基于共形天线阵的DOA估计及DBF若干算法研究

论文摘要

在飞行器或其他移动平台载体表面,常常需要安装共形天线阵。共形阵具有不改变飞行器表面空气动力学性能、易实现宽角扫描、隐蔽性好,安装简单等优点。然而,共形阵也具有一些特殊的性质:如金属载体具有遮挡效应,对某一方向入射的信号会产生“暗区”,即某些阵元无法接收到该信号;阵元方向图无法设计成全向,即具有方向性;此外,阵元之间的互耦变得更为复杂,还会产生电磁绕射效应等等。因此,相对于普通阵列而言,要在共形阵上实现阵列天线的自适应信号处理还存在许多困难。针对以上问题,本文以共形天线阵为基础,详细研究了基于MUSIC（multiple signal classification）类的DOA（direction-of-arrival）估计算法和存在误差情况下的稳健DBF（digital beamforming）算法,并对共形阵中存在的各种误差进行了分析,主要内容如下:首先,介绍了共形阵的基本理论,导出了共形阵的统一的方向图函数表达式,并对共形阵的基础——均匀圆环阵的特性进行了深入研究。其次,在共形天线阵上,研究了MUSIC类和用于圆环类结构的DOA估计算法——UCA-RB-MUSIC（uniform circular array real beamspace MUSIC）算法,针对共形阵的特殊性,提出了一种适用于一般曲线（面）共形结构的子阵分割MUSIC算法,该方法可以有效克服由于载体遮挡引起的MUSIC算法性能下降。再次,研究了共形阵列上的DBF算法,详细讨论了DOA估计误差对波束形成性能的影响。将一种稳健的自适应波束形成算法—RCB（robust capon beaming）算法应用于共形阵DBF中,并由一维推广至二维情况。最后,针对实际工程应用中可能出现的几种典型的阵列误差进行了分析,研究了各种误差对共形阵DOA估计和DBF性能的影响,并给出了相应的校正方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 共形天线阵概述
• 1.1.1 平面天线阵的不足
• 1.1.2 共形天线阵的特点
• 1.1.3 共形天线阵面临的困难
• 1.2 自适应信号处理技术在共形天线阵中的应用
• 1.2.1 自适应天线系统的优势
• 1.2.2 自适应天线系统的构成
• 1.3 本论文主要工作及论文结构
• 第二章 共形天线阵列分析
• 2.1 任意阵列天线方向图函数
• 2.2 圆环阵列分析
• 2.2.1 圆环阵的方向图函数
• 2.2.2 圆环阵的方向性系数
• 2.2.3 阵元极化对共形圆环阵方向图函数的影响
• 2.3 圆柱、圆锥、半球阵方向图函数
• 2.3.1 统一的方向图函数
• 2.3.2 圆柱共形阵的方向图函数
• 2.3.3 圆锥共形阵、半球共形阵方向图函数
• 2.4 小结
• 第三章 基于共形载体的DOA估计算法
• 3.1 阵列接收数据模型
• 3.2 MUSIC算法
• 3.2.1 MUSIC算法原理
• 3.2.2 基于圆柱共形阵的MUSIC算法仿真
• 3.3 UCA-RB-MUSIC算法
• 3.3.1 UCA-RB-MUSIC算法原理
• 3.3.2 UCA-RB-MUSIC算法仿真
• 3.4 基于子阵分割的MUSIC算法
• 3.4.1 子阵分割MUSIC算法原理
• 3.4.2 子阵分割MUSIC算法仿真
• 3.5 小结
• 第四章 基于共形载体的数字波束形成算法
• 4.1 数字波束形成算法准则
• 4.1.1 最小均方误差（MMSE）准则
• 4.1.2 最小二乘（LS）准则
• 4.1.3 线性约束最小方差（LCMV）准则
• 4.2 采样矩阵求逆算法（SMI）
• 4.2.1 SMI算法原理
• 4.2.2 SMI算法性能分析
• 4.3 基于可变对角加载的稳健数字波束形成算法（RCB）
• 4.3.1 算法原理
• 4.3.2 基于共形阵的稳健DBF算法仿真
• 4.4 小结
• 第五章 阵列误差对DOA估计及DBF性能的影响
• 5.1 阵列误差模型
• 5.1.1 阵列互耦
• 5.1.2 阵元位置误差
• 5.1.3 阵元匹配误差
• 5.2 存在各种误差时DOA估计及DBF性能分析
• 5.2.1 阵元互耦对DOA估计和DBF性能的影响
• 5.2.2 同时考虑阵元方向性、阵元互耦以及阵元位置误差对DOA估计和DBF性能的影响
• 5.2.3 阵元匹配误差对DOA估计和DBF性能的影响
• 5.3 阵列误差校正方法
• 5.3.1 DOA估计的辅助阵元校正法
• 5.3.2 圆柱共形阵的DBF校正方法
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要科研和学术成果