编程，在没有进行物理修改（例如更改掩模）的情况下，修改其功能。

FPGA 的主要优势在于其具有高度可配置的硬件逻辑和 I/O 管脚，使其适用于各种嵌入式系统应用。

FPGA 的工作原理如下：1.硬件描述语言（HDL）设计：使用硬件描述语言（例如VHDL或Verilog），工程师可以描述所需的硬件行为。

2.编译与综合：在将其加载到设备之前，HDL 设计必须通过复杂的编译和综合过程。

3.下载到 FPGA：已编译的设计将作为二进制码下载到 FPGA 芯片中。

三、DSP 技术DSP（Digital Signal Processor）是一种专门为数字信号处理而设计的微处理器。

与通用微处理器相比，DSP 具有更高的时钟速度、更大的运算能力和更广泛的内部存储器。

DSP 被广泛应用于数字音频处理、数字图像处理和通信等领域。

DSP 的工作原理如下：1.程序设计：使用编程语言（例如C）编写 DSP 应用程序。

2.编译与链接：应用程序源代码必须通过编译和链接步骤进行转换，这将生成相应的二进制文件。

3.下载到DSP：生成的二进制文件将下载到DSP 芯片的内部存储器中。

四、自适应波束形成的原理自适应波束形成是一种用于改进多路径信道性能的信号处理技术。

其基本原理是：通过调整接收阵列天线的权重系数，实现接收信号在感兴趣方向上的增强，同时抑制非感兴趣方向的信号。

基于自适应数字波束形成的抗干扰建模及仿真

基于自适应数字波束形成的抗干扰建模及仿真
丁学科;刘长明;胡莹
【期刊名称】《新一代信息技术》
【年(卷),期】2022(5)6
【摘要】本文研究了广泛应用于电子对抗领域的自适应数字波束形成技术,依托均匀线性阵列模型分析了自适应数字波束形成的具体原理,通过理论分析、仿真实验表明自适应数字波束形成对抗从天线旁瓣进入的干扰的有效性,同时指出自适应数字波束形成对抗从天线主瓣进入的有源干扰会出现主波束发生畸变、主波束偏移和副瓣电平升高等问题.
【总页数】3页(P6-8)
【作者】丁学科;刘长明;胡莹
【作者单位】同方电子科技有限公司;电子科技大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN974
【相关文献】
1.基于相控阵雷达自适应波束形成的抗干扰技术
2.基于自适应波束形成的抗干扰跳频通信方案
3.一种基于自适应波束形成的导引头抗干扰方法
4.自适应数字波束形成的抗干扰新技术
5.基于鲁棒自适应波束形成的抗干扰测控通信
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