一种用于抑制不同形式干扰的闭环调零天线的调零方法

摘要

一种用于抑制不同形式干扰的闭环调零天线的调零方法，采用功率检测闭环调零方案，提出对干扰信号多次采集及加权平均的处理的方式获得稳定的干扰检测功率，实现了系统对干扰源形式不敏感特性。同时，在调零过程中提出粗、精步长相结合及步长自适应迭代的LMS调零算法和自适应排查调零算法分集来实现对单载波干扰、扫频干扰、闪烁干扰、跳变干扰等不同形式干扰源的有效抑制，具有广泛的适用性和推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种智能天线的控制方法。

背景技术

调零天线是一种用于抑制干扰的智能天线，其通过调零算法获得每个辐射单元激励的幅度和相位，并在此基础上实现天线方向图的重构，使得重构后的天线方向图在干扰源处产生零点，进而达到抑制干扰的目的。

一般而言，调零天线有开环、闭环两种调零方式。其中：

开环方式：首先要对干扰源位置进行干扰测向，然后根据测向结果通过调零算法得到调零权值，并将调零权值注入到调零通道的移相器和衰减器来实现天线方向图的重构，形成调零波束。开环方式一般对调零通道幅度、相位一致性要求较高，通常需要相应的辅助校准天线来保持调零通道的幅、相一致性，系统组成较复杂。

闭环方式：不需要知道干扰来波方向，通过反馈回路控制权值迭代的方式对干扰源进行调零，直到来波的强度降到系统能够忍受的水平。闭环方式对通道幅、相一致性要求不高，但是闭环方式需要对干扰信号进行实时检测来判断干扰是否被抑制，当干扰信号随频率、时间或空间快速变化(例如扫频干扰、闪烁干扰、跳变干扰)时，就会存在干扰信号无法捕获或捕获不稳定的情况，进而导致调零失败，因此获取稳定的干扰信号检测能力是闭环方式的关键。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对闭环调零天线提供了一种可用于抑制不同形式干扰的调零方法，通过对干扰信号多次采集、加权、平均处理的方式实现对干扰源形式的不敏感特性，采用粗、精步长相结合及步长自适应迭代的LMS调零算法和自适应排查调零算法的分集技术实现对单载波干扰、扫频干扰、闪烁干扰、跳变干扰等不同形式干扰源的有效抑制。

本发明的技术解决方案是：一种用于抑制不同形式干扰的闭环调零天线的调零方法，包括如下步骤：

(1)设置调零参数，包括合成波束调零开始门限电平Ps，合成波束调零结束门限电平Pe，子波束干扰检测门限电平Pz，粗步长调零幅度值Am1和相位值Ph1，精步长调零幅度值Am2和相位值Ph2，Am2<Am1，Ph2<Ph1，粗步长调零迭代次数Ns，总迭代次数Nmax，步长加倍次数Nt，收敛精度△P；

(2)判定调零天线的合成波束功率检测电平值是否超过Ps，如果超过则转入调零模式，进入步骤(3)；如果没有超过则保持监测调零天线的合成波束功率检测电平值与Ps的关系；

(3)选择调零方式，若为LMS调零，则对子波束干扰进行检测，选择超过Pz的所有子波束进行调零，进入步骤(4)；若为排查调零，则选择子波束干扰检测电平最大的子波束进行调零，进入步骤(5)；

(4)依次对所有参与LMS调零的子波束通道的衰减器进行减幅度Am、移相器进行减相位Ph或者加相位Ph的权值变化，其中移相器相位前后两次变化需相反，存储每次幅度及相位变化后的合波束功率检测电平并计算本次迭代最小合波束功率检测电平Pmin，同时存储Pmin对应的权值；

然后将Pmin与当前最小合波束功率检测电平Pmin0及收敛精度△P比较：

当Pmin0-Pmin>△P时，更新Pmin0＝Pmin，并将Pmin对应的权值传给相应的可控移相衰减器，进行下一次迭代；

当0<Pmin0-Pmin≤△P时，对调零幅度值和调零相位值同时进行加倍，并判断步长加倍次数是否大于Nt，若不大于Nt，则采用加倍后的调零幅度值和调零相位值重新进行迭代，若大于Nt，则更新Pmin0＝Pmin，并将Pmin对应的权值传给相应的可控移相衰减器，进行下一次迭代；

当Pmin0-Pmin≤0时，屏蔽获得Pmin时对应的子波束，选择本次迭代第二小的功率电平对应的权值赋给可控移相衰减器，并判断受屏蔽的子波束数目是否大于参与调零的子波束数目，若超出则关闭受屏蔽的子波束所在的通道，利用剩余通道重新进行调零，若没有超出，则进入下一次迭代；

单次迭代完成后，对当前最小合波束功率检测电平Pmin0与Pe进行比较，当Pmin0≥Pe时，迭代次数增加一次，进入下一次迭代，当Pmin0<Pe时，调零结束，保持当前状态；

每次进入迭代之前，首先判断当前迭代次数Nu以及Nmax、Ns的大小关系，当Nu≤Ns时，采用粗步长调零幅度值Am1和相位值Ph1进行迭代，当Ns<Nu≤Nmax时，采用精步长调零幅度值Am2和相位值Ph2进行迭代，当Nu>Nmax时，调零结束；

(5)将调零天线覆盖区离散成不同的干扰位置点，并将事先优化好的每个干扰位置点对应的最佳权值按照子波束分布情况分组存储，然后在受干扰最大的子波束内对各干扰位置逐个进行干扰排查，通过将该子波束内对应干扰位置的权值逐一置给调零通道对应的可控移相衰减器，存储每次合成波束功率检测电平，记录合成波束最小功率检测电平Pmin0及此时对应的权值，之后对Pmin0和Pe进行比较，当Pmin0<Pe时，调零结束，进入保持模式；当Pmin0≥Pe时，关闭参与调零的子波束通道，选择剩余通道重新进行调零。

所述的合成波束功率检测电平为通过Nc次采集并加权平均后的有效功率电平P_a，其中Nc次采集的干扰信号为P₁…P_Nc，P_i为第i次干扰信号检测值。

所述步骤(5)中的分组存储方法如下：计算考虑波束指向误差δ°后的子波束的交叠电平，并计算此交叠电平对应的子波束的波束宽度w，将子波束宽度w覆盖区内的所有干扰点位置的权值分配到该子波束内。

所述的Am2＝1dB，Am1＝0.5dB，Ph2＝25°，Ph1＝5°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法针对不同形式的干扰源情况，提出对干扰信号多次采集(采集次数可人为设置)及加权平均处理的方法获得稳定的检波性能，实现了系统对干扰源形式的不敏感特性；

(2)本发明提出的粗、精步长相结合及步长自适应迭代的LMS调零算法与排查调零算法分集方法，提升了系统的功能和灵活性，其中LMS调零中的粗、精步长相结合及步长自适应迭代权值迭代方式，可以在保证调零性能的基础上提高算法的收敛速度，缩短了调零时间。而排查调零方法无需对权值进行实时的优化迭代，零深性能不依赖于干信比，针对单个干扰源时，采用排查调零方法，可以获得更好的零深性能和波束保形特性。

附图说明

图1为调零天线的组成原理框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

一、调零天线组成

如图1所示，调零天线包括：N个辐射单元1、N个输入预选器2、N个低噪声移相衰减组件3、波束合成网络4、合成波束耦合器5、1×N微波开关矩阵6、子波束干扰识别接收机7、合波束干扰识别接收机8、调零控制器9，其中低噪声移相衰减组件3又包含低噪声放大器10、子波束耦合器11、可控衰减器12、可控移相器13，其中N为正整数。

二、调零天线工作原理及工作模式

调零天线工作原理：信号经过N个辐射单元1接收和N个输入预选器2滤波后进入低噪声放大器10进行放大，之后信号被分成两路，其中：

一路经过子波束耦合器11的直通端口及可控衰减器12和可控移相器13进入波束合成网络4进行合成，合成后的信号再经过合成波束耦合器5耦合端口进入合波束干扰识别接收机8进行检波，该路信号称为合路信号，用来反映合波束检波信息，判断合波束是否受到干扰，以及干扰是否被抑制，当合波束检波电平大于设置的合波束调零开始门限电平时，认为受到干扰，反之认为没有受到干扰或干扰已被抑制。

另一路经过子波束耦合器11的耦合端口进入1×N微波开关矩阵6，之后进入子波束干扰识别接收机7进行检波，该路信号称为子波束信号，用来反映子波束检波信息，判断受到干扰的子波束以及干扰是否消失。当子波束检波电平大于设置的统一的子路干扰门限电平(N个都一样)时，认为该路子波束受到干扰，反之认为该路子波束没有受到干扰或该路子波束内的干扰消失。

调零天线的工作模式包括初始模式、调零模式、保持模式和人工模式。

初始模式：可控衰减器12的衰减量和可控移相器13的移相量为初始状态，天线合波束方向图为调零前静态方向图，调零控制器9不断对来自合波束干扰识别接收机8的检波信号进行采集处理和干扰识别，若检测存在干扰，工作模式进入调零模式，反之工作模式仍为初始模式。

调零模式：进入调零模式后调零控制器9首先控制1×N微波开关矩阵进行切换，完成对来自子波束干扰识别接收机7的子波束检波信号的干扰识别，判断受到干扰的子波束，之后调零控制器9启动调零算法并选择受到干扰的子波束参与调零。调零控制器9通过调零算法迭代优化受到干扰的子波束对应通道的可控衰减器12的衰减量和可控移相器13的移相量，以实时对合波束方向图进行重构，使得方向图在干扰位置形成零点来抑制干扰，当合波束检波信号电平小于合波束调零结束门限电平时，认为干扰被抑制，进入保持模式，反之认为干扰未被抑制，进行人工模式。

保持模式：进入保持模式后可控衰减器12的衰减量和可控移相器13的移相量停止变化，保持为迭代优化后的状态，此时调零控制器9仍实时对合波束检波信号进行干扰识别，若检测到新的干扰，则再次进入调零模式，若没有检测到干扰，则仍在保持模式。保持模式下调零控制器9定时控制1×N微波开关矩阵6切换对子波束检波信号进行干扰识别，若子波束仍能检测到干扰，认为干扰没有消失，工作模式仍为保持模式(当合波束检测到干扰时才进入调零模式，而进入保持模式后是要保持当前通道权值，形成具有零点的方向图来对干扰进行抑制，注意，此时干扰被抑制而没有消失，而干扰消失是通过子波束干扰检测来进行判断的，若子波束仍能检测到干扰，说明干扰没有消失，需要保持当前的权值对干扰进行抑制，若子波束检测不到干扰时，说明干扰消失，则通道权值恢复到调零前初始状态)。若子波束检测不到干扰，则认为干扰消失，工作模式进行初始模式。

人工模式：调零系统参数的重置，干扰检测次数的重置均在人工模式下通过指令注入方式实现，人工模式具有最高优先级，其它模式下不能进行指令注入修改调零参数。

三、调零算法

自适应LMS调零算法以可控衰减器12的衰减量和可控移相器13的移相量为优化变量，通过反馈支路控制权值的调整，逐步获得最佳权值，以最小化接收信号功率中由于干扰信号存在而增加的那一部分功率为优化目标，同时尽可能小地影响有用信号的功率。其权值迭代公式如下：

$W^{(k+1)}=W^{\left(k\right)}+{\mathrm{\Delta W}}_n(▿P(W^{\left(k\right)}\left)\right)$

式中表示由于某一权值(衰减量或相移量)的变化而引起接收功率的最大降低：

$▿P\left(W^{\left(k\right)}\right)=Max[\frac{\partial P\left(W^{\left(k\right)}\right)}{\partial W_1},\frac{\partial P\left(W^{\left(k\right)}\right)}{\partial W_2},...,\frac{\partial P\left(W^{\left(k\right)}\right)}{\partial W_N}]$

式中ΔW_n表示对应的权值变化步长，LMS调零算法权值迭代过程中采用粗、精步长相结合和步长自适应调整的步长迭代方式来提高算法收敛速度，缩短调零时间，LMS调零算法流程如下：

(1)依次对所有参与LMS调零的子波束通道的衰减器进行减幅度Am、移相器进行减相位Ph或者加相位Ph的权值变化(首次可加可减，后续操作时必须与前一次相反)，并存储每次幅度及相位变化后的合波束功率检测电平并计算本次迭代最小合波束功率检测电平Pmin，存储Pmin对应的权值；

(2)本次迭代最小合波束功率检测电平Pmin与当前最小合波束功率检测电平Pmin0(初始值即为进入调零模式后的检测电平值)及收敛精度△P比较；

当Pmin0-Pmin>△P时，认为本次迭代收敛，更新当前最小合波束功率检测电平Pmin0＝Pmin，并将Pmin对应的权值传给可控衰减器12、可控移相器13，进行下一次迭代；

当0<Pmin0-Pmin≤△P时，认为本次迭代收敛速度较慢，步长(幅度和相位同时)进行加倍，并判断步长加倍次数是否超出设定值Nt，若没有超出Nt，则返回步骤(1)，采用加倍后的步长重新进行迭代，若超出Nt，则更新当前最小合波束功率检测电平Pmin0＝Pmin，并将Pmin对应的权值传给可控衰减器12、可控移相器13，进入下一次迭代；

当Pmin0-Pmin≤0时，本次迭代发散，屏蔽获得Pmin时对应的子波束，选择本次迭代次最小功率电平对应的权值赋给可控衰减器12、可控移相器13，并判断受屏蔽的子波束数目是否超出(大于)参与调零的子波束数目，若超出，则判定调零没有收敛，退出调零模式进行人工模式(关闭受屏蔽的子波束所在的通道，利用剩余通道重新进入步骤(1))，若没有超出，则进入下一次迭代；

(3)本次迭代完成后，对当前最小合波束功率检测电平Pmin0与调零结束门限Pe进行比较，当Pmin0≥Pe时，迭代次数增加一次，进入下一次迭代，当Pmin0<Pe时，调零结束，进入保持模式，保持当前状态；

(4)进入下一次迭代之前，首先判断当前迭代次数Nu、总迭代次数Nmax(预先设定)、以及大步长迭代次数Ns(预先设定，满足Ns<Nmax)的大小关系。当Nu≤Ns时，步长采用粗步长(Am1,Ph1)进行迭代，当Ns<Nu≤Nmax时，步长采用精步长(Am2,Ph2)进行迭代，当Nu>Nmax时，调零退出。

这里要求满足Am2<Am1，Ph2<Ph1。通常，四个数选取Am2＝1dB，Am1＝0.5dB，Ph2＝25°，Ph1＝5°就可以满足日常的工作要求。

自适应排查调零算法是将覆盖区离散成若干个可能的干扰位置点，并将事先优化好的每个可能干扰位置点对应的最佳权值(考虑通道幅相实测误差后)按照子波束分布情况分组存储于调零控制器9中，通过对可能干扰位置点分组排查的方式获得最佳权值，具体过程如下：

当合波束干扰识别接收机8检测发现干扰后，首先通过比较子波束干扰识别接收机7接受到的各个子波束功率电平的大小来确定受干扰最大的子波束，然后在该子波束内对干扰位置逐个进行干扰排查，通过调零控制器9将该子波束内对应的干扰位置的权值逐一置给该子波束所在通道对应的可控衰减器12和可控移相器13，并存储每次权值变化后合波束功率检测电平，记录合波束最小功率检测电平Pmin0及此时对应的权值，之后对当前最小合波束功率检测电平Pmin0和调零结束门限Pe进行比较，当Pmin0<Pe时，调零结束，进入保持模式，保持当前状态，当Pmin0≥Pe时，调零退出，进入人工模式，关闭参与调零的子波束通道，选择剩余通道重新进行调零。

为了避免覆盖区边沿位置或子波束交叠区域位置处干扰点出现漏排查的情况，在离散化时将每个子波束覆盖区域进行了适当扩展，之后根据扩展后的子波束对所有可能干扰位置点进行分组，方法如下：

计算考虑波束指向误差δ°后的子波束的交叠电平，并计算此交叠电平对应的子波束的波束宽度w，将子波束宽度w覆盖区内的所有干扰点位置的权值分配到该子波束内。

LMS调试时权值通过粗、精步长相结合及步长自适应迭代方式获取，排查调零时，权值为事先存储好的权值，通过在受干扰最大的子波束内排查获取。

另外，稳定的干扰检测信号是通过增加干扰信号采集次数，并对其进行加权、平均的处理方法来获的，该方式实现系统对干扰源形式的不敏感特性。

其中干扰信号采集次数Nc可人为设置，Nc次采集的干扰信号为P₁…P_Nc，则有效干扰功率电平P_a通过计算Nc采集的电平的RMS值获得，即其中P_i为第i次干扰信号检测值，该有效功率电平在整个调零过程中合波束干扰功率检测时均使用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。