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微波戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)空域抗干擾方法綜述

2020-10-27 09:46:56楊林張宣和易濤邵啟紅
移動通信 2020年8期

楊林 張宣和 易濤 邵啟紅

【摘 ?要】

針對日益復(fù)雜惡劣的現(xiàn)代戰(zhàn)爭電磁環(huán)境,提出了基于相控天線的微波戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)干擾測向與抑制方法。分析了空域抗干擾應(yīng)用需求,提出了波束切換陣/模擬相控陣天線比幅測向法、窗函數(shù)加權(quán)及波束陷零干擾抑制方法。通過干擾測向原理闡述、窗函數(shù)性能定量分析、干擾陷零模擬仿真,證實了空域抗干擾的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng);相控天線;干擾測向;干擾抑制

[Abstract]

In view of the increasingly complex and harsh electromagnetic environment of modern warfare, this paper proposes a method of interference orientation and suppression based on the phased antenna array in microwave tactical communication systems. The application requirements of spatial anti-jamming are analyzed, and the beam switching array/analog phased array antenna ratio measurement method, window function weighting and beamforming null interference suppression are proposed. The feasibility and effectiveness of airspace anti-jamming are verified through the description of interference direction principle, quantitative analysis of window function performance and interference nulling simulation.

[Key words]tactical communication system; phased antenna array; interference orientation; interference suppression

0 ? 引言

戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)對大容量、低功耗、小體積的迫切需求致使其頻段逐漸向微波延伸,與此同時,大規(guī)模集成電路設(shè)計、低功耗基板材料、微組裝封裝工藝等支撐技術(shù)逐漸成熟,為大規(guī)模天線陣列的應(yīng)用提供了契機,使基于戰(zhàn)術(shù)通信的空域處理技術(shù)逐漸成為研究熱點。

文獻[1]認為“通得上”和“抗得住”是戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域的兩個永恒主題?!巴ǖ蒙稀本褪且獫M足戰(zhàn)場中用戶數(shù)量及信息容量需求,完成數(shù)據(jù)鏈、移動自組織網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù),“抗得住”就是能夠抵御各類電子戰(zhàn)的攻擊行為。具備靈活波束變換能力的戰(zhàn)術(shù)通信裝備在戰(zhàn)場上的作用包括:

(1)提供了空域多址和復(fù)用能力;

(2)提供了空域感知能力,能對信號或干擾的空域位置進行分辨;

(3)提供了基于定向傳輸?shù)碾[蔽通信能力;

(4)提供了空域應(yīng)用的靈活性,可根據(jù)需要進行寬波束和窄波束的切換,寬波束用于快速組網(wǎng),窄波束用于高增益?zhèn)鬏敗?/p>

基于相控天線的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)目前已用于衛(wèi)星通信[2-7]、衛(wèi)星地面節(jié)點[8-11]、箭載/彈載導(dǎo)引頭[6, 12, 13]、艦船通信[14, 15]、雷達與通信射頻孔徑一體化[16, 17]等方面。研究目標主要有:

(1)系統(tǒng)架構(gòu)與優(yōu)化。例如文獻[18]給出了一種稀布有源相控陣設(shè)計方法,采用密度加權(quán)與遺傳算法相結(jié)合的方法,減少有源通道的數(shù)量,可將通道數(shù)量縮減至50%左右。

(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與散熱設(shè)計。例如文獻[12]針對相控陣天線模塊體積小、熱流密度高、散熱難的問題,提出一種將液冷流道內(nèi)置于天線底板的結(jié)構(gòu)方案。

(3)信源目標(或干擾)的信號搜索、捕獲、跟蹤、角度測量。例如文獻[8]提出了一種基于子陣劃分的互相關(guān)角度測量方法,通過有效地提高輸出信號信噪比,較好地解決了衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)中角度測量的工程需求問題。

(4)資源分配與調(diào)度策略。例如文獻[19]設(shè)計和實現(xiàn)了波控軟件對天線進行3種模式的控制。

受限于常規(guī)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)著重鏈路距離,當前相控天線應(yīng)用常以高增益為主要設(shè)計目標,針對復(fù)雜電磁環(huán)境中的干擾測向和干擾抑制方面研究相對較少。實際上,相控陣天線的最大優(yōu)勢在于其靈活性,在日益復(fù)雜惡劣的現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中,提高系統(tǒng)靈活性、具備多種對抗手段,對于增強裝備環(huán)境適應(yīng)能力,提升裝備智能化水平,具有重要的作用。

1 ? 系統(tǒng)模型

現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中的干擾既有人為的故意干擾,也有自然界的無意干擾,同時還有來自己方的各種電子設(shè)備的干擾[1]。干擾與抗干擾始終是矛盾統(tǒng)一的,兩種技術(shù)此消彼長,在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,要保證信息傳輸?shù)恼_M行,單一的抗干擾技術(shù)往往難以勝任,有必要綜合使用各種抗干擾技術(shù)。

1.1 ?抗干擾技術(shù)分類

當前戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域主流抗干擾技術(shù)是頻域抗干擾和時域抗干擾,相控陣天線技術(shù)為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)進行空域抗干擾及聯(lián)合域抗干擾提供了基礎(chǔ)。表1為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)典型抗干擾技術(shù)在不同維度的分類及其主要技術(shù)特征:

戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)對干擾源的認知包括干擾信號識別、數(shù)量確認、帶寬分析、功率估計等過程,其中干擾源測向和干擾抑制主要在空域解決。

1.2 ?空域抗干擾

空域抗干擾技術(shù)需要系統(tǒng)具有空域多址能力,即能指向不同的方位。微波戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中具有空域多址能力的典型天線系統(tǒng)有:

(1)多板切換陣天線系統(tǒng),通過射頻開關(guān)(SPDT)完成波束切換。

(2)模擬相控陣天線,通過控制收發(fā)(TR)組件的幅度和相位完成波束切換,比多板切換陣具有更大的自由度。

(3)數(shù)字相控陣系統(tǒng),具有多TR組件多路數(shù)字基帶,具備數(shù)字域同時形成多個波束能力,具有最高的自由度。

為描述空域抗干擾能力與系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)系,下面以模擬相控陣進行示例。圖1為某一維模擬相控陣系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖,圖中采用了8個TR組件完成單個維度(如方位面)空間波束合成。每個TR組件通過功分網(wǎng)絡(luò)及固定射頻網(wǎng)絡(luò)形成第2維度(如俯仰面)的固定波束覆蓋。TR組件通過功分器/合路器進行功率分配或者功率合成,然后接入中頻和基帶。該系統(tǒng)由專用的波束控制器對TR組件的權(quán)值進行控制,完成需要的波束資源調(diào)度。

相對于模擬相控陣的多個波束分時隙切換,數(shù)字相控陣干擾測向只需1個時隙(或快拍),對采樣數(shù)據(jù)進行到達角估計(DOA)運算即可完成測向,典型DOA方法有常規(guī)波束形成掃描、和差波束、超分辨算法等。數(shù)字相控陣除了時間短之外,對干擾信號的平穩(wěn)性要求不高。在干擾測向的精度方面,三者都與掃描波束寬度有關(guān)。

在干擾抑制方面,能量較小的干擾三種天線都可以進行抑制,能量較大的強干擾(即可通過旁瓣或后瓣進入接受系統(tǒng)),需要對其進行陷零。在干擾陷零方面,模擬相控陣需要精確知道干擾源的方位,數(shù)字相控陣需要采用相應(yīng)的自適應(yīng)抗干擾算法。表2是三種天線系統(tǒng)干擾測向及干擾抑制方法典型方法:

空域抗干擾波束權(quán)值的獲取方式可分為數(shù)據(jù)獨立波束賦形和統(tǒng)計波束賦形。數(shù)據(jù)獨立波束賦形不需要實際接收數(shù)據(jù),通過預(yù)存多組權(quán)值根據(jù)需要進行調(diào)用,預(yù)存權(quán)值數(shù)據(jù)的獲取方式是基于一定的需求(如某個期望的理想方向圖)以一定的準則(如最大信噪比準則)經(jīng)過計算得到。統(tǒng)計最優(yōu)波束賦形是根據(jù)實際采樣得到的多通道數(shù)據(jù)樣本進行分析(典型的分析方法有協(xié)方差矩陣分析及特征值分析),依據(jù)一定的準則(如無失真準則、最小總功率準則等)進行實時計算得到權(quán)值的一種自適應(yīng)處理方法。兩種方法的明顯差別是:前者速度快、結(jié)構(gòu)簡單、無自適應(yīng)性;后者自適應(yīng)性好,但計算量大,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

實際工程中難免存在各種誤差,典型的誤差有天線方向圖與期望形狀不一致、射頻通道的不一致性及通道間耦合、天線單元之間及天線與近場環(huán)境的互耦等。提升陣列的穩(wěn)定性和可靠性是空域處理技術(shù)中的重要課題,大量理論研究表明:眾多優(yōu)化算法(如高分辨到達角估計MUSIC算法、對角加載波束形成)其高性能預(yù)期效果與陣列誤差容忍度之間是互相矛盾的。

1.3 ?聯(lián)合域抗干擾

時頻信號處理(Time-Frequency Signal Process, TFSP)是在離散時間序列信號處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代信號處理理論,其典型應(yīng)用場景是非平穩(wěn)信號分析。非平穩(wěn)信號是指信號的各階矩估計值(一階矩為均值,二階矩為方差)是時間的函數(shù),即統(tǒng)計量隨時間的變化而變化。常規(guī)抗干擾算法(如射頻干擾抑制的LS算法、無線信道均衡的RLS算法)等抗干擾方法都具有預(yù)判干擾然后對消的機制,其期望處理效果一般是建立在假定信號平穩(wěn)的基礎(chǔ)上。對非平穩(wěn)信號而言,傅里葉變換不再是有效的分析工具,因為它是信號的全局變換,而信號局部性能的分析必須依靠信號的局部變換。此外,傅里葉變換之后的信號頻率描述仍屬一維描述,從時域和頻域的二個維度對信號進行描述有利于使信號的特征更加明確。時頻處理的典型應(yīng)用包括短時傅里葉變換(STFT)、Wigner-Ville分析、小波變換、Gabor變化等,時頻信號處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)分離干擾、提取干擾特征的有益參考、是可供借鑒的重要手段。

空時自適應(yīng)信號處理(Space-Time Adaptive Process, STAP)是隨著相控陣的應(yīng)用逐漸流行起來的聯(lián)合域處理方法,當前主要用于機載動目標檢測雷達。對于運動戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)來說,收發(fā)承載平臺的運動也會導(dǎo)致信號在空間-時間出現(xiàn)擴展,因此STAP理論在干擾識別、干擾建模、干擾抑制等方面建立的諸多模型、場景、處理方法對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)具有重要借鑒意義。類似雷達檢測目標用的距離-多普勒譜圖,STAP的典型譜圖是角度-多普勒譜,如果戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中的干擾和期望信號能通過某種變換在該圖譜上分離,那就意味著該變換對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)抗干擾是可用的。

2 ? 干擾測向

2.1 ?波束切換干擾測向

微波戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)采用多板波束切換陣天線是一種能兼顧覆蓋性和空域增益的有效方案,它用多個子陣板規(guī)則排布實現(xiàn)預(yù)期覆蓋(如環(huán)形實現(xiàn)方位全覆蓋),每個子陣基于合成原理(如透鏡原理)形成滿足需求的獨立子波束,子陣之間通過數(shù)控開關(guān)進行波束切換完成通信功能。傳統(tǒng)測向方法通過依次波束切換,然后進行能量比較,可確定信號(或干擾)的方向在寬度為360/N的范圍內(nèi),N為可切換的波束數(shù)量和,圖2為多板波束切換陣天線示意圖,(a)圖為多板切換天線陣及單板接收示意圖,(b)圖為多個等扇區(qū)波束實現(xiàn)方位全覆蓋示意圖。

波束切換陣測向宜采用等信號測角法,圖3為波束切換進行DOA估計原理示意圖。干擾信號被波束1和波束2接收,功率分別為P和Q。如果干擾處于兩波束的主軸中間位置(等信號軸),則由兩波束收的強度相等,否則,一個高于另外一個,通過比較兩個波束收到信號的能量強弱可判斷目標偏移等信號軸的角度,采用查表的方法可估計出偏離等信號軸的大小。

根據(jù)該比值對比存表數(shù)據(jù)可得的數(shù)值。圖4為與圖3對應(yīng)的基于波束切換的干擾測向仿真示例,其中,(a)為波束集接收來自各方位信號的功率圖,每個橫剖面包含18個數(shù)據(jù),表示18個波束接收到的功率;(b)中18條線表示不同波束在20°扇區(qū)范圍接收功率圖,P和Q分別表示波束1和波束2接收功率,示例中可見其他波束接收功率均小于3 dB,P和Q功率差最大約7 dB,當信號方位在10°附近時,P與Q的比值接近1,分辨能力變差,當信號偏離10°較遠時時,P和Q功率差變大,分辨能力變強;(c)為考慮到實際中存在各種無法避免的誤差時的接收信號功率仿真;(d)為假設(shè)信號方位為5°時,18個波束(扇區(qū))理想情況下接收到的功率。

提高波束切換陣測向精度的方法有:(1)通過多次比較降低誤差影響,提高方位估計精度;(2)通過降低波束寬度提高空間分辨力,即通過擴大陣列孔徑或者優(yōu)化加權(quán)的辦法進行窄波束成形。

2.2 ?擴大孔徑提高分辨率

多板波束切換陣天線存在的主要不足是天線孔徑利用率不高,工作時波束寬度受到單板面積限制,在疊層排布情況下可能會出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象。采用模擬相控陣方案能更大程度利用天線孔徑增強波束空間分辨率及應(yīng)用方式的靈活性。

模擬相控陣方案與多板波束切換陣的區(qū)別是:

(1)前者用多路小功放進行空間合成獲取更大功率,后者用單路功放通過切換饋到不同天線單板。

(2)前者通過收發(fā)組件(TR)中的衰減器/移相器調(diào)整進行波束控制,后者通過SPDT完成既定波束切換。

(3)前者波束特性具有較高的自由度,后者子波束特性因硬件固化具有高穩(wěn)定性。

下面考慮通過擴展天線孔徑以提高波束分辨率。微波天線系統(tǒng)進行無線傳輸時,天線在其孔徑范圍內(nèi)對信號進行空間采樣,天線孔徑與天線的波束寬度具有反比關(guān)系。例如線性均勻采樣的波束方向圖表示如下:

不難發(fā)現(xiàn),增大天線孔徑以提高波束空間分辨率需要對天線架構(gòu)進行改造。圖5為圓形天線孔徑擴展示意圖,其中,(a)圖為天線單板示意,由規(guī)則排布單元構(gòu)成;(b)圖為單板切換工作孔徑示意;(c)圖為聯(lián)合多單板所用孔徑示意;(d)圖為模擬相控工作孔徑示意。

2.3 ?數(shù)字陣列干擾測向

當戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)采用數(shù)字相控陣列時,系統(tǒng)架構(gòu)變得與雷達相似,干擾測向方法可借用雷達領(lǐng)域中的信號源DOA估計理論。雷達目標DOA估計方法可分為常規(guī)波束掃描DOA估計和超分辨DOA估計兩大類?;诔R?guī)波束形成掃描的DOA估計方法具有很好的穩(wěn)健性(即對陣列誤差影響敏感度較低),但受到“瑞利準則”的限制,無法分辨兩個在方位上靠得比較近的信號源。典型的超分辨算法,如多重信號分類(MUSIC)算法能突破“瑞利準則”限制,但穩(wěn)健性差,方位分辨信噪比門限高。當前諸多系統(tǒng)逐漸嘗試采用常規(guī)波束形成器作為預(yù)處理器,在初步估計的方位域上再用超分辨算法改善性能,充分利用二者的優(yōu)點優(yōu)化方位估計性能。

3 ? 干擾抑制

空域干擾抑制的方法主要分為低旁瓣抑制、干擾陷零兩類,前者適用于弱干擾,后者適用于強干擾?;诓ㄊ袚Q陣的抗干擾方式主要有:(1)低旁瓣加權(quán)抗干擾;(2)干擾陷零抗干擾。

3.1 ?低旁瓣干擾抑制

低旁瓣抑制的主要實現(xiàn)手段是對每個通道進行加權(quán)處理。由于空域和時域之間存在一定的對偶關(guān)系,即頻域波束響應(yīng)是權(quán)值的傅里葉變換,故可以用現(xiàn)有的窗函數(shù)理論輔助設(shè)計。

文獻[20]指出,對于半波長ULA,Dolph-Chebyshev加權(quán)在給定主瓣寬度時能獲得最低的均勻旁瓣,或者在給定旁瓣等級時能獲得最窄的波束主瓣寬度;對于非半波長間距,最優(yōu)權(quán)值可以基于二階錐規(guī)劃理論計算得到。

其他常見窗函數(shù)有升余弦權(quán)、升余弦平方加權(quán)、泰勒(Taylor)權(quán)、布萊克明(Blackman)權(quán)、凱撒(Kaiser)權(quán)、離散長球序列(DPSS)權(quán)、海明權(quán)(Hamm)等,可按需選取。表3列舉了半波長ULA常見加權(quán)形成方向圖與抗干擾相關(guān)的參數(shù),即HPBW(半功率波束寬度)、SSL(旁瓣干擾抑制電平)及歸一化方向系數(shù)D(表征波束增益)。不難發(fā)現(xiàn):

(1)矩形窗(常規(guī)波束形成)具有最大的方向性系數(shù);

(2)實現(xiàn)低旁瓣(降低SSL參數(shù))的代價是波束展寬(參數(shù)HPBW的值變大)。

圖6為4種不同窗函數(shù)的加權(quán)幅度值,其中:(a)為矩形窗,即均勻加權(quán)幅度值;(b)為漢寧窗加權(quán)幅度值;(c)為海明窗加權(quán)幅度值;(d)為切比雪夫窗加權(quán)幅度值。加權(quán)向量的長度為10,權(quán)值采用最大值歸一化。不難發(fā)現(xiàn),除了矩形加權(quán),其他加權(quán)方式都降低了通道的信號幅度,通過犧牲信號總合成功率以達到控制波束形狀的目的,同時由于部分權(quán)值比較小,與均勻加權(quán)相比穩(wěn)健性也會有所下降。

圖7為圖6對應(yīng)權(quán)值得到的歸一化波束方向圖,其中:(a)為矩形窗加權(quán)后的方向圖;(b)為漢寧窗加權(quán)后的方向圖,具有角度越大干擾抑制幅度越大的特點,該近似線性關(guān)于可用于干擾能量和方位的協(xié)同估計,即得出某強干擾要么離主瓣比較近要么是能量特別大的結(jié)論;(c)為海明窗加權(quán)后的方向圖,零點數(shù)量較少,但是零點波束寬度大(圖中為180°);(d)為切比雪夫窗加權(quán)后的方向圖,該方向圖零點數(shù)量沒有減少,主瓣適當展寬,4個旁瓣具有等功率特性(圖中設(shè)定為20 dB)。

3.2 ?干擾方位波束陷零

圖8為基于LCMV波束形成器的抗干擾示例。陣元數(shù)量為12,陣列結(jié)構(gòu)為半波長ULA,期望信號方向為5°,干擾方向為30°,干擾信號強度相對于信號為-20 dB,采用約束方法是對5°無失真接收(約束值為1),30°陷零(約束值為0),加載因子采用10-2,得到如圖結(jié)果。其中期望信號和干擾的空間譜,描述了兩種信號的功率及對應(yīng)的角度,與之對應(yīng)的是基于LCMV波束形成器得到的陣列響應(yīng),示例中陷零深度大于80 dB。

圖9為干擾陷零前后波形對比示例,(a)圖為對期望信號和干擾信號進行無差別接收(等效全向天線)的時域波形,(b)圖為進行空域干擾抑制(陷零)后的多通道合成效果,可見干擾抑制明顯效果。示例中為了直觀說明效果,期望信號采用單頻信號,干擾采用人工噪聲,證實了該方法的有效性。

基于LCMV波束形成器的干擾陷零需要精確知道信號和干擾的方位,實際中必然存在誤差,此時需要對陷零區(qū)域進行展寬??刹捎玫南萘阏箤挼霓k法有:(1)增加陷零區(qū)域,對陷零角度兩邊對稱增加陷零約束條件;(2)增加導(dǎo)數(shù)約束條件,對陷零方位導(dǎo)向向量的導(dǎo)數(shù)進行約束。

4 ? 結(jié)束語

干擾源的空間方位與波形無關(guān)(即幾乎不可能通過改變波形偽裝或者虛構(gòu)其空間位置)是空域抗干擾方法有效性的保證,也是空域方法與時域、頻域抗干擾方法的本質(zhì)區(qū)別。在日益復(fù)雜惡劣的現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中,綜合應(yīng)用多種抗干擾手段,對增強裝備適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力,提升裝備智能化水平,具有日益重要的作用。

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