空间谱估计及其在短波测向定位中的应用研究

发布时间：2017-06-06 17:25

  本文关键词：空间谱估计及其在短波测向定位中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：空间谱估计是阵列信号处理中的一个重要方向,该技术可以极大改善空间信号的角度估计精度等参数。近年来,随着数字信号处理技术的发展,空间谱估计理论与技术得到了广泛的应用,成为无线电测向和无源定位领域的研究热点。在短波测向领域中,由于短波信号存在着多径衰落和干扰日益增多等特点,短波测向和定位变得更加复杂和困难,而空间谱估计则提供了一种高精度的测向和定位手段。本论文针对短波等窄带信号的特点,分别从相干信号、循环平稳信号、二维信号等角度进行DOA估计研究,并提出一种适合短波信号的测向和定位技术方法。论文主要内容如下：本论文针对相干信号的DOA估计,提出了一种利用扩展矩阵的最大奇异矢量的方法,本方法通过构建Toeplitz矩阵,可以有效估计出相干信号。在低信噪比的条件下,与FBSS和ESPRIT-like解相干方法相比,本方法具有更好的角度估计性能。在ESPRIT方法的基础上,针对双基地MIMO阵列的角度估计,利用信号的循环平稳特性,给出了一种Cyclic ESPRIT方法,本方法首先构建接收信号的循环自相关矩阵,对其使用奇异值分解,并且利用收发矩阵奇异矢量的一致性,实现收发角度的自动配对。相比较ESPRIT方法,本方法可以提高干扰情况下的DOD和DOA的估计性能。针对不相关信号的二维DOA估计,本方法使用L型阵列,通过构建扩展矩阵,提出了改进的ESPRI T方法,本方法无需谱峰搜索,且实现了仰角和方位角的自动配对,比传统的ESPRIT方法角度估计性能更优,并能够识别更多的目标源。为简化运算量,也给出了一种改进的传播因子方法。同时给出了一种改进的论文在如下几个方面有创新和贡献：1. 针对相干信号的DOA(波达方向)估计,提出了一种利用扩展矩阵的最大奇异矢量法,本方法通过构建Toeplitz矩阵,可以有效估计出相干信号的DOA。与FBSS(前后向空间平滑)和ESPRIT(旋转不变子空间)-like解相干方法相比较,本方法在RMSE(均方根误差)=0.4时,比ESPRIT-like和FBSS方法分别提高了约3dB和7.5dB。2. 在ESPRIT方法的基础上,针对双基地MIMO(多输入多输出)阵列的角度估计,利用信号的循环平稳特性,给出了一种Cyclic ESPRIT方法,本方法首先构建了接收信号的循环自相关矩阵,对其使用奇异值分解,并且利用收发矩阵奇异矢量的一致性,实现收发角度的自动配对。本方法可以提高干扰情况下的DOD(发射方位角)和DOA的估计性能。当存在2个干扰信号,本方法在RMSE=0.2时,较基于ESPRIT的方法提高了约5dB。3. 针对不相关信号的二维DOA估计,使用L型阵列,通过构建扩展矩阵,提出了一种改进的ESPRIT方法,本方法无需谱峰搜索,且实现了仰角和方位角的自动配对,比传统的ESPRIT方法角度估计性能更优,并能够识别更多的目标源。同时给出了一种改进型的求根MUSIC(多重信号分类)方法,本方法利用X轴与Z轴接收信号的扩展矩阵,结合配对算法进行二维DOA估计,本方法避免了谱峰搜索,在RMSE=0.1时,较ESPRIT的方法提高了约1.5dB。针对相干信号的二维DOA估计,使用十字阵列,结合ESPRIT-like方法,提出了一种新型二维DOA估计方法,本方法利用两个正交线性阵列的对称性,通过构建新的Toeplitz矩阵,可有效估计相干信号的二维DOA,比波达方向矩阵法有更好的估计性能。4. 针对短波信号的测向,构建了一种新型的短波空间谱测向系统,该系统以SCA(软件通信架构)为基础,采用面向对象的设计思想,提供了一种标准的、开发的平台。同时给出了一种新型的短波协同定位方法,本方法采用循环DOA估计方法进行测向,抗干扰能力较强,通过短波空间谱测向系统和中央控制器连接,组网灵活,本方法具有较好的定位性能和稳定性。求根M [USIC方法,本方法利用X轴与Z轴接收信号的扩展矩阵,结合配对算法进行二维DOA估计,进一步优化二维角度估计性能。针对相干信号的二维DOA估计,使用十字阵列,结合ESPRIT-like方法,提出了一种新型二维DOA估计方法,本方法利用两个正交线性阵列的对称性,通过构建新的Toeplitz矩阵,可有效估计相干信号的二维DOA,较波达方向矩阵法有更好的估计性能。构建了一种新型的短波空间谱测向系统,该系统以SCA架构为基础,采用面向对象的设计思想,提供了一种标准的、开发的、可互操作的平台,通过加载不同DOA估计算法软件来动态配置系统的各种功能,实现系统硬件平台的通用化、模块化和软件的可移植性。同时给出了一种新型的短波协同定位方法,本方法采用循环DOA估计方法进行测向,抗干扰能力较强,通过短波空间谱测向系统和中央控制器连接,组网灵活,数据传输速率高；采用加权平均法,利用各电离层通道之间的不相关性,减少了定位计算对通道变化的敏感度,提高复杂环境下的定位精度。仿真结果表明本方法具有较好的定位性能和稳定度。
【关键词】：短波测向 空间谱估计 相干信号 循环平稳特性 MIMO阵列 二维DOA SCA 短波协同定位
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 研究背景和意义12-14
• 1.2 本课题发展概况与研究现状14-27
• 1.2.1 空间谱估计的发展和研究现状14-17
• 1.2.2 短波测向定位的发展和研究现状17-27
• 1.3 论文的主要研究内容27-29
• 第二章 空间谱估计的数学模型和分析方法29-53
• 2.1 引言29
• 2.2 空间谱估计数学模型29-31
• 2.2.1 窄带信号源模型30
• 2.2.2 阵列系统模型假设30-31
• 2.3 线性预测算法31-34
• 2.3.1 线性预测的基本原理31-32
• 2.3.2 基于线性预测的DOA估计32-34
• 2.4 基于子空间的估计方法34-38
• 2.4.1 多重信号分类算法34-36
• 2.4.2 旋转不变子空间算法36-38
• 2.5 相干信号的DOA估计38-48
• 2.5.1 相干信号定义和DOA估计的特点38-39
• 2.5.2 前后向空间平滑方法39-42
• 2.5.3 ESPRIT-Like方法42-43
• 2.5.4 一种利用扩展矩阵奇异向量的DOA估计方法43-48
• 2.6 二维DOA估计原理48-52
• 2.6.1 信号模型48-49
• 2.6.2 基于平行线性阵列的波达方向矩阵法49-52
• 2.7 本章小结52-53
• 第三章 基于循环平稳特性的空间谱估计53-69
• 3.1 引言53
• 3.2 循环平稳信号特性53-54
• 3.3 基于循环平稳信号特性的DOA估计54-61
• 3.3.1 Cyclic MUSIC方法54-57
• 3.3.2 基于前后向平滑的Cyclic MUSIC方法57-59
• 3.3.3 一种改进的相干循环MUSIC估计方法59-61
• 3.4 基于循环平稳特性的MIMO阵列角度估计方法61-68
• 3.4.1 ESPRIT方法63-64
• 3.4.2 Cyclic ESPRIT方法64-65
• 3.4.3 算法步骤与复杂度65-66
• 3.4.4 仿真66-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第四章 二维空间谱估计69-100
• 4.1 引言69
• 4.2 L型线性阵列模型69-71
• 4.3 基于改进ESPRIT的二维DOA估计方法71-79
• 4.3.1 信号模型71-72
• 4.3.2 基于改进ESPRIT的二维DOA估计方法72-79
• 4.4 一种基于PM的改进型二维DOA估计方法79-86
• 4.4.1 改进型PM方法79-82
• 4.4.2 算法步骤与复杂度82-83
• 4.4.3 仿真结果83-86
• 4.5 基于求根MUSIC的二维DOA估计方法86-93
• 4.5.1 信号模型86-87
• 4.5.2 基于求根MUSIC的二维DOA估计方法87-88
• 4.5.3 求根MUSIC估计方法88-93
• 4.6 相干信号的二维DOA估计方法93-99
• 4.7 本章小结99-100
• 第五章 空间谱估计在短波测向定位中的应用研究100-115
• 5.1 引言100
• 5.2 基于软件无线电的空间谱估计研究100-108
• 5.2.1 SCA体系架构101-102
• 5.2.2 基于SCA的短波空间谱测向系统设计102-108
• 5.3 空间谱估计在短波定位的应用108-114
• 5.3.1 短波协同定位系统组成108-109
• 5.3.2 多天线阵组网协同定位方法109-111
• 5.3.3 定位仿真111-114
• 5.4 本章小结114-115
• 第六章 总结与展望115-117
• 6.1 本文所做的工作115-116
• 6.2 进一步研究的方向116-117
• 参考文献117-126
• 致谢126-127
• 作者在研究生攻读期间的成果127-128

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 宁晓伟;石元礼;;基于空间谱估计算法的短波测向系统[J];广播电视信息;2010年11期

2 陈建;王树勋;魏小丽;;一种基于L型阵列的二维波达方向估计的新方法[J];吉林大学学报(工学版);2006年04期

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1 覃岭;无线电侦测中的阵列处理算法研究[D];电子科技大学;2010年

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本文编号：427068