均勻圓陣高效波達(dá)方向估計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、作為相控陣列信號(hào)處理的主要分支之一的波達(dá)方向（DOA）估計(jì)，有著廣泛的軍民兩用前景。經(jīng)過(guò)數(shù)十載廣泛而深入的研究，這一領(lǐng)域已經(jīng)形成日趨完善的理論體系，各種優(yōu)秀的算法也層出不窮。以多重信號(hào)分類(lèi)（MUSIC）和利用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計(jì)信號(hào)參數(shù)（ESPRIT）為代表的子空間類(lèi)超分辨率DOA估計(jì)算法取得了極為豐富的研究成果。然而它們的工程實(shí)現(xiàn)也還面臨不少困難，其一是算法的理想模型跟陣列的實(shí)際模型一般有著明顯的誤差，例如這些算法在實(shí)際陣列存在通道不一致

2、性，電磁互耦情況下性能將嚴(yán)重惡化，很難得到穩(wěn)健的估計(jì)結(jié)果。另外MUSIC類(lèi)算法雖然可以普遍適用于各種結(jié)構(gòu)形式的陣列，但一般需要在空間角域內(nèi)進(jìn)行譜峰搜索，運(yùn)算量較大，不易實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，而ESPRIT類(lèi)算法的估計(jì)結(jié)果基于閉合形式的代數(shù)解，因此計(jì)算效率高，但需要陣列具有移不變性，因此極大限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合。雖然可以利用變換算法來(lái)降低參數(shù)搜索維度，或者使得變換后的陣列結(jié)構(gòu)具有某種移不變性，但這些變換一般有著映射或截?cái)嗾`差，或者變換本身只能適用于某一

3、種特殊結(jié)構(gòu)的陣列。
　　本論文以均勻圓陣（UCA）為主要研究對(duì)象，研究實(shí)際陣列在通道增益/相位不一致和電磁互耦誤差模型下的陣列校正，波達(dá)方向估計(jì)等課題。論文提出了一種均勻圓陣電磁互耦和通道不一致誤差參數(shù)的穩(wěn)健聯(lián)合校正算法；在詳細(xì)分析基于秩損（RARE）理論的各種DOA盲估計(jì)算法基礎(chǔ)上，提出了基于修正的ESPRIT方法的強(qiáng)互耦效應(yīng)下均勻圓陣的DOA盲估計(jì)算法；同時(shí)本論文著眼于設(shè)計(jì)一種面向任意結(jié)構(gòu)陣列的高效且易于實(shí)現(xiàn)的波達(dá)方向估計(jì)算法

4、，提出了改進(jìn)的迭代ESPRIT（IESPRIT）算法和網(wǎng)格迭代ESPRIT（GIESPRIT，Grid IESPRIT）算法。將這兩種新算法分別用于均勻圓陣一維和二維的DOA估計(jì)，取得了滿意的估計(jì)結(jié)果。此外，這兩種算法又具有可擴(kuò)展性，能普遍適用于一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)陣列的DOA估計(jì)，因此擴(kuò)展了經(jīng)典ESPRIT算法的應(yīng)用情景。
　　本文的主要工作可概括如下：
　　（1）通過(guò)擴(kuò)展隨機(jī)信源模型下一維DOA參數(shù)估計(jì)的無(wú)條件克拉美羅界（UC

5、RB）的簡(jiǎn)化表達(dá)式，給出了二維 DOA參數(shù)估計(jì)的UCRB表達(dá)式的詳細(xì)證明。
　?。?）利用傳播算子方法（PM）估計(jì)信號(hào)子空間或者噪聲子空間可以避免樣本協(xié)方差陣的特征分解，本文提出針對(duì)非圓（NC）信號(hào)的基于偽協(xié)方差陣的傳播算子和針對(duì)非高斯信源的基于高階（三階）累積量的傳播算子方法，并且利用空間距離這種數(shù)學(xué)工具來(lái)分析比較各種傳播算子用于子空間估計(jì)時(shí)的性能。由于新的傳播算子具有對(duì)高斯色噪聲的強(qiáng)抑制能力，從而能大幅提高子空間估計(jì)的精度，進(jìn)

6、而提高DOA估計(jì)的精度。
　?。?）提出了均勻圓陣的電磁互耦和通道幅度/相位不一致誤差參數(shù)的聯(lián)合穩(wěn)健校正方法。該方法首先將陣列誤差模型變換到離散傅立葉波束空間，解耦兩種誤差參數(shù)并得到解耦后的兩種誤差參數(shù)矢量所滿足的一個(gè)線性代數(shù)方程。于是聯(lián)合校正算法只需要單個(gè)信源和兩次分開(kāi)的校正實(shí)驗(yàn)就可以同時(shí)估計(jì)出這兩種誤差參數(shù)，且兩次實(shí)驗(yàn)的信源入射角度并不需要事先精確校正。新的聯(lián)合校正算法為均勻圓陣的誤差校正提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用，穩(wěn)健可靠的解決辦法

7、。
　?。?）提出了均勻圓陣在強(qiáng)互耦效應(yīng)下基于改進(jìn)ESPRIT方法的一種DOA盲估計(jì)算法。在離散傅立葉波束空間中，誤差模型下的均勻圓陣流形矢量變換成為一種類(lèi)范德蒙矩陣形式的結(jié)構(gòu)，從而可以采用改進(jìn)的ESPRIT方法對(duì)信號(hào)DOA進(jìn)行盲估計(jì)。論文具體給出了四種選擇子陣列的實(shí)現(xiàn)方法，并且還給出了估計(jì)互耦參數(shù)的兩種方法。仿真顯示新算法對(duì)于空間緊鄰信號(hào)具有很好的分辨能力，在常規(guī)MUSIC方法或其它基于RARE的盲估計(jì)算法失效的情況下，新算法仍

8、能給出滿意的估計(jì)結(jié)果。
　?。?）提出了一種適合任意結(jié)構(gòu)陣列的迭代 ESPRIT算法：分析了改進(jìn)算法原理，給出了迭代的收斂性證明，并且介紹了兩種實(shí)現(xiàn)方案。IESPRIT擴(kuò)展了經(jīng)典的ESPRIT算法，使得它能夠適用于不具有移不變性的陣列的DOA估計(jì)。新算法利用高效ESPRIT方法來(lái)迭代求解一個(gè)代數(shù)方程，因此相對(duì)于MUSIC算法具有計(jì)算優(yōu)勢(shì)。IESPRIT采用一種“鎖角環(huán)”的閉合結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)模塊可以有效的鎖定興趣信號(hào)的方向，從而為不規(guī)

9、則陣列的動(dòng)目標(biāo)跟蹤提供了一種解決方案。
　　（6）提出了用于均勻圓陣二維 DOA估計(jì)的網(wǎng)格迭代 ESPRIT算法。改進(jìn)的GIESPRIT有效地減少了多信號(hào)二維DOA估計(jì)時(shí)的迭代次數(shù)，是IESPRIT算法在更復(fù)雜模型下的擴(kuò)展。在 IESPRIT算法的基礎(chǔ)上，新方法將目標(biāo)空間劃分為一定數(shù)量的網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)利用IESPRIT算法對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行鎖定。在新算法對(duì)DOA的估計(jì)過(guò)程中，提出了方位角和俯仰角簡(jiǎn)單的配對(duì)方法并給出了算法的收斂性證明。