稀疏陣列測向技術(shù)研究.pdf

1、稀疏陣是指陣元間距大于半波長的陣列系統(tǒng)。與常規(guī)滿陣相比，稀疏陣用相同數(shù)量的陣元能獲得更大的陣列孔徑，甚至形成更多的虛擬陣元，因而它具有許多優(yōu)越的測向性能，如較強(qiáng)的分辨能力、較高的估計(jì)精度和較大的信源處理能力，這些優(yōu)勢使之成為當(dāng)前陣列測向方面的研究熱點(diǎn)。論文以稀疏陣列為研究對象，研究稀疏陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相應(yīng)的波達(dá)角(DOA)估計(jì)算法及其統(tǒng)計(jì)性能，從理論和仿真上定量地證明稀疏陣列在測向方面的優(yōu)勢和潛能。論文主要工作如下:
　　1.研究了

2、多級互質(zhì)陣列的解模糊容差及其擴(kuò)展孔徑測向算法。首先推導(dǎo)了三種解模糊算法的解模糊容差表達(dá)式，定量地證明了多級互質(zhì)陣列具有形成較大解模糊容差的能力，并通過外場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。然后根據(jù)這種陣列的幾何結(jié)構(gòu)，分別提出一種模轉(zhuǎn)換虛擬旋轉(zhuǎn)不變因子(MC-VESPRIT)法和一種模轉(zhuǎn)換虛擬傳播因子(MC-VPM)法。這兩種算法都利用陣元間距之間的多級互質(zhì)關(guān)系，以及四階累積量的陣列擴(kuò)展特性，以突破傳統(tǒng)算法對參考陣元間距的半波長限制，從而有效地提高

3、了測向精度。更為重要地是，MC-VPM算法還采用雙L型結(jié)構(gòu)避免了角度估計(jì)失敗，并利用VPM算法獲得了自動(dòng)配對的二維(2-D) DOA估計(jì)。
　　2.研究了兩種嵌套陣的設(shè)計(jì)及其2-D DOA估計(jì)算法。首先，設(shè)計(jì)了一種包含多尺度陣元間距的雙十字型嵌套陣，以期獲得自由度的增加和兩次陣列孔徑擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，提出一種虛擬矩陣束(VMPM)算法用于2-D DOA估計(jì)。VMPM算法利用多尺度陣元間距，構(gòu)造了由更多虛擬傳感器組成的雙平行陣

4、。與傳播因子(PM)改進(jìn)算法相比，它也使用二階統(tǒng)計(jì)量，卻擁有更高的測角精度和處理O(P2/32)個(gè)信號源的能力，其中P為傳感器個(gè)數(shù)。另外，還分析了VMPM算法和PM改進(jìn)算法的統(tǒng)計(jì)性能，推導(dǎo)了它們估計(jì)誤差的漸近方差表達(dá)式和克拉美羅下界(CRLB)，并將這些表達(dá)式簡化為單信號情況，以便定量地證明VMPM算法的性能優(yōu)勢。接著，將上述嵌套思想拓展到多級，設(shè)計(jì)了一種多級嵌套L型陣，并提出一種基于二維空間平滑的2q多重信號分類(2q-MUSIC)算

5、法。該算法利用2q階統(tǒng)計(jì)量和M+N個(gè)物理陣元，系統(tǒng)地形成了有O(Mq×Nq)個(gè)虛擬陣元的均勻矩形陣（URA），進(jìn)一步提高了測向性能。此外，還推導(dǎo)了多級嵌套L型陣的最優(yōu)和次優(yōu)配置表達(dá)式，以便最大化虛擬URA的陣元數(shù)。
　　3.研究了三種電磁矢量稀疏陣的設(shè)計(jì)及其2-D DOA估計(jì)算法。首先，對互質(zhì)/嵌套標(biāo)量陣在二維空間-極化聯(lián)合域進(jìn)行推廣，設(shè)計(jì)了電磁矢量互質(zhì)/嵌套面陣。這兩種面陣除了在空域蘊(yùn)含二維互質(zhì)/嵌套特性外，還在極化域蘊(yùn)含多樣性

6、。通過充分挖掘這三維特性，形成包含更多自由度的差合成電磁矢量URA，從而獲得自由度的增加和兩次孔徑擴(kuò)展。為了將這些優(yōu)勢用于2-D DOA估計(jì)，以及將傳感器恢復(fù)成6分量結(jié)構(gòu)，提出一種基于三維平滑的極化多重信號分類(3DS-PMUSIC)算法。相比于PMUSIC算法，該算法在測向精度、分辨率和最大可處理信源數(shù)等方面都有較大地改善，其中以最大可處理信源數(shù)方面最為突出。理論和仿真結(jié)果都表明其最大可處理信源數(shù)可以從O（P）提高到O（3P2）。之后

7、，針對空間相關(guān)噪聲背景下2-D DOA和極化參數(shù)估計(jì)性能下降的問題，提出一種基于三尺度平行矢量陣的矩陣重構(gòu)算法。該算法通過構(gòu)造特殊的互相關(guān)矩陣，不僅去除了噪聲項(xiàng)，而且充分挖掘了陣列的空間-極化特性，因而獲得估計(jì)性能的提高。另外，該算法無需矩陣開方和高階統(tǒng)計(jì)量，具有低運(yùn)算量。
　　4.針對分布式電磁矢量稀疏線陣，提出一種基于增強(qiáng)矩陣的測向算法和另一種基于PM-矩陣重構(gòu)的參數(shù)估計(jì)算法。其中，前者用于估計(jì)相干信號的2-D DOA，后者用

8、于估計(jì)混合信號（相干信號和獨(dú)立信號共存）的2-D DOA和極化參數(shù)。兩者不但都保留了傳感器矢量特性，而且允許傳感器內(nèi)部分量的間隔和傳感器之間的間隔可以超過半波長，因而測向精度較高。尤其是后者，它還將獨(dú)立信號和相干信號分開處理，使得陣列孔徑得到更加充分地利用，進(jìn)而改善測向精度和最大可處理信源數(shù)，甚至避免了獨(dú)立信號和相干信號因入射角相近時(shí)而導(dǎo)致的估計(jì)性能下降問題。另外，針對上述陣列，還推導(dǎo)了混合信號2-D DOA和極化參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的CRLB