L型阵列中二维空间谱估计算法研究及其FPGA实现

发布时间：2020-09-18 19:09

　　空间谱估计又被称为波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计,是阵列信号处理领域的一个关键问题,其应用深入到了诸多军用和民用领域,如声纳、通信等。而L型阵列是常用的二维DOA估计阵列,结构简单且容易实现,在实际中应用广泛。因此,本文开展L型阵列下二维DOA估计算法研究,选题具有理论意义和实际价值。工作如下:(1)针对非均匀L型阵列下的二维空间谱估计复杂度过高的问题,提出了多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)类算法、CAPON类算法和谱峰搜索传播算子(Propagator Method,PM)类算法。提出的三种算法无需进行运算量较大的二维谱峰搜索,采用级联的一维搜索实现二维DOA的联合估计,大大降低了计算复杂度,同时角度估计性能非常接近相应的二维DOA算法。(2)针对互质L型阵下的二维空间谱估计问题,研究了两种利用旋转不变性进行DOA估计的算法和两种谱峰搜索类算法。利用旋转不变性的算法包括借助旋转不变性进行信号参数估计(Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法和旋转不变PM算法,以上算法利用两个子阵间的互质关系消除利用子阵进行独立估计得到的模糊角度,相较于均匀L型阵列,互质L型阵列下的相应算法具有更好的角度估计性能。谱峰搜索类算法包括基于一维MUSIC和基于一维CAPON的二维空间谱估计算法,以上算法利用互质L型阵的X轴和Y轴分别进行DOA估计得到角度有关信息,再进行额外配对,其复杂度相较于二维算法大大降低,同时其角度估计性能优于均匀阵下的相应一维算法。(3)针对扩展互质L型阵列下的二维空间谱估计问题,提出了两种谱峰搜索类算法,包括基于一维MUSIC和一维谱峰搜索广义ESPRIT(General Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,GESPRIT)的二维空间谱估计算法,以上算法利用扩展互质L型阵的X轴与Y轴分别进行DOA估计得到角度有关信息,再进行额外配对,其复杂度相较于二维算法大大降低,同时其角度估计性能优于均匀阵下的一维算法。(4)利用Verilog-HDL语言在FPGA平台上进行非均匀L型阵列下基于一维CAPON算法的空间谱估计,主要内容包括协方差矩阵求解、矩阵求逆、谱峰搜索等模块的FPGA实现,利用Modelsim展示了各个模块的仿真结果,并与MATLAB平台下的仿真结果进行了对比,测试结果验证了非均匀L型阵列下基于一维CAPON算法的空间谱估计算法在FPGA平台上的有效性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN911.7
【部分图文】：

协方差矩阵,实部,平台,协方差

图 6.3 协方差矩阵的实部图 6.4 协方差矩阵的虚部由图 6.3、图 6.4 和表 6.1 的对比结果可以看出，MATLAB 平台和 FPGA 平台上的协方差矩

协方差矩阵,虚部,平台

80图 6.4 协方差矩阵的虚部由图 6.3、图 6.4 和表 6.1 的对比结果可以看出，MATLAB 平台和 FPGA 平台上的协方差矩阵的仿真结果除了无法避免的量化误差外，基本相同，由此证明了本模块的有效性。

伴随矩阵,实部,求逆,平台

L 型阵列中二维空间谱估计算法研究及其 FPGA 实现53166 3832 14560 7704 13129 9049 6336 1844215384 6584 59134 3330 20165 8591 12624 1424014726 7172 21113 6499 55890 3230 16111 31859410 16644 14577 12421 16594 1942 56489 3963i i i ii i i ii i i ii i i i 图 6.5 和图 6.6 分别为 FPGA 平台上矩阵 R 进行求逆后输出1*det( ) R R 的实部和虚部。我们可以发现 MATLAB 平台和 FPGA 平台上的求逆结果基本相同，由此证明了本模块的有效性。

【参考文献】