Формирование лучей по пилот-сигналу

Из предыдущего материала следует, что адаптивное устройство подавления помех формирует провалы в ДН. Еще один вид адаптивного формирователя лучей, разработанный в [1], основан на алгоритме с пилот-сигналом. В отличие от формирователя лучей Хауэллза — Аппельбаума, который сначала имеет ненаправленную диаграмму, а в результате адаптивного процесса уменьшает чувствительность в направлении мощных сигналов (которые считаются помехами), адаптивный формирователь лучей с пилот-сигналом формирует луч в заданном направлении приема и использует адаптивный процесс для поддержания этого луча при одновременном формировании направлений режекции для подавления помех, приходящих не по направлению приема. Этот процесс подавления определяется направлением прихода и уровнем мощности помех.

В процессе адаптации системы введенный пилот-сигнал моделирует принятый по направлению приема (выбранного оператором) сигнал. Этот же пилот-сигнал используют в качестве полезного отклика адаптивного устройства обработки, подключенного к элементам антенной решетки. По пилот-сигналу осуществляется обучение адаптивного формирователя лучей так, что его ДН имеет основной лепесток в заданном направлении приема, а также провалы, соответствующие направлениям прихода помех, отличным от направления приема. Таким образом, адаптация решетки проводится без формирования основного лепестка в направлении и с шириной полосы пропускания, определяемыми пилот-сигналом. В то же время в решетке режектируются не коррелированные с пилот-сигналом помехи и шум, приходящие по направлениям вне основного лепестка.

Все эти свойства достигаются в наилучшем с точки зрения минимума СКО смысле.

Гриффитс [28] и Фрост [29] предложили алгоритмы работы адаптивных антенн по результатам, аналогичные алгоритму с пилот-сигналом, но более простые в практической реализации и в некоторых случаях обладающие лучшими характеристиками. Во многих приложениях алгоритм с пилот-сигналом заменяется на алгоритм Гриффитса и Фроста, но для разработки других алгоритмов основой явился алгоритм с пилот-сигналом. В [30] найдены частные применения этого алгоритма, а здесь рассматриваются дополнительные его приложения для случаев, когда нельзя использовать другие алгоритмы.

Многие решетки датчиков являются линейными в том смысле, что (ненаправленные) элементы антенны размещаются вдоль одной линии, или плоскими с размещением элементов в одной плоскости. Часто по такой схеме строятся антенные решетки. На рис. 13.11 приведен пример обычной приемной линейной антенной решетки. Антенна на рис. 13.11, а состоит из семи изотропных элементов, разнесенных друг от друга вдоль одной линии на расстояние , где — длина волны центральной частоты решетки Принятые сигналы суммируются и образуют выходной сигнал решетки. Диаграмма направленности, т. е. относительная чувствительность отклика на сигналы разных направлений, построена на рис. 13.11, а для углов и частоты Эта диаграмма является симметричной относительно направлений с 90°, а основной лепесток расположен в центре при . Наибольший по амплитуде боковой лепесток с 24° имеет максимальную чувствительность на 12,5 дБ ниже максимальной чувствительности главного лепестка. Диаграмма направленности, построенная для отличных от частот, имеет другой вид.

На рис. 13.11, б приведена схема той же решетки, однако в этом случае перед суммированием выходной сигнал каждого элемента задерживается. Результирующая ДН имеет теперь главный лепесток в направлении под углом радиан, который аналогично (13.2) имеет вид

(13.40)

где — нормированная частота принятого сигнала; — длина волны на частоте разность задержек выходных сигналов соседних элементов, число отсчетов; d — расстояние между элементами антенны, м; с — скорость распространения сигнала, равная ; Т — временной шаг, с. Чувствительность максимальна для угла , поскольку сигналы, принятые от источника плоской волны, приходят под таким углом и вследствие задержек (рис. 13.11, б) находятся в фазе друг с другом, что приводит к максимальному выходному сигналу. В рассматриваемом примере и, следовательно, 15°. Построение этих кривых рассматривается в упражнениях 13—16.

(см. скан)

Рис. 13.11. Диаграмма направленности линейной решетки: а — простая решетка; б — решетка с задержками

Существует много возможных схем фазированных решеток. На рис. 13.12, а показана одна такая схема, в которой каждый из выходных сигналов элементов антенны и задержанный на четверть периода частоты (т. е. на 90° или ) параллельно умножаются на два весовых коэффициента. Выходной сигнал является их суммой, но поскольку значения всех весовых коэффициентов равны единице, ДН на частоте такая же по симметрии, что и на рис. 13.11, а.

(см. скан)

Рис. 13.12. Диаграмма направленности линейной решетки: а — схема с равномерным взвешиванием; б — схема с взвешиванием для подавления шума

Для иллюстрации на рис. 13.12, а штриховой линией показано направление прихода синусоидального сигнала помехи с частотой Направление прихода этой помехи (45°) таково, что она принимается по одному из боковых лепестков ДН с чувствительностью, только на 17 дБ меньшей чувствительности в направлении главного лепестка при .

При других значениях весовых коэффициентов ДН на частоте становится такой, какая показана на рис. 13.12, б. В этом случае главный лепесток остается почти неизменным и таким же, как на рис. 13.11, а и 13.12, а, в то время как боковой лепесток, по которому приходила синусоидальная помеха в схеме на рис. 13.12, а, смещен таким образом, что в направлении помехи образовался провал. При этом чувствительность в направлении помехи на 77 дБ ниже чувствительности в направлении главного лепестка, что соответствует увеличению режекции помехи на 60 дБ.

Теперь чтобы показать, что существует (и его можно вычислить) множество весовых коэффициентов, при которых сигнал поступающий по заданному направлению, принимается, а помеха, приходящая по другим направлениям, режектируется, рассмотрим простой пример, приведенный на рис. 13.13. Сигнал, приходящий по заданному направлению с назовем пилот-сигналом . Пусть — помеха, принимаемая решеткой под углом . В данном примере полагаем, что сигнал и помеха точно имеют одну и ту же частоту и находятся в фазе в точке, расположенной посередине между элементами антенной решетки. Два одинаковых ненаправленных элемента разнесены на расстояние Сигналы, принимаемые каждым элементом, разбиваются на прямую и задержанную на с составляющие, каждая из которых умножается на переменный весовой коэффициент. Далее все четыре взвешенных сигнала суммируются, и формируется выходной сигнал вида

Рис. 13.13. Схема с пилот-сигналом, приходящим под углом , и помехой, приходящей под углом

При этом существует ряд решений, при которых выходной сигнал равен Однако, если считать, что решетка предназначена для режекции помехи, то выходной сигнал решетки не должен зависеть от амплитуды и фазы помехи. Этому ограничению удовлетворяет единственное множество весовых коэффициентов, которое находится следующим образом. При наличии пилот-сигнала выходной сигнал решетки имеет вид

Этот выходной сигнал будет равен требуемому (т. е. пилот-сигналу) при условии, что

(13.42)

По отношению к точке, расположенной в середине между элементами антенны, относительные задержки помехи на обоих элементах составляют , что соответствует сдвигам фаз для частоты . Тогда для помехи на входе, приходящей под углом выходной сигнал решетки имеет вид

(13.43)

Этот сигнал будет равен нулю при условии, что

(13.44)

Таким образом, решая одновременно (13.42) и (13.44), можно найти множество весовых коэффициентов, удовлетворяющее требованиям к откликам на сигнал и помеху. Это множество равно

(13.45)

При этих весовых коэффициентах решетка обладает требуемыми свойствами, которые заключаются в том, что она принимает сигнал по требуемому направлению и режектирует помеху с частотой сигнала по другим направлениям.

Описанный выше способ вычисления весовых коэффициентов является больше иллюстративным, чем практическим. Его можно использовать только при небольшом числе источников направленных помех, когда они являются монохроматическими, и направления их прихода известны априори. На практике устройства обработки должны быть такими, чтобы не требовалось подробной информации о числе и характере помех. Таковым является рассматриваемое далее адаптивное устройство, в котором по рекурсивному правилу находятся решения ряда уравнений, в результате чего достигается минимальная СКО между пилот-сигналом и общим выходным сигналом решетки.