稀疏陣列測向技術研究

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

2、包含其它人已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構的學位或學歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻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拍學位論文使用授權聲明南京理工大學有權保存本學位論文的電子和紙質文檔，可以借閱或上網公布本學位論文的部分或全部內容，可以向有關部門或機構送交并授權其保存、借閱或上網公布本學位論文的部分或全部內容。對于保密論文，按保密的有關規(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／≯年厶月泌日萬方數據博

3、士論文稀疏陣列高精度測向技術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，如較強的分辨能力、較高的估計精度和較大的信源處理能力，這些優(yōu)勢使之成為當前陣列測向方面的研究熱點。論文以稀疏陣列為研究對象，研究稀疏陣列結構設計、相應的波達角(DOA)估計算法及其統(tǒng)計-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．研究了多級互質陣列的解模糊容差及

4、其擴展孔徑測向算法。首先推導了三種解模糊算法的解模糊容差表達式，定量地證明了多級互質陣列具有形成較大解模糊容差的能力，并通過外場實驗驗證了理論的正確性。然后根據這種陣列的幾何結構，分別提出一種模轉換虛擬旋轉不變因子(MC．VESPRIT)法和一種模轉換虛擬傳播因子(MC．VPM)法。這兩種算法都利用陣元間距之間的多級互質關系，以及四階累積量的陣列擴展特性，以突破傳統(tǒng)算法對參考陣元間距的半波長限制，從而有效地提高了測向精度。更為重要地是，MC．VPM算法還采用雙L型結構避免了角度估計失敗，并利用VPM算法獲得

5、了自動配對的二維(2一D)DOA估計。2．研究了兩種嵌套陣的設計及其2．DDOA估計算法。首先，設計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展。為了實現(xiàn)這一目的，提出一種虛擬矩陣束(VMPM)算法用于2．DDOA估計。VMPM算法利用多尺度陣元間距，構造了由更多虛擬傳感器組成的雙平行陣。與傳播因子(PM)改進算法相比，它也使用二階統(tǒng)計量，卻擁有更高的測角精度和處理0(／D2／32)個信號源的能力，其中P為傳感器個數。另外，還分析了VMPM算法和PM改進算法的統(tǒng)計性能，推

6、導了它們估計誤差的漸近方差表達式和克拉美羅下界(CRLB)，并將這些表達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，設計了一種多級嵌套L型陣，并提出一種基于二維空問平滑的29多重信號分類(2q．MUSIC)算法。該算法利用29階統(tǒng)計量和斛Ⅳ個物理陣元，系統(tǒng)地形成了有O(Mq×Nq)個虛擬陣元的均勻矩形陣(URA)，進一步提高了測向性能。此外，還推導了多級嵌套L型陣的最優(yōu)和次優(yōu)配置表達式，以便最大化虛擬LIRA的陣元數。3．研究了三種電磁矢量稀疏陣的設計及其2．D

7、DOA估計算法。首先，對互質／嵌套標量陣在二維空間．極化聯(lián)合域進行推廣，設計了電磁矢量互質／嵌套面陣。這兩種面陣除了在空域蘊含二維互質／嵌套特性外，還在極化域蘊含多樣性。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據摘要稀疏陣列高精度測向技術研究擴展。為了將這些優(yōu)勢用于2．DDOA估計，以及將傳感器恢復成6分量結構，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等

8、方面都有較大地改善，其中以最大可處理信源數方面最為突出。理論和仿真結果都表明其最大可處理信源數可以從D(一提高到O(3t'2)。之后，針對空間相關噪聲背景下2一DDOA和極化參數估計性能下降的z'口-I題，提出一種基于三尺度平行矢量陣的矩陣重構算法。該算法通過構造特殊的互相關矩陣，不僅去除了噪聲項，而且充分挖掘了陣列的空間．極化特性，因而獲得估計性能的提高。另外，該算法無需矩陣開方和高階統(tǒng)計量，具有低運算量。4．