孔徑擴(kuò)展矢量陣列高分辨率DOA估計(jì)方法研究.pdf

1、矢量傳感器由多個(gè)具有相同空間相位中心的子傳感器組成,能夠感應(yīng)入射波信號(hào)的矢量信息,比標(biāo)量傳感器具有更為優(yōu)越的信息獲取能力。與標(biāo)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(hào)處理具有許多新的特點(diǎn)和性能優(yōu)勢(shì),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(hào)的范圍,它與陣元的數(shù)量和空間分布有關(guān),直接影響入射波信號(hào)參數(shù)的估計(jì)精度和分辨率。增加陣列中陣元的數(shù)量是提高陣列孔徑途徑之一,但這會(huì)增加硬件成本和信號(hào)處理負(fù)擔(dān)。因此,通過(guò)加大陣

2、元間距擴(kuò)展陣列孔徑成為實(shí)現(xiàn)大孔徑陣列的有效措施。但是,陣元間距大于半波長(zhǎng)會(huì)使得陣列方向圖出現(xiàn)柵瓣效應(yīng),為后續(xù)信號(hào)處理帶來(lái)的新的問(wèn)題,比如入射波方向估計(jì)的模糊性等。本文研究的是通過(guò)加大陣元間距實(shí)現(xiàn)孔徑擴(kuò)展的電磁矢量傳感器陣列的信號(hào)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。重點(diǎn)研究了相干/非相干信號(hào)入射波方向(DOA)的估計(jì)問(wèn)題,主要包括DOA估計(jì)的去模糊處理、信號(hào)仰角和方位角的有效配對(duì)、以及相干信號(hào)DOA的自適應(yīng)估計(jì)和跟蹤,同時(shí)也開展了信號(hào)載波頻率、極化參數(shù)和DOA

3、的多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)問(wèn)題的研究。主要工作如下：
　　 ⑴二維DOA的參數(shù)配對(duì)問(wèn)題。在二維DOA(入射信號(hào)的仰角和方位角)估計(jì)中,為了減少計(jì)算量,通常把二維DOA估計(jì)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)連續(xù)的一維DOA估計(jì),然后通過(guò)參數(shù)配對(duì)的方式實(shí)現(xiàn)二維DOA估計(jì)。論文提出了兩種二維DOA自動(dòng)配對(duì)方法。方法一采用了多項(xiàng)式求根技術(shù),通過(guò)陣列信號(hào)協(xié)方差矩陣的行列式計(jì)算多項(xiàng)式的根,并根據(jù)它與該矩陣的最小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)方向余弦估計(jì)值的自動(dòng)配對(duì),

4、最終獲得自動(dòng)配對(duì)的仰角和方位角估計(jì)。方法二采用了聯(lián)合對(duì)角化技術(shù),該方法把信號(hào)的二維DOA估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為信號(hào)導(dǎo)向矢量的估計(jì)問(wèn)題,根據(jù)導(dǎo)向矢量所獲得的仰角和方位角實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配對(duì)。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(dǎo)致估計(jì)性能下降的缺點(diǎn)。
　　 ⑵相干目標(biāo)的DOA估計(jì)問(wèn)題。在相干信號(hào)的DOA估計(jì)中,通常需要對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行解相干預(yù)處理,以解決信號(hào)協(xié)方差矩陣的秩虧問(wèn)題。論文提出了一種協(xié)方差矩陣平滑算法,進(jìn)行解相干處理。

5、不同于其它相關(guān)的極化平滑算法,論文提出的算法適用于孔徑擴(kuò)展陣列,并且能夠更加有效地抑制噪聲干擾;再者,論文根據(jù)兩個(gè)正交方向矩陣束的特征矢量關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了二維DOA估計(jì)值的自動(dòng)配對(duì)。
　　 ⑶基于線性電磁矢量陣列的相干信號(hào)多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)問(wèn)題。對(duì)于標(biāo)量傳感器陣列,單一的線性陣列結(jié)構(gòu)只能估計(jì)信號(hào)的一個(gè)入射角(仰角或方位角),無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)多參數(shù)估計(jì)。論文充分利用電磁矢量傳感器的特點(diǎn),對(duì)均勻線性矢量陣列提出了一種新的極化平滑算法,進(jìn)行解相干

6、處理,并結(jié)合子空間方法實(shí)現(xiàn)相干信號(hào)的載波頻率、極化參數(shù)和仰角/方位角的聯(lián)合估計(jì)。提出的參數(shù)估計(jì)算法利用了電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和信號(hào)的Poynting矢量的矢量叉乘關(guān)系,得到的估計(jì)值不會(huì)出現(xiàn)模糊問(wèn)題。
　　 ⑷相干信號(hào)DOA的自適應(yīng)估計(jì)和跟蹤。對(duì)于大孔徑稀疏陣列,不同傳感器測(cè)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(yù)處理方法,該算法對(duì)非均勻噪聲陣列具有較好的噪聲抑制性能。同時(shí),基于提出