陣列測向與陣列校正技術(shù)研究.pdf

1、陣列信號處理是信號處理領(lǐng)域內(nèi)的重要分支，在雷達、聲納、通信、地震、勘探、射電天文以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
　　陣列測向，又稱作波達方向(DOA)估計，是陣列信號處理的主要研究方向之一。已有的超分辨測向技術(shù)的高分辨力是在理想陣列流型的假設(shè)下得到的。在實際應(yīng)用中，陣列不可避免地存在著多種誤差。陣列誤差使得超分辨測向技術(shù)的性能嚴重下降，甚至失效。因此，陣列誤差的存在是超分辨測向技術(shù)走向?qū)嵱没囊粋€瓶頸。另外，很多陣列測向技術(shù)雖然有

2、較高的分辨力，但其能分辨的信號角度個數(shù)不能超過天線個數(shù)。實際中，由于系統(tǒng)成本以及體積的限制，天線數(shù)往往不能做得太多，因此有必要研究并改進已有的陣列測向技術(shù)，用有限個陣元分辨盡可能多的信號角度。
　　本論文主要研究陣列幅相誤差條件下的自校正技術(shù)，分布式小衛(wèi)星陣列校正技術(shù)，以及所分辨角度數(shù)目超過陣元個數(shù)的陣列測向技術(shù)這三方面的內(nèi)容。
　　論文的主要工作如下：
　　1．傳統(tǒng)的自校正算法需要在陣列誤差估計和信號方向估計之間進行

3、聯(lián)合迭代，在相位誤差太大時，算法會陷入局部最優(yōu)，性能惡化，甚至失效。為克服此問題，利用陣列接收向量和其共軛向量的點乘所得的向量獨立于相位誤差這一特點，提出一種陣列自校正算法。理論證明可知所提算法獨立于相位誤差，相位誤差的大小不影響所提算法的性能。但所提算法的分辨力不高，為了提高所提算法的分辨力并保持對相位誤差的獨立性，通過組合所提算法和傳統(tǒng)算法，提出一種組合策略。所提算法和組合策略的優(yōu)點是其性能獨立于相位誤差。若采用這兩種算法，可省略天

4、線工作過程中大相位誤差的有源校正過程。另外，這兩種算法避免了傳統(tǒng)算法會陷入局部最優(yōu)的難題。所提算法和組合策略的缺點是其計算復(fù)雜度較高，至少需要空間上間距較遠的兩個信號，而且對陣列結(jié)構(gòu)有一定要求。
　　2．傳統(tǒng)的分布式小衛(wèi)星校正算法中，位置誤差的估計基于陣元位置誤差泰勒級數(shù)展開的一階近似。一階泰勒級數(shù)展開會引入近似誤差，導(dǎo)致傳統(tǒng)算法估計不精確。為克服此問題，根據(jù)泰勒級數(shù)展開所引入的近似誤差隨位置誤差的減少而降低這個規(guī)律，提出一種改進

5、算法。在改進算法中，首先補償?shù)粼诘趉次迭代中所得到的位置誤差估計值，從而減少了第k+1次迭代中的剩余位置誤差。最后把每次迭代所得的位置誤差估計值取和作為真實位置誤差的估計值。這樣，改進算法消除了由泰勒級數(shù)近似引入的近似誤差，提高了估計精度。仿真結(jié)果驗證了改進算法的估計精度高于傳統(tǒng)算法，而且對位置誤差更穩(wěn)健。另外，改進算法的計算復(fù)雜度幾乎沒有增加。
　　3．傳統(tǒng)的分布式小衛(wèi)星陣列校正算法需要在基線誤差估計和幅相誤差估計之間進行聯(lián)合迭

6、代，當(dāng)基線誤差太大時，算法會陷入局部最優(yōu)，穩(wěn)健性差。當(dāng)合成孔徑雷達工作于正側(cè)視模式時，某個固定多普勒單元的雜波譜分量的導(dǎo)向矢量和其相反多普勒單元的雜波譜分量的導(dǎo)向矢量互為共軛。根據(jù)這個事實和投影矩陣的唯一性，提出一種陣列誤差估計算法。所提算法可直接估計相位誤差和位置誤差，不需要聯(lián)合迭代，克服了傳統(tǒng)算法局部收斂、性能不穩(wěn)健的缺點。數(shù)學(xué)分析表明所提算法降低了計算復(fù)雜度。所提算法的唯一代價是，它利用了兩倍的多普勒單元?？紤]到實際中，多普勒單元

7、數(shù)目較多，這個代價是可以容忍的。
　　4．經(jīng)典的MUSIC測向算法所能估計的信號角度個數(shù)小于陣元數(shù)目。針對此問題，利用圓信號和非圓信號的圓特性差異，提出了一種陣列測向算法。該算法首先根據(jù)接收信號矢量的非共軛協(xié)方差矩陣得到非圓信號的DOA估計，然后根據(jù)傳統(tǒng)的共軛協(xié)方差矩陣給出圓信號的DOA估計。所提算法能估計的角度個數(shù)為MUSIC算法的兩倍；另外由于所提算法是利用信號的非圓特性差異來區(qū)分圓和非圓信號，而不是利用信號之間的角度差異，所