基于波束捷变的多波束设备抗电磁干扰方法研究.pdf
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1、船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 64 基于波束捷变的基于波束捷变的多波束多波束设备设备抗抗电磁电磁干扰干扰方法方法研究研究 刘 伟1,高海南2,张松林1,李 伟3,王栋超1,纵安康1(1.中国人民解放军 63788 部队,陕西渭南 714000;2.中国人民解放军 63767 部队,西安 71000;3.中国人民解放军 63771 部队,陕西渭南 714000)摘 要:针对测控设备在面临的电磁干扰问题,基于多波束测控系统具备的波束捷变优势,提出了一种空域滤波的抗电磁干扰方法。基本思想是一个或多个检测波束对指定空域快速扫描覆盖、动态检测干扰源特征,波束控制系统基于干
2、扰特征对跟踪波束进行实时赋形,使跟踪波束方向图在干扰方向上形成具有一定深度的零陷,从而降低进入设备信道的干扰信号强度,实现对测控目标的稳定连续跟踪。此外,从工程应用角度以平面阵列天线为例,对波束快速扫描方式、干扰信号检测方法和多约束条件下的波束实时赋形等关键技术进行了探讨,最后通过仿真验证了方法有效性。关键词:多波束系统 抗电磁干扰 波束捷变 波束赋形 中图分类号:U469 文献标识码:A 文章编号:1003-4862(2023)06-0064-05 Study on Method of Anti-electromagnetic Interference of Multi-beam Equip
3、ment Based on Beam Agility Liu Wei1,Gao Hainan2,Zhang Songlin1,Li Wei3,Wang Dongchao1,Zong Ankang1(1.Unit 63788 of the Chinese Peoples Liberation Army,Weinan 714000,Shaanxi,China;2.Unit 63767 of the Chinese Peoples Liberation Army,Xian 71000,China;3.Unit 63771 of the Chinese Peoples Liberation Army,
4、Weinan 714000,Shaanxi,China;)Abstract:This paper proposes a method of anti-electromagnetic interference for solving the electromagnetic interference problems caused by measurement and control equipment,based on the beam agility of multi-beam TT&C systems.The basic idea is to quickly scan and cover a
5、 specified airspace with one or more detection beams dynamically detecting characteristics of interference source.The beam control system performs real-time shaping of the tracking beam based on interference characteristics,forming a certain depth of nulls in interference direction to reduce the int
6、ensity of interference signals entering the equipment channel,achieving stable and continuous tracking of measurement and control targets.In addition,this paper studies key technologies such as fast beam scanning,interference signal detection,and real-time beam shaping under multiple constraints fro
7、m the perspective of engineering applications,with planar array antenna as an example,Finally,simulation result verifies the effectiveness of the method.keywords:multi-beam system;anti-electromagnetic interference;beam agility;beamforming 0 引言引言 随着无线电技术的飞速发展和移动通信技术的广泛应用,测控设备所处的空间电磁环境日趋复杂,使得设备无法开展正常测
8、控工作,严重影 收稿日期:2023-03-23 作者简介:刘伟(1987-)男,工程师,研究方向:测量控制,通信。E-mail: 响测控任务,因此要求测控设备需具备一定的抗电磁干扰能力,以应对可能存在的电磁干扰威胁。目前,测控设备的测控体制主要采用标准USB 模式和扩频模式。扩频模式采用的扩频技术包括直接序列扩频、跳频扩频和直扩/跳频混合扩频,主要是通过伪随机码降低电磁干扰信号频谱密度或通过载频的随机跳变来躲避电磁干扰,或者二者结合,可使设备在频域维度上提高抗干扰Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 65 能力1。本文在介绍多波束测控系统基本功能组成和波束扫描原理基础上
9、,研究了基于波束捷变的多波束系统自适应抗电磁干扰方法,并从工程应用角度,对波束快速扫描方式、干扰信号检测方法和多约束条件下的波束实时赋形等关键技术进行了探讨,最后通过仿真试验验证了方法的效果。1 多波束测控系统简介多波束测控系统简介 1.1 系统工作原理 多波束测控系统是一种基于相控阵天线技术、具备多个收发波束合成、多通道信号及数据处理能力的统一测控系统2。相对于传统测控设备,多波束测控系统主要特点是相控阵天线可合成多个波束且波束具有捷变能力,波束捷变能力主要指其波束指向的快速变化能力和天线波束形状(方向图)的变化能力,因此多波束测控系统可实现对不同空域多个目标的同时独立跟踪和全功能测控。由于
10、采用电波束扫描跟踪,因此可实现对目标的快速捕获和无滞后的闭环跟踪3。1.2 阵列天线布局 多波束测控系统的天线阵列布局构型分为单平面阵、多面阵、共形阵4。1)单平面阵:单平面阵技术成熟,结构设计和波束合成比较简单,一般需要机械伺服系统驱动叠加电波束扫描,实现阵列天线对一定空域的覆盖,无法真正实现全空域实时测控。2)多面阵:多面阵是通过多个平面阵拼接成三个面以上的阵面构型,无需机械伺服机构,不同的阵面负责指定空域扫描,通过一个或者临近多个阵面阵列信号合成,实现对全空域的覆盖,如图 2.a 所示。3)共型阵:共形阵相比多面阵在天线等效面积、电波束连续扫描等方面有较大优势,但其成本高,不利于阵面组装
11、和维修。典型的共形阵为球面阵,球面阵用半球面加柱面的形式,增加柱面的目的是为了改善低仰角时的增益,如图 2.b所示。1.3 波束扫描原理 若在空间上分布 N 个阵列天线阵元,位置矢量表示如图 3 所示,阵元的相位参考点设为点 O,用阵元的位置矢量ir来表示其空间坐标位置。(,)if 表示的是阵元电场强度辐射方向图。对于N 个阵元来说,在一致的(,)方向上(,)if 可能各不相同。a)多面阵 b)球面阵 图 2 阵列天线布局 yzxN1rOiR目标方向r1R1iRNR 图 3 阵元位置矢量 若用ia表示第 i 个阵元的幅度,0i表示第 i个单元的加权系数,则复加权系数0ijiiWae,则 N 个
12、阵元在目标方向上合成后的场强为 021()(,)(,)iiRNjiiiieE rEfaeR (1)当测量目标与参考点 O 的距离 R 远远大于阵元与 O 的距离12(,)Nir rrr时,可将式(1)中的iR替换为 R,第 i 个阵元与目标的距离为iiRRR,其中,iR是第 i 个阵元的ir乘以参考点 O 到目标点单位矢量r的标量,即iRirr。r用其方向余弦可表示coscoscosxyzr=ijk,其中coscoscosx,coscos siny,cossinz。第 i 个阵元在(x,y,z)坐标系中投影 表 示 其 在 天 线 阵 面 上 的 位 置,iiixyirijkz。此时cosco
13、scosiixiyizRxyzirr=去除公共相位因子,不考虑幅度的常数项,式(1)可改写成 21(,)(,)iioNjRiiiEfae 第 i 个阵元相对于参考点 O 的相位i为 2(coscoscos)iixiyizxyz 为使天线波束的最大位置在00(,)上,则每船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 66 一个阵元移相器所提供的相移值必须为 00002(coscoscos)iixiyizxyz(2)其中000coscoscosx,000coscossiny,00cossinz。通过式(1)和式(2)可知,通过改变阵元复加权系数iW中的相位项就能完成波束扫描和赋形。
14、在实际工程中,阵元复加权系数由相控阵天线阵元移相器提供,且移相器可在毫秒级内完成幅度和相位的变化,因此基于相控阵天线技术的多波束设备具备毫秒数量级多波束的波束捷变能力,这一特性使得多波束设备具备传统测控设备所不具备的能力。2 波束捷变的自适应抗电磁干扰方法波束捷变的自适应抗电磁干扰方法 2.1 基本思路 基于波束捷变的多波束设备自适应抗电磁干扰方法基本思路是利用阵列天线波束快速扫描能力实现对电磁干扰信号的快速检测,利用波束实时赋形能力在干扰方向上形成零陷以消除干扰,上述过程分为干扰检测过程和干扰抑制过程:干扰检测过程:如图 4 所示,多波束测控系统在执行测控任务时,使用一个跟踪波束完成对目标的
15、连续跟踪。若在跟踪时存在空间电磁干扰影响信号接收解调处理和目标的稳定跟踪,多波束测控系统可利用处于空闲状态的若干波束按照设置的扫描策略,以跟踪波束为中心在很短的时间内完成一轮空域快速覆盖扫描。当扫描波束检测到干扰信号时,经过相关功能部件判断确认后,得到干扰源位置。图 4 多波束干扰检测示意图 干扰抑制过程:在获取干扰源位置后,多波束设备波束控制系统基于干扰信息对跟踪波束进行实时赋形,使跟踪波束方向图在干扰方向上形成具有一定深度的零陷(零点),从而降低进入设备信道的干扰信号强度,实现对跟踪目标的稳定连续跟踪5。2.2 实施流程 多波束系统进行自适应抗电磁干扰的工作实施流程如图 5 所示。Step
16、 1:系统启动完成初始化,分配跟踪波束和扫描波束,加载相应参数,进入两个流程;Step 2.A:按照波束跟踪策略,波控单元计算跟踪波束所有阵元移相器幅相值;Step 2.B:按照波束扫描策略,波控单元计算扫描波束所有阵元移相器幅相值;Step 3.A:波控单元同时向所有阵元下发跟踪波束的移相器幅相值(该值可基于中心数字引导、程序引导、波束自跟踪模式或者方向图综合得到);Step 3.B:波控单元同时向所有阵元下发步骤2.B 得到的扫描波束的移相器幅相值;Step 4.A:跟踪波束实时指向目标;Step 4.B:所有的扫描波束按照波束扫描策略对指定空域进行覆盖扫描;Step 5:判断扫描波束是否
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