二维高分辨测向算法研究

论文摘要

采用阵列信号处理进行高分辨测向是近几十年来兴起的空域信号处理技术,在电子侦察、通信、医学等领域有着广泛应用。本文在总结高分辨测向技术研究现状和主要算法的基础上,针对子空间类二维DOA估计算法和相干信源的二维DOA估计技术进行了深入研究,给出了一种有效的二维高分辨测向系统方案。本文主要研究工作如下:在理想的物理环境假设下,给出了不同信源条件下DOA估计的数学模型和常用阵列的方向矩阵。基于信息论准则进行了信源数目估计,以便于子空间类算法中信号子空间与噪声子空间的判定。鉴于MUSIC算法和ESPRIT算法在二维DOA估计上的广泛应用,本文对这两种算法进行了详细的理论分析和仿真比较,并选择了更具稳健性和实用性的MUSIC算法作为研究重点。针对MUSIC算法测向性能受物理阵元限制的问题,提出了基于虚拟阵列扩展的测向算法,将MUSIC算法由二阶矩推广到高阶累积量,使得可分辨信源数大于阵元数,并且有效抑制了高斯噪声的影响,提高了阵列分辨率。针对传统MUSIC算法对相干信源估计失效的问题,研究了基于均匀线阵的MMUSIC算法,并通过仿真验证了该算法对相干信源的有效估计能力。对于均匀圆阵,首先在模式空间下将其转换为虚拟均匀线阵,然后应用MMUSIC算法实现了解相干,但该方法只能进行一维的方位角估计。为解决此问题,本文进一步提出了平滑移动的解相干算法,很好的解决了相干源的二维DOA估计问题,对均匀线阵和均匀圆阵均适用。在对上述算法进行深入分析的基础上,本文最后给出了一种满足课题指标的二维高分辨测向系统方案,将信源数目估计,信源相干性、阵列布局、虚拟阵列扩展和测向算法性能考虑在内,仿真得到了系统的最优DOA估计性能。

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 高分辨空间谱估计技术的发展
• 1.3 本文的主要内容及结构
• 第2章 DOA估计的理论基础
• 2.1 阵列测向数学模型
• 2.1.1 一般情况下数学模型
• 2.1.2 相干信号源数学模型
• 2.1.3 宽带信号源数学模型
• 2.2 常用阵列模型
• 2.2.1 任意立体阵
• 2.2.2 均匀线阵
• 2.2.3 十字交叉阵
• 2.2.4 均匀圆阵
• 2.3 信源数目估计方法
• 2.4 高阶累积量的定义及性质
• 2.5 本章小结
• 第3章 子空间类二维DOA估计
• 3.1 二维MUSIC算法
• 3.1.1 MUSIC算法基本原理
• 3.1.2 仿真实验及分析
• 3.1.3 不同阵列模型下性能分析
• 3.2 二维ESPRIT算法
• 3.2.1 常规ESPRIT算法
• 3.2.2 UCA-ESPRIT算法
• 3.2.3 ESPRIT算法与MUSIC算法性能比较
• 3.3 基于高阶累积量的MUSIC算法
• 3.3.1 基于高阶累积量的虚拟阵列扩展
• 3.3.2 基于四阶累积量的MUSIC算法
• 3.3.3 仿真实验及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 相干信源二维DOA估计
• 4.1 修正MUSIC算法
• 4.1.1 MMUSIC算法
• 4.1.2 仿真实验及分析
• 4.2 基于UCA模式空间的MMUSIC算法
• 4.2.1 模式空间下的虚拟线阵形成
• 4.2.2 模式空间MMUSIC算法
• 4.2.3 仿真实验及分析
• 4.3 基于UCA的阵列移动平滑解相干算法
• 4.3.1 移动平滑算法原理
• 4.3.2 仿真实验及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 一种二维高分辨测向系统方案
• 5.1 二维测向系统方案
• 5.2 系统方案仿真性能分析
• 5.3 有待研究的问题
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢