阵列误差校正与分布式信号源测向技术研究

阵列误差校正与分布式信号源测向技术研究在阵列信号处理领域,波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计是一项热门的研究课题,也是雷达、声呐、移动通信和生物医学等系统的重要任务之一。大多数传统的DOA估计算法都是以阵列通道间不存在幅相误差、阵列的阵元位置精确已知和信号模型为点目标或者点信号源的理想假设为前提的。在实际情况下,这些假设很难满足,使得算法的性能严重下降。本论文针对这些理想假设不满足的情况,对阵列误差参数估计和相干分布式信号源的DOA估计问题分别进行了研究。

论文的主要研究内容包括:1.基于有源幅相误差估计算法,推导了幅相误差的估计误差与辅助源方位测量偏差之间的解析表达式,并提出了一种未知辅助源方位的幅相误差估计算法,与传统的有源幅相误差估计算法相比,该算法不需要对辅助源的方位进行精确测量,而是利用两个未知方位的辅助源,通过对辅助源的方位进行估计来取代实际的测量,从而避免了方位测量不准确而产生的额外误差。然后,利用实测数据对宽带阵列通道下的幅相误差估计方法进行了验证,并给出了误差参数的均值和标准差。2.针对阵列幅相误差和阵元位置误差同时存在的误差模型,提出了一种未知辅助源方位的阵列幅相误差和阵元位置误差联合估计算法。传统的有源阵列误差联合估计算法通常在空间设置一个方位已知的远场辅助源对误差参数进行估计,但是在实际工程中,远场信号源的方位往往不便于进行实地测量。

所提算法通过测量待校正阵列的转动角度来取代远场的方位测量,使得工程实现更加方便。3.研究了相干分布式信号源的一维DOA估计算法。由于未知参数包括分布式信号源的中心方位和角度扩展参数,传统算法通常需要进行二维谱搜索或者迭代运算,计算复杂度较高。为了避免高计算复杂度和构造特殊的阵列结构,基于结构简单的均匀线阵,提出了一种求根算法直接估计相干分布式信号源的中心DOA。

所提算法不仅计算量低,估计精度高,而且不需要知道相干分布式信号源的角信号分布函数。4.研究了相干分布式信号源的二维DOA估计算法。首先证明了在具有中心对称特性的平面阵列中,相干分布式信号源的角信号分布权重向量具有对称的结构。利用这一性质,提出了一种相干分布式信号源二维中心DOA估计

算法。

该算法具有优良的估计精度,并且算法性能与角信号分布函数的形式无关,但是需要二维的空间谱搜索,计算复杂度较高。因此又对该算法进行了改进,提出了基于双中心对称阵列的相干分布式信号源二维中心DOA估计算法,证明了两个子阵的广义阵列流形矩阵具有近似的旋转不变关系,改进后的算法用连续的一维搜索取代二维搜索,降低了算法的计算复杂度,同时又具有很高的估计精度。