阵列信号处理1-2

二,采样阵列天线接收信号进行自适应阵列信号处理的动因 1,在阵列天线上容易进行自适应阵列波束形成 自适应阵列系统能够自动感知存在着的干扰源,并在其 方向上形成零陷,对干扰进行抑制,降低干扰对系统的影响. 同时对感兴趣的信号进行增强(如在所观察的方向上,波束 的幅度或增益为1,表明有用信号无衰减地进入系统). 2,提高系统的可靠性(enhance reliability) ① 单阵元天线的故障和失效会使整个系统瘫痪. ② 常规非自适应阵如果有一个传感器单元失效,使其边波 束(傍瓣电平)增大,阵列灵敏度方向图的边波束(傍瓣) 结构要明显地变坏,导致性能变差.
x(t)
传播媒介
m(t)
图 2.3 信号传播模型
y(t)
理想情况下,传播是无色散的,传感器是无畸变的,那 么m(t)就简单地是时间的延迟 δ (t τ i ) .
第一章
引言(Introduction)
一,阵列信号处理的主要内容 1,自适应波束形成技术(Beam-forming Technology) 目的:增强有用(所需)信号,抑制干扰和噪声信号. Enhance the desired signal; Cancel the interference signal.
(2.2.3 )
E[e (t )] = ξ[W (t )] = d (t) 2rXd (t)W (t )
2 2 T
+ W (t ) RXX (t )W (t )
T
(2.2.3 )
将上式对变量 W(t)求导数并使之等于零
ξ[W (t )] = 2rXd (t ) + 2RXX (t )W (t ) Wopt = RXX rXd
s1 ( t ) s (t ) S (t ) = 2 M s N (t ) n1 (t ) n (t ) n (t ) = 2 M n N (t )
0≤t ≤T
(2.2.5)
0≤t ≤T
所需信号分量可精确已知,粗略近视已知,或仅在统计意 义上已知.
3,理想的传播模型 信号源向媒介发射信号,传感器接收信号,相当于一个输 入输出系统:
动通信的用户很多,一方面通过空间不同位置进行区分,另 一方面通过不同的编码等方法实现多用户和大容量. 现代超分辨技术,使系统能够分辨空间和时间上都很靠 近的信号. 概括起来说: 波束的控制和管理 时间和空间信号的高分辨 五,主要研究内容 1,阵列构形研究 均匀直线阵,平面阵,元阵,随机阵,共形阵. 2,波束形成和超分辨新方法的研究(不是热点)
波前
x1(t ) x 2 (t )
s (t
w1 w2 y (t ) wM
自适应 处理器
)
2
M
x M (t )
自适应算 法控制器
信号处理器
图2.1 自适应阵功能框图
第二章
自适应阵概念
一,自适应阵的主要组成单元 传感器阵;方向图形成网络;自适应处理器.
图2.1 自适应阵功能框图
传感器阵: 接收信号
X T = [ x1 , x 2 , L , x N ]
R:信号的相关矩阵
二,信号环境 1,传感器中的信号: ① 有用信号(desired signal) 也叫所需信号,这种信号的部分信息已知的,例如 方向, 频谱特性,调制特性,波形以及极化特性等. ② 噪声及干扰
噪声: 系统本身固有的热噪声,往往可以假设为高斯热噪声. 干扰:敌方的干扰(压制式,回答式)
图1.1 立体波束图
Capon Beamforming
图1.2 自适应波束图 (a) 线性坐标 (b)对数坐标 目标信号方向0度;干扰信号方向-30度
2,高分辨空间谱估计技术(Estimation of Spatial Spectrum) 目的: 估计空间信号的到达方向. Estimation Direction-of-arrival (DOA) 对空间信号采样以后,以一定的方法进行处理并作出空 间谱,根据谱峰位置确定空间信号方向. 高分辨空间谱估计方法对信号方向的分辨能力远高于 传统的谱估计方法
空间探测雷达:卫星和宇宙飞船的监视,特别是机载或星载 成像雷达,它是当前各国研究的热点.美国的西屋公司和摩 托罗拉公司的雷达获得了覆盖美国,英国,加拿大等许多国 家的地面图像,分辨率达到1×1米. ② 声纳 声纳相当于水下雷达,在水中探测目标时,发射声波, 通过声波的反射和接收,来探测静止目标,在潜艇和舰船上 有很多的运用,而且国家也投入很多的钱,而无源声纳系统, 接收各种各样的目标所发出的信号. ③ 现代通信 现代阵列信号处理理论在通信中具有许多运用,例如自 适应波束形成,在通信中叫智能天线,主要问题是天线的波 束如何自动地感应目标的位置,并进行自动的跟踪.现代移
阵列信号处理 Array Signal Processing
相关课程: 天线,自适应,谱估计,信号处理,控制论,检测与 估计,优化,矩阵,概率与数理统计,随机过程 参考书: 1, 自适应阵导论(美国,中译本) 2, 阵列信号处理(英国,中,英文) 3, Array Signal Processing (英文) 4, 信息类书本中的相关内容(通信,雷达)
e (t ) = d (t ) y (t ) = d (t ) W T (t ) X (t )
(2.2.2)
误差信号的平方和为
e2 (t ) = d 2 (t ) 2d (t) X T (t )W (t ) +W T (t ) X (t) X T (t )W (t)
均方误差是 e2 (t ) 的期望值:
W T RW C TW = H
(输出功率) (设置某一方向的增益为固定值)
图2.2 方向图 两个信号: 一个干扰, 一个有用信 号(方向 θ1 )
确保有用信号的输入 功率最小:
C T (θ1 )W = H
(2.1.4) (2.1.5) (2.1.6)
y 2 (t ) = W T X W T X = W T XX TW E[ y 2 (t )] = W T E[ XX T ]W = W T RW
每个国家不管经济实力如何,却都将尽最大努力发展其国防 科技,都要进行相当规模的投资. 而民用技术的发展要视人民大众的经济状况,一方面研 究部门尽力去降低成本,从而降低产品的价格.另一方面老 百姓达到一定的消费水平,方能使某一项产品为大众所使用. 一旦为大众所接受,它的市场和利润是不可估量的. 高额利润也促使成千上万的公司和大众投入到这些领域, 从而也带来了这些领域的高风险. 雷达分为军用雷达和民用雷达: 军用雷达: 火炮雷动:炮位侦校雷达,炮瞄雷达 战场侦察雷达:(坦克,直升机等目标的检测与识别)
② 非随机信号 来源:人工产生和发射的信号 相干雷达信号,通信信号(已知) 处理方法:采用参考信号 任何信号只要同所需信号适当的相关,同干扰信 号不相关,就可作为参考信号. 例如:阵列输出信号为
y (t ) = W T (t ) X (t )
(2.2.1)
用d(t)表示要求的阵响应(参考信号),于是误差信 号可以表示为:
③ 自适应的阵列则不然,阵内其余正在工作的传感器的响 应可以自动调整直到阵列边波束减小到一个可以接受的 电平上. ④ 自适应阵列天线不易受周围环境的影响. 倘若把一部分天线装在飞机上或舰船上,天线旁的金属 物将改变天线的波束形状,自适应阵即使天线方向图遭 到近场效应的影响使之畸变,也往往能富有成效地工作. 3,实现机扫到相扫的转变 (phase scan, phase control)
4,有利于多目标远距离的检测和跟踪 (Multiple targets detection and traction) 阵元数越多,天线孔径越大,波束及空间谱分辨率越高. 同时自由度增大.增加形成的主波束数量,实现对多目标的跟 踪.另一方面,也可以增加抑制干扰的数量. 三,自适应阵列信号处理的发展历史 自适应波束形成技术的研究主要在六十年代到七十年代, 到七十年代末已经基本成熟. 空间谱估计:主要是超/高分辨空间谱估计技术,从七 十年代到八十年代末期. 八十年代到九十年代,主要研究如何在实际系统中应用
多径信号:有用信号经过多次反(散)射进入接收机的信号. 2,信号模型:
① 随机信号 例如:舰船发动机的噪声,推进器的噪声,未知的通信 信号,传感器热噪声,环境噪声,干扰信号,本质上都是随 机的.这些噪声都典型地来自大量独立微弱源的合成效应, 故应用统计学中心极限定理,可取合成噪声信号的数学模型 为高斯(Gauss)随机过程(通常是平稳高斯随机过程). 高斯信号的统计学性质特别有利于分析计算,因为高斯随机 过程的一阶矩和二阶矩给出了这种随机信号的全部信息特征. 来源:大量独立微弱源的合成效应.(未知的通信信号传感 器热噪声,环境噪声,干扰……等) 模型:Gauss平稳随机过程 参数:均值,方差
(2.1.1) (2.1.2) (2.1.3)
T 方向图形成网络: W = [ w1 , w 2 , L , w N ]
(形成最优权 和系统输出) 自适应处理器:
y (t ) = W T X = X T W
( 例如MVDR:Minimum Variance Distortionlesபைடு நூலகம் Response) 求解约束性问题: min s.t
① 机扫: 天线机械转动实现对空中移动目标的跟踪(传统), 实际中有一些目标方向是不变的,例如同步卫星,电台, 电视台的方向是不变的,因而接收天线的方向也可以是 固定的,但对空中移动的目标,例如飞机,装有全球定 位系统的汽车,手机等,就要求天线改变接收方向.这 种扫描笨重,反映速度慢. ② 相扫: 而采用阵列天线时,通过改变各阵元的权值改变其 相位,从而改变整个天线的方向图,实现相位扫描,也 叫电扫.灵活轻巧,反映灵敏.
1
(2.2.4)
用这样的权和输入信号相乘,所得到的输入信号中,保 留和参考信号相关的成份,去除了干扰和噪声.
③ 所需信号已知: 一般的雷达回波信号中,包含雷达本身发射的信号,通常 的通信信号也是确定性信号,它的波形,频率和带宽是已知的. ④ 接收信号的描述: 设有一个接收阵,由N个传感器组成,所接收的波形对应 N个输出:用矢量表示为:
这些方法:主要进行应用研究和性能分析. 即:自适应波束形成(60—70年代) 超分辨空域谱估计(70—80年代) 应用研究,性能分析(80—90年代) 四,阵列信号处理的应用领域(application filed) ① 雷达 雷达在战争中发挥着重要的作用,因而它的技术在不断 地发展和提高. 从过去几十年的情况来看,最先进的理论和技术都会首 先在军事上使用.这是因为国防的需要和战争的威胁,使
0.1 0.08
(a)
0.06 0.04 0.02 0 -100 30 25 20 15 10 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
(b)
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
图1.3 谱估计方法分辨能力比较 (a) Capon spectrum estimation; (b) MUSIC spectrum estimation
步兵侦察雷达: 空中警戒雷达:(对空监视雷达) 机载雷达: 预警机,战斗机装备 舰载雷达: 舰船和潜艇装备 民用雷达: 气象雷达: 天气预报,人工降雨) 探地雷达: (探测地下管道,检查高速公路施工质量, 探测岩层,地质成像) 汽车防撞雷达: (无人驾驶) 空中交通管制雷达: (港口管制雷达) 星载雷达:地面目标,资源的成像探测.
x1 ( t ) x (t ) X (t ) = 2 M x N (t )
0≤t ≤T
(2.2.5)
t 的范围为观察时间间隔
接收信号矢量中所需信号成份记为S(t),噪声成份记为n(t), 那么,接收信号矢量为:
X (t ) = S (t ) + n(t )
其中n(t)中包含热噪声和干扰. 所需信号和噪声的矢量可以表达为:
3,应用性研究(热点) 在一个具体的领域或工程项目上,如何应用这些理论和 方法,实际系统的误差很大,比如阵列通道之间的性能差异, 频率特性,阵列传感器的位置误差等情况下的一些理论算法 和性能.
第二章
自适应阵概念
一,自适应阵的主要组成单元 传感器阵;方向图形成网络;自适应处理器.
方向图形成网络 传感器阵 1