摘 要：基于空間平滑預(yù)處理技術(shù)的波束形成算法雖可抑制相干干擾，但會(huì)損失陣列孔徑且只適用于等間隔線陣。因此，提出一種適用于圓形天線陣列的抗相干干擾的波束形成預(yù)處理方法，該方法對(duì)真實(shí)陣列進(jìn)行虛擬平移得到多個(gè)虛擬陣列，求多個(gè)虛擬陣列各自的信號(hào)協(xié)方差矩陣后求平均，得到預(yù)處理后的協(xié)方差矩陣。結(jié)合功率倒置波束形成算法仿真，其結(jié)果表明此方法對(duì)相干干擾具有良好的抑制效果，并且抑制深度與算法的收斂性受平移距離的影響。

關(guān)鍵詞：GPS；相干干擾；空間平滑；虛擬平移

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0110502

Coherent Interference Mitigation Based on the Array-Shifting in GPS Receiver

RUAN Junbing，TIAN Zhong，WAN Rui

(Research Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610504，China)

Abstract：Although the approach of spatial smoothing is often applied to suppress coherent interference，it has a low utilization ratio of arrays′ aperture and only can be used in uniform line array.So a new method，which is used in uniform circle array，is proposed in order to suppress the coherent interference.The real array is virtually shifted in this method，and several virtual arrays are generated after the virtual shifting.Then by averaging the virtual arrays′ covariance matrix，a required covariance matrix is obtained.In succession，combining the power inverse wave-formation algorithm，the simulation results obtain and confirm the availability of the new method in case of suppressing coherent interference，the influence of different shifting length on wave-formation.

Keywords：Global Positioning System(GPS);coherent interference;spatial smoothing;virtual shifting



1 引 言

在空間通信過程中，由于復(fù)雜的電磁環(huán)境下多徑效應(yīng)問題或人為惡意干擾等，往往會(huì)使有用信號(hào)與某些干擾信號(hào)高度相關(guān)或相干。這些相干的信號(hào)由于只相差于一個(gè)復(fù)常數(shù)，因而可以看成一個(gè)信號(hào)，這樣到達(dá)陣列檢測(cè)到的獨(dú)立源數(shù)就會(huì)減少，信源自相關(guān)矩陣成為非滿秩矩陣。即在干擾相干背景下，接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣中信號(hào)子空間的一些向量收斂到噪聲子空間中，此時(shí)是不能準(zhǔn)確獲得干擾信號(hào)的方位信息的，因而傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成也就不能有效抑制相干干擾，從而使波束性能急劇下降。

目前，許多研究者提出了若干去相干的辦法，如Duvall提出了一種新的波束形成器，即主從線性約束Frost波束形成器來提取期望信號(hào)； Shan和Kailath提出了空間平滑法，采用子陣列平均技術(shù)來保持采樣協(xié)方差矩陣的秩不減少； S.U.Pillai提出的前后向空間平滑法可使得陣列的自由度增大； Wang提出了頻域平滑的方法，適用于寬帶信號(hào)，是將所有頻率成分的信號(hào)功率協(xié)方差矩陣作平均得到非奇異的信號(hào)協(xié)方差矩陣。但這些算法都有本身的局限性，F(xiàn)rost波束形成器適用于只存在一個(gè)相干干擾時(shí)的情況；空間平滑法在形成子陣列時(shí)不可避免地會(huì)損失陣列的自由度而且只適用于均勻空間直線陣接收窄帶信號(hào)的情況等。而對(duì)某些特定的情況如天線陣為均勻圓陣時(shí)，實(shí)現(xiàn)方法大多是將圓陣視作一般平面陣，用多維搜索實(shí)現(xiàn)去相干干擾，其缺點(diǎn)是計(jì)算量過大。文獻(xiàn)[1]提出一種適用于艦載接收機(jī)的情況，通過對(duì)圓形陣列天線物理平移求出多個(gè)接收到信號(hào)的相關(guān)矩陣，再對(duì)此相加求平均得到預(yù)處理后的信號(hào)相關(guān)矩陣，理論上也可達(dá)到去相干的目的。但是，由于平移的距離大小波動(dòng)對(duì)結(jié)果影響很大，又在實(shí)際情況下，載機(jī)的抖動(dòng)、航道的影響等都會(huì)引起平移距離大小的波動(dòng)，因此在實(shí)際情況下也很難實(shí)現(xiàn)。

本文通過陣列平移的預(yù)處理算法，在實(shí)際情況下對(duì)GPS系統(tǒng)抗相干干擾實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，并結(jié)合功率倒置波束形成算法得出仿真結(jié)果。仿真分析表明該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相干干擾的良好抑制，且計(jì)算量不大。

2 基于圓陣平移的GPS接收機(jī)抑制相干干擾預(yù)處理技術(shù)

設(shè)一個(gè)均勻圓形陣列天線，陣元數(shù)為M，半徑為r。D個(gè)波長(zhǎng)為λ的遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶相干信號(hào)，假設(shè)包括一個(gè)期望信號(hào)和D-1個(gè)干擾信號(hào)，則陣列接收到的信號(hào)可表示為:

為單位矩陣。

當(dāng)干擾信號(hào)中包含有與期望信號(hào)相干的信號(hào)時(shí)，源信號(hào)的相關(guān)矩陣不是滿秩的，用常規(guī)的自適應(yīng)算法不能對(duì)相干干擾形成有效的零陷。為實(shí)現(xiàn)對(duì)相干干擾的有效抑制，則必須恢復(fù)相關(guān)矩陣的秩。由文獻(xiàn)[2，3]可知，基于內(nèi)插變換求與真實(shí)陣列相同結(jié)構(gòu)的虛擬陣列的相關(guān)矩陣，再利用平滑移位的原理進(jìn)行相干波束形成，可達(dá)到去相關(guān)的目的。具體描述如下：

當(dāng)把圓陣進(jìn)行k次間距為L(zhǎng)的等間隔平移移位后(見圖 1)，各次得到的陣列輸出記為[WTHX]X[WTBX]k，則:

在實(shí)際情況中，可以通過天線陣列的平移得到若干組數(shù)據(jù)，再根據(jù)所得的各組相關(guān)矩陣求平均后，經(jīng)過功率倒置算法完成波束的形成。

3 仿真分析

仿真實(shí)驗(yàn)中我們采用六陣元的圓形陣列，圓陣半徑d為1/2波長(zhǎng)。且有3個(gè)信號(hào)源，1個(gè)期望信號(hào)，2個(gè)相干的干擾信號(hào)。其到達(dá)角分別為：(20°，110°)，(35°，80°)，(65°，50°)；信干比為-60 dB，信噪比為-30 dB；等間隔平移的距離L為0.3個(gè)圓陣半徑。

由仿真結(jié)果圖2可以看出，虛擬圓陣平滑預(yù)處理能夠很好地實(shí)現(xiàn)相干干擾的去相干，且不會(huì)損失陣列的自由度，再經(jīng)過波束形成算法實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的抑制。

由圖3，圖4可知，隨著等間隔平移距離L的增大，權(quán)系數(shù)的收斂越慢，相應(yīng)地隨著L的增大在干擾處的抑制深度變深。并且由圖可知：當(dāng)L＜0.3*d時(shí)，雖然權(quán)系數(shù)收對(duì)干擾的抑制深度很深，可權(quán)系數(shù)收斂過慢，這樣就無法實(shí)時(shí)快速地對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲。

4 結(jié) 語

基于虛擬平滑圓陣預(yù)處理算法的波束形成方法可以在不降低陣列孔徑利用率的同時(shí)抑制相干干擾信號(hào)，克服了傳統(tǒng)的波束形成方法無法有效抑制相干干擾的缺點(diǎn)。

并且此預(yù)處理算法本身與陣列模型無關(guān)，因此，可適用于任意陣型的天線陣抑制相干干擾。但是，由于其必須預(yù)先知道信號(hào)的到來角，而大多數(shù)情況下，接收機(jī)并不知道期望信號(hào)源或干擾源的信號(hào)來向，這就使這種預(yù)處理算法不適合于大多數(shù)實(shí)際情況。所以，接下來的研究目標(biāo)可定位于結(jié)合盲自適應(yīng)算法的研究，在未知信號(hào)到來角的情況下達(dá)到去相干的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］于波，楊莘元，楊林.艦載圓形陣列天線抑制相干干擾的性能研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(5):597-600.

［2］楊維，陳俊仕，李世明，等.移動(dòng)通信中的陣列天線技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005.［3］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，等.空間譜估計(jì)理論與算法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］Friedlander B，Weiss A J.Direction Finding Using Spatial Smoothing with Interpolated Array[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1992，28(2):574-587.

［5］Kallath S. Adaptive Beamforming for Coherent Signals and Interference[J].IEEE Trans.on ASSP，1985，33(6):527-536.

作者簡(jiǎn)介

阮俊冰 男，1983年出生，福建仙游縣人。主要從事信號(hào)抗干擾和雷達(dá)成像方面的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>