稀疏陣列綜合及DOA估計(jì)方法的研究.pdf

1、陣列信號處理是信號處理中非常重要的一個(gè)子研究領(lǐng)域，時(shí)刻影響著人們的生活。在雷達(dá)、聲吶、無線通信、地震學(xué)、醫(yī)學(xué)探測、電子對抗和故障診斷等領(lǐng)域中具有非常廣泛的應(yīng)用。天線陣列技術(shù)提供了一種有效的方法來探測和處理從不同方向的來波信號。陣列天線與單天線比較，單天線受限于方向性和帶寬。陣列天線可以通過調(diào)節(jié)幅度、相位分布和陣元布局來得到需要的波束方向圖。目前越來越多的領(lǐng)域中，對如何從低信噪比下的回波信號中提取目標(biāo)信息以及在陣列綜合中要求方向圖有窄的掃

2、描波束，但在不增加相應(yīng)的增益等條件下的要求越來越高。然而目前的很多方法和應(yīng)用局限于均勻陣列，且在一些特定的方向圖綜合與匹配上面臨很大困難和挑戰(zhàn)。本文針對這些問題，研究和發(fā)展了基于稀疏陣列的一些新方法，大大降低陣列天線復(fù)雜度和計(jì)算時(shí)耗，有效地克服和彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法中在DOA估計(jì)和陣列方向圖綜合中出現(xiàn)的不足，并進(jìn)行了大量的理論分析和算法仿真，其主要工作和創(chuàng)新歸納如下：
　　本文首先從陣列信號處理的基本原理出發(fā)，描述了陣列天線的一些基本模

3、型，如均勻直線陣列、矩形陣列和圓形陣列；然后簡要介紹了陣列綜合中的經(jīng)典方法，切比雪夫綜合法和泰勒綜合法；最后深入討論了壓縮感知的基本理論對DOA估計(jì)模型的表示，以及凸優(yōu)化算法的基本概念和理論，為后續(xù)的陣列綜合方法做好鋪墊。
　　其次總結(jié)了空間譜估計(jì)和全局搜索方法在線性陣列DOA估計(jì)中的方法。為了降低計(jì)算量和提高全局優(yōu)化的收斂，提出了一種基于遺傳-模糊粒子群算法同時(shí)估計(jì)波達(dá)角和信號功率。通過將波達(dá)角和信號功率用代價(jià)函數(shù)來表示，利用所

4、給出的優(yōu)化方法進(jìn)行求解。DOA估計(jì)中仍然存在許多問題待解決，如模糊、互耦等。然后深入研究了均勻陣列和非均勻陣列產(chǎn)生DOA模糊的機(jī)理，在平面介質(zhì)的工作基礎(chǔ)上參與了在接收信號的天線陣元前加入半圓形介質(zhì)來消除DOA估計(jì)中產(chǎn)生的模糊的方法研究，通過大量的算法仿真驗(yàn)證該方法能很好地完全消除平凡和非平凡模糊。
　　本文還就在諧波時(shí)間反轉(zhuǎn)信號的信號特征提取方法和在稀疏天線陣列綜合中的應(yīng)用做了深入研究。介紹了基于矩陣束方法和凸優(yōu)化的陣列綜合方法，

5、驗(yàn)證了這兩個(gè)方法可以使用較小陣元個(gè)數(shù)重構(gòu)給定的波束方向圖，并且分析這兩種方法存在一些不足。陣元位置和激勵(lì)優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化成諧波信號特征提取問題，首次提出了應(yīng)用量子力學(xué)中解決粒子不同時(shí)間的粒子態(tài)的濾波對角化方法 Filter Diagonlaiztion Method(FDM)來解決非均勻陣列的波束方向圖匹配問題。同時(shí)將該方法推廣到了二維陣列綜合中，通過仿真驗(yàn)證了此方法只需利用較少先驗(yàn)知識就可用較少陣元重構(gòu)給定方向圖。在實(shí)際雷達(dá)天線應(yīng)用中

6、，由于存在陣元誤差導(dǎo)致不能得到準(zhǔn)確的陣列流形，從而影響方向圖的穩(wěn)健性。通過使用重加權(quán)1范數(shù)的凸優(yōu)化方法對給定方向圖進(jìn)行綜合，此方法可以使用盡可能少的陣元去重構(gòu)給定的波束方向圖。
　　隨后本文將進(jìn)一步針對稀疏陣列方向圖快速綜合中降低旁瓣電平的算法進(jìn)行研究。根據(jù)陣列因子和陣元激勵(lì)屬于一對傅里葉變化的特點(diǎn)，提出了一種混合優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)針狀波束方向圖快速綜合算法。其中陣元位置優(yōu)化是一個(gè)非線性問題，利用全局優(yōu)化方法求解陣元位置。該方法針對大

7、型陣列模型時(shí)，不但可以降低旁瓣電平和控制零陷，同時(shí)還能降低陣元個(gè)數(shù)。同時(shí)此方法被推廣到二維平面陣和特殊平面陣上，同樣有效快速地進(jìn)行方向圖綜合，在深空探測和衛(wèi)星通信中有非常廣泛的應(yīng)用。將此方法引入和差方向圖綜合問題，提出了一種陣元校正的大型陣列綜合方法。與凸優(yōu)化算法比較，可以快速有效地優(yōu)化方向圖的旁瓣電平。
　　最后深入研究稀疏共形陣列方向圖快速綜合方法。由于共形陣列存在遮擋效應(yīng)、與載體共形，所以傳統(tǒng)的方向圖乘積理論不適用。結(jié)合現(xiàn)有