多徑傳播條件下的波達(dá)方向估計(jì)算法.pdf

1、陣列信號(hào)處理是現(xiàn)代信號(hào)處理內(nèi)一個(gè)重要的研究分支，其應(yīng)用涉及到雷達(dá)、通信、聲吶、以及射電天文等多種領(lǐng)域。其中對(duì)到達(dá)信號(hào)方向估計(jì)的技術(shù)稱為波達(dá)方向(DOA：direction of arrival)估計(jì)技術(shù)，該技術(shù)在過去30年內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展。在實(shí)際的環(huán)境中，由于云層、山脈，建筑物等的存在以及一些人為干擾，導(dǎo)致了多徑傳播情況的發(fā)生。因此目前有越來越多的國內(nèi)外研究學(xué)者投身于多徑傳播條件下DOA估計(jì)的領(lǐng)域中來，希望可以通過這些估計(jì)獲得更多的信

2、息，直接為軍事以及生活生產(chǎn)所應(yīng)用。估計(jì)精度高、運(yùn)算復(fù)雜度低、需求陣元數(shù)少、穩(wěn)健的DOA估計(jì)算法一直是廣大研究者追求的目標(biāo)，本文通過對(duì)多徑傳播條件下現(xiàn)有DOA估計(jì)算法的研究，提出了一些更為優(yōu)越和有效的算法。本文所做的主要工作可以概述如下：
　　 首先，我們研究并提出了2種通過變換差分矩陣結(jié)構(gòu)來解決差分平滑矩陣欠秩問題的算法。第一種算法利用MUSIC(mulnple signal classification)算法估計(jì)不相關(guān)信號(hào)的D

3、OA，然后通過對(duì)差分矩陣進(jìn)行平方操作構(gòu)造了一個(gè)新的矩陣來對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行處理。第二種算法提出了一種改進(jìn)的TLS-ESPRIT(total leastsquares estimation of signal parameters via rotation invariance techniques)算法來對(duì)不相關(guān)信號(hào)的DOA進(jìn)行估計(jì)，然后利用對(duì)差分矩陣的特征值取絕對(duì)值所構(gòu)造的新矩陣來對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行處理。這兩種算法都被嚴(yán)格的理論證明所支持，實(shí)

4、驗(yàn)仿真也表明了較高的DOA估計(jì)精度。另一方面，由于空間差分操作在去除不相關(guān)信號(hào)時(shí)會(huì)造成一部分相干信號(hào)能量的損失，那么相干信號(hào)的DOA估計(jì)性能將不可避免地受到一定的影響。通過進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)可以在估計(jì)出不相關(guān)信號(hào)DOA和信號(hào)能量以后可以將不相關(guān)信號(hào)的陣列協(xié)方差矩陣構(gòu)造出來，從而將其從陣列輸出協(xié)方差矩陣中減去而避免了這個(gè)問題。接下來，我們研究了一種改進(jìn)的適用于混合信號(hào)情形下的DOAM(DOA matrix)方法。該算法首先利用構(gòu)造的DO

5、A矩陣的特征值以及提出的準(zhǔn)則對(duì)不相關(guān)信號(hào)的DOA進(jìn)行估計(jì)，然后利用其中對(duì)應(yīng)于相干信號(hào)的特征向量以及正交投影技術(shù)對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行處理。
　　 由于可以將各個(gè)相干組的信號(hào)分開進(jìn)行處理，相比于以往同時(shí)對(duì)所有相干信號(hào)進(jìn)行處理的算法，該算法需求的陣元數(shù)目有一定下降。
　　 其次在多徑傳播條件下，現(xiàn)有的大部分DOA估計(jì)算法都沒有重視衰落系數(shù)所包含的巨大信息。因此我們研究并提出了兩種有效的算法來對(duì)多徑傳播條件下的衰落系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。第一種

6、算法將衰落系數(shù)的估計(jì)問題轉(zhuǎn)換為了一個(gè)帶約束的二次最小化問題，進(jìn)而利用拉格朗日乘子法對(duì)其進(jìn)行求解。第二種算法構(gòu)造了一個(gè)新的矩陣，該矩陣的零空間與所要估計(jì)衰落系數(shù)矩陣的列空間是相等的，然后利用空間之間的關(guān)系來對(duì)衰落系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看到，這兩種方法都可以達(dá)到較高的估計(jì)精度。并且，通過利用估計(jì)得到衰落系數(shù)以及DOA，它們的估計(jì)精度可以進(jìn)一步得到提高。接下來，我們將空間差分技術(shù)引入到了矩陣重構(gòu)技術(shù)中來。所提算法通過將空間差分矩陣中的

7、元素重新排列而構(gòu)造了一個(gè)新的Toeplitz矩陣來估計(jì)相干信號(hào)的DOA。由于該算法是對(duì)不相關(guān)信號(hào)以及相干信號(hào)分開進(jìn)行處理的，其能夠大幅度降低所需要的陣元數(shù)目。進(jìn)一步，我們又研究并提出了一種改進(jìn)的基于空間差分和矩陣重構(gòu)技術(shù)的DOA估計(jì)算法。通過改變上面所構(gòu)造的Toeplitz矩陣的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)的算法可以對(duì)所有構(gòu)造的Toephtz矩陣進(jìn)行利用并明顯提高DOA的估計(jì)性能。然后我們對(duì)多徑傳播條件下一維DOA估計(jì)的CRB(Cramer-Rao lo

8、wer bound)進(jìn)行了推導(dǎo)，分別給出了不相關(guān)信號(hào)和相干信號(hào)DOA估計(jì)的CRB、以及衰落系數(shù)估計(jì)的相對(duì)CRB。
　　 最后，我們研究了多徑傳播條件下的二維DOA估計(jì)技術(shù)。首先，我們提出了一種全新的陣列流型-Z型陣，以及一種基于DOA矩陣以及空間差分技術(shù)的超分辨二維DOA估計(jì)算法。在該算法中，我們構(gòu)造了一個(gè)適用于混合信號(hào)情形下二維DOA估計(jì)的DOA矩陣。該算法首先利用DOA矩陣的非零特征值及其對(duì)應(yīng)的特征矢量并結(jié)合提出的準(zhǔn)則來對(duì)不

9、相關(guān)信號(hào)的DOA進(jìn)行估計(jì)；接著利用空間差分矩陣以及基于子矩陣的空間平滑技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)全新的DOA矩陣來處理相干信號(hào)。由于該算法不需要二維空間譜計(jì)算以及譜峰掃描，因而具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度。并且該算法不需要二維估計(jì)角度之間的匹配，所提出的z型陣相比于均勻平面陣可以節(jié)約較多的陣元。接下來，我們將空間差分技術(shù)和矩陣重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用到多徑傳播條件下的二維DOA估計(jì)當(dāng)中。該算法利用一種改進(jìn)的最小二乘ESPRIT算法估計(jì)不相關(guān)信號(hào)的DOA，然后通