无线定位中波达方向与时延估计研究

论文摘要

波达方向估计和时间延迟估计是无线被动定位技术中的重要手段,作为现代信号处理中信号参数估计与提取的重要组成部分,被广泛应用在雷达、声纳、无线通信系统定位、无线电监测和军事等领域。近年来,循环平稳信号的波达方向估计得到了越来越多的重视,但目前的算法大多都是基于二阶循环统计量的,这些算法的性能在α稳定分布噪声环境下会出现严重的退化,为此本文重点研究了脉冲噪声环境下循环平稳信号的波达方向估计问题。另一方面,时间延迟估计发展至今虽然出现了很多性能优良的估计方法,但针对射频窄带信号的时延估计问题仍然是无线定位技术中的难点,并且中频频差的存在也是影响时延估计精度的主要因素,因此本文还对基于频差补偿的射频窄带信号的时延估计方法进行了深入的研究。本文主要创新工作如下：（1）针对均匀线阵下宽带循环平稳信号DOA估计困难问题,将分数低阶循环统计量与谱相关信号子空间拟合算法（SC-SSF）相结合,提出了基于分数低阶循环相关的SC-SSF算法,实现了脉冲噪声环境下宽带循环平稳信号的DOA估计。在此基础上,通过构造新的扩展数据模型,提出了一种扩展的分数低阶循环MUSIC算法,该算法具有较高的估计精度。同时,为了进一步提高算法的估计性能,将相位分数低阶矩与循环统计量相结合,定义了相位分数p阶循环相关的概念,进一步提出相位分数p阶循环MUSIC算法及其快速根值MUSIC算法,算法具有较高分辨估计性能。（2）针对α稳定分布环境下均匀圆阵的循环平稳信号的DOA估计问题,在分析与验证分数低阶循环相关的相移特性的基础上,提出了基于均匀圆阵的韧性分数低阶循环MUSIC算法,实现了α稳定分布噪声下方位角和俯仰角的同时估计。同时,本文还提出了一种基于圆阵的扩展循环MUSIC算法,该算法通过构造扩展的数据矩阵,充分利用循环相关和共轭循环相关的信息,突破了传统算法要求阵元数大于信号源数的局限性,提高了方位角与俯仰角的估计精度,是一种具有较高分辨的DOA估计算法。（3）针对中频偏差对时延估计的影响,提出了两种基于频差补偿的时延估计方法。针对采用相位谱直接对窄带射频信号进行时延估计存在的局限性,利用平方倍频的方法估计中频偏差,采用CZT变换增加时延估计的有效频域点数,提出了基于频差补偿的相位谱时延估计方法,提高了时延估计的精度。为了解决相近信号源的时延估计问题,将频差存在时的时延估计模型与MUSIC算法估计模型相比拟,提出了一种基于频差补偿的MUSIC频率检测时延估计方法,该方法充分利用了MUSIC算法的具有较高分辨性能,提高了时延估计的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无线被动定位中的波达方向和时延估计研究现状
• 1.2.2 α稳定分布下信号处理的研究进展与现状
• 1.2.3 循环平稳信号处理的研究进展与现状
• 1.3 本文的主要研究内容与思路
• 2 α稳定分布与循环平稳基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 α稳定分布及分数低阶统计量的基础理论
• 2.2.1 α稳定分布的概念与性质
• 2.2.2 分数低阶矩
• 2.2.3 分数低阶相关与分数低阶协方差
• 2.2.4 相位分数低阶矩与相位分数低阶协方差
• 2.3 循环平稳基础理论
• 2.3.1 一阶循环平稳与循环均值
• 2.3.2 循环自相关函数与循环谱
• 2.4 本章小结
• 3 α稳定分布环境下基于均匀线阵的循环平稳信号DOA估计算法
• 3.1 引言
• 3.2 窄带循环平稳信号的DOA估计方法
• 3.2.1 窄带信号模型
• 3.2.2 循环MUSIC算法
• 3.3 α稳定分布环境下宽带循环平稳信号DOA估计算法
• 3.3.1 α稳定分布噪声条件下二阶循环统计量退化问题
• 3.3.2 分数低阶循环相关
• 3.3.3 基于分数低阶循环相关的SC-SSF算法
• 3.3.4 仿真结果与分析
• 3.4 扩展分数低阶循环MUSIC算法
• 3.4.1 分数低阶循环相关与分数低阶共轭循环相关
• 3.4.2 EX-FLOCC-MUSIC算法
• 3.4.3 仿真结果与分析
• 3.5 相位分数p阶循环MUSIC算法
• 3.5.1 相位分数p阶循环相关及其特性分析
• 3.5.2 EX-POC-MUSIC算法
• 3.5.3 EX-POC-RMUSIC算法
• 3.5.4 仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 4 基于均匀圆阵的循环平稳信号的DOA估计
• 4.1 引言
• 4.2 基于均匀圆阵的循环MUSIC算法
• 4.2.1 信号模型
• 4.2.2 圆阵的模式变换
• 4.3 α稳定分布环境下基于均匀圆阵的韧性分数低阶循环MUSIC算法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 分数低阶循环相关的相移特性
• 4.3.3 UCA-FLOCC-MUSIC算法
• 4.4.4 仿真结果与分析
• 4.4 基于均匀圆阵的扩展循环MUSIC算法
• 4.4.1 信号的循环平稳特性
• 4.4.2 UCA-EXCyclic-MUSIC算法
• 4.4.3 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 无线定位中基于频差补偿的时延估计方法
• 5.1 引言
• 5.2 基于频差补偿的相位谱时延估计方法
• 5.2.1 信号模型描述
• 5.2.2 频差补偿方法
• 5.2.3 基于CZT的频率细化法
• 5.2.4 卡尔曼滤波器的设计
• 5.2.5 仿真结果与分析
• 5.3 基于频差补偿的MUSIC频率检测时延估计方法
• 5.3.1 频率检测时延估计模型
• 5.3.2 存在中频频差的MUSIC频率检测时延估计模型
• 5.3.3 基于包络提取的时延估计法
• 5.3.4 基于频差补偿的时延估计法
• 5.3.5 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点摘要
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录A 定理3.1 的证明
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介