稀疏陣列測向技術(shù)研究

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1、萬方數(shù)據(jù)博士學(xué)位論文稀疏陣列測向技術(shù)研究作者：邵華指導(dǎo)教師：蘇衛(wèi)民南京理工大學(xué)2014年06月萬方數(shù)據(jù)Ph．D．DissertationResearchondirectionfindingtechniquesusingasparsearrayByHuaShaoSupervisedbyProf．WeiMinSuNanjingUniversityofScience&TechnologyJun，2014萬方數(shù)據(jù)聲明本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué)位論文中，除了加以標(biāo)注和致謝的部分外，不

2、包含其它人已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對(duì)本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。研究生簽名：圣壁笙≥驢／夠年占月2拍學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對(duì)于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名：!￡至1≥D／≯年么月湘研究生簽名：f≥D／≯年厶月泌日萬方數(shù)據(jù)博

3、士論文稀疏陣列高精度測向技術(shù)研究摘要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(duì)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)-Ilo上b6日匕e_．,，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．研究了多級(jí)互質(zhì)陣列的解模糊容差及

4、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(jí)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(jí)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(duì)參考陣元間距的半波長限制，從而有效地提高了測向精度。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

5、了自動(dòng)配對(duì)的二維(2一D)DOA估計(jì)。2．研究了兩種嵌套陣的設(shè)計(jì)及其2．DDOA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．DDOA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。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0(／D2／32)個(gè)信號(hào)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

6、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(hào)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(jí)，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)嵌套L型陣，并提出一種基于二維空問平滑的29多重信號(hào)分類(2q．MUSIC)算法。該算法利用29階統(tǒng)計(jì)量和斛Ⅳ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(jí)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LIRA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

7、DOA估計(jì)算法。首先，對(duì)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。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萬方數(shù)據(jù)摘要稀疏陣列高精度測向技術(shù)研究擴(kuò)展。為了將這些優(yōu)勢用于2．DDOA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(hào)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

8、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D(一提高到O(3t'2)。之后，針對(duì)空間相關(guān)噪聲背景下2一DDOA和極化參數(shù)估計(jì)性能下降的z'口-I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．