一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线及方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。目前，随着无人机在各行各业的普及，其已经成为一种传统飞行器。

在飞行时，天线系统容易受到周围环境中各种无线电频率干扰源的干扰，例如无线电频谱干扰、电磁波干扰、雷电干扰和电磁场干扰，都会影响无人机内部元件的正常工作，导致信号质量下降，甚至可能影响飞行器的正常运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线及方法，可以有效抵抗来自外部干扰源的干扰，提高接收和发送信号的质量和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明一方面提供一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线，它包括天线阵列、抗干扰模组、功分器和通讯端口，所述天线阵列与抗干扰模组的输入端电性连接，所述抗干扰模组用于对天线阵列接收的信号进行抗干扰处理，所述抗干扰模组的输出端分别与功分器和通讯端口相连。

进一步，所述天线阵列包括阵盘以及设置在阵盘上的一个中间阵子和四个周边阵子，四个所述周边阵子以中间阵子为中心呈十字形对称分布，每两个所述周边阵子之间设置一个金属条。

进一步，每两个所述周边阵子之间的间距≥

进一步，所述周边阵子的尺寸为40mm*40mm*8mm，所述周边阵子采用双馈点高频板天线，所述周边阵子的介电常数为9～11。

进一步，所述中间阵子的尺寸为45mm*45mm*6mm，所述中间阵子采用单馈点高频板天线，所述中间阵子的介电常数为6～9。

进一步，所述金属条的尺寸为40mm*8mm*3mm。

进一步，所述抗干扰模组包括单路低噪声放大器、下变频器、智能信号处理单元、上变频器、合路输出模块、单刀双掷开关、合路器、合路低噪声放大器、射频输出模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块和电源模块；

所述中间阵子通过单路低噪声放大器与合路器的输入端相连，所述周边阵子通过单路低噪声放大器与下变频器的输入端相连，所述下变频器的输出端与智能信号处理单元的输入端相连；

所述智能信号处理单元的输出端与上变频器的输入端相连，所述上变频器的输出端与合路输出模块的输入端相连，所述合路输出模块的输出端通过单刀双掷开关与合路器的输入端相连；

所述合路器的输出端与合路低噪声放大器的输入端相连，所述合路低噪声放大器的输出端与射频输出模块的输入端相连，所述射频输出模块的输出端与功分器相连；

所述智能信号处理单元分别通过RS232通讯模块和RS485通讯模块与通讯端口连接；

所述电源模块用于为抗干扰模组内的各个部件模块供电。

进一步，所述智能信号处理单元包括干扰检测模块、自适应信号处理模块和数字信号处理模块；

所述干扰检测模块用于实时监测和分析天线阵列接收的信号中的干扰信号；

所述自适应信号处理模块用于根据干扰检测模块的输出结果，对接收到的信号进行动态处理和优化，根据干扰特征调整天线阵列的辐射功率、相位和方向；

所述数字信号处理模块用于对自适应信号处理模块处理后的信号进行干扰测向和开环调零。

本发明另一方面提供一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线的控制方法，它包括：

步骤S1、通过所述智能信号处理单元的干扰检测模块实时监测和分析天线阵列接收的信号中的干扰信号；

步骤S2、由所述智能信号处理单元的自适应信号处理模块根据干扰检测模块的输出结果，采用稀疏阵列的自适应抗干扰算法对接收到的信号进行动态处理和优化，根据干扰特征调整天线阵列的辐射功率、相位和方向；

步骤S3、由所述智能信号处理单元的数字信号处理模块对自适应信号处理模块处理后的信号进行干扰测向和开环调零；

步骤S4、经过所述智能信号处理单元抗干扰处理后的单路射频信号，再通过功分器输出N路射频信号，同时所述智能信号处理单元输出串口数据。

进一步，所述步骤S2中，采用稀疏阵列的自适应抗干扰算法对接收到的信号进行动态处理和优化，具体包括如下步骤：

步骤S21、确定迭代的初始权值W[1]；

步骤S22、计算天线阵列输出信号x(k)＝A

步骤S23、抽取f

步骤S24、利用二维空间平滑的方法，去除

步骤S25、根据步长u以及协方差矩阵

对各个子阵输出的协方差矩阵求和取平均得到

其中，M

取

其中，u是自适应抗干扰算法的迭代步长，W[K]是适应权值；

步骤S26、重复步骤S22～步骤S25，直至完成选代。

采用了上述技术方案，本发明的抗干扰阵列天线由多个天线阵子和抗干扰模组构成，天线结构紧凑、易于集成和部署，每个天线阵子均通过抗干扰模组实现与其他天线阵子的协同工作。本发明具有空间频率选择性，能够选择性地接收特定方向的信号。具有动态自适应能力，能够实时监测和调整天线参数以适应通信环境变化。采用多天线波束形成技术，通过动态自适应能力，适应复杂多变的通信环，提供出色的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明的一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线的原理框图；

图2为本发明的天线阵列的结构示意图；

图3为本发明的智能信号处理单元的程序模块架构图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种应用于飞行器的抗干扰阵列天线，它包括天线阵列、抗干扰模组、功分器和通讯端口，天线阵列与抗干扰模组的输入端电性连接，抗干扰模组用于对天线阵列接收的信号进行抗干扰处理，抗干扰模组的输出端分别与功分器和通讯端口相连。

如图2所示，本实施例的天线阵列包括阵盘3以及设置在阵盘3上的一个中间阵子1和四个周边阵子2，中间阵子1和周边阵子2均通过螺丝固定到3号阵盘上，每个阵子都具有单独的信号接收和发射功能。四个周边阵子2以中间阵子1为中心呈十字形对称分布，每两个周边阵子2之间设置一个金属条4。

具体地，每两个周边阵子2之间的间距≥

周边阵子2的尺寸为40mm*40mm*8mm，周边阵子2采用双馈点高频板天线，周边阵子2的介电常数为9～11。

中间阵子1的尺寸为45mm*45mm*6mm，中间阵子1采用单馈点高频板天线，中间阵子1的介电常数为6～9。

金属条4的尺寸为40mm*8mm*3mm，可以优化隔离度，有效降低阵子之间信号相互干扰。

如图1所示，本实施例的抗干扰模组包括单路低噪声放大器、下变频器、智能信号处理单元、上变频器、合路输出模块、单刀双掷开关、合路器、合路低噪声放大器、射频输出模块、RS232通讯模块、RS485通讯模块和电源模块；

中间阵子1通过单路低噪声放大器与合路器的输入端相连，周边阵子2通过单路低噪声放大器与下变频器的输入端相连，下变频器的输出端与智能信号处理单元的输入端相连；

智能信号处理单元的输出端与上变频器的输入端相连，上变频器的输出端与合路输出模块的输入端相连，合路输出模块的输出端通过单刀双掷开关与合路器的输入端相连；

合路器的输出端与合路低噪声放大器的输入端相连，合路低噪声放大器的输出端与射频输出模块的输入端相连，射频输出模块的输出端与功分器相连；

智能信号处理单元分别通过RS232通讯模块和RS485通讯模块与通讯端口连接；

电源模块用于为抗干扰模组内的各个部件模块供电。

如图1所示，本实施例的智能信号处理单元包括干扰检测模块、自适应信号处理模块和数字信号处理模块；

干扰检测模块用于实时监测和分析天线阵列接收的信号中的干扰信号，它可以采用了多种干扰检测技术，如功率谱分析、自适应滤波；

自适应信号处理模块用于根据干扰检测模块的输出结果，对接收到的信号进行动态处理和优化，根据干扰特征调整天线阵列的辐射功率、相位和方向，它可以根据干扰特征进行抑制与补偿，以减少干扰的影响，从而实现定向接接收和发射，以减少干扰的影响，适应通讯环境的变化；

数字信号处理模块用于对自适应信号处理模块处理后的信号进行进一步的干扰测向和开环调零，它可以应用各种信号处理算法，例如空间滤波、自适应阵列处理。

实施例二

如图1所示，本实施例提供一种如实施例一中的应用于飞行器的抗干扰阵列天线的控制方法，它包括：

步骤S1、通过智能信号处理单元的干扰检测模块实时监测和分析天线阵列接收的信号中的干扰信号。

步骤S2、由智能信号处理单元的自适应信号处理模块根据干扰检测模块的输出结果，采用稀疏阵列的自适应抗干扰算法对接收到的信号进行动态处理和优化，与传统阵列结构相比，此阵列结构能够利用虚拟变换的方法，获得更多的虚拟阵元，从而扩展阵列的自由度，增大阵列孔径，然后根据干扰特征调整天线阵列的辐射功率、相位和方向。

本步骤中，采用稀疏阵列的自适应抗干扰算法对接收到的信号进行动态处理和优化具体包括如下步骤：

步骤S21、确定迭代的初始权值W[1]；

步骤S22、计算天线阵列输出信号x(k)＝A

步骤S23、抽取f

步骤S24、利用二维空间平滑的方法，去除

步骤S25、根据步长u以及协方差矩阵

对各个子阵输出的协方差矩阵求和取平均得到

其中，M

取

其中，u是自适应抗干扰算法的迭代步长，W[K]是适应权值；

步骤S26、重复步骤S22～步骤S25，直至完成选代。

步骤S3、由智能信号处理单元的数字信号处理模块对自适应信号处理模块处理后的信号进行干扰测向和开环调零，数字信号处理模块由FPGA芯片和DSP芯片构成。

调零处理器的干扰测向模块和开环权值计算模块在DSP芯片中实现，程序模块结构如图3所示。其中，Main.a是主函数模块，实现包括FPGA传输的定点权值转化为浮点权值，调用其它函数模块，控制DSP整体工程逻辑等功能；ReturnAngle.a是闭环测向函数模块，输入参数为闭环调零浮点权值，输出干扰俯仰方位角度；Weight.a是开环权值计算函数，输入参数是干扰俯仰方位角度，计算开环凋零权并转化为相应的波束网络衰减相移值，来处理对模拟波束形成网络进行权值加载。

步骤S4、经过智能信号处理单元抗干扰处理后的单路射频信号，再通过功分器输出N路射频信号，其中N≥2；同时智能信号处理单元输出串口数据，包括但不限于RS232和RS422。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。