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波达方向估计中若干问题的研究

作　者: 邓键敏
导　师: 吴瑛
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 阵列信号处理二维波达方向阵列流形微分几何模糊
分类号: TN911.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着通信技术的发展,短时、突发等通信信号得到广泛应用,这对测向系统的实时性与有效性提出了更高的要求。本文针对波达方向(Direction-of-Arrival, DOA)估计中的若干问题进行研究,重点研究了实时性、有效性更强的测向算法,并在ADSP-TS201上编程实现了选定算法,同时研究了阵列结构对测向性能的影响。主要内容如下:1、研究了基于特殊阵列结构的二维DOA估计算法。主要研究了基于双平行线阵与L形阵列的快速DOA估计算法。分析了该类算法存在的参数配对、角度兼并问题并给出解决措施。基于L阵,给出一种改进的互相关矩阵配对的ESPRIT算法,克服原算法在特殊情况下的参数失配问题;在联合奇异值分解算法的基础上给出一种改进算法,解决原算法的角度兼并问题,并提高了其在特殊来向上的估计性能。2、研究了基于任意阵形的一维DOA估计算法。首先,为避免谱峰搜索,研究了两种可将一维谱峰搜索转化为多项式求根问题的一维DOA估计算法:流形分离法与基于付里叶域的求根MUSIC算法,并对两种算法进行仿真对比,仿真结果表明两种算法都具有较好的估计性能。其次,通过将这两种方法与基于双平行线阵和L形阵列的DOA估计算法相结合,使原算法摆脱均匀直线阵的约束,实现了基于非均匀双平行线阵和L形阵列的无需二维搜索的快速DOA估计。3、研究了基于任意阵形的二维DOA估计算法。首先,针对任意平面阵列,给出一种基于辅助阵元的二维DOA估计算法。通过引入一个辅助阵元,利用时空DOA矩阵法构建旋转不变性,分离估计出信号来向的仰角,在此基础上估计出对应的方位角,实现DOA的快速估计。其次,针对传统MUSIC算法在二维DOA估计中谱峰搜索运算量巨大的问题,通过结合马尔可夫链蒙特卡罗的MH抽样算法与去相关逐次搜索的方法,给出一种基于任意阵形的快速二维DOA估计算法。4、研究了阵列流形与测向估计精度及模糊问题的关系。首先,利用微分几何工具,研究了阵列流形的微分几何参数与测向估计精度的关系,在此基础上经过推导分析,给出了单信号入射、阵列孔径及阵元数固定情况下优化直线阵与圆阵阵元排布的设计思路,并通过仿真验证了设计思路的可行性。其次,利用阵列流形的微分几何参数对阵列的模糊问题进行分析,并给出了两类模糊生成集的求解方法,同时针对模糊可辨识的情况,研究了两类解测向解模糊的算法。5、在ADSP-TS201上实现基于MH抽样逐次搜索的快速MUSIC算法,通过一系列优化措施对DSP程序进行优化,并给出数据测试结果。

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  12-16
  1.1 研究背景及其意义  12-13
  1.2 研究历史与现状  13-14
  1.3 本文的主要工作  14-16
第二章基于特殊阵形的DOA估计算法  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 基于双平行线阵的二维DOA估计  16-22
    2.2.1 阵列模型  16-17
    2.2.2 波达方向矩阵法  17
    2.2.3 基于多项式求根双平行阵列的二维DOA估计算法  17-19
    2.2.4 仿真对比与分析  19-22
  2.3 基于L形阵列的二维DOA估计  22-29
    2.3.1 阵列模型  22-23
    2.3.2 基于互相关矩阵配对的ESPRIT算法  23-25
    2.3.3 基于互相关矩阵的联合奇异值分解法  25-27
    2.3.4 改进的联合奇异值分解法  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章基于任意阵形的DOA估计算法  30-52
  3.1 引言  30
  3.2 基于任意阵形的一维DOA估计算法  30-38
    3.2.1 流形分离法(MST)  30-32
    3.2.2 付里叶域的求根MUSIC算法(FD root-MUSIC)  32-34
    3.2.3 仿真对比与分析  34-35
    3.2.4 在二维DOA估计中的应用  35-38
  3.3 基于任意阵形的二维DOA估计算法  38-51
    3.3.1 基于辅助阵元的二维DOA算法  38-44
    3.3.2 基于MH抽样逐次搜索的快速MUSIC算法  44-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章阵列的测向精度及模糊问题与阵形结构关系的研究  52-73
  4.1 引言  52
  4.2 阵列微分几何参数与测向精度关系  52-55
    4.2.1 信号模型  52-53
    4.2.2 阵列流形的微分几何参数  53-54
    4.2.3 阵列的测向精度与克拉美-罗界  54-55
  4.3 利用微分几何参数优化阵列测向精度的方法研究  55-61
    4.3.1 直线阵的优化方法  55-56
    4.3.2 圆阵的优化方法  56-57
    4.3.3 仿真对比与分析  57-61
  4.4 阵列的测向模糊问题研究  61-67
    4.4.1 测向模糊问题分析  61-63
    4.4.2 基于微分几何的阵列模糊研究  63-67
  4.5 测向解模糊算法  67-72
    4.5.1 阵列流形改造法  67-68
    4.5.2 功率估计法  68-69
    4.5.3 仿真对比与分析  69-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章算法的DSP实现  73-80
  5.1 引言  73
  5.2 DSP芯片介绍  73
  5.3 基于MH抽样逐次搜索的快速MUSIC算法实现  73-79
    5.3.1 算法实现流程  73-76
    5.3.2 DSP程序优化  76
    5.3.3 数据测试  76-79
  5.4 本章小结  79-80
结束语  80-82
参考文献  82-85
附录两种空间角度定义的关系  85-86
作者简历攻读硕士期间完成的主要工作  86-87
致谢  87

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