深空天线阵信号处理中基于波达方向估计的干扰抑制方法研究

1、深空天线阵信号处理中基于波达方向估计的干扰抑制方法研究2010年第4期总第112期通信对抗communicat 10nc0untermeasuresno.42010sum. 112深空天线阵信号处理中基于波达方向估计的干扰抑制方法研究党宏杰，陶业荣，杨潇（1 解放军63892部队，河南洛阳4710032解放军63921部队，北京100092）摘要:深空天线组阵是利用多个低成木小天线组成阵列，对同一航天器发回的信号 进行接收和合成.在深空探测中,行星造成的背景噪声干扰是深空信道的主要干扰且难以消除. 首先分析了实际应用中对行星产生的背景噪声的处理方法,然后研究了基于波达方向估计的干扰抑制 方法,

2、最后通过仿真分析对方法的可行性进行了验证.关键词:干扰抑制;天线阵;波达方向.researchonmethodoflnterferencesuppressingbasedondoa indeepspaceantennaarrayingsignalprocessingdanghong-jie,taoye-rong,yangxiao1 .unit63892ofpla,luoyong,henan471003,china;2.unit63921 ofpla,beijing 1000 92,china）abstract:thetechniqueofdeepspaceantennaarra ngisusi

3、ngseveralsmallcost 一effectiveantennaarrayingtoreceiveandcombinethesignalssentbythespaceaircraft.indeepspaceexploration,t hebackground noisesinterferencecausedbyplanetsisthemostseriousthreattodeepspacechannehanditisdi fficulttobee一 liminated.inthispaper,somedisposalmethodsofbackgroundnoisesinterferen

4、cecausedbyp lanetsareana一 lyzedinpracticalapphcation.thenamethodofinterferencesuppressingisresearchedwhich isbasedondoa.attheend.somefeasiblevalidationstothemethodsaregivenbyusingsimulation.keywords:interferencesuppressing;antennaarraying;doa1引言随着深空探测范围的扩大和天线组阵技术的完善，以大规模小口径天线进行组阵将成为未来主要的发展趋势在这种情况下汗扰

5、将成为影响组阵合成性能的一个不可忽略的因素深空信道的干扰主要包括:行星造成的背景噪声干扰，来自其它航天器的有害调制信号干扰，航天器自身发射信号z间的干扰,地面干扰等.收稿日期:201011-12其中,后三种干扰在信道设计前均能够通过预测的方法消除21,只有行星造成的背景干扰不可忽略乂难以预测,需要在跟踪航天器的过程中进行实时的分析与处理.在对背景干扰噪声进行处理吋，为了识别期望信号和干扰信号，并对干扰信号进行抑制，就需要用到波达方向(doa)估计，其解决的基本问题就是确定同时处在空间某一区域多个感兴趣的信号的空间位置，即总第112期党宏杰,等:深空天线阵信号处理屮基于波达方向估计的干扰抑制方法

6、 研究?23?多个信号到达阵列的方向角最经典的超分辨波达方向估计算法是多信号分类(multiplesignalclassifica tion,music)法，它利用了信号子空间和噪声子空间的 正交性，构造出空间谱函数，通过谱峰搜索检测信号 的波达方向.2行星产生的背景干扰噪声分析行星是一种典型的黑体(blackbody)热辐射源，其产 生的干扰在时域，空域和频域上均是一定范围内的连续 信号，因此称为背景干扰引.对于背景干扰，通常是将行 星构建成一个窄带高斯点干扰源的空间釆样集合来加 以分析，就是将行星人为划分为儿个部分，每一部分产 生的干扰用一个点干扰源来代替，如图1所示. 根据图1所示,构建

7、点干扰源空间采样集合的具体 做法是:通过将行星采样得到多个采样点的六边形网 格，所有采样点构成一个空间样木，采样间隔取决于天 线阵的合成波束宽度，样本容量取决于行星的角直径和 采样间隔假设天线阵是由100副工作频率为32ghz (ka波段,h=9.375mm)的单元天线组成，其等效直径 d二800m,相应的阵列宽度约为12t说,行星的角直径约 为25txrad,则采样间隔约为h/2d=5.861xm.图1行星分布式点信源模型 将行星构建成点干扰源空间采样集合后，当航天器 飞过行星表面时，地面站接收到的信号就可认为是多个 点噪声源和航天器共同发冋的信号(如图1中天线波束 和行星相交范围内的点源)

8、，且这些噪声相互独立，服从 均值为零，方差为的高斯分布此时，宽带背景干扰 问题就转化成了多个点噪声源的干扰问题，可以采用干 扰抑制技术对其进行消除.3二维平面阵列music算法研究3.1组阵模型利用天线阵列接收多个信号源的信号，每根天线称 为一个阵元.假定各个阵元等间距直线排列，且均为全 第二个阵元第k个阵元=2dsine :d(-l)sino图2等距线阵与远场信号向天线，如图2所示.以阵元1作为参考阵元，即空间信号s(n)在参考阵 元上接收的信号等于si(n),则这一信号到达其它阵元时 间相对于参考阵元存在延迟令由该延迟在其它阵元上 引起的相位差为,则由图2可知，波达方向与相位差 之间关系可

9、表示为：g=2rsinoi(l)a式中d是两个相邻阵元之间的距离,a为信号波长.由 于是等距线阵，所以信号s(n)到达第k个阵元的电波与 到达参考阵元的电波之间的相位差为：(一 l)s27q”-(一 l)sin0(2),it在第k个阵元上接收的信号为si(n)ejl图3平面阵列与远场信号通过复制一维阵列到它的正交轴上，并于前一排天 线相距指定的距离,就形成了一个二维平面阵列这个 二维阵列可以包括n.xn,个阵元，排列在如图3所示的'，平而内,此时方向上各个阵元间距为dxm,y方向上各个阵元间距为a,m.设参考阵元位于坐标原点0处,接收信号的方位角为01,俯仰角为/3,则根据三角形三边关

10、系定理和边角关系，可得到坐标为，的a点阵元相对参考阵元的来波延迟相位为：总第112期党宏杰,等:深空天线阵信号处理屮基于波达方向估计的干扰抑制方法 研究?25.达方向其中，信号来波角度为(30.,45.),干扰来波角度为(90.30.).图7为航天器发射的信号和行星干扰信号的波达方向仿真结果，其屮，入射信号方向角为108.(0.67r),由行星造成的背景干扰信号经过离散采样后可模拟为三个点干扰源，来波方向分别为115.(0.647r),ll &(0.667r)和122.(0.6871*).图8为经过预处理后的波达方向估计.匸0-jijl_-；-lii:一宀归化角频率/图7模拟航天器和行

11、星干扰源的波达方向图8经过预处理的music算法6结束语本文针对未來小口径天线组阵时不能忽略的背景干扰问题进行了分析，采用将行星构建成一个窄带高斯点干扰源的空间采样集合的方法,将宽带背景干扰问题转化成一个波束内多个独立分布的点噪声源干扰问题， 再通过基于波达方向预测的干扰抑制方法对干扰进行 抑制.仿真证明，将行星背景干扰构建成分布式点干扰 源后，能够较方便地进行来波信号的方向估计，再借助 预处理算法,就能较好地将航天器发回的有用信号和背 景干扰信号区分开，达到干扰抑制的目的.参考文献：【i 】mileanta,hinedis.overviewofarrayingtechniques forde

12、epspacecommunications【ji.ieeetransactionson communications,! 994,42(2,3,4):1856一 1865.2 yuenjh.deepspacetelecommunicationssystemengi一 neefing【m】.springer, 1983:344一364.3 vilnrotterlv,srinivasanm.largearraychannelcapacity inthepresenceoflnterference,ipnreport r .february 15,2006.4 张贤达.现代信号处理【m】.北京:清华大学出版社, 2004.5 陈四根阵列信号处理相关技术研究d】.哈尔滨:哈尔 滨工业大学,2004