基于阵列单通道接收机的测向算法研究

论文摘要

波达方向估计（Direction of Arrival）是阵列信号处理领域中重要的研究方向，该项技术在雷达、地震、通信、声呐等方面都有着十分广泛的应用前景。超分辨阵列理论研究一直相当活跃，一般采用多通道接收机系统获得阵列协方差矩阵就可以实现超分辨测向。基于多通道接收机系统的空间谱估计方法在实际中取得了良好的效果，可是随着阵元数目的增加，接收机的数目也随之增加，系统硬件的造价无疑也会变得更加昂贵，因此急需一种技术能够克服以上缺点。单通道接收机系统应运而生，由于其只有一个接收机，在系统价格和复杂性方面具有显著的优势。关于单通道接收机测向算法的研究，公开发表的文献很少。本文深入研究了基于阵列单通道接收机的数据协方差矩阵恢复方法，建立适当的空间谱估计数学模型，给出了基于阵列单通道接收机轮采技术的高分辨测向方法和利用遗传算法优化阵列天线的单通道接收机测向，所作的主要工作概括如下：1．概要地介绍了阵列单通道测向算法的基础知识，建立了阵列信号模型，分析了经典MUSIC算法的原理，进行了计算机模拟仿真结果，给出了单通道接收机的高分辨测向原理。2．着重介绍了阵列单通道接收机测向算法的数据协方差矩阵R恢复关键技术，给出了随机权恢复方法和特定权恢复方法，仿真实验表明基于各种重构输出协方差矩阵R技术测向取得了比较理想的结果。3．研究了基于均匀直线阵的单通道解相干处理技术，完成了存在相干信号源时对单通道接收机超分辨估计仍然具有较好效果的仿真，显示了空间平滑算法在单通道空间谱估计测向中的正确性和可行性。4．研究了一种基于单通道轮流采样技术的高分辨测向算法，采用一个接收通道，轮流对各个天线终端进行采样，并且建立了相应的数学模型，结合传统空间谱估计的方法，仿真实验证明了此方法是有效的。给出了一种改进单通道接收机波达方向估计的超分辨解决方案，通过对天线阵列实施虚拟变换，将实际的传感器阵列扩展成多个具有不同阵列孔径的虚拟阵列，有效地增加了阵元数目，提高了阵列的解相干能力，通过理论分析和仿真实验验证了该方法的有效性和优良性。5．研究了基于遗传算法优化阵列天线阵元的单通道测向算法。通过优化使得阵元数减少，优化天线阵元的位置，从而单通道接收机不需要和每个阵列天线阵元相接通，进而减少了运算量，提高了信号处理的实时性。对单通道接收机测向算法而言，运算时间得到了明显的降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究的历史和现状
• 1.3 论文的主要工作和章节安排
• 第二章 阵列单通道接收机测向算法基础知识
• 2.1 引言
• 2.2 阵列信号的数学模型
• 2.2.1 接收阵元的数学模型
• 2.2.2 窄带信号的数学模型
• 2.2.3 宽带信号的数学模型
• 2.2.4 加性噪声的数学模型
• 2.2.5 相干信号模型
• 2.3 MUSIC算法
• 2.3.1 MUSIC算法描述
• 2.3.2 MUSIC算法仿真分析
• 2.4 单通道接收机协方差矩阵问题描述
• 2.5 小结
• 第三章 单通道接收机随机权恢复方法测向研究
• 3.1 现有单通道协方差矩阵恢复方法模型建立
• 3.1.1 微扰权方法
• 3.1.2 相移特定权方法
• 3.2 随机权恢复方法模型的建立
• 3.2.1 基于均匀直线阵列的随机权恢复方法
• 3.2.2 基于稀布阵列的协方差矩阵恢复
• 3.2.3 各种单通道协方差矩阵恢复方法的条件比较
• 3.3 模拟仿真实验
• 3.4 小结
• 第四章 单通道接收机特定权恢复方法测向研究
• 4.1 两种特定权恢复方法的测向原理
• 4.1.1 等差特定权恢复方法描述
• 4.1.2 开关特定权恢复方法描述
• 4.2 基于均匀线阵的单通道解相干技术
• 4.2.1 空间平滑技术
• 4.2.2 前/后向空间平滑算法
• 4.3 仿真实验及比较分析
• 4.4 小结
• 第五章 基于阵列单通道接收机轮采技术的高分辨测向新方法
• 5.1 轮采技术的单通道接收机测向模型
• 5.2 单通道接收机高分辨波达方向估计的实现
• 5.3 仿真实验及分析
• 5.4 基于虚拟阵列变换的单通道接收机测向
• 5.4.1 虚拟阵列变换方法
• 5.4.2 仿真实验与分析
• 5.5 小结
• 第六章 基于遗传算法优化阵列单通道的测向方法
• 6.1 遗传算法原理概述
• 6.1.1 遗传算法的定义、产生和发展
• 6.1.2 遗传算法的基本知识、基本原理和特点
• 6.2 基本遗传算法SGA
• 6.2.1 基本遗传算法的构成要素
• 6.2.2 基本遗传算法描述
• 6.3 遗传算法优化阵列单通道的设置安排
• 6.3.1 优化思想
• 6.3.2 遗传算法的设置
• 6.3.3 计算机仿真实验
• 6.4 小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢