均匀圆阵高效波达方向估计关键技术研究

发布时间：2018-01-19 14:16

  本文关键词： 阵列信号处理 波达方向估计 阵列校正 互耦 通道增益/相位误差　出处：《重庆大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为相控阵列信号处理的主要分支之一的波达方向(DOA,Direction of Arrival)估计,有着广泛的军民两用前景。经过数十载广泛而深入的研究,这一领域已经形成日趋完善的理论体系,各种优秀的算法也层出不穷。以多重信号分类(MUSIC,Multiple Signal Classification)和利用旋转不变技术估计信号参数(ESPRIT,Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)为代表的子空间类超分辨率DOA估计算法取得了极为丰富的研究成果。然而它们的工程实现也还面临不少困难,其一是算法的理想模型跟阵列的实际模型一般有着明显的误差,例如这些算法在实际阵列存在通道不一致性,电磁互耦情况下性能将严重恶化,很难得到稳健的估计结果。另外MUSIC类算法虽然可以普遍适用于各种结构形式的阵列,但一般需要在空间角域内进行谱峰搜索,运算量较大,不易实时实现,而ESPRIT类算法的估计结果基于闭合形式的代数解,因此计算效率高,但需要阵列具有移不变性,因此极大限制了它的应用场合。虽然可以利用变换算法来降低参数搜索维度,或者使得变换后的阵列结构具有某种移不变性,但这些变换一般有着映射或截断误差,或者变换本身只能适用于某一种特殊结构的阵列。本论文以均匀圆阵(UCA,Uniform Circular Array)为主要研究对象,研究实际阵列在通道增益/相位不一致和电磁互耦误差模型下的阵列校正,波达方向估计等课题。论文提出了一种均匀圆阵电磁互耦和通道不一致误差参数的稳健联合校正算法;在详细分析基于秩损(RARE,Rank Reduction)理论的各种DOA盲估计算法基础上,提出了基于修正的ESPRIT方法的强互耦效应下均匀圆阵的DOA盲估计算法;同时本论文着眼于设计一种面向任意结构阵列的高效且易于实现的波达方向估计算法,提出了改进的迭代ESPRIT(IESPRIT,Iterative ESPRIT)算法和网格迭代ESPRIT(GIESPRIT,Grid IESPRIT)算法。将这两种新算法分别用于均匀圆阵一维和二维的DOA估计,取得了满意的估计结果。此外,这两种算法又具有可扩展性,能普遍适用于一般不规则结构阵列的DOA估计,因此扩展了经典ESPRIT算法的应用情景。本文的主要工作可概括如下:(1)通过扩展随机信源模型下一维DOA参数估计的无条件克拉美罗界(UCRB,Unconditional Cramér Rao Bound)的简化表达式,给出了二维DOA参数估计的UCRB表达式的详细证明。(2)利用传播算子方法(PM,Propagator Method)估计信号子空间或者噪声子空间可以避免样本协方差阵的特征分解,本文提出针对非圆(NC,Non Circular)信号的基于伪协方差阵的传播算子和针对非高斯信源的基于高阶(三阶)累积量的传播算子方法,并且利用空间距离这种数学工具来分析比较各种传播算子用于子空间估计时的性能。由于新的传播算子具有对高斯色噪声的强抑制能力,从而能大幅提高子空间估计的精度,进而提高DOA估计的精度。(3)提出了均匀圆阵的电磁互耦和通道幅度/相位不一致误差参数的联合稳健校正方法。该方法首先将阵列误差模型变换到离散傅立叶波束空间,解耦两种误差参数并得到解耦后的两种误差参数矢量所满足的一个线性代数方程。于是联合校正算法只需要单个信源和两次分开的校正实验就可以同时估计出这两种误差参数,且两次实验的信源入射角度并不需要事先精确校正。新的联合校正算法为均匀圆阵的误差校正提供了一种简单实用,稳健可靠的解决办法。(4)提出了均匀圆阵在强互耦效应下基于改进ESPRIT方法的一种DOA盲估计算法。在离散傅立叶波束空间中,误差模型下的均匀圆阵流形矢量变换成为一种类范德蒙矩阵形式的结构,从而可以采用改进的ESPRIT方法对信号DOA进行盲估计。论文具体给出了四种选择子阵列的实现方法,并且还给出了估计互耦参数的两种方法。仿真显示新算法对于空间紧邻信号具有很好的分辨能力,在常规MUSIC方法或其它基于RARE的盲估计算法失效的情况下,新算法仍能给出满意的估计结果。(5)提出了一种适合任意结构阵列的迭代ESPRIT算法:分析了改进算法原理,给出了迭代的收敛性证明,并且介绍了两种实现方案。IESPRIT扩展了经典的ESPRIT算法,使得它能够适用于不具有移不变性的阵列的DOA估计。新算法利用高效ESPRIT方法来迭代求解一个代数方程,因此相对于MUSIC算法具有计算优势。IESPRIT采用一种“锁角环”的闭合结构,其实现模块可以有效的锁定兴趣信号的方向,从而为不规则阵列的动目标跟踪提供了一种解决方案。(6)提出了用于均匀圆阵二维DOA估计的网格迭代ESPRIT算法。改进的GIESPRIT有效地减少了多信号二维DOA估计时的迭代次数,是IESPRIT算法在更复杂模型下的扩展。在IESPRIT算法的基础上,新方法将目标空间划分为一定数量的网格,在网格内利用IESPRIT算法对目标角度进行锁定。在新算法对DOA的估计过程中,提出了方位角和俯仰角简单的配对方法并给出了算法的收敛性证明。新算法具有可扩展性,能适用于任意结构阵列的二维DOA估计。由此本文完成了均匀圆阵在波达方向估计中所涉及到的各主要方面的挑战:从子空间估计到误差模型校正,误差模型下的盲估计,以及新的可扩展的高效DOA估计算法等。提出的各种解决方法都有大量的计算机仿真,仿真结果验证了这些算法的有效性。
[Abstract]:This paper presents a robust combined correction algorithm for DOA estimation of subspace based on generalized circular array ( MUSIC , Multiple Signal Classification ) and using rotation invariant technique to estimate DOA estimation . 绠楁硶.灏嗚繖涓ょ�嶆柊绠楁硶鍒嗗埆鐢ㄤ簬鍧囧專�

本文编号：1444524