高速率深空通信中天線組陣關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、近年來(lái),隨著人類對(duì)電磁波傳播理論的深入研究,以及對(duì)深空探測(cè)活動(dòng)的不斷探索,天線組陣技術(shù)由于其低成本、高性能、高可靠性以及高靈活度等諸多優(yōu)點(diǎn),受到了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注,在高速率深空通信中具有良好的應(yīng)用前景。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外天線組陣研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)后,分析了在高速率深空通信中實(shí)現(xiàn)天線組陣的關(guān)鍵難點(diǎn);針對(duì)其通信頻帶內(nèi)的相位特性,研究了子頻帶分割與接收信號(hào)重建技術(shù);并在進(jìn)一步完善了經(jīng)典相關(guān)算法理論體系后,提出了新的高性能自適應(yīng)相關(guān)算法;最終設(shè)計(jì)出

2、了適用于高速率深空通信的天線組陣仿真系統(tǒng);另一方面,針對(duì)可用于天線組陣原理樣機(jī)的功分器與阻抗變換器進(jìn)行了深入研究。本文所取得的主要研究成果為如下:
　　1.在高速率深空通信中實(shí)現(xiàn)天線組陣的關(guān)鍵難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析、推導(dǎo)與研究,得出了本課題中所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題與技術(shù)難點(diǎn)主要包括:在極低接收信噪比條件下快速、準(zhǔn)確的獲得各接收信號(hào)間的相位關(guān)系;消除在通信頻帶內(nèi)上述相位值分布的2π模糊現(xiàn)象,及其引起的時(shí)延計(jì)算值錯(cuò)誤;降低由時(shí)延校正殘余量帶

3、來(lái)的頻帶內(nèi)相位滑動(dòng)現(xiàn)象,及其導(dǎo)致的信號(hào)間相關(guān)性下降。
　　2.子頻帶分割與接收信號(hào)重建技術(shù)在天線組陣中的應(yīng)用。針對(duì)天線組陣中高速率寬帶信號(hào)合成面臨的2π模糊和相位滑動(dòng)現(xiàn)象,論述了子頻帶分割技術(shù)在天線組陣中的應(yīng)用原理,通過(guò)理論分析與推導(dǎo)得出了不同條件下滿足信號(hào)合成要求所需的子頻帶數(shù)目,并提出了相應(yīng)子頻帶分割方法所能實(shí)現(xiàn)的時(shí)延差校正范圍。然后,將多相濾波器組信道器應(yīng)用于對(duì)接收信號(hào)的分割與重建中,設(shè)計(jì)了可重建的512路信道分解器與合成器

4、,實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)頻譜信號(hào)進(jìn)行有效的頻帶分割與重建,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同子頻帶數(shù)目下對(duì)于QPSK調(diào)制信號(hào)的重建誤差以及對(duì)子頻帶相位信息完成解卷繞后系統(tǒng)的時(shí)延差校正能力。
　　3.經(jīng)典相關(guān)算法理論體系的完善。首先,推導(dǎo)出了Matrix-Free算法的合成性能估算公式,并與文獻(xiàn)中 SUMPLE算法的合成性能估算公式做對(duì)比,得出Matrix-Free算法在相同條件下的合成損失低于SUMPLE算法。然后,通過(guò)引入天線陣接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣

5、,推導(dǎo)出了SUMPLE算法收斂速率的依賴關(guān)系,得出在相同條件下SUMPLE算法比Matrix-Free算法擁有更快的收斂速度。
　　4.高性能相關(guān)算法的研究。首先,通過(guò)分析 Matrix-Free算法和SUMPLE算法在運(yùn)行過(guò)程中權(quán)值更新量方差的特性,找到了其隨迭代計(jì)算過(guò)程運(yùn)行的變化趨勢(shì),并給出了兩種算法的權(quán)值更新量方差的估計(jì)方法。然后,通過(guò)引入 Sigmoid函數(shù),以權(quán)值更新量方差作為引導(dǎo)參數(shù),提出了一種高性能的自適應(yīng)相關(guān)算法。

6、在不增加運(yùn)算空間復(fù)雜度的情況下,SVS-MF算法具有與Matrix-Free算法接近的合成效率以及與SUMPLE算法接近的收斂速度,從而具有最優(yōu)的綜合性能。
　　5.參數(shù)化天線組陣技術(shù)仿真系統(tǒng)的研究。提出了適用于高速率深空通信中天線組陣技術(shù)的信號(hào)合成方案,并基于SVS-MF相關(guān)算法以及子頻帶分割與重建技術(shù)設(shè)計(jì)了參數(shù)靈活可調(diào)的天線組陣仿真系統(tǒng)。在進(jìn)行了大量仿真試驗(yàn)后得出,通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)平均間隔,仿真系統(tǒng)可以針對(duì)不同的組陣形式在極