宽带信号DOA估计算法研究

论文摘要

阵列信号处理作为信号分析和处理的一个重要手段,在雷达、声纳、地震学以及扩频通信等领域中,波达方向(DOA)估计越来越受到关注。随着通信技术的发展,跳频信号、扩频信号、线性调频信号等宽带信号在通信系统中的应用越来越多；另外,在自然界中还有许多信号本质上就属于宽带信号,如声音信号、地震波等。因此,对宽带信号测向算法研究就显得尤为重要。本文首先介绍了一些关于宽带测向的基础知识。然后将常用的宽带测向算法加以介绍。宽带信号的DOA估计,大概可以分为两类：基于最大似然的宽带测向算法和信号子空间算法。在高斯噪声假定下,基于最大似然的宽带测向算法是最优的,但代价函数的优化是个很难处理的问题,文中介绍了几种优化算法。而信号子空间方法则是一类相对比较有效的算法,目前运用较多的是非相干信号子空间法(ISM)和相干信号子空间法(CSM)。ISM方法能较好的估计出宽带非相干信号的波达方向,但不能处理相干的宽带信号源。CSM法具有较好的估计精度,较低的分辨门限,而且聚焦变换相当于频域平滑,使得CSM方法能够分辨相干源。但是该方法要求有一个初始方向估计和预选的聚焦频率来确定聚焦矩阵,易受信号的影响。文中也介绍了一种改进ISM算法,它能较好的估计出相干信号的波达方向。介绍CSM算法时,着重讨论了聚焦矩阵。最后本文着重研究了低信噪比情况下的宽带测向。低信噪比情况是一种比较常见的情况,这时目标所处环境的信噪比很低且不可能提高或提高所付出的代价会很大,而且原有算法的分辨率不是很高了(存在一个瑞利角分辨极限)。因此需要提出新的算法,能够适应这种特定的环境。文中总结并创新式地提出了几种方法,具有一定的理论及实际意义。文中对每种算法进行实验仿真和性能分析,验证了算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究历史及现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 宽带测向算法理论基础
• 2.1 宽带信号的DOA估计
• 2.2 宽带信号DOA估计的数学模型
• 2.2.1 阵列模型
• 2.2.2 噪声模型
• 2.2.3 接收的信号模型
• 2.3 影响DOA估计结果的因素
• 2.4 评价DOA估计性能的参数
• 2.5 宽带测向算法概述
• 2.6 本章小结
• 第3章 经典的宽带测向算法
• 3.1 基于最大似然的宽带测向算法
• 3.1.1 宽带最大似然估计子
• 3.1.2 代价函数的优化
• 3.1.3 算法的具体步骤
• 3.1.4 实验结果分析
• 3.2 非相干的信号子空间算法
• 3.2.1 ISM算法原理
• 3.2.2 改进的ISM算法
• 3.2.3 实验结果分析
• 3.3 相干的信号子空间算法
• 3.3.1 CSM算法原理
• 3.3.2 解相干的实质
• 3.3.3 CSM算法具体步骤
• 3.3.4 实验结果分析
• 3.4 聚焦矩阵的构造
• 3.4.1 最佳聚焦矩阵的构造准则
• 3.4.2 最佳聚焦频率的选择
• 3.4.3 非酉聚焦矩阵
• 3.4.4 几种经典的聚焦矩阵的构造
• 3.5 本章小结
• 第4章 低信噪比情况下的宽带测向算法
• 4.1 预处理法
• 4.1.1 噪声的抑制原理
• 4.1.2 实验结果分析
• 4.2 改进的TCT算法
• 4.2.1 新算法的算法原理
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 基于四阶累计量的宽带测向算法
• 4.3.1 四阶累计量的定义及性质
• 4.3.2 基于四阶累计量的噪声抑制原理
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢