应用于微型飞行器阵列天线的自适应波束形成器

成。 自适应波束形成技术由于实际应用中的各种 误差 ( 阵元响应误差、 阵元位置扰动误差以及互耦 效应等) 使得其广泛使用具有很大局限性[ 1 ]。 为消 除上述误差影响, 一般可采用精确的测量校正或采 用稳健的自适应处理算法。 后者包括人工噪声注入 法[ 2, 3 ]、 线性约束方法[ 4 ]、 基于特征分析的抗干扰方 法以及特征矢量投影算法等[ 5 ]。 自适应波束形成的 最优化问题可以通过广义旁瓣对消器 ( Genera lized sidelobe canceller, GSC ) 实现, 它是L CM V (L inea r2
第 38 卷第 3 期 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Vol . 38 N o. 3 2006 年 6 月 J un. 2006 Jou rna l of N an jing U n iversity of A eronau t ics & A st ronau t ics
s ( t) = [ s1 ( t) , s2 ( t) , …, sp ( t) ]; n ( t) 为高斯白噪声。
无失真响应的自适应波束形成器, 它通过对权矢量 加以约束条件, 从而有效控制波束响应。 在自适应 数字波束形成中, 施加L CM V 条件, 可以使得从感 兴趣方向来的信号以特定的增益和相位通过, 而输 出信号的总能量或方差达到最小。L CM V 的问题 可以用下式加以表达 ( 1) ΞHR x Ξ → m in, 约束条件 C H Ξ = f 式中: R x 为阵列的协方差矩阵, 构成了 C 的列向量 张成的约束子空间; C 为M ×K 阶矩阵; f 为 K ×1 维向量, 表示对阵列响应有 K 个约束。 式 ( 1) 的最 优解是 ( 2) Ξ = R x - 1C (C H R x - 1C ) - 1 f 如图 1 所示, 在与L CM V 等效的 GSC 结构中, 权向 量 Ξ 被分解为自适应权和非自适应权两部分, 系统 的权向量可以表示为 ( 3) Ξ = Ξq - B Ξa 式中 Ξa 是使上下支路均方误差最小的维纳解 Ξa = R z - 1 P z
应用于微型飞行器阵列天线的自适应波束形成器
连小华 周建江
( 南京航空航天大学信息科学与技术学院, 南京, 210016)
摘要: 微型飞行器的天线采用灵巧的自适应阵列天线。 由于自适应阵列天线的幅相误差会引起线性约束自适应 波束形成器的期望信号相消, 本文根据微型飞行器自适应天线系统的设计, 基于广义旁瓣对消器 (GSC ) 结构, 在 频域中将阻塞矩阵赋予自适应功能, 进而得到了一种改进的, 可行的, 稳健的自适应波束形成器。 仿真试验表明, 此方法对天线阵列幅相误差具有稳健性, 降低了运算量, 可以应用于微型飞行器二维自适应阵列天线, 实现实时 的波束形成。 关键词: 线性约束最小方差; 广义旁瓣对消器; 自适应波束形成器; 微型飞行器 中图分类号: TN 820 文献标识码: A 文章编号: 100522615 ( 2006) 0320326205
引 言
一种目标小、 灵活性好的微型飞行器已在南京 航空航天大学遥测试飞成功。 信道闭环后, 很快就 可以遥控遥测和自主飞行。 基于外形、 功率、 能量等 因素的综合考虑, 该微型飞行器能实现近距离空中 监视、 跟踪、 干扰、 目标定位、 通讯联络、 绕过障碍物 探测、 在复杂环境中获取信息等重要功能。 它的天 线设计为自适应矩形阵列天线, 可以实现波束形
基金项目: 国防基础研究基金资助项目。 收稿日期: 2005205218; 修订日期: 2005207205
作者简介: 连小华, 女, 博士研究生, 1980 年生; 周建江 ( 联系人) , 男, 教授, 博士生导师, Em a il: zjjee@ nuaa. edu. cn。 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 3 无误差的方向图
图 2 ABM 结构
入辅助支路, 没有出现信号相消现象。 随误差增加, 方差为- 10 dB 的时候, 如图 5 所示, 采用 ABM 的 改进的 GSC 仍然保持了良好的稳健性。 同时可发 现, 幅相误差对自适应阵列天线抗干扰性能的影响 不大, 但是却会严重影响副瓣电平[ 10 ]。
H
( 8)
结构的自适应波束形成算法, 此方法使得波束形成 对天线的幅相误差具有稳健性。 同时, 由于此方法 充分结合D SP 擅长进行数字信号处理中乘法累加 运算的特点, 使得速度大大提高, 并有效地回避了 精度的要求。 对微型飞行器二维自适应阵列天线的 仿真结果表明, 该改进的波束形成方法可以应用于 微型飞行器的天线阵列。
图 1 广义旁瓣对消器结构
112 自适应天线阵列的误差分析
受元件极限精度和加工水平等条件的限制, 微 型飞行器的各个天线阵元之间存在不可避免的幅 相误差, 这些误差是非相关的随机误差, 可以用以 下模型表示[ 1 ]
jΥ g i = ( 1 + ∆i ) e i , i = 1, 2, …, M
1 改进的基于 GSC 结构的自适应波
Robust Adaptive Beam form er for An tenna on M icro A ir Veh icle
L ian X iaohua , Z hou J ianj iang
(Co llege of Info rm a tion Science and T echno logy, N an jing U n iversity of A eronau tics & A stronau tics, N an jing, 210016, Ch ina )
( 9)
束形成算法
111 与LCM V 波束形成器等效的 GSC 结构 线性约束最小方差 (L CM V ) 也称为最小方差
式中M 为阵元数目。 当阵列的幅相误差很小的时 候, 第 i 个阵元的复增益可以近似表示为 [ 5 ] ( 10) g i ≈ 1 + ∆i + jΥ i = 1 + ∃g i 通道之间的幅相不一致性会随时间变化, 但是一般 属于慢变化过程, 在形成相关矩阵时, 可以认为是 固定不变的。 所以, 复增益误差的方差可以表示为 ( 11) Ρ2 = E [ ∃ g i 2 ], i = 1, 2, …, M 复增益矩阵 G 定义为 [ 9 ] G > d iag [ g 1 , g 2 , …, gM ], 于是接收到的信号就 可以表示为 ( 12) x ( t) = GA s ( t) + n ( t) ( 式 中: A 为 方 向 矢 量 组 成 的 矩 阵, A = [ a Η 1) , a (Η 2 ) , …, a ( Η p ) ] , 其中 p 为干扰和噪声的总数;
[8] ABM ) 应用于 GSC 的设计中, 改进了基于 GSC
[ 4, 6 ]
B 的作用就是阻塞期望信号使之不进入辅助支路,
组成B 的列向量位于约束子空间 C 的正交补空间 中。 其中 R z 为 z 的协方差矩阵, P z 为互相关向量。 H ( 7) R z = B R xB
P z = B R x Ξq
第3 期
连小华, 等: 应用于微型飞行器阵列天线的自适应波束形成器
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ly con st ra ined m in i m um va riance ) 的一种等效结
Ξq = C (C HC ) - 1 f
B 为阻塞矩阵, 满足 B C= 0
H
构 。GSC 将自适应波束形成的优化问题转换为 无约束的优化问题, 分成自适应和非自适应两个支 路 ( 主支路和辅助支路) , 要求期望信号只能从非自 适应的主支路通过, 辅助支路只能含有干扰和噪声 分量。但是由于实际误差, GSC 的阻塞矩阵并不能 够很好地将期望信号阻塞, 造成了期望信号泄漏到 主支路中, 当超过一定门限, 会出现严重的信号相 消, 导致天线不能正常工作。 微型飞行器的阵列天线为自适应矩形阵列。 在 天线接收到的射频信号变频后进行A D 采样得到 数字信号, 最后由D SPF 2812 专用数字信号处理芯 片经过处理得到理想的数字波束[ 7 ]。 本文将一种频 域中的自适应阻塞矩阵 (A dap t ive b lock m a t rix,
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南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
第 38 卷
字信号处理芯片D SP 2812。 本文结合D SP 芯片的运 算特点, 基于 GSC 结构, 改进了波束形成算法。 首 先, 通过 FFT 将信号变换至频域, 再将B 矩阵改进 为具有自适应功能的阻塞结构ABM ( 图 2) , 通过选 取合适的权值, 使得阻塞结构具备更好的阻塞能 力。 最后, 通过逆变换进行时域中的后续处理。 本 方法避免了复杂的矩阵计算, 在频域中解决了投影 正交的问题。
( 4)
113 Hale Waihona Puke Baidu进的基于 GSC 结构的稳健的波束形成器
由于阻塞矩阵B 满足条件B HC = 0, 所以B 由C 的正交补空间的一个基构成。 以 C = a ( Η d ) 为例说 明, 当天线误差存在时, 实际的导向矢量为Ga ( Η d) , H 此时B Ga ( Η d ) ≠0, 于是B 矩阵不能很好地将期望 信号阻塞掉, 必须对B 矩阵加以改进[ 4 ]。 微型飞行 器阵列天线接收信号的实时处理单元采用专用数
Abstract: A dap t ive a rray an tenna (AAA ) is u sed on the m icro a ir veh icle (M AV ). T he am p litude and p ha se erro rs of the an tenna a rray on the M AV lead to the dep ression of the desired signa l in the linea rly con st ra ined m in i m um va riance (L CM V ) beam fo rm er. A rea l2t i m e and robu st beam fo rm er in the p res2 ence of a rray i m p erfect ion is p resen ted ba sed on the genera lized sidelobe canceller ( GSC ) st ructu re and is i m p roved by chang ing the b lock m a t rix in to an adap t ive one in the frequency dom a in. Si m u la t ion resu lt s show tha t the i m p roved a lgo rithm ha s bet ter p erfo rm ances in beam fo rm ing and reduces the com p u ta t ion load. A nd it can be u sed in it s tw o 2d i m en siona l AAA of the M AV. Key words: linea rly con st ra ined m in i m um va riance (L CM V ) ; genera lized sidelobe canceller ( GSC ) ; adap t ive beam fo rm er; m icro a ir veh io le