Робастная широкополосная адаптивная фазировка для планарных решёток с настраиваемыми нулями в условиях высокой динамики

Почему важно блокировать нежелательные сигналы

Современные технологии — такие как спутниковая навигация, беспроводная связь, радиолокация и гидролокация — зависят от чувствительных антенн, улавливающих весьма слабые сигналы с большого расстояния. При этом эти системы работают в перенасыщенной радиосреде, где мощные помехи легко подавляют полезные сигналы. Когда платформа приёма или источник помех быстро движутся, нежелательные сигналы проскальзывают через поле зрения антенны столь быстро, что традиционные методы уже не успевают их отслеживать. В этой работе предложен новый подход для планарных антенных решёток, позволяющий вырезать широкие, точно сформированные «тихие зоны» в направлениях движущихся помех, сохраняя при этом чувствительность к желаемому сигналу.

Слушать одновременно многими «ушами»

Метод опирается на пространственно‑временную адаптивную обработку — подход, в котором сетка антенных элементов (планарная решётка) сочетается с цифровыми фильтрами во временной области. Вместо поодиночного рассмотрения каждой антенны система анализирует все элементы и временные отсчёты вместе, формируя крупную ковариационную матрицу, описывающую взаимосвязи сигналов и шума по пространству и времени. Решая соответствующую математическую задачу оптимизации, вычисляют набор весов, который делает решётку очень чувствительной в направлении желаемого источника и формирует глубокие «нули» в направлениях помех. Для стационарных заградителей это даёт крайне узкие «тёмные» вырезы, эффективно их подавляющие.

Почему быстро движущиеся помехи ломают старые методы

На практике сильные помехи, однако, не стоят на месте. Например, заградитель может двигаться относительно антенны спутниковой навигации, или радиолокационная платформа прокручивает зону обзора. В таких ситуациях узкий нуль уже не успевает следовать за помехой, поскольку обновление адаптивных весов требует времени. Исследователи пытались исправить это, целенаправленно расширяя нули, чтобы покрыть диапазон возможных направлений вместо одной точки. Ранние подходы, однако, либо требовали специальных априорных сведений о направлении помехи, работали только для одномерных линейных решёток, либо заставляли нули быть симметричными и одинаковой ширины во всех направлениях. Такая симметрия расходует ценный ресурс — степени свободы — и может неоправданно ухудшать полезный сигнал.

Формирование широких и несимметричных тихих зон

Авторы предлагают новую стратегию, адаптированную для двумерных планарных решёток, которая позволяет формировать нули с шириной и формой, настраиваемыми независимо по горизонтали (азимуту) и вертикали (углу места). Ключевая идея — «посеять» вокруг каждой реальной помехи искусственное облако виртуальных заградителей, распределённых по треугольному вероятностному закону, обозначаемому здесь как симпсоновское статистическое распределение. Это распределение может быть скошенным, так что виртуальные помехи концентрируются плотнее с одной стороны, что естественным образом приводит к асимметричному расширению. Из этого облака команда выводит аналитическую матрицу спадов (taper), которая аккуратно искажает ковариационную матрицу, эффективно «размазывая» каждую реальную помеху в более широкую, управляемую область в угловом пространстве без необходимости итерационной оптимизации.

Нацеливание на каждую помеху по‑отдельности

Поскольку разные помехи могут двигаться по‑разному, метод не обращается с ними одинаково. С помощью разложения ковариационной матрицы по собственным значениям алгоритм разделяет общее пространство сигналов на компоненты, связанные с каждой помехой. Для каждой из них строится собственный taper с индивидуальными параметрами расширения, затем восстанавливается модифицированная ковариационная матрица, кодирующая эти кастомные тихие зоны. Специально сконструированный бимформер обеспечивает, чтобы по полной полосе сигнала полезный сигнал проходил с плоской амплитудной характеристикой, что критично для точных фазовых и временных измерений в системах вроде приёмников глобальной навигации. Авторы также добавляют небольшой стабилизирующий член, чтобы такая гибкая формировка не дестабилизировала боковые лепестки.

Что показывают моделирования на практике

Обширные моделирования с крупной планарной решёткой демонстрируют несколько практических преимуществ. Во‑первых, метод может расширять нуль вокруг одной помехи в заданном направлении, сохраняя при этом резкое подавление других помех, что показывает тонкое управление. Во‑вторых, он позволяет задавать разные асимметрии и ширины для разных помех, точно соответствуя их движению и экономя многие степени свободы по сравнению с обычным «затемнением» ковариационной матрицы. В‑третьих, такие показатели, как выходное отношение сигнал/помеха+шум остаются высокими даже когда помеха проходит через расширенный сектор и когда решётка страдает от реалистичных ошибок моделирования. По сравнению с традиционными методами предлагаемый бимформер лучше сохраняет усиление в направлении желаемой цели, особенно когда сильная помеха находится близко к основному лепестку. Всё это достигается при по существу той же вычислительной стоимости, что и стандартные подходы.

Чёткие сигналы в переполненном небе

Проще говоря, эта работа даёт планарным антенным решёткам более гибкий инструмент, чтобы «отводить взгляд» от помех, оставаясь при этом «смотрящими прямо» на полезный сигнал. За счёт аккуратного формирования широких, несимметричных тихих зон в направлениях, по которым помехи склонны блуждать, метод защищает системы навигации, радиолокации, гидролокации и связи в быстро меняющихся условиях без требования дополнительной вычислительной мощности. В результате обеспечивается более надёжное приёмо-сигналов с информацией даже тогда, когда мощные подвижные заградители пытаются их заглушить.

Цитирование: Hao, F., Yu, B., Cong, Z. et al. Robust broadband adaptive beamforming for planar arrays with tunable nulls in high-dynamic scenario. Sci Rep 16, 8131 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39479-3

Ключевые слова: адаптивная фазировка, планарные антенные решётки, подавление помех, пространственно-временная обработка, спутниковая навигация