阵列信号处理的基本知识PPT课件

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s P
噪声统计特性
空时白高斯噪声；色噪声环境下需要稳健 的算法。
E { n (t)n H (t) }2I
信号数目
属于信号检测问题(AIC,MDL,etc)，一般
假定先验已知。
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二、阵列信号处理的主要内容
信号参数估计(DOA，频率，极化参数，距离， 时延等): 谱估计方法(子空间方法，波束形成 方法)，参数化方法(最大似然，基于子空间逼 近方法)。
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阵列信号处理系统构成
接收形式: 多个传感器(阵元)，声纳，天线。 常见的阵列几何结构：均匀线阵，非均匀
线阵，面阵中的均匀和非均匀圆阵，非均 匀L阵，十字阵等，共形阵(立体阵)。
多传感器阵列 多通道接收机 多通道同 步采集和模数转换 数据处理终端
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阵列信号的应用领域
着重空间传输信号(电磁波、声波、地震冲 击波)的获取、处理与传输，应用于雷达、 声纳、导航、地震探测、 移动通信 (SDMA)、 生物医学等领域。阵列系统的 多信号处理能力、参数提取的高分辨、高 精度和抗干扰能力等优点，很大程度上都 依赖于适当的阵列信号处理算法。
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各通道同步采集假设
阵列接收信号需要进行采样和Ａ／Ｄ变换 为数字信号后进入DSP处理器进行算法处 理。
Nyquist采样率
宽频段信号：采用欠采样率(空时欠采 样)，需要解模糊算法。
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对信号和噪声的假设
窄带假设
信号带宽远小于信号波前跨越阵列最大口径 所需要的时间的倒数，即有如下假设：
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阵列系统模型的假设
阵列信号数学模型
设P个空间信号入射到由M个阵元组成的阵
列，t时刻第m阵元的输出可以用矩阵表示
为：
x(t) Pa()s(t) n(t)
m
l 1 m l l
m
s (t) 为第l个入射信号波前，a () 为第m个
l
m
阵元对该信号的响应系数，nm (t) 为阵元接收
加性噪声。
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Ref[1] H.krim and M.Viberg, Two decdees of array processing research: the parametric approach, IEEE signal processing Magazine, Vol.13, Vol.4, 1996.
Ref.[2] D.H.Johnson, D.E.Dudgeon, Array signal processing, Prentice-Hall,1993.
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自适应波束形成(Beamforming,空域滤波)
实质是通过对各阵元(传感器)加权进行空域滤波 以到达对不同来向的信号进行增强或抑制的目的， 而且它可以根据信号环境的变化，来自适应的改 变各阵元的加权因子。
在理想的条件下，自适应波束形成可以有效的 抑制干扰而保留期望(有用)信号，从而使阵列的 输出信号干扰噪声比(SINR)达到最大。
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将整个阵列的输出信号写成矩阵形式为：
x (t) A (t) sn (t)
A [a (1) ,,a (P)]为阵列流行矩阵、空间信
号方向矢量、阵列响应矩阵。
a ( ) [ 1 e , ,e ] j2 d si /n
j2( M 1 ) d si /n T
s [s(t) ,,s(t)T]为信号源矢量。
1
P
波传播的方向信息含于载波上，而不是复包络上， 即与波形无关(这与时域信号处理不同)，空间信 息含于载波上，时域信息含于信号包络上。
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对阵列及其通道的假设 阵元的方向性：
空间入射信号示意图
a ( ) [ f ( ) e , ,f( ) e] 1
j k • p 1
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j k • p M T
Ref.[3] IEE Proc. 1991.
Ref.[4] Vaccaro, R.J, The past, present, and the future of
underwater acoustic signal processing, IEEE Signal Processing
Magazine, Vol.15 , No.4 , 1998. .
三种准则：MVDR, MMSE, MSNR
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时域滤波
频率响应
通带
阻带
频率选择
空域滤波 方向图 主瓣 旁瓣 方向选择
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三、当前的一些研究热点和新技术
参数估计以及信号检测：
1. 非理想条件下稳健的参数估计方法和信号检测 (色噪声，非平稳信号环境，阵列存在系统误差 （包括互藕、幅相误差、位置误差）)。
阵列信号处理中的若干问 题与研究
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主要内容
阵列信号处理的基本知识 阵列信号处理的主要内容 当前的一些研究热点和新技术 应用领域的一些实例
• 仿真结果 • 实测数据处理
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一、阵列信号处理的基本知识
阵列信号处理系统构成 阵列系统模型假设
阵列信号数学模型 对阵列及其通道的假设 对信号和噪声的假设
B L 1
F
式中L为阵列最大口径，F和为信号中心频率 和该频率对应的波长。
远场假设
即辐射源到阵列的距离远大于阵列的最大口
径，从而入L2射到阵列的信号波前可近似为平
面波前(d ).
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
入射信号统计特性
空间入射信号平稳且各态历经，可以用时
间平均代替集合平均。一般还假定各入射
信号统计独立。
E { s ( t) s H ( t) } d{ i2 , a ,2 g }
M
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阵元及通道幅相特性一致性
设第m个阵元对应信道的幅度和相位特性
为
g e jm m
,则阵列响应系数将受此幅相特性加
权，即有：
x (t) A (t) sn (t)
d{ i g e a j 1 , ,g g e jM }
1
M
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阵元之间的互藕 有关因素：阵元之间的间距大小，系统工作 频段，采用的传感器类型等。 设所有阵元之间的藕合系数矩阵为C，则考 虑到阵元间互藕的阵列输出信号模型为：
x ( t) C A ( t) s n ( t)
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阵元位置
阵元测向的关键信息是空间信号入射到各阵 元的相对延迟相位，而这一相位依赖于阵元 之间的空间位置，阵元位置误差直接导致延 迟相位估计误差，从而影响信号参数估计。
阵列模糊
阵元间距大于 /2 时，影响空间信号到达角 的可辨识性和确定性，需要解决阵列模糊问 题。