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宽带信号快速DOA估计算法研究及其DSP实现

作 者: 盖江伟
导 师: 赵拥军
学 校: 解放军信息工程大学
专 业: 信号与信息处理
关键词: DOA估计 宽带信号 子空间估计 多级维纳滤波器 PCA神经网络 谱峰搜索 小生境遗传算法 DSP
分类号: TN911.7
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


波达方向(DOA, Direction of Arrival)估计是阵列信号处理领域中重要的研究方向,该技术在雷达、通信、地震、声呐等领域都有着十分广泛的应用前景。常规的DOA估计方法针对的是窄带信号,无法解决宽带信号的DOA估计问题。现有的宽带DOA估计算法实现步骤复杂、计算量巨大,是宽带信号阵列高分辨DOA估计难以在实际系统中实时实现的主要难题之一。与其它宽带DOA估计算法相比,相干信号子空间(CSM, Coherent Signal-Subspace Method)类算法因其所需先验知识少、估计精度高、可以处理相干信号而倍受关注。本文针对CSM类算法运算量较大的问题,从子空间的快速求取、谱峰的优化搜索和算法的高速DSP实现三方面进行了分析研究,主要工作如下:1.研究了CSM类算法的基本原理,分析了CSM类算法中估计性能最好,且无需角度预估计的双边相关变换算法的实现流程和各部分运算量,为本文奠定了基础。2.研究了基于多级维纳滤波器(MSWF, Multi-stage Wiener Filter)的快速子空间估计方法。研究了MSWF多级分解时出现的子空间泄露问题,给出了P+2级子空间张成方案;从Krylov子空间和信号子空间的等价要求出发,给出了一种无期望信号下基于MSWF的快速子空间估计方法。在此基础上,结合双边相关变换算法给出了一种基于MSWF的宽带子空间快速DOA估计算法。3.研究了基于PCA(Principle Components Analysis)神经网络的快速子空间估计方法。分析了主成分分析和信号子空间求取的等价性;分析了不同学习效率对PCA网络收敛的影响,给出了一种自适应学习效率。在此基础上,提出了一种复SGA(Stochastic Gradient Ascent)准则下基于PCA网络的快速子空间求取方法,避免了特征值分解运算,减少了运算量;结合双边相关变换算法给出了一种基于PCA神经网络的宽带子空间快速DOA估计方法。4.研究了基于波束间小生境遗传算法的空间谱优化搜索技术。针对遗传算法求解多峰空间谱函数能力的不足,结合常规波束测向技术,提出了一种基于波束间小生境遗传算法的空间谱搜索方法。针对小生境遗传算法局部搜索能力不足,后期收敛较慢的特点,提出了一种基于波束间小生境遗传算法和爬山方法相结合的混合搜索方法。5.完成了宽带信号快速DOA估计算法在高速DSP上的实现。采用模块化设计方法,在VisualDSP开发环境下完成了论文研究算法的DSP程序的的设计、优化、调试,运行结果表明了本文研究算法的有效性。

全文目录


表目录  6-7
图目录  7-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-17
  1.1 研究背景及意义  12
  1.2 国内外研究历史和现状  12-15
  1.3. 论文的主要内容和章节安排  15-17
    1.3.1 本文研究的主要内容  15-16
    1.3.2 论文的组织结构  16-17
第二章 宽带阵列信号处理基础  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 阵列信号处理的数学模型  17-21
    2.2.1 窄带阵列信号模型  17-18
    2.2.2 接收基阵  18-19
    2.2.3 加性噪声  19-20
    2.2.4 宽带信号的定义  20
    2.2.5 宽带阵列信号模型  20-21
  2.3 CSM类宽带DOA估计算法  21-26
    2.3.1 CSM类算法  21-23
    2.3.2 TCT算法  23-26
  2.4 小结  26-27
第三章 宽带子空间快速DOA估计  27-52
  3.1 引言  27
  3.2 基于多级维纳滤波器的信号子空间估计  27-38
    3.2.1 多级维纳滤波器基本原理  28-30
    3.2.2 基于多级维纳滤波器的子空间估计  30-31
    3.2.3 多级维纳滤波器的子空间泄露问题  31-33
    3.2.4 无期望信号下的MSWF子空间估计算法  33-34
    3.2.5 仿真实验与结果分析  34-38
  3.3 基于多级维纳滤波器的宽带信号快速DOA估计  38-40
  3.4 基于PCA神经网络的快速子空间估计  40-49
    3.4.1 主成分分析  40-41
    3.4.2 基于人工神经网络的PCA  41-43
    3.4.3 基于PCA神经网络的子空间估计  43-45
    3.4.4 仿真实验与结果分析  45-49
  3.5 基于PCA神经网络的宽带信号快速DOA估计  49-50
  3.6 小结  50-52
第四章 空间谱谱峰的快速优化搜索  52-66
  4.1 引言  52
  4.2 空间谱谱峰搜索  52-53
  4.3 基于遗传算法的空间谱谱峰优化搜索  53-57
    4.3.1 遗传算法(GA)基本原理  53-55
    4.3.2 基于GA的谱峰搜索  55-57
  4.4 基于波束间小生境遗传算法的谱峰优化搜索  57-65
    4.4.1 小生境遗传算法(NGA)原理  57
    4.4.2 基于波束间NGA的谱峰搜索  57-60
    4.4.3 基于波束间NGA和HC相结合的谱峰混合搜索  60-61
    4.4.4 仿真试验与结果分析  61-65
  4.5 总结  65-66
第五章 基于ADSPTS101 的宽带快速DOA估计算法的实现  66-81
  5.1 引言  66
  5.2 DSP开发的软硬件系统  66-69
    5.2.1 TigerSHARCTS101 简介  66-68
    5.2.2 DSP硬件处理系统  68
    5.2.3 VisualDSP开发环境  68-69
  5.3 DSP软件开发  69-78
    5.3.1 软件开发流程  70
    5.3.2 链接描述文件的编写  70-71
    5.3.3 DSP程序优化  71-74
    5.3.4 宽带信号DOA估计算法的实现  74-78
  5.4 宽带信号DOA估计的半实物仿真  78-80
  5.5 小结  80-81
结束语  81-83
参考文献  83-88
附录 半实物仿真平台实物图  88-89
作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作  89-90
致谢  90

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信号处理
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