非均匀阵列设计及欠定波达方向估计

发布时间：2020-06-27 03:44

【摘要】：阵列波达方向估计(Direction Of Arrival,DOA)在无线通信、天文学和雷达等领域上具有广泛的应用。为了避免测角出现模糊,其阵元间距一般不超过入射信号的半波长。通过设计具有特定阵列构型的非均匀阵列,利用其接收数据的二阶统计量信息,可构造出一个阵元间距不超过半波长的虚拟均匀阵列,称作差分合成阵列(Difference CoArray,DCA)。差分合成阵列相对于实际的物理阵列,具有更多的虚拟阵元,从而获得更高的自由度(Degree Of Freedom,DOF),可同时估计大于物理阵元数的目标的方向,即可实现欠定(Underdetermined)DOA估计,同时提高角度估计性能。因此,本文针对非均匀阵列的阵型设计问题展开研究,以提高阵列的自由度和降低阵元间的互耦为目标,提出了两种非均匀线阵和两种非均匀面阵。相比较于现有阵列,所提阵列具有更好的多目标估计能力和估计性能。具体工作概括如下:1.非均匀线阵设计方面。对现在流行的二级嵌套式线性阵列进行改进,提出了一种改进的嵌套式阵列,在保持原有阵列所有优点的前提下,可获得更大的阵列孔径和更高的自由度。改进后的嵌套式阵列的差分合成阵列的孔径更大,且是完全填充的。仿真实验表明,改进的嵌套式阵列相比于二级嵌套式阵列,具有更多的自由度,可估计更多的信源,具有更好的估计性能。针对存在多个发射阵元和多个接收阵元的MIMO(Multiple Input and Multiple Output)雷达,以实现尽可能多的自由度并保持差分合成阵列完全填充为目标,提出了一种嵌套式MIMO阵列。对于一个具有K个物理阵元的嵌套式MIMO阵列,通过匹配滤波后形成的和阵列的差分合成阵列(Difference Coarray of the Sum Coarray,DCSC)具有(46)(K~4)的自由度,且其具有完全填充的特性。此外,嵌套式MIMO阵列的阵元位置具有闭式解,适合于大规模阵列的设计。仿真结果表明,嵌套式MIMO阵列与现有互质MIMO阵列相比,具有更多的自由度,可估计更多的信源,具有更好的估计性能。值得注意的是,该设计方法还具有可扩展性,其收发阵列可扩展至其他差分合成阵列具有完全填充特性的非均匀线阵,如超嵌套式阵列(Super Nested Array,SNA)和前面提出的改进的嵌套式阵列等等。2.非均匀面阵设计方面。为提高非均匀面阵的自由度,在最小冗余线阵(Minimum Redundancy linear Array,MRA)的基础上,我们提出了一种最小冗余面阵设计。该阵列的X轴和Y轴方向上投影均为最小冗余线阵,并且所形成的差分合成阵列是完全填充的。与现有性能较好的开盒子阵列(Open Box Array,OBA)相比,我们提出的最小冗余面阵具有更多的自由度,可估计更多的信源,并可获得更好的估计性能。为降低面阵阵元间的互耦,我们提出一种新的保温瓶阵列,该阵列以现有阵元互耦较小的沙漏阵列为基础,通过调整最小阵元间距阵元对的位置,形成一种比沙漏阵列互耦更小的非均匀面阵。由于所提阵列的阵列排布呈现出保温瓶的形状,故称其为保温瓶阵列。该阵列具有比沙漏阵列更少数量的最小间距阵元对,对存在互耦的角度估计更具鲁棒性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.23
【图文】：

示意图,子阵,阵列,合成阵列

2.3.1空间平滑算法空间平滑算法是对相干信号的有效办法，但这里秩恢复成满秩，而非一般的解相干。其基本思想是同的子阵，然后对所有子阵的协方差矩阵进行求和于均匀阵列，所以仅能利用差分合成阵列中完全填填充时，则可利用到所有阵元的信息。为充分利用量z中位于相同位置( )m lv v 处的数据求和平均，合成阵列的接收数据z 。设差分合成阵列中完全填充部分的维度为M N，其中变量M 和 N 分别表示在 X 轴和 Y 轴上的阵阵列表现为均匀线阵，如图 2.3(a)所示，否则表现为均匀阵列划分成( 1)( 1) 4M NK 个维度为1 2 M 2.3 所示。

谱图,谱图,阵列,二级

实曲线表示的是 MUSIC 谱。(a) 二级嵌套式阵列 (b) 改进的嵌套式阵列图3.5 两种非均匀线阵的 MUSIC 谱图通过图 3.5 可以看到，二阶嵌套式阵列在空间频率 0.3 和 0.5 处没有峰值，估计失败，而改进的嵌套式阵列在所有信号的空间频率处都有存在峰值，估计出了所有信号，具有更好的欠定估计能力。3.2.3.3 DOA估计性能为了比较二级嵌套式阵列和改进的嵌套式阵列这两种非均匀线阵的 DOA估计性能，这里通过给定不同的输入信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR），采用蒙特卡罗（Monte Carlo）实验来计算估计角度的 RMSE。RMSE 公式定义为211 RMSE= ( )Qq qqEQ ，其中 q 为第q个信号方位角q 的估计值。 E ( ) 表示统计期望操作。本次仿真依旧使用如图 3.4 所示 8 阵元的两种阵列结构

【参考文献】