基于时频空综合信息的阵列信号处理技术研究

发布时间：2020-04-24 23:55

【摘要】：阵列信号处理技术能够在复杂电磁环境中测得目标波达方向(Direction of Arrival,DOA)并提取出期望信号,具有超分辨、高增益、同时多目标等诸多优势。但实际应用中,阵元位置误差、幅相误差、少快拍等各种非理想因素会严重影响DOA估计精度和空域滤波效果,且仅利用空域信息的改进方法已很难再有明显的性能提升。为此,本文引入时频分析技术,针对阵元位置误差下的宽带自校正和DOA估计、随机误差下的窄带自适应波束形成、角度误差和阵元位置误差下的宽带自适应波束形成以及低复杂度宽带波束形成等难点问题,研究基于时频空综合信息的阵列信号处理技术,改善非理想条件下DOA估计和波束形成的输出性能。论文的主要工作如下:1、针对传统阵元位置误差自校正算法对宽带信号适用性差、计算复杂度高,且随着误差增大输出性能急剧下降的问题,提出一种基于短时傅里叶变换的宽带阵元位置误差自校正和DOA估计算法。该算法通过将接收信号变换到时频域来增加目标间的可分性,再利用空域特性对时频点进行分类,并提取出源信号的单源点集合。然后根据单源点求得信号在不同阵元间的传播时延。由于时延和阵元位置满足线性关系,最终可通过一种无需近似的两步交替迭代方法求解出真实阵元位置和目标DOA,避免了高维遍历和全局优化搜索,具有更快的收敛速度。仿真实验表明该算法在大误差条件下依然能够实现较好的自校正和DOA估计,且计算复杂度更低。2、针对传统稳健窄带自适应波束形成算法随着信噪比升高性能损失增大,而现有协方差矩阵重构类方法对随机误差稳健性较差的问题,提出一种基于双线性时频变换的窄带自适应波束形成算法。该算法首先通过分辨率更高的双线性时频变换获取窄带信号的时频信息。然后,分别利用期望信号和干扰信号单源自项点上的空时频分布矩阵来估计导向矢量和重构干扰加噪声协方差矩阵。最后,根据最小方差无失真准则求得加权系数。在此过程中无需使用先验阵列流型信息,因此阵列误差不会导致输出性能下降。仿真实验表明该算法能够实现随机误差下的稳健波束形成,且输出信干噪比接近最优值。3、针对现有稳健宽带自适应波束形成算法在角度误差、阵元位置误差以及少快拍条件下性能较差的问题,提出一种基于双线性时频变换的宽带自适应波束形成算法。首先,该算法利用目标时频空特性实现了角度误差和阵元位置误差下的时延估计,并根据估计结果求得期望信号导向矢量。然后,利用Capon谱求解干扰信号在不同频率分量上的协方差矩阵,并对其求和重构出宽带干扰加噪声协方差矩阵。最后,将求得的期望信号导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵代入无需预延迟补偿的宽带波束形成器中实现空域滤波。此外,还给出了一种基于短时傅里叶变换的稳健宽带自适应波束形成算法,它可直接利用信号的时频变换来构造干扰加噪声协方差矩阵,同样也可准确地估计出期望信号导向矢量。仿真实验表明所提的两种算法均可在少快拍条件下获得接近最优值的输出信干噪比,且对角度误差和阵元位置误差均具有很强的稳健性。4、针对宽带波束形成器中抽延迟线和阵元延迟线导致系统结构复杂、计算量大的问题,提出一种无需延迟线的低复杂度宽带波束形成器。首先,它将一个宽带阵列信号拆分为多个来向相邻且具有相同等效频率的窄带阵列信号。然后,通过预延迟补偿将期望信号变换到0~o方向,使得期望信号在不同频率上的导向矢量相同。最后,利用窄带波束形成器实现了宽带信号的空域滤波。为了进一步提高稳健性,本文又将该波束形成器和时频空方法相结合,给出了一种无需延迟线的稳健宽带自适应波束形成方法。仿真实验表明去除延迟线后可有效降低系统复杂度,提高运行效率,并且所提算法能够在角度误差和阵元位置误差下取得较好的输出性能和较快的收敛速度。
【图文】：

阵列雷达

SPY-1A舰载阵列雷达

三维图,接收信号,三维图

接收信号
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7

【参考文献】