基于均匀圆阵的2D DOA估计算法研究及实现

基于均匀圆阵的2D DOA估计算法研究及实现

论文摘要

随着信号处理技术的极大发展,信息处理能力在现代战争中对战争的结局起着关键的作用。如何在复杂的电磁环境下获取大量有效信息成为研究的热点。确定空间信号的二维波达方向(2D DOA)是电子系统的重要功能,对敌方的军事目标实施全面的侦察、测向定位和监视起关键作用。而均匀圆阵(UCA)作为一种特殊的平面阵列结构,能提供俯仰角和方位角的信息,在360°范围内全方位无模糊测向,在阵列信号处理中得到广泛应用。本文以基于UCA的2D DOA估计作为研究背景,研究了几种高分辨估计算法。由于UCA的阵列流型不满足范德蒙德阵的形式,为了移植MUSIC、ESPRIT等高分辨算法的优良特性,采用波束空间转换进行预处理,例如UCA-RB-MUSIC、UCA-Root-MUSIC、UCA-ESPRIT算法等。UCA-RARE算法也是基于波束空间转换技术,它能将俯仰角与方位角的求解分离,这样的处理利于阵列误差补偿。而UCA-SBDOA算法,利用多个子阵的平移以及多个波束形成器来计算俯仰角和方位角,具有计算简单等特点。本文对这些算法的有效性进行了仿真验证和分析。此外,由于上述高分辨算法的优良性能都是基于阵列流型的理想化而产生的。当存在多径或者阵元间互耦等不理想因素时,算法性能会急剧恶化甚至不能估计角度。为了增强算法的稳健性,本文针对这两种情况作了讨论并介绍了对应的解决方案。对于多径信号源问题,可以采用空间平滑技术和时间平滑技术,空间平滑利用了子阵间的平移去相干或相关。而时间平滑利用了信道慢衰落特性。由仿真结果分析可知这两种方法性能相近,都能去相干或相关;而对于互耦效应,本文在基于互耦补偿的UCA-RARE算法的基础上,提出了一种在多径条件下,作互耦补偿的2D DOA估计方法,该方法结合了时间平滑与RARE算法的优势,计算量小,无孔径损失,仿真结果验证了该方法的优良性能。最后,本文介绍了基于阵元切换的2D DOA估计方法,并在9阵元3通道宽带测向系统的项目背景下,在VC++平台上将算法作实现,通过仿真和实测系统数据验证所提方法的实用性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 研究的历史与发展现状
  • 1.2.1 空间谱估计技术的研究历史与发展现状
  • 1.2.2 基于UCA 的2D DOA 估计技术的研究历史与发展现状
  • 1.3 本文的主要工作
  • 1.4 论文结构安排
  • 第二章 基于UCA 的2D DOA 估计
  • 2.1 基于UCA 的信号接收模型
  • 2.1.1 窄带信号数学模型
  • 2.1.2 UCA 中的信号接收数学模型
  • 2.2 DOA 估计性能的参数
  • 2.2.1 估计精度
  • 2.2.2 分辨力
  • 2.2.3 克拉美-罗界
  • 2.3 波束空间转换
  • 2.3.1 UCA-RB-MUSIC 算法
  • 2.3.2 UCA-Root-MUSIC 算法
  • 2.3.3 UCA-ESPRIT 算法
  • 2.3.4 算法性能仿真及分析
  • 2.4 UCA-RARE 算法
  • 2.4.1 UCA-RARE 算法原理
  • 2.4.2 算法性能仿真及分析
  • 2.5 UCA-SBDOA 算法
  • 2.5.1 SBDOA 算法原理
  • 2.5.2 UCA-SBDOA 算法原理
  • 2.5.3 算法性能仿真及分析
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 多径信号源的2D DOA 估计
  • 3.1 多径信号模型
  • 3.2 基于空间平滑的2D DOA 估计
  • 3.2.1 算法原理介绍
  • 3.2.2 算法性能仿真及分析
  • 3.3 基于时间平滑的2D DOA 估计
  • 3.3.1 算法原理介绍
  • 3.3.2 算法性能仿真及分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 存在互耦效应的2D DOA 估计
  • 4.1 互耦信号模型
  • 4.2 阵元互耦的影响及补偿分析
  • 4.2.1 互耦补偿
  • 4.2.2 互耦影响的仿真分析
  • 4.3 基于UCA-RARE 算法的互耦补偿算法
  • 4.3.1 算法原理介绍
  • 4.3.2 算法性能仿真及分析
  • 4.4 多径条件下互耦补偿算法
  • 4.4.1 互耦条件下解相干算法原理介绍
  • 4.4.2 算法性能仿真及分析
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 基于阵元切换的2D DOA 估计方法及实现
  • 5.1 基于阵元切换的测向系统结构
  • 5.1.1 系统组成与原理
  • 5.1.2 系统功能
  • 5.2 基于阵元切换的算法实现
  • 5.2.1 欠通道接收信号模型
  • 5.2.2 阵元切换原理
  • 5.2.3 算法性能仿真及分析
  • 5.3 基于C++语言的算法实现
  • 5.3.1 C++语言及其相关基础知识
  • 5.3.2 阵元切换控制
  • 5.3.3 系统实现步骤
  • 5.3.4 实验结果及分析
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 总结和展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 在校期间的研究成果
  • 相关论文文献

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