基于压缩感知的小孔径阵列DOA技术研究
发布时间：2021-10-23 19:27
近年来,军用、民用和现代医疗等领域均涉及到阵列信号处理,其目的是通过不同的算法处理回波信号,将其中无用的干扰和噪声抑制掉,突出有用的信号,并从中获取人们感兴趣的信息。空间谱估计,也就是阵列信号处理领域中的波达角度估计（Direction Of Arrival,DOA）技术,在实际应用中被广泛应用,主要是为了对空间接收到的信号进行精确的参数估计。相比于孔径大小为几十个波长的大孔径阵列,小孔径阵列指阵列孔径与信号波长相当或者仅为几个波长的阵列。此时,在进行信号DOA估计时,会导致算法的估计性能变差。压缩感知理论（Compressed Sensing,CS）不要求采样率超过信号的二倍带宽,只需要较低的采样率即可实现信号重构,刚好与小孔径阵列的特点相符合。本文针对小孔径阵列的约束性,对小孔径阵列背景下的DOA估计问题进行了深入分析,研究了基于CS的DOA估计算法及其网格划分问题,并针对非相干信号和相干信号两种背景下的情况进行了仿真,结果表明,基于CS的DOA估计能够克服小孔径带来的不利影响,提高分辨力和估计精度,适应性较强,有重要的应用价值。在此基础上,研究了基于CS的小孔径阵列DOA估计的实...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文的主要研究内容
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8第2章阵列信号的DOA估计2.1引言空间谱估计，也就是估计回波信号的波达角度等参数，其处理系统通常由空间多传感器阵列构成，可以对空间回波信号各种参数的进行准确估计力，使人们可以得到需要的信号的各项特征，即回波信号所携带的目标位置以及速度等信息。波达角度（DirectionOfArrival，DOA）估计主要是处理被阵列接收的空间信号，是空间谱估计最主要的环节之一，一直在雷达信号处理领域具有举足轻重的地位。目前，针对DOA估计技术已经提出了很多成熟的经典算法，如多重信号分类算法（MultipleSignalClassification，MUSIC）、旋转移不变算法（EstimatingSignalParameterviaRotationalInvarianceTechniques，ESPRIT）、数字波束形成算法（DigitalBeamForming，DBF）、平滑MUSIC算法等。在本章中，首先介绍了阵列信号模型，以及不同经典算法的原理，利用MUSIC算法对阵元间隔为半波长的8阵元阵列和32阵元阵列进行仿真分析，得出小孔径阵列对DOA估计分辨率及误差的影响，并通过蒙特卡洛多次实验进行仿真结果的验证工作。2.2阵列信号模型当雷达发射电磁波后，设定从目标处反射的回波信号s(t)从信号源以角度θ入射到一均匀线阵（UniformLinearArray,ULA）上，并假设信号从很远的地方入射，当阵列与目标之间的距离远远大于阵列的孔径大小时，就可以将阵列处的等相位面近似认为是一个平面，这样就比较容易得出N个阵元上的窄带信号模型[32]。图2-1远场窄带信号模型由图2-1可知，平面波在以非垂直的角度入射阵列时，到达不同阵元的时间是不同的，即波程差形成了一个以dsin为公差的等差数列，导致信号到达各个阵元
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文12ESPRIT算法与MUSIC算法相同的是都利用了信号的协方差矩阵，即二阶累积量进行DOA估计；不同的是MUSIC算法主要基于噪声子空间的正交性，而ESPRIT算法则得益于信号子空间的旋转不变性。与MUSIC相比，ESPRIT的优点在于具有较小的计算量，且由于原理的不同，该算法省去了空域谱峰搜索的步骤。2.3.3DBF算法数字波束形成算法原理为，在均匀线阵的不同的阵元上加上不同大小的权，权的大小不同获得的估计结果也会随之变化，将加权并求和后的阵列输出信号矢量进行仿真，即可实现DOA估计。令加权矢量为：TNwwwW,...,,21(2-22)W中的元素为不同阵元的加权系数。则线阵的输出信号可以表示为：ttxWy)()(H(2-23)其中y(t)即为最终得到的输出信号，则均匀线阵最终输出的总功率为[20]：WRWtytyExxHH)()((2-24)DBF算法的物理意义为：对不同阵列的输出矢量加以不同的权重并求和，可以将阵列的全向方向图进行调整，将方向图调整到感兴趣的方向，并增强该方向的增益，相当于形成一个波束，因此称为数字波束形成算法。图2-2为DBF算法的原理图。图2-2DBF算法原理图2.3.4平滑MUSIC算法平滑MUSIC算法是对MUSIC算法进行了改进而提出的算法，将信号的协方差矩阵进行调整，通过牺牲阵列的有效孔径实现信号的去相关，从而实现相干信
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于空间平滑MUSIC算法的相干信号DOA估计[J]. 陈文锋,吴桂清. 计算机应用与软件. 2017(11)
[2]一种基于最小二乘优化的快速压缩感知算法[J]. 张永平,张功萱. 计算机工程与科学. 2016(08)
[3]基于似零范数和混合优化的压缩感知信号快速重构算法[J]. 伍飞云,周跃海,童峰. 自动化学报. 2014(10)
[4]基于压缩感知的DOA估计稀疏化模型与性能分析[J]. 林波,张增辉,朱炬波. 电子与信息学报. 2014(03)
[5]一种快速的压缩感知信号重构算法[J]. 李志刚. 信息技术. 2013(06)
博士论文
[1]基于压缩感知的高频超视距雷达超分辨方法研究[D]. 吴小川.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于稀疏信号重构的空间谱估计算法研究[D]. 刘寅.西安电子科技大学 2012
硕士论文
[1]宽带阵列信号DOA估计算法研究[D]. 张涛涛.南京大学 2017
[2]基于CUDA的压缩感知DOA估计算法的研究与实现[D]. 杨航.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于梯度下降和互补滤波的快速姿态解算算法研究[D]. 陈建翔.天津大学 2016
[4]基于GPU的图像压缩感知算法并行化研究[D]. 董蕾.电子科技大学 2015
[5]基于CUDA的FFT并行计算研究[D]. 王樱.湖南大学 2012
[6]阵列信号处理中DOA估计及DBF技术研究[D]. 赵娜.电子科技大学 2007
[7]阵列信号处理中的DOA估计技术研究[D]. 白玉.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3453765
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文的主要研究内容
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文8第2章阵列信号的DOA估计2.1引言空间谱估计，也就是估计回波信号的波达角度等参数，其处理系统通常由空间多传感器阵列构成，可以对空间回波信号各种参数的进行准确估计力，使人们可以得到需要的信号的各项特征，即回波信号所携带的目标位置以及速度等信息。波达角度（DirectionOfArrival，DOA）估计主要是处理被阵列接收的空间信号，是空间谱估计最主要的环节之一，一直在雷达信号处理领域具有举足轻重的地位。目前，针对DOA估计技术已经提出了很多成熟的经典算法，如多重信号分类算法（MultipleSignalClassification，MUSIC）、旋转移不变算法（EstimatingSignalParameterviaRotationalInvarianceTechniques，ESPRIT）、数字波束形成算法（DigitalBeamForming，DBF）、平滑MUSIC算法等。在本章中，首先介绍了阵列信号模型，以及不同经典算法的原理，利用MUSIC算法对阵元间隔为半波长的8阵元阵列和32阵元阵列进行仿真分析，得出小孔径阵列对DOA估计分辨率及误差的影响，并通过蒙特卡洛多次实验进行仿真结果的验证工作。2.2阵列信号模型当雷达发射电磁波后，设定从目标处反射的回波信号s(t)从信号源以角度θ入射到一均匀线阵（UniformLinearArray,ULA）上，并假设信号从很远的地方入射，当阵列与目标之间的距离远远大于阵列的孔径大小时，就可以将阵列处的等相位面近似认为是一个平面，这样就比较容易得出N个阵元上的窄带信号模型[32]。图2-1远场窄带信号模型由图2-1可知，平面波在以非垂直的角度入射阵列时，到达不同阵元的时间是不同的，即波程差形成了一个以dsin为公差的等差数列，导致信号到达各个阵元
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文12ESPRIT算法与MUSIC算法相同的是都利用了信号的协方差矩阵，即二阶累积量进行DOA估计；不同的是MUSIC算法主要基于噪声子空间的正交性，而ESPRIT算法则得益于信号子空间的旋转不变性。与MUSIC相比，ESPRIT的优点在于具有较小的计算量，且由于原理的不同，该算法省去了空域谱峰搜索的步骤。2.3.3DBF算法数字波束形成算法原理为，在均匀线阵的不同的阵元上加上不同大小的权，权的大小不同获得的估计结果也会随之变化，将加权并求和后的阵列输出信号矢量进行仿真，即可实现DOA估计。令加权矢量为：TNwwwW,...,,21(2-22)W中的元素为不同阵元的加权系数。则线阵的输出信号可以表示为：ttxWy)()(H(2-23)其中y(t)即为最终得到的输出信号，则均匀线阵最终输出的总功率为[20]：WRWtytyExxHH)()((2-24)DBF算法的物理意义为：对不同阵列的输出矢量加以不同的权重并求和，可以将阵列的全向方向图进行调整，将方向图调整到感兴趣的方向，并增强该方向的增益，相当于形成一个波束，因此称为数字波束形成算法。图2-2为DBF算法的原理图。图2-2DBF算法原理图2.3.4平滑MUSIC算法平滑MUSIC算法是对MUSIC算法进行了改进而提出的算法，将信号的协方差矩阵进行调整，通过牺牲阵列的有效孔径实现信号的去相关，从而实现相干信
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于空间平滑MUSIC算法的相干信号DOA估计[J]. 陈文锋,吴桂清. 计算机应用与软件. 2017(11)
[2]一种基于最小二乘优化的快速压缩感知算法[J]. 张永平,张功萱. 计算机工程与科学. 2016(08)
[3]基于似零范数和混合优化的压缩感知信号快速重构算法[J]. 伍飞云,周跃海,童峰. 自动化学报. 2014(10)
[4]基于压缩感知的DOA估计稀疏化模型与性能分析[J]. 林波,张增辉,朱炬波. 电子与信息学报. 2014(03)
[5]一种快速的压缩感知信号重构算法[J]. 李志刚. 信息技术. 2013(06)
博士论文
[1]基于压缩感知的高频超视距雷达超分辨方法研究[D]. 吴小川.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于稀疏信号重构的空间谱估计算法研究[D]. 刘寅.西安电子科技大学 2012
硕士论文
[1]宽带阵列信号DOA估计算法研究[D]. 张涛涛.南京大学 2017
[2]基于CUDA的压缩感知DOA估计算法的研究与实现[D]. 杨航.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于梯度下降和互补滤波的快速姿态解算算法研究[D]. 陈建翔.天津大学 2016
[4]基于GPU的图像压缩感知算法并行化研究[D]. 董蕾.电子科技大学 2015
[5]基于CUDA的FFT并行计算研究[D]. 王樱.湖南大学 2012
[6]阵列信号处理中DOA估计及DBF技术研究[D]. 赵娜.电子科技大学 2007
[7]阵列信号处理中的DOA估计技术研究[D]. 白玉.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3453765
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