基于均匀圆阵的DOA估计算法研究

论文摘要

阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要分支,其最主要的两个研究方向是自适应空域滤波（自适应阵列处理）和空间谱估计。在空间谱估计研究中,利用均匀圆阵列天线（UCA）进行到达角估计在军用及民用方面具有广泛的应用前景。因此本文研究宽、窄带信源模型下的UCA测向算法具有一定的理论和实际意义。由于均匀线阵（ULA）的DOA估计算法是研究UCA的基础,所以本文在对均匀圆阵（UCA）进行空间谱估计算法研究之前,首先研究了ULA的DOA估计算法,然后研究UCA的窄带信号和宽带信号DOA的估计性能,并将ULA和UCA的算法性能进行了详细比较。本文的主要内容是:1.首先介绍阵列信号处理的基本信号模型和各接收基阵的数据模型,简单介绍了DOA估计的传统方法。2.作为讨论均匀圆阵（UCA）的基础,本文研究分析了均匀线阵（ULA）对DOA估计中的经典算法（MUSIC算法和ESPRIT算法）,并进行了仿真和性能比较。3.研究窄带信号均匀圆阵（UCA）一维和二维的DOA估计方法,重点介绍了相位模式激励的UCA测向算法,同时介绍了利用酉变换的UCA测向快速算法。从理论分析和计算机仿真两个角度对窄带信号UCA测向算法进行了深入探讨。4.在以上研究均匀圆阵对窄带信号处理的基础上,文章最后部分重点研究了均匀圆阵对宽带信号的DOA估计,主要研究了两类算法:基于相干信号子空间（CSM）类算法和宽带信号子空间空间谱估计（BASS-ALE）算法。由于宽带信号CSM类算法应用于均匀圆阵时,模式空间转换将导致聚焦变换矩阵的维数随频率变化而变化,不能直接聚焦,因此本文对模式空间转换进行了改进,并基于CSM类算法提出了一种宽带信号均匀圆阵测向新方法。该方法利用聚集变换消除VULA阵列流形中的频率依赖性并进行能量积累,最终实现宽带信号测向。计算机仿真表明了新方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究历史和发展现状
• 1.2.1 空间谱估计技术的研究历史和发展现状
• 1.2.2 UCA 测向算法研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 阵列信号处理基本阵列模型及传统方法
• 2.1 接收基阵模型
• 2.1.1 任意离散阵
• 2.1.2 均匀线阵（ULA）
• 2.1.3 均匀圆弧阵
• 2.1.4 均匀圆阵（UCA）
• 2.2 加性噪声模型
• 2.3 窄带信号模型
• 2.4 宽带信号模型
• 2.5 DOA 估计的传统方法
• 2.5.1 波束形成法
• 2.5.2 Capon 最小方差法
• 2.5.3 最大似然法
• 2.5.4 子空间法
• 2.6 本章小节
• 第三章 均匀圆阵窄带信号 DOA 算法估计及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 均匀线阵DOA 算法估计
• 3.2.1 多重信号分类（MUSIC）算法
• 3.2.1.1 经典MUSIC 算法
• 3.2.1.2 求根MUSIC 算法
• 3.2.2 旋转不变子空间算法
• 3.2.2.1 旋转不变子空间算法原理
• 3.2.2.2 最小二乘法（LS-ESPRIT 算法）
• 3.2.3 均匀线阵对窄带信号的DOA 仿真和结果分析
• 3.3 均匀圆阵的DOA 算法估计
• 3.3.1 UCA 的数学模型
• 3.3.2 利用相位模式激励的UCA 测向
• 3.3.2.1 UCA 的相位模式激励
• 3.3.2.2 UCA 阵元域到实值波束域的变换
• 3.3.2.3 均匀圆阵二维ESPRIT 算法
• 3.3.3 均匀圆阵二维酉（unitary）MUSIC 算法
• 3.3.4 均匀圆阵DOA 仿真和结果分析
• 3.3.4.1 均匀圆阵一维测向算法仿真
• 3.3.4.2 均匀圆阵二维测向算法仿真
• 3.4 本章小节
• 第四章 均匀圆阵宽带信号DOA 估计算法和仿真
• 4.1 引言
• 4.2 宽带CSM 类聚焦矩阵法
• 4.2.1 双边相关变换（TCT）算法
• 4.2.2 CSM 类聚焦算法框架
• 4.2.3 均匀圆阵模式空间下的宽带信号DOA 估计
• 4.2.3.1 宽带信号UCA 模型
• 4.2.3.2 模式空间下虚拟阵列模型
• 4.2.3.3 模式空间下的双边聚集变换
• 4.2.3.4 算法步骤
• 4.2.4 仿真实验
• 4.3 宽带信号子空间空间谱估计（BASS-ALE）算法
• 4.3.1 BASS-ALE 算法描述
• 4.3.2 仿真实验
• 4.4 本章小节
• 第五章 全文总结和工作展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文