基于KR子空间的DOA估计算法研究和性能分析

摘要

波达方向角(Direction of Arrival,DOA)估计是阵列信号处理的一个重要研究方向，在语音、通信、雷达、声呐等领域具有广泛应用。如何在阵元个数较少的情况下估计出更多信源的波达方向角是DOA估计中的一个重要问题，也称为欠定情况下的DOA估计问题。而利用Khatri-Rao(KR)子空间构造虚拟阵列是解决该问题的一种有效解决方案。本文从基本的KR子空间方法出发，研究了一系列利用虚拟阵列进行DOA估计的方法，并就如何提高阵列自由度(Degree of Freedom,DOF)、如何提高基于KR子空间的DOA估计方法的性能等问题，提出了改进的算法。本文主要工作如下：
　　首先研究了空间谱估计的理论基础。对阵列信号的数学模型、阵列几何分布模型、以及子空间DOA估计的基本原理进行了推导分析；
　　接着从窄带阵列信号与宽带阵列信号两个方向出发，研究了基于均匀线性阵列的KR子空间DOA估计问题。介绍了KR积的定义，研究了基本的KR子空间算法以及消除噪声协方差、降低运算维度的方法，并研究了宽带阵列信号的KR子空间算法;
　　本文还重点研究了非均匀线阵的KR子空间DOA估计问题。以二阶嵌套阵为例，详细地研究了非均匀线阵中利用空间平滑技术的DOA估计方法，并通过仿真实验，验证了嵌套阵以及其余几种非均匀线阵的KR子空间DOA估计方法；
　　本文从三个方面对基于KR子空间的DOA估计新方法进行了探索，并通过实验对所提出的新方法进行了仿真验证和性能分析，具体包括：
　　1)本文基于均匀线性阵列和嵌套阵列提出了实数化KR子空间方法，与复数域的KR方法相比，此方法的运算量在子空间分解以及谱峰搜索方面都有所降低。通过设计一个特殊的转换矩阵，在将数据从复数域转换到实数域的同时，消除了噪声的影响。
　　2)为了进一步提升自由度，本文提出了一种新的嵌套阵列几何结构。基于新几何结构嵌套阵的实数化KR子空间方法可以估计更多的信源波达角并且降低运算量。
　　3)考虑到准平稳信号局部序列功率谱平稳的特点，本文对局部协方差矩阵进行匹配，提出了一种将整体MUSIC空间谱与局部匹配谱结合起来的新想法。该方法能够克服原来KR子空间方法需要大量快拍数的缺陷。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状及发展态势

1.3主要内容及结构安排

第二章 空间谱估计的理论基础

2.1引言

2.2阵列信号的数学模型

2.3传感器阵列模型

2.4空间谱估计的基本原理

2.5自由度的定义

2.6本章小结

第三章 均匀线性阵列的KR子空间DOA估计方法

3.1引言

3.2基于KR子空间的窄带DOA估计方法

3.3基于KR子空间的宽带DOA估计方法

3.4本章小结

第四章 非均匀线性阵列的KR子空间DOA估计方法

4.1引言

4.2基于差分共形阵的非均匀阵基本原理

4.3基于嵌套阵的KR子空间DOA估计方法

4.4仿真实验与分析

4.5本章小结

第五章 KR子空间DOA估计算法的改进

5.1引言

5.2嵌套阵几何结构的改进

5.3协方差矩阵实数化的KR子空间DOA估计算法

5.4基于局部协方差匹配的KR子空间DOA估计方法

5.5本章小结

第六章 总结及展望

6.1总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果