雷电信号的二维DOA测向方法研究

论文摘要

雷电是严重的自然灾害之一,为了实现雷电的精确定位与监测,获取高精度、高分辨率的来波方向显得尤为重要。利用空间谱估计技术实现波达方向(DOA, Direction of Arrival)估计是测向领域的前沿技术,为了研究阵列空间谱估计测向技术在雷电定位监测系统的应用,合理评估真实环境下的测向性能,论文研究了虚拟雷电信号环境下二维DOA测向的相关技术。为了实现虚拟雷电信号的DOA估计,论文利用阵列空间谱估计测向技术,研究了雷电方位探测中实数多重信号分类(MUSIC, Multiple Signal Classical)算法的信号建模、实现方案、仿真方法及其测向性能分析。通过理论研究与仿真分析,得出了实用的结论。具体研究内容如下:(1)仿真实现了理想复信号条件下MUSIC算法的二维阵列测向,比较了多种信号源个数估计准则和谱峰搜索方法的性能。在此基础上,通过理论推导和仿真验证,确定了实信号条件下的二维阵列MUSIC算法的实现方案;(2)根据雷电信号与实际接收系统的特点,研究了雷电信号源与实际多通道接收信道的建模与仿真,包括射频前端接收模块、预处理模块和MUSIC算法模块等的建模,以及虚拟雷电信号模型的信号源和阵列接收信道的时延仿真建模;(3)仿真实现了实信号条件下的二维阵列MUSIC算法,得到了虚拟雷电信号的DOA估计值与三维显示图,为雷电定位系统中DOA估计实现方案的确定提供理论依据;(4)从理论分析和计算机仿真两方面研究了阵列结构、接收信号特征和阵列幅相误差对DOA估计性能的影响,包括阵元数目、半径、接收信号的信噪比、快拍数、来波信号源的角度间隔,方位角和俯仰角的来波方向、信号源频域频谱的对称性及带宽和阵列幅度增益与相位误差等,为改善系统测向性能提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 论文相关技术的发展及研究现状
• 1.3 本文的研究内容及工作安排
• 2 理想信号模型下的MUSIC 算法研究
• 2.1 概述
• 2.2 复信号接收模型
• 2.3 二维平面阵列的测向模型
• 2.4 MUSIC 算法的基本原理
• 2.5 基本二维圆阵的MUSIC 算法仿真
• 2.6 小结
• 3 雷电信号的二维DOA 估计方法研究
• 3.1 概述
• 3.2 雷电信号特征
• 3.3 实信号MUSIC 算法的理论分析
• 3.4 雷电信号的DOA 估计测向流程
• 3.5 雷电信号的DOA 估计仿真实现
• 3.6 小结
• 4 阵列测向性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 阵列测向性能的理论分析
• 4.3 阵列结构对测向性能的影响
• 4.4 信号特征对测向性能的影响
• 4.5 阵列幅相误差对测向性能的影响
• 4.6 小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献