小型天线阵空间信号处理方法研究

发布时间：2018-06-17 15:59

  本文选题：天线阵小型化 + 超方向性波束形成方法　； 参考：《武汉大学》2014年博士论文

【摘要】：随着科技的高速发展,无论是军事还是民用,现代电子系统越来越强调低成本、高机动化、高隐蔽性、高适应性等问题。与庞大、笨重、昂贵的大型天线阵列相反,小型天线阵系统复杂度低,具有建造维护成本低、架设管理方便、移动灵活等优点。然而,小型天线阵在使用某些传统技术,尤其是常规波束形成方法时,其性能很差,很难满足实际工程的测向、抑制干扰等要求。因此,在硬件资源受限制的情况下,如何通过信号处理手段提升小型天线阵的性能,使得天线阵列在小型化的同时也能满足实际工程要求,不仅是天线工程师需要解决的难题,而且在实际工程中具有广泛的应用前景和重大意义。 课题基于某雷达和通信工程背景,针对小型天线阵自身的特点,围绕超方向性波束形成技术和超分辨空间谱估计技术这两个问题展开,并对相关的一些问题进行研究,给出小型天线阵应用的基本方法。主要研究内容有： 1.针对超方向性阵列在实际应用中存在的低效率、窄带宽、对阵列误差极其敏感性等问题进行讨论,指出应用超方向性阵列需要解决的问题；针对高频超方向性接收阵列存在的两大问题：低效率和对阵列误差极其敏感,提出了一种基于敏感度约束的稳健超方向性波束形成方法,通过选择一个合适的敏感度因子,该方法不仅可以很容易地得到相应的阵列加权向量,而且还能够很方便地在方向性增益、阵列效率以及阵列稳健性之间进行折中。虽然该方法仅关注在保证阵列稳健性和阵列效率满足要求的情况下,使阵列指向性增益约束最优,没有考虑形成零陷、低旁瓣等常见的波束图综合问题,但是它保证了超方向性阵列在可实现的前提下的最差性能。 2.通过研究控制旁瓣、零陷与阵列效率之间的关系,发现低旁瓣和形成零陷有助于克服超方向性阵列的低效率问题,因此,当天线阵被校正到接近于理想阵列情况时,可以通过低旁瓣和形成零陷进一步减少高频超方向性接收阵列的孔径；基于这个结论,结合凸优化技术,本文总结提出了新的超方向性阵列综合框架,在这种新的框架中零陷、旁瓣以及敏感度这三大性能指标同时也是控制变量,在不同的阵列校正精度条件下,通过指定这三个变量的值,可以很灵活方便地在方向性增益、阵列效率、稳健性、低旁瓣以及零陷等性能指标间进行折中,从而达到设计最优的超方向性接收阵列的目的。 3.结合前述的研究结果,将信号稀疏表示技术引入超方向性接收阵列综合问题中,基于l1范数约束,l1范数和l∞范数的混合范数约束以及l2范数约束三种不同的稀疏表示准则,分别提出了三种基于稀疏表示的超方向性波束形成方法。这三种方法都可以在保证一定的稳健性同时,随着敏感度的减少,降低波束图的副瓣,其中基于l2范数约束的方法可视为可降低旁瓣的敏感度约束超方向性波束形成方法,不仅具有计算方便简单,而且阵列稳健性可保持在较高的水平,降低了对实际工程条件的要求。 4.针对MUSIC算法受少快拍数、低信噪比以及所估计的信号源数等因素的影响,借助适用于少快拍数、低信噪比的SSMUSIC算法思想,研究了不需要估计信号源数目的高分辨DOA估计算法。利用信号特征值与噪声特征值不一样的特性,提出了一种新的类似于SSMUSIC算法的空间谱构建方法,而在这种SSMUSIC-like空间谱中不必预知信源数；类似于上述SSMUSIC-like算法思想,为了避免特征值分解以及降低计算量,又提出了一种不需要估计信源数目的快速高分辨DOA估计算法,利用协方差矩阵的逆矩阵,算法先使用Capon算法进行粗扫描减少谱峰搜索的范围,再通过矩阵高阶次幂乘来构造一种具有低运算复杂度的合成空间谱,对可能存在信号的区域进行细扫描实现信号“超分辨”。仿真结果表明,在少快拍数、低信噪比的条件下,所提出两种算法不仅不需要估计信号源数目,而且分辨力优于MUSIC算法,有助于提升小型天线阵DOA估计的性能。 5.针对二阶累积量DOA估计算法在背景噪声为非高斯白噪声情况下性能下降以及所估计的信源数有限等问题,研究了任意阵的四阶累积量DOA估计算法。针对四阶累积量DOA估计算法计算量较大的问题,提出了一种基于四阶累积量扩展的快速算法。快速算法先利用四阶累积量阵列扩展原理,虚拟扩展出个中心对称的天线阵列,然后借助酉变换算法,将整个DOA估计过程从复数域变换到实数域上,从而降低庞大的复数计算运算量,最后结合不需要估计信源数目的快速DOA估计算法思想,重构适当的空间谱,在避免估计信号源个数、减少整个谱峰扫描点数的同时,又可以获得良好的DOA估计性能。通过计算复杂度分析和仿真实验,可以发现：快速算法不仅可以很好地提升小型天线阵在背景噪声为非高斯白噪声条件下的DOA估计性能,而且也大量增加了小型阵列可以估计的信号源数目。
[Abstract]:With the rapid development of science and technology , whether military or civilian , the modern electronic system emphasizes the problems of low cost , high mobility , high concealment and high adaptability .

Based on the background of a radar and communication engineering , aiming at the characteristics of the small antenna array itself , the two problems about super - directional beam forming technology and super - resolution space spectrum estimation technology are unfolded , and the related problems are studied , and the basic methods of the application of the small antenna array are given .

1 . Aiming at the problems of low efficiency , narrow bandwidth , extremely sensitive array error and so on in the practical application of the super - directional array , it is pointed out that the application of the super - directional array needs to be solved .
Aiming at the two big problems existing in the high - frequency super - directional receiving array : low efficiency and extremely sensitive to the array error , a robust super - directional beam forming method based on sensitivity constraint is proposed .

2 . By studying the relationship between the control side lobe , the zero trapping and the array efficiency , it is found that the low side lobe and the formation of the zero trap can help overcome the low efficiency problem of the super directional array . Therefore , when the antenna array is corrected to close to the ideal array , the aperture of the high frequency super directional receiving array can be further reduced through the low side lobe and the forming zero depression ;
Based on this conclusion , combining the convex optimization technology , this paper summarizes the new super - directional array integrated framework . In this new framework , the three performance indexes of null , side lobe and sensitivity are also the control variables . Under the condition of different array correction accuracy , by specifying the values of these three variables , the directional gain , the array efficiency , the robustness , the low side lobe and the zero - trapping performance index can be easily folded , so as to achieve the purpose of designing the optimal super - directional receiving array .

3 . Combining the above research results , the signal sparse representation technique is introduced into the synthesis problem of the super directional reception array . Three kinds of super directional beam forming methods based on the l1 norm constraint , the l1 norm and the l 鈭，

本文编号：2031608