非理想系統(tǒng)假設(shè)下陣列信號(hào)多信源多參數(shù)聯(lián)合估計(jì).pdf

1、陣列信號(hào)處理是現(xiàn)代信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，在雷達(dá)、聲納、移動(dòng)通信、電子對(duì)抗、醫(yī)學(xué)工程、地質(zhì)勘探、射電天文等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，岡此在近幾十年來受到人們的關(guān)注，并取得了豐碩的成果。應(yīng)用陣列處理方法進(jìn)行空間目標(biāo)定位可以大大提高其測(cè)向精度與分辨率，同時(shí)求取入射信號(hào)頻率、時(shí)延、極化狀態(tài)等信息對(duì)于確定目標(biāo)速度、距離以及分類特征等狀態(tài)也極為重要，因此波達(dá)方向與此類參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)問題是陣列信號(hào)處理的重要內(nèi)容。另一方面，陣列處理方法多基于

2、遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)源平面波前、理想傳感器陣列、獨(dú)立高斯白噪聲環(huán)境等理想假設(shè)條件構(gòu)造，當(dāng)此類假設(shè)條件得不到滿足時(shí)，算法估計(jì)性能與穩(wěn)健性下降，甚至于失效。本文在前人的基礎(chǔ)上較為深入地研究了入射信號(hào)多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)與非理想條件下參數(shù)估計(jì)的問題，給出了一系列有效的算法，并通過理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，其主要工作包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容： 1.對(duì)陣列信號(hào)處理的基本數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，并給出了利用傳感器陣列流形矩陣求取入射信號(hào)二維波達(dá)方向的最小平方求解

3、方法。最小平方方法可應(yīng)用于任意結(jié)構(gòu)傳感器陣列，只需要保證空域采樣定理要求即可，具有廣泛的適用性和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。 2.深入研究了波達(dá)方向等多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的問題。首先，提出了聲納、雷達(dá)等系統(tǒng)單次回波下波達(dá)方向、頻率與相對(duì)時(shí)延的聯(lián)合估計(jì)的時(shí)域累積方法和基于時(shí)延補(bǔ)償?shù)目諘r(shí)擴(kuò)展DOA矩陣方法。其中時(shí)域累積方法在計(jì)算量與穩(wěn)健性等方面優(yōu)于現(xiàn)有空域累積方法；而空時(shí)擴(kuò)展DOA矩陣法通過時(shí)延補(bǔ)償處理將原本只能應(yīng)用于平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)域平滑技術(shù)擴(kuò)展至非平

4、穩(wěn)單脈沖回波信號(hào)的領(lǐng)域，具有更高的參數(shù)估計(jì)精度與穩(wěn)健性，且可應(yīng)用于任意陣列結(jié)構(gòu)。其次，基于類似于脈沖多普勒體制的相參脈沖串信號(hào)，提山了脈沖累積二維波達(dá)方向、頻率與相對(duì)時(shí)延聯(lián)合估計(jì)方法。脈沖累積方法也可應(yīng)用于任意結(jié)構(gòu)的陣列，可同時(shí)處理更多目標(biāo)，最少僅用兩個(gè)脈沖即可完成對(duì)于諸參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)。與單脈沖方法不同的是，由于脈沖累積方法輸入信息量隨脈沖數(shù)目的增加而同步提高，因此對(duì)性能改善更加明顯。第三，針對(duì)電子偵察中二維波達(dá)方向、載波頻率與二維極化

5、方向的聯(lián)合估計(jì)問題，通過時(shí)域平滑技術(shù)給出了一種有效的擴(kuò)展波達(dá)方向矩陣法。與現(xiàn)有類似算法相比較，新方法可應(yīng)用于任意陣列結(jié)構(gòu)、各參數(shù)自動(dòng)對(duì)齊、可同時(shí)處理更多的目標(biāo)。理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了算法的有效性。 3.對(duì)于近場(chǎng)源、時(shí)變傳感器陣列系統(tǒng)與未知相關(guān)噪聲環(huán)境等非理想條件下多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)問題進(jìn)行了研究。在近場(chǎng)源非平面波前條件下波達(dá)方向、載頻與距離聯(lián)合估計(jì)的方面，論文中分別山了二階累積量協(xié)方差矩陣法(SCMM)和時(shí)域平滑DOA矩陣法。其中

6、SCMM算法計(jì)算量小，各參數(shù)自動(dòng)匹配；時(shí)域平滑DOA矩陣法的協(xié)方差矩陣對(duì)于數(shù)據(jù)利用充分，參數(shù)估計(jì)性能高，采用較小的陣列即可達(dá)到很高的穩(wěn)健性與估計(jì)精度。在時(shí)變傳感器陣列參數(shù)估計(jì)的方面，首先對(duì)現(xiàn)有波達(dá)方向估計(jì)的虛擬插值方法進(jìn)行了分析，指出從物理陣列到虛擬陣列的映射過程存在著信噪比衰減與噪聲非理想化等現(xiàn)象，由此導(dǎo)致算法在估計(jì)性能上存在明顯的不足。針對(duì)時(shí)變陣列系統(tǒng)波達(dá)方向與頻率聯(lián)合估計(jì)的問題，論文中提出了更有效的相干分區(qū)間MUSIC和ESPRI

7、T方法，通過將各個(gè)子區(qū)間的輸出數(shù)據(jù)融合為一個(gè)虛擬擴(kuò)展陣列輸出，并就此進(jìn)行一次性估計(jì)處理。研究表明，由于此虛擬擴(kuò)展陣列具有更大的有效孔徑，使得由此給出的諸參數(shù)估計(jì)可以具有更高的估計(jì)精度與穩(wěn)健性。而在未知相關(guān)噪聲環(huán)境多參數(shù)估計(jì)方面，首先將UN-ESPRIT算法擴(kuò)展至二維波達(dá)方位與頻率等三維參數(shù)聯(lián)合估計(jì)，再針對(duì)UN-ESPRIT算法陣列結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，提山了有效的FR-ESPRIT方法。其次，提山了一種可應(yīng)用于任意結(jié)構(gòu)分置傳感器陣列