基于相关熵的自适应波束形成与无线定位中参数估计研究
发布时间：2020-09-22 20:22
随着无线电技术的快速发展和广泛应用,国家对无线电的管理与监测也在与时俱进。在无线电监测领域中,对于复杂电磁环境下无线信号的检测与定位一直是研究的热点与重点。自适应波束形成作为一种空域滤波技术,可以较好地实现信号的检测与提取。由于绝大多数通信信号具有循环平稳特性,基于信号循环平稳性的自适应波束形成算法引起了普遍的注意。然而,传统的基于信号循环平稳性的算法大多对循环频率误差(cyclic frequency error,CFE)敏感,直接影响到实际的应用效果。此外,作为无线被动定位参数估计中的重要组成部分,波达方向(direction of arrival,DOA)估计和到达时差(time difference of arrival,TDOA)估计受到国内外学者普遍关注。在DOA估计中,传统算法大多在窄带信号源的假设下提出的,且需已知信号源个数;而在TDOA估计中,现有算法则大多在宽带信号且不存在幅度衰减的假设下提出的。随着现代信号处理技术的日趋成热与发展,电磁环境的日益复杂,这些假设变得过于苛刻,导致的算法局限性日益突出。针对以上问题,本文对基于信号循环平稳性的自适应波束形成与无线定位中的DOA和TDOA估计开展了如下创新性研究工作:(1)针对基于循环平稳性的自适应波束形成对CFE敏感的问题,本文基于压缩信号处理理论提出了一种压缩采样下的循环频率估计算法。该算法通过建立循环谱与频移自相关矩阵之间的联系,在压缩采样下重构信号循环谱,对信号循环频率进行估计,有效较少了计算复杂度。进一步地,考虑预先估计循环频率需要耗费较大的存储单元,提出了一种存在CFE下稳健的自适应波束形成算法。该算法利用最大相关墒准则(maximum correntropy criterion,MCC)求解某一假定循环频率下的加权矢量,再以输出信号的相关熵相关函数作为代价函数,自适应调整加权矢量和循环频率,从而实现存在CFE下主波束的优化,在脉冲噪声和同频干扰共存的复杂电磁环境下具有良好的波束形成效果。(2)针对未知信源个数条件下的DOA估计问题,本文利用信号协方差矩阵特征值序列的稀疏性,结合该协方差矩阵估计误差的概率分布获取重构残差项的置信上界,提出了一种基于l1稀疏正则化的信号源个数估计算法。该算法可以在较低信噪比的空间平稳噪声条件下,实现对较少快拍数下阵列接收信号信源个数的精确估计。进一步地,考虑DOA估计和信源个数估计不应是两个独立过程,提出了一种适用于宽带信号的信源个数和DOA联合估计算法。该算法基于循环相关熵的性质建立宽带信号阵列线性预测模型,并在此基础上引入正则化参数,利用MCC准则实现对模型中包含DOA和信源个数信息的参量进行估计,较好地解决了超分辨DOA估计算法的性能受信号带宽限制的问题。(3)针对脉冲噪声下基于相关熵的时延估计精度受信号带宽和振幅限制的问题,本文分别展开了研究。在窄带信号时延估计的研究中,基于相关熵希尔伯特变换时延估计的定理提出了一种脉冲噪声下窄带射频信号时延估计算法。该算法具有较为精确的时延估计性能和较好的伪峰抑制能力,且具有受信号带宽影响小、抗噪能力强等优点。在振幅衰减信号时延估计的研究中,利用FIR滤波器系数对时延信号进行建模,结合MCC准则估计求解时延闭合形式的递归解,提出了一种一步法自适应时延估计算法,并证明了算法估计的无偏性,在振幅衰减严重以及高脉冲噪声的复杂电磁环境下仍具有较高的时延估计精度。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN98
【部分图文】：
逦（３．１２）逡逑观察式（３．１１）和式（３．１２）可以看出，矩阵Ｒ，．，然包含矩阵纪＞邋中的所有元素，但是元素在逡逑两个矩阵中的位置却有所不同。为此，图３．１给出了矩阵尺＆和＾＾中的元素之间对应关逡逑系图。逡逑ａ邋［邋ｒＸｆ｛ａ邋＋邋ｂ＋Ｎ－＼，ａ－ｂ＾ｒＮ－＼）逦ｑ邋｜逡逑ａｅ［－ｌＮ／４＼，ｌＮ／４］］逦Ａ逡逑Ｒ邋／邋ｂ逦Ａｅ［－Ａｒ，ｉＶ］逦／□邋＼邋ｂ逡逑一逡逑＼ａ邋＋邋ｂ＼＜Ｎ／２逦＼ａ－ｂ＼＜Ｎ／２逦／邋＼邋／逡逑｝逦＾ｃ）（ｆｌ邋＋邋［ｉＶ／４ｊ邋＋邋ｌ，Ｚ＞邋＋邋ＬｉＶ／２ｊ邋＋邋ｌ）｜逡逑图３．１矩阵ＲＡ和＾（广中的元素之间对应关系图逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｔｈｅ邋ｌｉｎｋ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｅｎｔｒｉｅｓ邋ｏｆ邋Ｓ＾＇邋ａｎｄ邋Ｒ，．逡逑其数学关系具体表示如下：逡逑「纪＝１Ｘ１逦（３．１３）逡逑Ｌ邋」（／＋１＿八７４」＋１，＿／＋卜／２」＋１）邋Ｌ邋，」（（，＋ｙ）／ｉＶ＋ｉ，（／－／）／ｗ＋ｉ）逡逑其中，［．］（，，）表示矩阵中的第（Ｕ）个元素。逡逑（２）通过矩阵１１２
逦基于相关熵的自适应波束开｛成与无线定位中参数估计研宄逦逡逑信号ｘ，的循环谱。最后，为进一步验证循环频率估计的准确性，图３．３给出了重构循环逡逑谱处＞邋在／邋＝邋０和ｓ邋＝邋０处的截面图。由此截面估计得到中心频率又＝１５０．６０ＭＨｚ和循环频逡逑率ｆ邋＝邋２９９．７２ＭＨｚ，这与真实值较为接近。逡逑
逦大连理工大学博士学位论文逦逡逑减小，当Ｍ／ＷX棿蟮剑埃底笥沂保停樱诺谋浠呖记饔谄轿取Ｕ馐且蛭旱毖顾蹂义下使褪保玫降难顾醪裳藕虐畔⒐伲苣阎毓够卦藕诺难菲祝庥耄茫渝义侠砺凼且恢碌摹Ｓ赏迹常纯梢钥闯觯诓煌顾趼实那榭鱿拢疚乃幔茫樱茫凭哂薪襄义虾玫难菲字毓剐阅堋；诘玫降闹毓寡菲祝迹常到徊礁隽瞬煌顾趼氏卵峰义掀德使兰频木礁蟛睢Ｓ赏伎梢钥闯觯茫樱茫扑惴ú唤鲋毓沟男阅芤哂谄渌礁龆藻义媳人惴ǎ移溲菲德使兰频木礁蟛罡汀ｅ义
本文编号：2824875
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN98
【部分图文】：
逦（３．１２）逡逑观察式（３．１１）和式（３．１２）可以看出，矩阵Ｒ，．，然包含矩阵纪＞邋中的所有元素，但是元素在逡逑两个矩阵中的位置却有所不同。为此，图３．１给出了矩阵尺＆和＾＾中的元素之间对应关逡逑系图。逡逑ａ邋［邋ｒＸｆ｛ａ邋＋邋ｂ＋Ｎ－＼，ａ－ｂ＾ｒＮ－＼）逦ｑ邋｜逡逑ａｅ［－ｌＮ／４＼，ｌＮ／４］］逦Ａ逡逑Ｒ邋／邋ｂ逦Ａｅ［－Ａｒ，ｉＶ］逦／□邋＼邋ｂ逡逑一逡逑＼ａ邋＋邋ｂ＼＜Ｎ／２逦＼ａ－ｂ＼＜Ｎ／２逦／邋＼邋／逡逑｝逦＾ｃ）（ｆｌ邋＋邋［ｉＶ／４ｊ邋＋邋ｌ，Ｚ＞邋＋邋ＬｉＶ／２ｊ邋＋邋ｌ）｜逡逑图３．１矩阵ＲＡ和＾（广中的元素之间对应关系图逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｔｈｅ邋ｌｉｎｋ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｅｎｔｒｉｅｓ邋ｏｆ邋Ｓ＾＇邋ａｎｄ邋Ｒ，．逡逑其数学关系具体表示如下：逡逑「纪＝１Ｘ１逦（３．１３）逡逑Ｌ邋」（／＋１＿八７４」＋１，＿／＋卜／２」＋１）邋Ｌ邋，」（（，＋ｙ）／ｉＶ＋ｉ，（／－／）／ｗ＋ｉ）逡逑其中，［．］（，，）表示矩阵中的第（Ｕ）个元素。逡逑（２）通过矩阵１１２
逦基于相关熵的自适应波束开｛成与无线定位中参数估计研宄逦逡逑信号ｘ，的循环谱。最后，为进一步验证循环频率估计的准确性，图３．３给出了重构循环逡逑谱处＞邋在／邋＝邋０和ｓ邋＝邋０处的截面图。由此截面估计得到中心频率又＝１５０．６０ＭＨｚ和循环频逡逑率ｆ邋＝邋２９９．７２ＭＨｚ，这与真实值较为接近。逡逑
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