基于特定非均匀线阵的测向算法设计与实现

论文摘要

DOA（Direction-of-arrival）估计是阵列信号处理中一个重要分支,在雷达、通信、声呐等领域有着广泛的应用。为避免测向的模糊,均匀线阵的阵元间距一般不大于接收信号波长的一半,阵元数一定时,天线孔径就被限定了。在卫星接收天线,高频地面雷达天线和射电天文中的干涉阵列等应用领域,测向有信源容量大,目标更新快的特点。测向阵列需要具有高分辨能力,且具有较大的天线孔径。非均匀线阵打破了均匀线阵孔径的约束,通过对阵元的合理配置可以以较少的阵元获得较高的天线孔径,从而使得阵列天线波束变窄,提高测角分辨力,能够更好的满足空间目标的测向需求。论文结合科研项目对特定非均匀线阵的测向问题进行了研究。首先,对给定的七元非均匀线阵进行了分析,研究了该线阵的方向图、分辨力、多信号区分能力等性能特点。其次,讨论分析了非均匀线阵的测向方案,通过比较确定了基于MUSIC算法的测向方案。通过仿真分析,确定了算法处理所需的阵列接收数据快拍数、谱峰搜索步长及数据处理类型。论文在深入分析了MUSIC算法特点的基础上,选择DSP处理平台对算法进行实现。在实现设计中,将复域MUSIC算法变换到实域以DSP处理器进行处理;根据MUSIC算法特点,对其从数据协方差矩阵计算、协方差矩阵特征分解、信号源数估计、谱峰搜索四个模块分别进行设计。通过优化降低各个模块的实现复杂度,提高算法实时性。最后总结各个模块的优化方法,得到整个MUSIC算法的优化实现方案。最后,对调试通过的处理算法在实际目标板上进行了测角精度和时间测试,测试结果表明论文提出并实现的设计方案满足课题指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 课题研究历史及现状
• 1.3 本论文主要工作
• 第二章 空间谱估计基本理论
• 2.1 空间谱估计数学模型
• 2.2 阵列模型二阶统计特性
• 2.3 空间谱估计基础知识
• 2.4 信号源数估计
• 2.5 MUSIC 算法
• 2.6 本章小结
• 第三章 非均匀线阵性能分析与测向方案
• 3.1 非均匀线阵
• 3.2 非均匀线阵性能分析
• 3.2.1 方向图、波束宽度及分辨力
• 3.2.2 多信号区分能力
• 3.2.3 非均匀线阵测向精度
• 3.2.4 非均匀线阵性能分析总结
• 3.3 非均匀线阵测向方案
• 3.3.1 MUSIC 算法参数选择
• 3.3.2 信号源数估计准则选择
• 3.3.3 数据类型选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 MUSIC 算法在DSP 处理器上的快速实现
• 4.1 协方差矩阵计算
• 4.2 特征值分解
• 4.2.1 复协方差矩阵变换到实矩阵求解
• 4.2.2 Jacobi 方法
• 4.2.3 QR 方法
• 4.2.4 Householder 预处理后的Jacobi 方法
• 4.2.5 三种方法的实测比较
• 4.3 信号源个数估计
• 4.4 谱峰搜索
• 4.4.1 功率谱计算
• 4.4.2 谱峰搜索
• 4.5 MUSIC 算法实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 MUSIC 算法调试与测试及结果分析
• 5.1 调试环境
• 5.1.1 CCS 开发组件
• 5.1.2 Devive Simulator 软件模拟器
• 5.1.3 TDS-560PCI 硬件仿真器
• 5.2 DSP 处理器程序调试
• 5.2.1 Simulator 仿真验证
• 5.2.2 目标板程序调试
• 5.3 MUSIC 算法测试及结果分析
• 5.3.1 精度测试
• 5.3.2 时间测试
• 5.4 调试中遇到的问题及其处理
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果