均勻圓陣高效波達方向估計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、作為相控陣列信號處理的主要分支之一的波達方向（DOA）估計，有著廣泛的軍民兩用前景。經(jīng)過數(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。以多重信號分類（MUSIC）和利用旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計信號參數(shù)（ESPRIT）為代表的子空間類超分辨率DOA估計算法取得了極為豐富的研究成果。然而它們的工程實現(xiàn)也還面臨不少困難，其一是算法的理想模型跟陣列的實際模型一般有著明顯的誤差，例如這些算法在實際陣列存在通道不一致

2、性，電磁互耦情況下性能將嚴重惡化，很難得到穩(wěn)健的估計結(jié)果。另外MUSIC類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)進行譜峰搜索，運算量較大，不易實時實現(xiàn)，而ESPRIT類算法的估計結(jié)果基于閉合形式的代數(shù)解，因此計算效率高，但需要陣列具有移不變性，因此極大限制了它的應(yīng)用場合。雖然可以利用變換算法來降低參數(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斷誤差，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）為主要研究對象，研究實際陣列在通道增益/相位不一致和電磁互耦誤差模型下的陣列校正，波達方向估計等課題。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；在詳細分析基于秩損（RARE）理論的各種DOA盲估計算法基礎(chǔ)上，提出了基于修正的ESPRIT方法的強互耦效應(yīng)下均勻圓陣的DOA盲估計算法；同時本論文著眼于設(shè)計一種面向任意結(jié)構(gòu)陣列的高效且易于實現(xiàn)的波達方向估計算法

4、，提出了改進的迭代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，取得了滿意的估計結(jié)果。此外，這兩種算法又具有可擴展性，能普遍適用于一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)陣列的DOA估計，因此擴展了經(jīng)典ESPRIT算法的應(yīng)用情景。
　　本文的主要工作可概括如下：
　?。?）通過擴展隨機信源模型下一維DOA參數(shù)估計的無條件克拉美羅界（UC

5、RB）的簡化表達式，給出了二維 DOA參數(shù)估計的UCRB表達式的詳細證明。
　?。?）利用傳播算子方法（PM）估計信號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，本文提出針對非圓（NC）信號的基于偽協(xié)方差陣的傳播算子和針對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)工具來分析比較各種傳播算子用于子空間估計時的性能。由于新的傳播算子具有對高斯色噪聲的強抑制能力，從而能大幅提高子空間估計的精度，進

6、而提高DOA估計的精度。
　?。?）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)矢量所滿足的一個線性代數(shù)方程。于是聯(lián)合校正算法只需要單個信源和兩次分開的校正實驗就可以同時估計出這兩種誤差參數(shù)，且兩次實驗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單實用，穩(wěn)健可靠的解決辦法

7、。
　　（4）提出了均勻圓陣在強互耦效應(yīng)下基于改進ESPRIT方法的一種DOA盲估計算法。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范德蒙矩陣形式的結(jié)構(gòu)，從而可以采用改進的ESPRIT方法對信號DOA進行盲估計。論文具體給出了四種選擇子陣列的實現(xiàn)方法，并且還給出了估計互耦參數(shù)的兩種方法。仿真顯示新算法對于空間緊鄰信號具有很好的分辨能力，在常規(guī)MUSIC方法或其它基于RARE的盲估計算法失效的情況下，新算法仍

8、能給出滿意的估計結(jié)果。
　?。?）提出了一種適合任意結(jié)構(gòu)陣列的迭代 ESPRIT算法：分析了改進算法原理，給出了迭代的收斂性證明，并且介紹了兩種實現(xiàn)方案。IESPRIT擴展了經(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。新算法利用高效ESPRIT方法來迭代求解一個代數(shù)方程，因此相對于MUSIC算法具有計算優(yōu)勢。IESPRIT采用一種“鎖角環(huán)”的閉合結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)模塊可以有效的鎖定興趣信號的方向，從而為不規(guī)

9、則陣列的動目標跟蹤提供了一種解決方案。
　　（6）提出了用于均勻圓陣二維 DOA估計的網(wǎng)格迭代 ESPRIT算法。改進的GIESPRIT有效地減少了多信號二維DOA估計時的迭代次數(shù)，是IESPRIT算法在更復(fù)雜模型下的擴展。在 IESPRIT算法的基礎(chǔ)上，新方法將目標空間劃分為一定數(shù)量的網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)利用IESPRIT算法對目標角度進行鎖定。在新算法對DOA的估計過程中，提出了方位角和俯仰角簡單的配對方法并給出了算法的收斂性證明。