基于相位干涉仪的高效定位算法研究

发布时间：2020-03-18 12:29

【摘要】：辐射源位置信息的精确、高效获取,因其在无线通信、雷达、声呐、麦克风阵列、射电天文、地震学、临床医疗诊断与治疗中的广泛应用,具有重要的实用价值与研究意义。辐射信号的定位通过采集来波空间场分布实施,本论文提出一种辐射源定位的方法,通过将空域定位问题转换成空间谱域的定位问题,从而实现提高定位精度及定位效率的目的。本论文首先建立了谱域干涉仪方程,通过积分变换将空域测向问题转换为谱域测向问题,将来波的位置参数对空间位置的依赖关系映射至空间谱域中对谱值的依赖关系,在谱域中实现了远场辐射源二维入射角的两变量分离、近场辐射源入射角与距离参数的三变量分离。为进行空间谱值的提取,本论文随后推导了采用传感器进行空间离散采样后谱值的计算方法,并将谱域干涉仪方程应用于平面圆阵、平面椭圆阵、立体球面阵对远场目标的二维测向及平面圆阵对近场目标的三维定位中,实现了二维入射角及三维位置参数的变量分离,建立了位置信息与采样数据之间的解析表达式,辐射源位置参数通过显式代数运算获得。随后将谱域干涉仪方程应用于平面圆阵、立体球面阵测向。建立了圆周及球面相位分布的谱域表达式,在谱域实现了二维入射角的变量分离。采用傅氏级数作为基函数,得到了离散采样获取谱值的解析表达式,并推导出通过离散采样值计算二维入射角的代数关系式。根据傅氏采样定理证明了采用圆阵及球面阵进行二维测向的最小阵元数。本论文还推导了测向精度的理论下限,并通过对比基于谱域干涉仪方程的测向精度,表明谱域干涉仪方程应用于平面圆阵及立体球面阵时为无偏估计,且实现了最优估计。通过Parseval定理解释了谱域干涉仪方程的数学内涵。最后通过数值仿真与试验测试结果表明了该方法的有效性。规则阵列不仅可用于对远场目标的测向,还能对近场目标进行定位。基于圆阵的旋转对称特性以及近场来波的球面波前特性,本论文同样提出了谱域变换方法,将目标位置的三维参数分离至谱域的两阶谱上,实现了三维参数的解析求解。通过采样定理证明了采用圆阵进行三维定位的最小阵元数。本论文还分析布阵形式对距离估计精度的影响。谱域干涉仪方程方法采用来波的相位信息进行目标定位,鉴于相位系统存在输出以2π为周期翻转的相位模糊问题,本论文提出两种解模糊方法,一是采用所有单元信息求解模糊数,通过模糊数为整数的特点进行整数搜索,并恢复得到实际相位值;二是基于圆阵的旋转对称特性缩小模糊区,采用圆阵的高阶差分不变性缩减相位分布的值域,同时不引入测向误差,使得解模糊与定位可以合并为统一步骤、通过代数运算完成。本论文还分析了采用高阶差分旋转不变性正确解模糊的概率。最后通过仿真与测试结果表明了该方法的有效性。本论文的以上内容基于采用固定阵列同时采集来波的空间场分布完成辐射源定位的方法,需要较多的天线以及对应的接收通道。本论文还重点研究了采用简单的系统架构估计多个宽带时变信号参数的新方案,即通过一定的积累时间换取硬件规模的精简,提出采用圆合成孔径阵、仅用两个旋转天线的方法,估计多个辐射源的入射角信息,并同时进行目标的分选。本论文提出了将积累周期内接收到的来自多个辐射源的交错信号进行分解、并分别独立地估计单个辐射源入射角参数的解决方案。为了同时实现多个参数的联合估计,即二维入射角和信号分选,本论文提出采用最大期望算法,将一个高维多参数优化问题分解成多个并行的低维问题进行求解,并采用迭代算法交替进行辐射源的分选与定位。除此以外,本论文还推导出基于来波相位进行二维入射角解算的最大似然方法解析表达式。分析了该方法的精度,并对比圆合成孔径阵的理论下限,表明该方法实现了最优估计。相位模糊问题通过旋转产生的采样位置的多样性,并基于接收信号的复数响应进行解算。通过仿真结果验证了本方案的有效性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

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本文编号：2588716