阵列信号处理全.ppt
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第一章：绪论 第二章：数学基础 第三章：空域滤波原理及算法 第四章：部分自适应处理技术 第五章：阵列信号的高分辨处理 第六章：相干信源的高分辨处理 第七章：最大似然与加权子空间拟合方法估计信
号源方向 第八章：基于高阶统计量和循环非平稳阵列信号
处理简介
第一章 绪论
§1.1引言
一、阵列信号处理简介 1、信号与信息处理的三大支柱：
传播波信号为空时信号，是时间和空间的四维 函数，服从物理规律——波动方程
Maxwell波动方程：2 E 1 2 E
c t 2
其中
： 2
2 x 2
2 y 2
2 z 2
A. 直角坐标系中的解：
a) 一个特解：s(x, y, z,t) Aexp[ j(t kxx ky y kzz)]
s(r,t) Aexp[ j(t kT r)]
实际阵列
空间采样方式 虚拟阵列（合成阵列如SAR）
空时采样示意图如下：
12
N N元传感器阵列
M次同步采样
空时处理
获取信息：波的到达方(DOA)、波形参数、 极化参数估计、空间滤波与检测等 图1.1：空时采样
二、阵列信号的应用
雷达：相控阵天线系统、波束灵活控制、高 分辨测向、干扰置零、成像（SAR/ISAR） 移动通信：波束形成、抗多址干扰、空分多 址（SDMA） 声纳：水声工程、宽带阵列处理 地震勘探：爆破、地震检测、地质层机构特 征分析、探石油 射电天文：定位、测向 电子医疗工程：层析成像、医学成像
4．孙超，加权子空间拟合算法理论与应用，西北工业大学出 版社
5．刘德数等，空间谱估计及其应用，中国科技大学出版社 6．张贤达、保铮，通信信号处理，国防工业出版社，2000
期刊：
IEEE Trans.(SP,ASSP,AP,AES) IEE Pt(F,H)
荷兰 signal Processing
课程安排：
空间采集
传Baidu Nhomakorabea波
离散：传感器阵列
的接收 时间采集：所有传感器同步采样
又称为快拍（snapshot）
传播波的类型与媒质有关，采用的传感器 也随之不同：
传输波
电磁波
声波
地震冲击波
媒质 大气（自由空间） 大气、水中 大气、大地
传感器 天线（antenna) 换能器
检波器
(transducer) (geophone)
wiener滤波理论应用于阵列处理（60年代）
滤波
两个方向 方向估计
自适应波束控制（指向） 近代谱估计（80年代以前）
自适应零点控制（70年代） 参数化模型（基于子空
间技术）
性能代价，快速算法
（80年代以后）
稳健算法，盲信号处理 （90年代）
稳健计算（90年代）
§1.2 波的传播与阵列信号处理
1、传播波信号
信息获取、处理和传输 2、阵列信号处理的研究内容：
检测、估计、滤波、成象等。
参 数 估 计 ： 以 波 达 方 向 (DOA) 估 计 为 代
基表本内容
空间滤波：波束形成。
3、 阵列信号处理的研究对象: 空间传播波携带信号（空域滤波）
4、 阵列信号处理方法: 统计与自适应信号处理技术
（如谱估计、 最优与自适应、滤波） 5、 阵列信号处理的目的:
1 所以 T r表示从原点 o 传播到位置 r所需时间。
c
c) 波动方程另一个较复杂的解： 波形具有基本频率的调和级数形式：
sr,t s t T r sn exp[ jn0 t T r ] n
三、阵列信号处理的发展史
雷达
1936年
空域信号处理 只有三十多年的历史
基本理论：
Wiener滤波
多维信号处理
自60年代以来，经历了三大阶段：
➢ 自适应波束控制 IEEE Trans AP 1964.3
➢ 自适应零点控制 IEEE Trans AP 1976.9
➢ 空间谱估计
IEEE Trans AP 1986.3
2 ． Hudson J. Adaptive Array Principles Peter Peregrinus London,1981. (有中译本)
3．Haykin S.(deitor)Aduances in Spectrum analysis and array Processing.Vol І П. Prentice Hall.NJ.1991
（*）
代入波动方程：k x2 s(r , t )
k
2 y
s(r
,
t
)
k
2 z
s(r
,
t
)
2
c2
s(r,t)
若约束条件：
k
2 x
k
2 y
k
2 z
2
c2
即
则：（*）式表示的信号是波动方程的解，称为“单 色”或“单频”解。
c
为传播速度，2
T
（周期）
T c 2 2 k 2
k k
k 称为波数矢量，其大小表示单位波长的周期数，
波动方程的任意解可以分解为无穷多个“单频”
解的迭加（传播方向和频率分量均任意）。
波动方程的单频解可以写成单变量的函数：
sr,t Aexp[ j(t kT r) Aexp[ j t T r ]
式中 k ，其大小等于传播速度的倒数，其方向与 传播方向相同，常称为慢速矢量(slowness vector)。
《阵列信号处理》
课程目的：
掌握空间传播波携带信号的获取与 处理的基本理论和方法，特别是空时多 维信号算法，熟悉参数估计和自适应波 束形成的常用算法。
课程要求：
期间：含上机实践。 期末：论文、考试。
参考文献：
书：
1．Monzingo.R.and Miller T. Introduction to adaptive array. Wiley Interscience. New York, 1980. (有中译本)
单位为弧度/米，其方向为波的传播方向。
对比： 2 时间频率
T
k 2 空间频率
➢某一时刻（t固定）的恒等相位面，即kT r=常数的平 面，该平面与 k 垂直。
b) 任意解：由四维Fourier变换表示：
s
r,
t
1
2
4
s u, e j tkT rd kd
其中
s k, s t,r e j tkT rd rdt
滤波：增强信噪比 获取信号特征：信号源数目 传输方向（定位）及波形 分辨多个信号源
定义：
➢传感器——能感应空间传播信号并且能以某 种形式传输的功能装置
➢传感器阵列(sensors array)——由一组传感 器分布于空间不同的位置构成
由于空间传播波携带信号是空间位置和时
间的四维函数，所以：
连续：面天线
号源方向 第八章：基于高阶统计量和循环非平稳阵列信号
处理简介
第一章 绪论
§1.1引言
一、阵列信号处理简介 1、信号与信息处理的三大支柱：
传播波信号为空时信号，是时间和空间的四维 函数，服从物理规律——波动方程
Maxwell波动方程：2 E 1 2 E
c t 2
其中
： 2
2 x 2
2 y 2
2 z 2
A. 直角坐标系中的解：
a) 一个特解：s(x, y, z,t) Aexp[ j(t kxx ky y kzz)]
s(r,t) Aexp[ j(t kT r)]
实际阵列
空间采样方式 虚拟阵列（合成阵列如SAR）
空时采样示意图如下：
12
N N元传感器阵列
M次同步采样
空时处理
获取信息：波的到达方(DOA)、波形参数、 极化参数估计、空间滤波与检测等 图1.1：空时采样
二、阵列信号的应用
雷达：相控阵天线系统、波束灵活控制、高 分辨测向、干扰置零、成像（SAR/ISAR） 移动通信：波束形成、抗多址干扰、空分多 址（SDMA） 声纳：水声工程、宽带阵列处理 地震勘探：爆破、地震检测、地质层机构特 征分析、探石油 射电天文：定位、测向 电子医疗工程：层析成像、医学成像
4．孙超，加权子空间拟合算法理论与应用，西北工业大学出 版社
5．刘德数等，空间谱估计及其应用，中国科技大学出版社 6．张贤达、保铮，通信信号处理，国防工业出版社，2000
期刊：
IEEE Trans.(SP,ASSP,AP,AES) IEE Pt(F,H)
荷兰 signal Processing
课程安排：
空间采集
传Baidu Nhomakorabea波
离散：传感器阵列
的接收 时间采集：所有传感器同步采样
又称为快拍（snapshot）
传播波的类型与媒质有关，采用的传感器 也随之不同：
传输波
电磁波
声波
地震冲击波
媒质 大气（自由空间） 大气、水中 大气、大地
传感器 天线（antenna) 换能器
检波器
(transducer) (geophone)
wiener滤波理论应用于阵列处理（60年代）
滤波
两个方向 方向估计
自适应波束控制（指向） 近代谱估计（80年代以前）
自适应零点控制（70年代） 参数化模型（基于子空
间技术）
性能代价，快速算法
（80年代以后）
稳健算法，盲信号处理 （90年代）
稳健计算（90年代）
§1.2 波的传播与阵列信号处理
1、传播波信号
信息获取、处理和传输 2、阵列信号处理的研究内容：
检测、估计、滤波、成象等。
参 数 估 计 ： 以 波 达 方 向 (DOA) 估 计 为 代
基表本内容
空间滤波：波束形成。
3、 阵列信号处理的研究对象: 空间传播波携带信号（空域滤波）
4、 阵列信号处理方法: 统计与自适应信号处理技术
（如谱估计、 最优与自适应、滤波） 5、 阵列信号处理的目的:
1 所以 T r表示从原点 o 传播到位置 r所需时间。
c
c) 波动方程另一个较复杂的解： 波形具有基本频率的调和级数形式：
sr,t s t T r sn exp[ jn0 t T r ] n
三、阵列信号处理的发展史
雷达
1936年
空域信号处理 只有三十多年的历史
基本理论：
Wiener滤波
多维信号处理
自60年代以来，经历了三大阶段：
➢ 自适应波束控制 IEEE Trans AP 1964.3
➢ 自适应零点控制 IEEE Trans AP 1976.9
➢ 空间谱估计
IEEE Trans AP 1986.3
2 ． Hudson J. Adaptive Array Principles Peter Peregrinus London,1981. (有中译本)
3．Haykin S.(deitor)Aduances in Spectrum analysis and array Processing.Vol І П. Prentice Hall.NJ.1991
（*）
代入波动方程：k x2 s(r , t )
k
2 y
s(r
,
t
)
k
2 z
s(r
,
t
)
2
c2
s(r,t)
若约束条件：
k
2 x
k
2 y
k
2 z
2
c2
即
则：（*）式表示的信号是波动方程的解，称为“单 色”或“单频”解。
c
为传播速度，2
T
（周期）
T c 2 2 k 2
k k
k 称为波数矢量，其大小表示单位波长的周期数，
波动方程的任意解可以分解为无穷多个“单频”
解的迭加（传播方向和频率分量均任意）。
波动方程的单频解可以写成单变量的函数：
sr,t Aexp[ j(t kT r) Aexp[ j t T r ]
式中 k ，其大小等于传播速度的倒数，其方向与 传播方向相同，常称为慢速矢量(slowness vector)。
《阵列信号处理》
课程目的：
掌握空间传播波携带信号的获取与 处理的基本理论和方法，特别是空时多 维信号算法，熟悉参数估计和自适应波 束形成的常用算法。
课程要求：
期间：含上机实践。 期末：论文、考试。
参考文献：
书：
1．Monzingo.R.and Miller T. Introduction to adaptive array. Wiley Interscience. New York, 1980. (有中译本)
单位为弧度/米，其方向为波的传播方向。
对比： 2 时间频率
T
k 2 空间频率
➢某一时刻（t固定）的恒等相位面，即kT r=常数的平 面，该平面与 k 垂直。
b) 任意解：由四维Fourier变换表示：
s
r,
t
1
2
4
s u, e j tkT rd kd
其中
s k, s t,r e j tkT rd rdt
滤波：增强信噪比 获取信号特征：信号源数目 传输方向（定位）及波形 分辨多个信号源
定义：
➢传感器——能感应空间传播信号并且能以某 种形式传输的功能装置
➢传感器阵列(sensors array)——由一组传感 器分布于空间不同的位置构成
由于空间传播波携带信号是空间位置和时
间的四维函数，所以：
连续：面天线