基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法研究

刘春静　张锦中　马利祥

摘  要：宽带自适应波束形成在雷达工程、电子对抗、通信、麦克风阵列等很多领域都得到了广泛应用，尤其是针对宽带干扰源的抑制越来越重要。传统的基于自适应波束形成的宽带干扰源抑制算法都是通过频域变换后进行处理的，随着信號带宽的增大，算法的复杂度也越来越大。为了降低算法复杂度，研究了一种基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法，以时延补偿的方式旋转阵列，将干扰源的入射角度调整到阵列法向方向，从而消除宽带信号的色散效应。计算机仿真表明，该算法能够取得较好的信干噪比改善效果。

关键词：时延补偿;宽带干扰;波束形成

中图分类号：TN911.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）34-0012-02

Abstract： Wideband adaptive beamforming has been widely used in radar engineering， electronic countermeasures， communications， microphone arrays and many other fields. In particular， the suppression of wideband interference sources is becoming more and more important. The traditional wideband interference suppression algorithm based on adaptive beamforming is processed by frequency domain transformation. With the increase of signal bandwidth， the complexity of the algorithm is also increasing. In order to reduce the complexity of the algorithm， a wideband interference suppression algorithm based on time-delay compensation is studied. The array is rotated by time-delay compensation， and the incidence angle of the interference source is adjusted to the normal direction of the array， thus eliminating the dispersion effect of wideband signals. Computer simulation shows that the proposed algorithm can achieve better signal-to-interference-noise ratio （SINR） improvement.

Keywords： time delay compensation; wideband interference; beamforming

自适应波束形成[1-5]是一种已经广泛应用的阵列处理技术，涉及的领域包括通信、雷达、导航、声呐、麦克风阵列和射电天文等诸多方面。随着半导体技术的飞速发展，射频信号的工作带宽越来越宽，传统的窄带波束形成算法已不能够满足现有的需求，因此，宽带波束形成算法的研究逐渐成为了最新的研究热点。从实际应用来看，5G宽带通信、宽带相控阵雷达、宽带声呐系统等的研究都在如火如荼地开展，这些射频电子系统的推广与应用，增大了系统间的相互干扰，从而对天线阵列前端宽带波束形成器的需求也越来越迫切。

文献[6]研究了基于均匀圆阵的鲁棒的宽带波束形成算法，将圆阵导向矢量分解到模式空间上，从而达到算法简化的目的。文献[7]提出了一种固定的频率不变的波束形成算法，算法设计不需要最小化约束函数，还能够求解出最优的实波束形成系数。文献[8]设计了一种基于时频分布的宽带自适应波束形成算法，能够实现更优的检测性能和更好的鲁棒特性。文献[9]讨论了802.11ac与4.9GHz下的宽带自适应波束形成阵列，实现了不同基站或移动端要求下的波束设计指标，对指导工程实践具有重要意义。

本文研究了一种基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法，在已知干扰源方向的条件下，对天线阵列的接收信号进行相应的延时补偿，将干扰源方向调整到与带宽无关的阵列法向上，再完成阵列接收数据的加权自适应波束形成。

1 基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法

在宽带干扰环境下，由于干扰源的频率分量增加，传统的窄带干扰抑制算法已经不能够满足要求;根据前一节的分析，我们注意到阵列法线方向（？准=0）入射信号的特殊性质，如果通过时延补偿方法将宽带干扰信号的入射角度调整为0°，则可以在补偿完成后采用窄带的干扰抑制算法。令

其中？准J为宽带干扰源的入射角度，diag{·}表示向量的对角化运算。

对阵列接收信号的时延补偿可改写为如下表达式：

（1）

其中x（n）为天线阵列接收的原始信号，xtd（n）为经过时延补偿后的阵列接收信号。此时的阵列相关矩阵为

（2）

基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法中的Dm（m=1，2，...，M）为第m个阵元对应的干扰源角度的时延补偿，时延补偿值由v（？准J）的相对波达时延差决定，参考阵元的时延补偿D1设为0，自适应权值的估计结果为

wm（m=1，2，...，M）为向量w的第m个元素。

2 仿真实验

假设均匀直线阵列的阵元个数为10，工作频率为10GHz，天线阵元间距为半波长，期望信号入射角度为-30度，功率为0dB，干扰信号角度为20度，功率为60dB，干扰带宽为100MHz，采样样本为4000，SINR损失定义为

其中Ri+n为干扰与噪声组合的相关矩阵。

仿真对比了窄带最优波束形成器、理想的最优宽带SMI算法和基于时延补償的宽带干扰源抑制算法，分别如图1～3所示。图1为SINR损失随角度变化的关系曲线，可以看出通过对干扰信号的抑制，在干扰方向上的SINR损失是最小的。图2为SINR损失随宽带干扰源带宽变化的关系曲线，窄带最优波束形成器的SINR损失最小，尤其需要注意的是，随着干扰信号带宽的增大，SINR损失是逐渐增大的。图3为三种算法形成的自适应波束图对比，基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法对干扰方向进行了补偿，因此形成的干扰零点位置为0度，抑制深度为-98.2dB。

3 结论

本文通过详细分析基于时延补偿的宽带干扰源抑制算法的基本原理，阐述了实现宽带干扰抑制的设计流程，通过数值仿真分析对比了干扰抑制算法与理想SMI算法的性能，验证了所述算法的有效性。后续工作将进一步展开对多个宽带干扰源抑制算法的研究，以拓展时延补偿算法的适用范围。

参考文献：

[1]唐敏，等.基于多级阻塞的稳健相干自适应波束形成[J].电子与信息学报，2019，41（07）：1705-1711.

[2]王悦，等.平面天线阵快速正交投影波束形成算法[J].雷达科学与技术，2019，17（03）：339-344.

[3]王昊，等.协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成算法[J].声学学报，2019，44（02）：170-176.

[4]段晓菲，等.四元数域宽带鲁棒自适应波束形成[J].雷达学报，2019，8（01）：117-124.

[5]唐敏，等.单快拍相干信号自适应波束形成方法[J].系统工程与电子技术，2019，41（06）：1224-1229.

[6]Shefeng Yan et al. Robust time-domain wideband modal beamforming with circular arrays[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， August 2019， Early Access， pp.1120-1125.

[7]Alexey A. Erokhin et al. Frequency-invariant beamforming with real FIR-filters [J]. 2019 Radiation and scattering of electromagnetic waves， June 2019， pp. 11-15.

[8]Yaqi Liu et al. Robust adaptive wideband beamforming based on time frequency distribution[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， August 2019， pp. 4370-4382.

[9]Moh Chuan Tan et al. A wideband beamforming antenna array for 802.11ac and 4.9GHz [J]. 2019 13th European Conference on Antennas and Propagation， April 2019， pp. 1203-1206.