孔徑擴展矢量陣列高分辨率DOA估計方法研究.pdf

1、矢量傳感器由多個具有相同空間相位中心的子傳感器組成,能夠感應入射波信號的矢量信息,比標量傳感器具有更為優(yōu)越的信息獲取能力。與標量傳感器陣列相比,由矢量傳感器組成的矢量陣列及其信號處理具有許多新的特點和性能優(yōu)勢,獲得廣泛的研究興趣。陣列孔徑是指陣列在空間上有效接收信號的范圍,它與陣元的數量和空間分布有關,直接影響入射波信號參數的估計精度和分辨率。增加陣列中陣元的數量是提高陣列孔徑途徑之一,但這會增加硬件成本和信號處理負擔。因此,通過加大陣

2、元間距擴展陣列孔徑成為實現(xiàn)大孔徑陣列的有效措施。但是,陣元間距大于半波長會使得陣列方向圖出現(xiàn)柵瓣效應,為后續(xù)信號處理帶來的新的問題,比如入射波方向估計的模糊性等。本文研究的是通過加大陣元間距實現(xiàn)孔徑擴展的電磁矢量傳感器陣列的信號參數估計問題。重點研究了相干/非相干信號入射波方向(DOA)的估計問題,主要包括DOA估計的去模糊處理、信號仰角和方位角的有效配對、以及相干信號DOA的自適應估計和跟蹤,同時也開展了信號載波頻率、極化參數和DOA

3、的多參數聯(lián)合估計問題的研究。主要工作如下：
　　 ⑴二維DOA的參數配對問題。在二維DOA(入射信號的仰角和方位角)估計中,為了減少計算量,通常把二維DOA估計轉化為兩個連續(xù)的一維DOA估計,然后通過參數配對的方式實現(xiàn)二維DOA估計。論文提出了兩種二維DOA自動配對方法。方法一采用了多項式求根技術,通過陣列信號協(xié)方差矩陣的行列式計算多項式的根,并根據它與該矩陣的最小特征值對應的特征矢量的一一對應關系實現(xiàn)方向余弦估計值的自動配對,

4、最終獲得自動配對的仰角和方位角估計。方法二采用了聯(lián)合對角化技術,該方法把信號的二維DOA估計問題轉化為信號導向矢量的估計問題,根據導向矢量所獲得的仰角和方位角實現(xiàn)自動配對。另外,方法二可以克服現(xiàn)有算法中由于出現(xiàn)相同空間相位因子而導致估計性能下降的缺點。
　　 ⑵相干目標的DOA估計問題。在相干信號的DOA估計中,通常需要對陣列信號進行解相干預處理,以解決信號協(xié)方差矩陣的秩虧問題。論文提出了一種協(xié)方差矩陣平滑算法,進行解相干處理。

5、不同于其它相關的極化平滑算法,論文提出的算法適用于孔徑擴展陣列,并且能夠更加有效地抑制噪聲干擾;再者,論文根據兩個正交方向矩陣束的特征矢量關系,實現(xiàn)了二維DOA估計值的自動配對。
　　 ⑶基于線性電磁矢量陣列的相干信號多參數聯(lián)合估計問題。對于標量傳感器陣列,單一的線性陣列結構只能估計信號的一個入射角(仰角或方位角),無法實現(xiàn)信號多參數估計。論文充分利用電磁矢量傳感器的特點,對均勻線性矢量陣列提出了一種新的極化平滑算法,進行解相干

6、處理,并結合子空間方法實現(xiàn)相干信號的載波頻率、極化參數和仰角/方位角的聯(lián)合估計。提出的參數估計算法利用了電場矢量、磁場矢量和信號的Poynting矢量的矢量叉乘關系,得到的估計值不會出現(xiàn)模糊問題。
　　 ⑷相干信號DOA的自適應估計和跟蹤。對于大孔徑稀疏陣列,不同傳感器測量噪聲功率可能不盡相同,因此,陣列噪聲一般是非均勻分布的。提出了一種極化差分平滑的解相干預處理方法,該算法對非均勻噪聲陣列具有較好的噪聲抑制性能。同時,基于提出