稀疏阵列波达方向估计算法研究

发布时间：2020-07-31 07:33

【摘要】：波达方向估计是雷达对抗侦察领域重要研究方向。近年来,目标信源呈现数量众多、分布密集、复杂多变等特点,传统的估计算法越来越难以满足当前雷达对抗侦察任务的需求。稀疏阵列天线是指阵元间距大于信源半波长的阵列天线。相比于阵元数目相同的常规满秩阵列,稀疏阵列拥有更大的阵列孔径,更高的测向精度,更强的角度分辨力和更多的可同时测量信源数目。因此,稀疏阵列测向逐渐变为了侦察领域的研究热门。论文以稀疏阵列测向为研究方向,研究了稀疏阵列结构和模糊角度的关系以及相应的测向算法,仿真实验验证了所提算法的优越性。主要工作如下:1.研究了稀疏阵列本身的模糊特性,推导阵元相对位置与稀疏阵列角度估计之间的关联。分析了阵元相对位置的最大公约数与子空间类算法空间谱的联系,通过在稀疏均匀阵列特定位置添加新的阵元的方法,对稀疏阵列的导向矢量进行修正,可有效抑制模糊角度的产生。2.针对稀疏阵列多信号处理问题,提出了一种基于Toeplitz矩阵重构的嵌套阵DOA估计算法。通过对阵列接收信号协方差矩阵进行向量化处理,将二级嵌套阵列扩展为虚拟等间距线阵,增加了阵列孔径和阵列自由度。然后利用处理后的信号构造伪协方差矩阵,结合MUSIC算法在阵元数目小于入射信号个数的条件下实现了高精度DOA估计。3.针对二级嵌套阵单快拍数据DOA估计问题,提出了一种利用二次搜索法的单快拍DOA估计算法。首先将嵌套阵分为阵元间距等于信源半波长和大于信源半波长的两个均匀子阵,利用两子阵接收的单快拍数据分别构造伪协方差矩阵,利用MUSIC算法进行第一次空间谱搜索得到低精度无模糊的入射角,最后进行二次搜索得到高精度无模糊入射角。4.针对非均匀稀疏阵列DOA估计问题,提出了一种基于虚拟阵列变换的非均匀稀疏阵DOA估计算法。首先对非均匀稀疏阵接收信号协方差矩阵进行向量化处理,通过Khatri-Rao积运算得到新的接收信号模型,然后通过虚拟阵列变换将阵列变为孔径相同的虚拟均匀线阵。利用空间平滑算法恢复虚拟均匀线阵等效协方差矩阵的秩,最后结合子空间类算法实现DOA估计。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN974
【图文】：

(c) g 3(d) g 6图 2.7 g 变化时的测向结果比较从图 2-7(a) 可以看出，当阵元相对位置最大公约数与信源半波长比值 g 1时，空间谱中只有两个真实谱峰，不存在虚假谱峰，MUSIC 算法可以实现无模糊测向。从图 2-7(b)可以看出 g 2时，MUSCI 算法空间谱中存在 4 个谱峰，包含 2 个真实谱峰，2 个虚假的谱峰。从图 2-7(c)可以看出 g 3时，空间谱中存在 6 个谱峰，其中 2 个真实的谱峰，4 个虚假的谱峰。从图 2-7(d)可以看出 g 6时，空间谱中存在 12 个谱峰，其中 2 个真实谱峰，10 个虚假的谱峰。因此可知，当阵元间距的最大公约数 g 1时，MUSIC 算法可以实现无模糊 DOA 估计。当 g 1时开始出现测向模糊，并且对于每一个独立信源，若 g n, n N+，会有n个入射角，其中 n 1个虚假入射角。仿真 2 验证解模糊方法的有效性。采用稀疏均匀线阵，阵元数量 M 6，阵列位置表达式为 1Z 0,6,12,18,24,30。对照阵列为在阵元位置 N 7处添加一新

(a) 未增加阵元的测向结果 (b) 增加阵元的测向结果图 2.8 稀疏 ULA 增加阵元的测向结果比较从图 2-8(a)可以看出，对来自于1 ，2 的两个远场不相干信号，未添加阵元时，MUSIC 算法的空间谱中包含很多虚假谱峰，此时无法准确的分辨出真正的入射角，出现了严重的测向模糊，算法失效。从图 2-8(b)可以看出，在原阵列中增加一个阵元后，此时阵元相对距离的最大公约数变为 1，MUSIC 算法的空间谱中只包括两个真实的谱峰，虚假谱峰被极大的削弱，基本实现了无模糊测向。由此可知，本文所提方法能够有效地解决稀疏阵列的模糊问题，并且阵列形式更加灵活。仿真 3 本实验通过比较相同阵元数目的常规满秩线阵列和稀疏阵列测向性能的高低，体现稀疏阵列测向的优越性。常规满秩线阵列阵元数目为 7，阵元间距等于入射信源半波长，阵列位置为 1Z 0,1,2,3,4,5,6。本文方法的非均匀稀疏线阵的阵元个数等于 7，阵列位置为 2Z 0,6,12,18,24,30,7。入射信号半波长 / 2 1，信噪比SNR 0dB，快拍数 1000。首先 5 个远场窄带不相干信源以多个角度

(a)1 1 , Z Z(b)1 2 , Z Z图 2.9 阵列多信源测向性能对比从 2-9(a)可以看出，当信号个数为 5 时，常规的阵元间距等于信号半波长的 元等距线阵的空间谱分辨不出谱峰，即 MUSIC 算法无法识别出真实谱峰，无法实现 DOA 估计。从 2-9(b)可以看到，当信源个数和阵元个数相等时，非均匀稀疏阵的空间谱中包括全部真实谱峰，并且有效地削弱了虚假的谱峰，MUSIC 算法基本实现了无模糊 DOA 测量。因此相比于常规满秩线阵，在相同条件下，稀疏阵列可以同时分辨更多的信源，即稀疏阵列拥有更强的空间分辨率。

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本文编号：2776169