基于非圆信号的高分辨率波达方向估计算法研究

摘要

近年来，利用信号的统计特性提升波达方向(DOA)估计算法的性能已经成为阵列信号处理的一个重要研究领域。其中，非圆信号因在阵列孔径拓展和估计精度提升等方面的优异性能，更是获得了越来越多的关注。非圆信号是指统计特性不具有旋转不变性的信号类型，其在现代通信领域十分常见，如AM、BPSK和UQPSK等信号。同时，随着现代雷达和通信等系统对DOA估计分辨率和估计精度的要求不断提高，对于高性能DOA估计算法的需求也日渐迫切。因此，基于非圆信号的高分辨DOA估计算法研究具有十分重要的理论意义和实用价值。目前对此问题的研究虽然取得了一定的成果，但是针对任意非圆率信号和相干非圆信号等方面的研究尚不充分。本论文在现有成果的基础上，针对这一问题进行了进一步的研究，主要工作可以简要概括如下:
　　1.为提高任意非圆率信号的DOA估计性能，我们将信号的非圆特性和阵列的中心对称特性相结合，提出了基于中心对称阵列的高分辨DOA估计算法。实际应用中的多数阵列都属于中心对称阵列，如均匀线阵、对称线阵和均匀面阵等。由于中心对称阵列的阵元关于中心点对称，则对称阵元接收远场信号时，相对中心点的时延正好相反。因此，阵列导向矢量具有共轭对称特性。联合利用导向矢量的共轭对称性和信号的非圆特性，可以直接得到各个信号入射方向导向矢量的估计。再根据导向矢量和DOA的关系，就可以求解出所有的入射角度。我们不仅给出了一维DOA估计方法，而且以均匀面阵和均匀圆阵为例，给出了二维的DOA估计方法。并通过仿真实验验证了所提算法在分辨率、估计精度和对噪声的鲁棒性等方面的显著优势。
　　2.对于多径传播条件下的非圆信号DOA估计，由于存在相干信号，信号协方差矩阵秩缺，导致传统高分辨算法失效。对此，我们提出一种分组处理相干非圆信号的DOA估计算法。首先，通过利用非圆特性估计各组的组导向矢量，并同时利用前向和后向的组导向矢量进行Toeplitz矩阵重构，得到各组对应的合成矩阵。对这些矩阵进行分解，就可以利用传统高分辨算法得到各组的初始DOA估计。为进一步提高估计精度，利用各组初始的估计结果重构对应的组导向矢量，再利用矩阵斜投影和前后向空间平滑得到更为精确的DOA估计。由于实现了分组估计，使得算法需要的阵元数减小，而估计精度却得到提高。仿真实验验证了所提算法的优越性能，尤其在低信噪比和小快拍的情况下，所提算法仍能准确地进行DOA估计。

目录

声明

摘要

常用数学符号

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 波达方向估计与非圆信号理论基础

2．1 引言

2．2 波达方向估计基础

2．2．1 阵列接收信号基本模型

2．2．2 经典高分辨波达方向估计算法

2．3 多径传播条件下的波达方向估计

2．3．1 相干信号的数据模型

2．3．2 常见相干信号波达方向估计算法

2．4 非圆信号的定义和数学模型

2．4．1 非圆信号的定义

2．4．2 非圆信号阵列接收数据模型

2．5 本章小结

第3章 基于中心对称阵列的高分辨非圆信号波达方向估计算法

3．1 引言

3．2 数据模型

3．3 基于中心对称阵列的高分辨非圆信号波达方向估计算法

3．3．1 算法原理

3．3．2 仿真实验

3．4 拓展的高分辨二维波达方向估计算法

3．4．1 均匀面阵

3．4．2 均匀圆阵

3．4．3 仿真实验

3．5 本章小结

第4章 相干非圆信号的分组波达方向估计算法

4．1 引言

4．2 数据模型

4．3 相干非圆信号的分组估计算法

4．3．1 初始分组估计

4．3．2 估计精度提升

4．4 算法总结和讨论

4．5 仿真实验

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文内容总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果