MUSIC算法在无源测向技术中的研究

摘要

在现代电子战中,由于传统有源雷达很容易被敌方侦察和截获,同时雷达本身也易于被敌方探测定位。因此提高雷达的生存能力已成为战争防御的首要问题,无源雷达探测技术的研究和发展在现代战争中便尤为重要。而在无源探测技术中,无源测向是一种极其重要的手段。目前在无源测向技术中应用最为广泛的就是唯方位法,也称之为波达方向估计。波达方向估计是无源测向系统的核心,是无源测向技术的重要组成部分。
　　 本文首先介绍无源测向技术的研究背景和意义,进一步介绍无源测向技术中的空间谱估计技术的研究现状,并介绍了传统波达方向估计算法中的延迟.相加算法和Capon最小方差法,分别对它们的性能进行分析并加以比较。由于传统波达方向估计算法分辨率低,无法分辨属于同一波束空间内的多个信号,因此进一步研究了空间谱估计技术的高分辨率MUSIC(Multiple Signal Classification)算法和求根-MUSIC算法,并对它们的性能进行仿真比较。针对传统MUSIC算法存在计算复杂度高、在色噪声环境中估计性能急骤下降和对相干信源失效等问题,论文重点研究了一种在色噪声环境中的快速波达方向估计算法和对修正MUSIC算法的改进。传统MUSIC算法需要对接收数据的协方差矩阵进行特征值分解,在阵元多和采样拍数较多的情况下,计算复杂度高,且无法消除色噪声的影响。本文研究的快速波达方向估计算法不仅能够消除色噪声对接收数据的影响,而且还减小了计算复杂度,更加有利于实时处理。针对传统MUSIC算法无法估计相干信号波达方向的问题,首先研究了基于空间平滑算法的MUSIC算法,但此类方法损失了阵列孔径,估计性能不是很理想,因此又进一步研究了修正MUSIC算法和对修正MUSIC算法协方差矩阵奇异值分解解相干的算法。本文针对这两种算法的缺点提出修正MUSIC算法的实值奇异值分解方法,该方法首先对修正后的协方差矩阵进行实值变换,然后进行奇异值分解,之后重构数据的协方差矩阵,也就是解相干后的协方差矩阵,最后利用该矩阵进行波达方向估计。本文对修正MUSIC算法改进后,不仅能够估计出空间相互独立信号的波达方向,还能估计出空间相干信号的波达方向。此外本文还对基于前向/后向空间平滑算法、前后向空间平滑算法的MUSIC算法和修正MUSIC算法进行仿真,同时对这些算法的估计性能进行详细的分析。仿真结果表明,信噪比越高,阵元数越多,MUSIC算法的估计效果越好;求根-MUSIC算法避免了空间谱搜索,减少了计算量,而且在低信噪比情况下估计性能优于MUSIC算法;前/后向空间平滑算法和修正MUSIC算法不仅能够估计出相互独立的空间信号波达方向,还能估计出相干的空间信号波达方向。