基于可重构稀疏阵列波束形成的抗干扰方法研究

In this project, we propose a novel strategy that employs reconfigurable sparse array beamforming by antenna selection in order to enhance the modern electronic systems’ interference mitigation performance and reduce the systems’ complexity and cost. Essentially, our proposed strategy considers the array configuration as a designate degree of freedom in the receiver design. First, we analytically characterize the effect of array configurations on adaptive beamforming in the general case of multiple desired sources and interferences. The relationship among the array configuration, the output signal-to-interference-plus-noise ratio and the synthesized beampattern is expressed in the form of closed formulas. Second, we explore global optimization techniques, such as branch and bound, difference of convex functions programming and submodular function based greedy search to list a few, to solve the combinatorial antenna selection problem both effectively and efficiently. Third, as our project aims at increasing the immune capability of practical electronic systems against the unwanted interfering signals, the problem of optimum sparse array design has to take the inevitable robustness issue into account. It is believed that the proposed project will provide a completely new theoretical foundation for sparse array adaptive beamforming and pave the road for the modern anti-jamming receiver design.

本项目拟提出可重构稀疏阵列波束形成的设计方法，以加强现代电子系统的抗干扰能力，并满足其小型化和轻型化的实际应用需求。该项目充分利用阵列结构作为设计自由度，通过射频开关进行天线选择实现不同电磁环境下的自适应阵列可重构。首先，定量地分析天线阵列结构对自适应波束形成性能的影响。天线布阵方式、阵列输出信干噪比以及合成方向图三者之间的关系通过闭环表达式表示出来，为阵列重构建立数学模型。然后，从全局优化理论出发，探索诸如分枝界限法、凸函数差编程、基于次模函数的贪婪搜索等优化算法以快速有效地实现天线选择。最后，本项目还将考虑稀疏阵列结构的稳健性，用以提高接收机在实际应用过程中存在不可避免的失配误差时的抗干扰能力。本项目的研究与开展为提高电子系统的抗干扰能力提供基础理论的支撑，为稀疏阵列波束形成的抗干扰研究提供有力的理论和方法。

日益复杂的电磁环境使得无线电设备接收到的信号不可避免地受到各种电磁干扰的影响，从而无法正常工作。为了恢复干净的目标信号，无线电接收机需要进行滤波处理从而滤除噪声和干扰。阵列信号处理在空域上进行滤波，是有效对抗各种不同形式干扰的关键技术。传统的阵列信号处理技术通常采用固定的均匀阵列，侧重于研发和改进滤波算法，忽略了阵列结构所扮演的重要角色。在固定天线数目的前提下，天线阵列抗干扰的性能因组阵方式的不同而异。因此，在不同的电磁环境下，自适应地重构天线布阵方式以改善干扰抑制性能是值得研究的重要课题。..本项目提出可重构稀疏阵列波束形成的设计方法，以加强无线电设备的抗干扰能力和稳健性能，并满足其小型化和轻型化的实际应用需求。该项目充分利用阵列结构作为设计自由度，通过射频开关进行天线选择实现不同电磁环境下的自适应阵列可重构。首先，定量地分析天线阵列结构对自适应波束形成性能的影响。天线布阵方式、阵列输出信干噪比以及合成方向图三者之间的关系通过闭环表达式表示出来，为阵列重构建立数学模型。然后，从全局优化理论出发，探索诸如分枝界限法、凸函数差编程、基于次模函数的贪婪搜索等优化算法以快速有效地实现天线选择。最后，本项目还将考虑稀疏阵列结构的稳健性，用以提高接收机在实际应用过程中存在不可避免的失配误差时的抗干扰能力。..上述成果均以论文和专利的形式发表，其中发表论文25篇，包括SCI期刊论文7篇，会议论文18篇。这些成果都得到了本项目的资助，且全部将该项目号列为第一标注。申请中国发明专利7项，已授权4项，申请美国专利1项，已公开。项目组成员参加国内学术会议2次，国际学术会议5次，并做口头报告，邀请专家来校交流4人次。在该项目的资助下，培养博士研究生3名，硕士研究生4名。..本项目的研究与开展为提高现代电子系统的抗干扰能力提供基础理论的支撑，其切合理论与应用双重需求，并为后续稀疏阵列波束形成的抗干扰研究提供有力的理论和方法。