基于四阶统计量的虚拟天线阵波束形成及DOA估计技术研究

发布时间：2020-04-12 00:27

【摘要】：自适应波束形成和波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计都属于阵列信号处理技术,在军事和民用无线通信领域都有重要作用。阵列天线自适应波束形成大都需要准确的期望信号方向信息,与DOA估计的关系十分密切。将DOA估计的结果作为自适应波束形成的先验信息,能够提高其输出性能。但是,常规自适应波束形成和DOA估计方法的性能受限于阵列天线的实际阵元数量和孔径大小,当阵列天线处理的信源数量超过实际阵列自由度时,常规自适应波束形成方法的输出性能和常规DOA估计方法的分辨性能都会严重下降。基于四阶统计量的虚拟天线阵技术能够通过构造虚拟阵元,增加阵列天线的自由度,并有效扩展阵列孔径,提高阵列天线波束形成的输出性能和DOA估计的分辨性能。本论文首先研究基于四阶统计量的虚拟天线阵DOA估计技术,提高了DOA估计的分辨性能,为自适应波束形成提供更精确的DOA估计结果作为先验信息。然后,重点研究了基于四阶统计量的虚拟天线阵波束形成技术,目标是提高阵列天线波束形成的输出性能。主要研究内容如下:1.针对阵列天线自适应波束形成大都需要准确的期望信号方向的问题,提出了两种虚拟天线阵DOA估计方法,能够为自适应波束形成提供更精确的DOA估计结果。首先通过重构四阶协方差矩阵,提出了一种重构四阶统计量的多重信号分类(Reconstructed Fourth Order Statistics Based Multiple Signal Classification,RFO-MUSIC)方法,与常规FO-MUSIC方法相比,在不增加计算复杂度的前提下,提高了DOA估计的分辨性能。然后,在RFO-MUSIC方法的基础上,结合共轭虚拟阵列扩展技术,提出了一种基于二次虚拟扩展的多重信号分类(Twice Virtual Extension MUSIC,TVEM)方法,与现有虚拟天线阵DOA估计方法相比分辨性能更高,代价是计算复杂度增加。2.针对四阶统计量虚拟天线阵波束形成方法计算复杂度较高,无法像常规自适应波束形成方法一样适用于快速波束形成的问题,提出了一种半虚拟天线阵(Semi Virtual Antenna Array,SVAA)波束形成方法。该方法通过单位矩阵与采样协方差矩阵的克罗内克积扩展协方差矩阵,利用置零响应的线性约束抑制了超自由度干扰;并且根据单位矩阵和克罗内克积的数学性质,推导出了加权矢量的快速计算方法,将计算复杂度减少至与常规自适应波束形成方法接近。3.针对干扰快速运动的情况下,较少的阵列天线实际阵元数会限制波束形成零陷展宽方法性能的问题,提出了两种虚拟天线阵波束形成零陷展宽方法。首先提出了一种基于四阶统计量的协方差矩阵锐化(Fourth Order Statistics Based Covariance Matrix Taper,FO-CMT)波束形成零陷展宽方法,通过重构四阶干扰加噪声协方差矩阵,并结合协方差矩阵锐化技术,提高了阵列天线波束形成零陷展宽的输出性能。然后,提出了一种基于协方差矩阵扩展的线性约束(Covariance Matrix Expansion Based Linear Constraint Sector Suppressed,CME-LCSS)波束形成零陷展宽方法,通过协方差矩阵扩展,构建了更多置零响应的线性约束。与目前最先进的LCSS波束形成零陷展宽方法相比,CME-LCSS方法的波束形成零陷展宽性能更好,有效地抑制了快速运动干扰,提高了阵列天线波束形成的输出性能。4.针对存在阵列流型误差的情况下,现有阵列天线波束形成零陷展宽方法的性能都会严重下降的问题,提出了一种抗阵列流型误差的虚拟天线阵(Virtual Antenna Array Against Array Calibration Errors,VAACE)波束形成零陷展宽方法,VAACE方法结合不确定集约束和对角加载技术,并扩展采样协方差矩阵和阵列导向矢量,再根据校正后的导向矢量构建置零响应的线性约束。与现有方法相比,VAACE方法的波束形成零陷展宽性能大幅度提高,对阵列流型误差具有较好的稳健性,更好地抑制了快速运动干扰,提高了阵列天线波束形成的输出性能。
【图文】：

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第 1 章绪论Against Array Calibration Errors, VAACE）波束形成零陷展宽方法，，VAACE 方法结合不确定集约束和对角加载技术，并扩展采样协方差矩阵和阵列导向矢量，再根据校正后的导向矢量构建置零响应的线性约束。与现有方法相比，VAACE 方法的波束形成零陷展宽性能大幅度提高，对阵列流型误差具有较好的稳健性，更好地抑制了快速运动干扰，提高了阵列天线波束形成的输出性能，代价是计算复杂度增加。图 1.1 为本论文的研究内容示意图。

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矢量也不同，这是因为不同入射方位对应的阵元间延迟表达式不同。下面给出处于空间任意位置的两个天线单元间的时延表达式，建立空间直角坐标系，以一个阵元作为参考点，使其处于坐标原点，另一个阵元位置的坐标为( x , y , z )，如图2.1所示，图中●表示阵元。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7

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