天線陣列空域矩陣濾波數(shù)據(jù)提取研究*

吳涵芷，韓 東，黃薪羽

（1.中國人民解放軍91550部隊 參謀部，遼寧 大連 116024；2.海軍大連艦艇學院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018；3.海軍大連艦艇學院 學員一大隊四隊，遼寧 大連 116018）

天線陣列是由兩個或多個天線組成的一組天線，有相關新聞報道指出，某型新入列的兩棲攻擊艦的兩側(cè)安裝上了大型天線陣列，當艦載直升機起降作業(yè)時，天線就會向舷外側(cè)放倒，形成一個等間隔線列陣。單根天線屬于全向天線，存在效率低、易被干擾的缺點，而天線陣列可以提高總增益，實現(xiàn)分集接受，抵消干擾，最大程度增大信號干擾噪聲比。目前，陣列信號處理技術在目標檢測、定位與識別等領域有著廣泛的應用。

空域矩陣濾波技術是一種新型空域數(shù)據(jù)處理技術，通過空域矩陣濾波，可以保留通帶信號并抑制阻帶干擾。在空域矩陣濾波技術的研究中，1996年，Vaccaro等[1]提出矩陣濾波概念。Zhu等[2]設計了半無限最優(yōu)化問題設計矩陣濾波器，采用MUSIC算法實現(xiàn)了更高的目標定位精度。鄢社鋒等[3]闡述了廣義空域濾波，建立了凸規(guī)劃問題，將其轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃問題。Macinnes[4]提出了最小二乘法空域矩陣濾波器設計方法；Hassanien等[5]提出了一種自適應空域矩陣濾波器的設計方案。韓東等提出了零點約束[6]和寬帶[7]空域矩陣濾波器設計方法，并將空域矩陣濾波技術應用于拖曳聲納本艦輻射噪聲抑制[8-9]。以上空域矩陣濾波設計技術和應用角度，主要集中于目標方位估計和匹配場定位等信號處理領域，對于原始陣元域數(shù)據(jù)處理沒有深入研究。

本文針對等間隔線列陣，采用最小二乘技術設計空域矩陣濾波器，并將空域矩陣濾波技術應用于單頻、寬帶方位信號提取，對于提高接收信號信噪比具有一定的參考價值。

1 最小二乘空域矩陣濾波器設計

假設入射信號位于xy平面，以第一個陣元的位置作為坐標原點，x軸正半軸為天線陣列，且每個陣元之間等間隔，間隔為d，等間隔線列陣坐標示意圖如圖1所示。

圖1 等間隔線列陣示意圖

第m個陣元的輸出信號為遠場平面波信號si（1≤i≤D）的線性組合，則第m個陣元的輸出為：

式中，nm（t）為噪聲，假設噪聲服從高斯分布。遠場平面波信號均為窄帶信號，且中心角頻率相同為ω，則平面波信號為si（t，ω），經(jīng)過帶通濾波的噪聲信號為nm（t，ω），以解析信號形式表示第m個陣元的輸出為：

以矩陣形式表示天線陣列的輸出為：

天線陣列接收的信號在設計的矩陣濾波器H（ω）里進行陣元域濾波。這些信號經(jīng)過濾波后的輸出為：

1.1 最優(yōu)化問題

假設陣列流形VP為通帶方向向量構成的矩陣，陣列流形VS為阻帶方向向量構成的矩陣，VP、VS滿足VP∈CN×P，VS∈CN×S，ΘP為通帶入射方位角集合，ΘS為阻帶入射方位角集合，如下：

式中，a（θp）為通帶第p個方向向量，a（θs）為阻帶第s個方向向量。P為通帶方向向量的數(shù)目，S為阻帶方向向量的數(shù)目。

空域矩陣濾波器需要滿足保留通帶區(qū)域的目標信號，同時消除阻帶信號嚴重干擾的要求，為達到目的，理想的空域矩陣濾波應該滿足：

假設將全空間信號的入射方向細致分割為M點，k（θj）（1≤j≤M，θj∈Θ）為期望得到的幅度限制系數(shù)，Θ為全空間入射方位角集合。因此，方向向量a（θj）（1≤j≤M）經(jīng)過矩陣濾波器作用后，所期望獲得的輸出為幅度限制系數(shù)與方向向量的乘積，即：

定義Y為全空間方向向量構成的陣列流形，X=[a（θ1），…，a（θM）]∈CN×M，Y為期望響應向量構成的期望陣列流形，Y=[k（θ1）a（θ1），…，k（θM）a（θM）]∈CN×M。由此可見，設計空域矩陣濾波器的矩陣即為求矩陣H，使得HX=Y。因此，為了最大限度地減少空域矩陣濾波器的輸出與期望獲得的輸出誤差，提出最優(yōu)化問題，從而求解得出最優(yōu)濾波矩陣，得到所需空域矩陣濾波器。

1.2 最優(yōu)化問題求解

式中，，將方程式展開：

由式（11）可知最小二乘空域矩陣濾波器與陣列流形與期望陣列流形有關：

2 濾波效果仿真分析

2.1 特定方位單頻信號濾波效果仿真

仿真給出四個角度與頻率均不同的單頻信號，這四個信號進行疊加，將疊加信號輸入到指定了通帶范圍的濾波器中，最終將保留特定方位的信號，抑制其他方位入射的干擾信號。通過比較單頻信號與濾波器輸出信號的波形圖以及頻譜圖，分析該空域矩陣濾波器對特定入射方位單頻信號的濾波效果。

仿真構建了一個從-90°到90°的等間隔線列陣，陣元個數(shù)為N=64，陣元間距為半波長，濾波器通帶、過渡帶和阻帶的離散化采樣間隔均為0.1 °，過渡帶的響應不考慮。設置通帶區(qū)間為[-25°，-15°]。

圖2和圖3分別是疊加信號-20°、10°、30°和60°方位的信號和頻譜，為了區(qū)分各方位信號，將陣列數(shù)據(jù)輸入通帶區(qū)間為[-25°，-15°]的最小二乘空域矩陣濾波器（圖4），能夠濾除阻帶信號，保留通帶的信號，也就是保留角度-20°、頻率1300Hz的信號。圖5和圖6是濾波器輸出信號和頻譜，基本濾除了其他三個方位的信號，可見空域矩陣濾波器可以提取特定方位的單頻信號。

圖2 四個角度與頻率均不同的單頻信號疊加信號波形圖

圖3 四個角度與頻率均不同的單頻信號疊加信號頻譜圖

圖4 最小二乘空域矩陣濾波器響應和響應誤差

圖5 濾波器輸出信號與信號1波形對比圖

圖6 特定入射方位窄帶濾波器輸出信號頻譜圖

2.2 特定方位寬帶信號濾波效果仿真

仿真給出兩個角度與頻率均不同的寬帶信號，將這兩個寬帶信號疊加后輸入濾波器，通過比較寬帶信號與濾波器輸出信號的波形圖以及頻譜圖，分析該空域矩陣濾波器對特定頻率寬帶信號的濾波效果。

假設-20°入射方向的寬帶信號頻率1300Hz、1400Hz，30°入射方向的寬帶信號頻率為1350Hz、1450Hz。

圖7和圖8分別為疊加信號的波形圖和頻譜圖，將該疊加信號輸入到圖4所示的最小二乘空域矩陣濾波器中，得到圖9和圖10所示的濾波器輸出信號波形圖和頻譜圖。由圖9可見，濾波器輸出的波形與寬帶信號的原始波形重合度很高，且在每個角度上的幅度跳躍與疊加信號相比，明顯減小。由波形和頻譜對比可說明，最小二乘空域矩陣濾波可以提取出入射方位為-20°的寬帶信號，抑制角度為30°的寬帶信號。上述空域矩陣濾波器達到了保留指定入射方位寬帶信號、抑制其余入射方位寬帶信號的目的。

圖7 兩個角度與頻率均不同的寬帶信號疊加信號波形圖

圖9 濾波器輸出信號與寬帶信號波形對比圖

3 結束語

通過陣列接收數(shù)據(jù)建立濾波器輸出模型，給出最小二乘空域矩陣濾波器最優(yōu)化問題并進行最優(yōu)化求解?？沼蚓仃嚍V波器可以濾除阻帶干擾，并保留通帶目標信號。仿真結果表明，空域矩陣濾波器可以實現(xiàn)對特定方位單頻信號和寬帶信號的提取，提高目標信號的接收信噪比。