宽带电磁场矢量天线阵技术及测向算法研究

论文摘要

电磁场矢量天线阵由于其优越的系统性能在阵列信号处理领域得到了广泛的研究,本文以分布式电磁场矢量天线阵（DEMCA）作为研究对象,对其进行了系统的理论研究,并在暗室中实现了基于此阵列的测向试验。DEMCA由空间分布的电场和磁场分量传感器组成,其分量传感器对不同极化的入射信号响应不同。本文首先从测向算法和系统性能两方面对分布式电磁场矢量天线阵进行了研究。测向算法方面,重点研究了多重信号分类（MUSIC）测向算法在DEMCA中的运用,同时对常规波束形成算法（CBF）及最小方差测向算法（MVM）在模型中的运用也进行了分析;最后提出一种高阶累积量类-旋转不变子空间（ESPRIT）测向算法,通过计算机仿真试验对各个测向算法进行了比较和验证;在系统性能方面,推导了DEMCA阵列参量估计的克拉美-罗下限,在大样本的条件下对DEMCA同其它阵列在DOA及极化参数估计方面进行了比较;最后对DEMCA阵列同标量阵在DOA估计方面的区别进行了总结。然后对实际矢量阵测向系统中重要的阵列误差校正问题展开研究,就分布式电磁场矢量天线阵在不同误差情况下的校准问题给出了不同的校准方法。首先研究阵列流型的存储与内插校正方法,给出两种不同的内插算法;然后详细讨论了两种不同的有源校正算法在模型中的运用;紧接着给出一种适用于DEMCA的自校正算法;最后比较分析了各种校正算法的性能和适用范围,通过计算机仿真试验验证了各校正算法的有效性。接着详细介绍了基于六元分布式电磁场矢量天线阵的测向试验系统和试验过程,并给出了相应的试验结果,对前面的理论研究进行了验证。这次工程实践为矢量阵测向系统的进一步研究和工程研制提供了重要参考。本文最后推导了针对DEMCA的非相干信号子空间算法,将基于分布式矢量阵的测向算法推广到了宽带信号情况,拓展了矢量阵在军事和民用领域的应用前景。因此,在系统性能方面,分布式电磁场矢量天线阵由于其极化敏感性,它比传统的标量阵列更加优越;在系统实现方面,由于分量传感器之间的分布式结构,它比传统的矢量阵列更加容易实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究历史及发展现状
• 1.2.1 极化敏感阵列信号参量估计理论研究
• 1.2.2 极化敏感阵列系统工程实现
• 1.2.3 空间谱估计中的阵列误差校正研究
• 1.3 本文的主要内容和章节安排
• 第二章 分布式电磁场矢量天线阵理论研究
• 2.1 DEMCA 阵列窄带信号模型
• 2.2 DEMCA 阵列测向算法研究
• 2.2.1 基于DEMCA 阵列的MUSIC 测向算法
• 2.2.2 基于DEMCA 阵列的其它测向算法
• 2.2.3 基于DEMCA 阵列的高阶累积量类--ESPRIT 测向算法
• 2.2.4 不同测向算法小结
• 2.3 DEMCA 阵列模型性能分析
• 2.3.1 DEMCA 阵列参量估计的CRB 及MSAE
• 2.3.2 不同阵列性能比较
• 2.4 DEMCA 阵列同标量阵的比较
• 2.4.1 六元均匀DEMCA 阵列同六元均匀标量阵列的比较
• 2.4.2 DEMCA 阵列同标量阵列的比较总结
• 2.5 本章小结
• 第三章 DEMCA 阵列误差校正算法研究
• 3.1 阵列流型存储与内插校正算法
• 3.1.1 DEMCA 阵列内插算法原理与设计
• 3.1.2 一种改进的内插算法设计
• 3.2 DEMCA 阵列误差有源校正方法
• 3.2.1 辅助信源极化参数精确已知的有源误差校正算法
• 3.2.2 辅助信源极化参数未知的有源误差校正算法
• 3.3 DEMCA 阵列误差自校正方法
• 3.3.1 DEMCA 阵列误差自校正算法设计原理
• 3.3.2 计算机仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 DEMCA 阵列测向试验系统
• 4.1 单元天线的设计及特性
• 4.1.1 电偶极子的设计
• 4.1.2 磁环的设计
• 4.2 基于DEMCA 测向试验系统
• 4.2.1 测向系统的组成
• 4.2.2 测向体制及数据处理
• 4.3 本章小结
• 第五章 宽带DEMCA 阵列信号DOA 估计算法研究
• 5.1 非相干信号子空间（ISM）方法
• 5.1.1 宽带DEMCA 阵列信号接收模型
• 5.1.2 ISM 算法设计
• 5.2 计算机仿真实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果