多徑傳播條件下的波達(dá)方向估計算法.pdf

1、陣列信號處理是現(xiàn)代信號處理內(nèi)一個重要的研究分支，其應(yīng)用涉及到雷達(dá)、通信、聲吶、以及射電天文等多種領(lǐng)域。其中對到達(dá)信號方向估計的技術(shù)稱為波達(dá)方向(DOA：direction of arrival)估計技術(shù)，該技術(shù)在過去30年內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展。在實際的環(huán)境中，由于云層、山脈，建筑物等的存在以及一些人為干擾，導(dǎo)致了多徑傳播情況的發(fā)生。因此目前有越來越多的國內(nèi)外研究學(xué)者投身于多徑傳播條件下DOA估計的領(lǐng)域中來，希望可以通過這些估計獲得更多的信

2、息，直接為軍事以及生活生產(chǎn)所應(yīng)用。估計精度高、運算復(fù)雜度低、需求陣元數(shù)少、穩(wěn)健的DOA估計算法一直是廣大研究者追求的目標(biāo)，本文通過對多徑傳播條件下現(xiàn)有DOA估計算法的研究，提出了一些更為優(yōu)越和有效的算法。本文所做的主要工作可以概述如下：
　　 首先，我們研究并提出了2種通過變換差分矩陣結(jié)構(gòu)來解決差分平滑矩陣欠秩問題的算法。第一種算法利用MUSIC(mulnple signal classification)算法估計不相關(guān)信號的D

3、OA，然后通過對差分矩陣進行平方操作構(gòu)造了一個新的矩陣來對相干信號進行處理。第二種算法提出了一種改進的TLS-ESPRIT(total leastsquares estimation of signal parameters via rotation invariance techniques)算法來對不相關(guān)信號的DOA進行估計，然后利用對差分矩陣的特征值取絕對值所構(gòu)造的新矩陣來對相干信號進行處理。這兩種算法都被嚴(yán)格的理論證明所支持，實

4、驗仿真也表明了較高的DOA估計精度。另一方面，由于空間差分操作在去除不相關(guān)信號時會造成一部分相干信號能量的損失，那么相干信號的DOA估計性能將不可避免地受到一定的影響。通過進一步研究，我們發(fā)現(xiàn)可以在估計出不相關(guān)信號DOA和信號能量以后可以將不相關(guān)信號的陣列協(xié)方差矩陣構(gòu)造出來，從而將其從陣列輸出協(xié)方差矩陣中減去而避免了這個問題。接下來，我們研究了一種改進的適用于混合信號情形下的DOAM(DOA matrix)方法。該算法首先利用構(gòu)造的DO

5、A矩陣的特征值以及提出的準(zhǔn)則對不相關(guān)信號的DOA進行估計，然后利用其中對應(yīng)于相干信號的特征向量以及正交投影技術(shù)對相干信號進行處理。
　　 由于可以將各個相干組的信號分開進行處理，相比于以往同時對所有相干信號進行處理的算法，該算法需求的陣元數(shù)目有一定下降。
　　 其次在多徑傳播條件下，現(xiàn)有的大部分DOA估計算法都沒有重視衰落系數(shù)所包含的巨大信息。因此我們研究并提出了兩種有效的算法來對多徑傳播條件下的衰落系數(shù)進行估計。第一種

6、算法將衰落系數(shù)的估計問題轉(zhuǎn)換為了一個帶約束的二次最小化問題，進而利用拉格朗日乘子法對其進行求解。第二種算法構(gòu)造了一個新的矩陣，該矩陣的零空間與所要估計衰落系數(shù)矩陣的列空間是相等的，然后利用空間之間的關(guān)系來對衰落系數(shù)進行估計。通過仿真實驗可以看到，這兩種方法都可以達(dá)到較高的估計精度。并且，通過利用估計得到衰落系數(shù)以及DOA，它們的估計精度可以進一步得到提高。接下來，我們將空間差分技術(shù)引入到了矩陣重構(gòu)技術(shù)中來。所提算法通過將空間差分矩陣中的

7、元素重新排列而構(gòu)造了一個新的Toeplitz矩陣來估計相干信號的DOA。由于該算法是對不相關(guān)信號以及相干信號分開進行處理的，其能夠大幅度降低所需要的陣元數(shù)目。進一步，我們又研究并提出了一種改進的基于空間差分和矩陣重構(gòu)技術(shù)的DOA估計算法。通過改變上面所構(gòu)造的Toeplitz矩陣的結(jié)構(gòu)，改進的算法可以對所有構(gòu)造的Toephtz矩陣進行利用并明顯提高DOA的估計性能。然后我們對多徑傳播條件下一維DOA估計的CRB(Cramer-Rao lo

8、wer bound)進行了推導(dǎo)，分別給出了不相關(guān)信號和相干信號DOA估計的CRB、以及衰落系數(shù)估計的相對CRB。
　　 最后，我們研究了多徑傳播條件下的二維DOA估計技術(shù)。首先，我們提出了一種全新的陣列流型-Z型陣，以及一種基于DOA矩陣以及空間差分技術(shù)的超分辨二維DOA估計算法。在該算法中，我們構(gòu)造了一個適用于混合信號情形下二維DOA估計的DOA矩陣。該算法首先利用DOA矩陣的非零特征值及其對應(yīng)的特征矢量并結(jié)合提出的準(zhǔn)則來對不

9、相關(guān)信號的DOA進行估計；接著利用空間差分矩陣以及基于子矩陣的空間平滑技術(shù)構(gòu)造了一個全新的DOA矩陣來處理相干信號。由于該算法不需要二維空間譜計算以及譜峰掃描，因而具有較低的運算復(fù)雜度。并且該算法不需要二維估計角度之間的匹配，所提出的z型陣相比于均勻平面陣可以節(jié)約較多的陣元。接下來，我們將空間差分技術(shù)和矩陣重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用到多徑傳播條件下的二維DOA估計當(dāng)中。該算法利用一種改進的最小二乘ESPRIT算法估計不相關(guān)信號的DOA，然后通