雷电探测系统中的信号预处理及定位算法比较研究

发布时间：2017-08-28 19:33

  本文关键词：雷电探测系统中的信号预处理及定位算法比较研究

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【摘要】：雷电作为一种破坏力极强的自然现象,长久以来,雷电带来了严重的人员伤亡和经济损失。我国非常重视雷电防护,然而由于对雷电过程认识的不足以及测量技术的有限,已有的雷电特征参数有限,现有的设计还不足以对雷电引起的灾害进行预防以实现雷电的预警和防护,需要设计更有效更符合雷电物理机制的系统对雷电进行更准确有效的探测。为此本文对超高频(Very High Frequency, VHF)频段云闪探测系统的信号预处理过程以及定位方法进行了研究。利用MATLAB仿真实验得出三种信号波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计算法的结果,同时对仿真实验结果进行对比分析。阵列信号处理系统一般应用于VHF频段雷电探测系统中,首先系统对天线接收到的多路信号进行模数转换,模数转换后形成多通道高速bit流,最后对数据进行处理得出雷电定位所需的参数。而在信号处理过程进行之前,需要对天线接收的多路信号进行预处理,一般数据预处理的过程是检测雷电发生时候的状态信息、对高速多路信号进行数字下变频处理和形成协方差矩阵来估计波达方向。为了检测雷电发生时候的状态信息,本文使用基于功率检测最优门限法,这种方法可以减小虚警及漏警概率之和。接着利用MATLAB工具对雷电信号的下变频进行仿真,并完成协方差矩阵估计值模块。雷电到达时间差法和雷电到达方位角法是两种常见的定位方法,在VHF雷电检测系统中会用到这两种定位方法。本文对DOA定位方法的原理及解算方法进行了分析,在经典算法的基础上提出改进多信号分类(Multiple Signal Classification, MUSIC)算法和一种稳健稀疏Capon波束形成算法,并且通过仿真实验对两种新型算法和以往算法进行性能对比分析,根据仿真结果来验证新型算法的性能。对改进MUSIC算法、Capon算法以及Delay-Add (延迟-相加)三种算法对DOA估计的仿真结果对比分析得到结论：Capo n算法的DOA估计性能最佳,改进MUSIC算法性能居中,Delay-Add法的性能较改进MUSIC算法和Capon算法差。
【关键词】：数字下变频 波达方向估计 MUSIC算法 CAPON算法
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究的背景与意义9-10
• 1.2 国内外相关领域研究的现状10-15
• 1.2.1 甚高频雷电探测系统研究进展10-11
• 1.2.2 到达时间差法11-13
• 1.2.3 干涉法13-14
• 1.2.4 波达方向估计方法14-15
• 1.3 本论文结构安排15-17
• 第二章 VHF频段雷电信号的数字接收17-33
• 2.1 数字下变频理论17-20
• 2.1.1 信号带通采样17-19
• 2.1.2 多速率数字信号处理19-20
• 2.2 雷电信号数字下变频分析20-24
• 2.2.1 工作原理20-23
• 2.2.2 数字下变频设计及MATLAB仿真实现23-24
• 2.3 雷电信号数据采集24-31
• 2.3.1 数据采集处理过程有效性仿真25-29
• 2.3.2 雷电检测方法29-30
• 2.3.3 雷电检测仿真分析30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 一种稳健的稀疏Capon波束形成算法33-44
• 3.1 引言33-35
• 3.2 阵列模型及算法原理35-36
• 3.3 稳健的稀疏波束形成算法36-42
• 3.3.1 稀疏约束Capon波束形成36-38
• 3.3.2 稳健的稀疏约束Capon波束38-39
• 3.3.3 算法性能仿真对比39-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 基于四阶累积量的MUSIC算法44-60
• 4.1 引言44
• 4.2 MUSIC算法44-49
• 4.2.1 MUSIC算法原理44-47
• 4.2.2 MUSIC算法实现47-48
• 4.2.3 MUSIC-like算法原理48-49
• 4.3 改进MUSIC-like算法49-51
• 4.4 四阶MUSIC算法的性能分析51-59
• 4.4.1 四阶MUSIC算法对高斯噪声抑制分析51-54
• 4.4.2 四阶MUSIC算法快拍数影响54-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 Delay-Add算法、Capon算法和MUSIC算法的DOA估计效果对比60-68
• 5.1 Delay-Add算法原理60-61
• 5.2 Capon算法的DOA估计仿真效果61-62
• 5.3 改进MUSIC算法与基本MUSIC算法DOA估计效果对比62-65
• 5.4 Delay-Add算法、Capon算法和改进MUSIC算法同一条件下DOA估计结果仿真对比65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 全文总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士期间的成果74-75
• 致谢75-76
• 作者简介76
• 基本情况76
• 研究生阶段学位攻读期间学习情况76
• 攻读硕士学位期间科研成果76

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本文编号：749107