相干信源波达方向估计算法分析

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1、硕士论文相干信铆波达方向估计算法研究理能够发展成为信号处理技术的一个重要分支，自然有其自身的特点。“空间谱”是阵列信号处理中的一个重要概念，时域频谱表示信号在各个频率上的能量分布，而“空间谱”表示信号在空间各个方向上的能量分布，因而若能获得信号的“空间谱”，就能得到信号的波达方向(DOA)o阵列信号处理的任务就是从观侧数据中提取接收信号的空间信息，以实现对空间信号的检测及分辨。阵列信号处理与一般的信号处理方式不同，因为其阵列为按一定方式布置在空间的不同位置上的传感组，主要利用信号的空域特性来增强信号及有效提取信号的空域信息。因

2、此，阵列信号处理也称为空域信号处理。与传统的单个传感器接收信号的一维信号处理相比传感器阵列信号处理具有灵活的波束控制、较高的信号增益、较强的干扰抑制能力以及很好的空间分辨能力等多种优点。这些优势也是阵列信号处理理论一直不断蓬勃发展的根本动力。.在阵列信号处理中有许多研究热点，如相干信号的方向估计、到达接收阵列的信号源数目的估计、接收通道的不一致以及阵元位置误差对参数估计的影响、色噪声条件的参数估计等。在实际应用中，相干信号的波达方向(DOA)估计是阵列信号处理中相当重要的一类问题。因为若空间存在相干信号，对时域频率谱估计影响不

3、很明显，但是对于空域角度估计等将带来很大的误差，甚至无法估计信号的到达角;在雷达系统中，经常遇到的问题是己知发射波的频率和其它参数，确定目标的回波方向。进而确定目标方向，当存在多个目标时，目标回波是相干信号:在无线通讯系统中为了扩大信道容量，合理分配功率资源，需要确定基站和用户之间的主要传播路径的方向，而主要路径和其它路径传输的信号之间是相干的。如何利用阵列信号处理的方法来解决相千信号的DOA估计问题，是近年来比较热门的问题之一，也是雷达、声纳、通信等领域基本任务之一。1.2.2空间谱估计的发展与现状阵列信号处理最主要的两个研

4、究方向是自适应空域滤波(自适应阵列处理)和空间谱估计。空间谱估计技术是近30年来发展起来的一门新兴的空间信号处理技术，也可以说它是在波束形成技术，零点技术和时域谱估计技术的基础上发展起来的一种新技术，其主要目标是研究提高在处理带宽内空间信号(包括独立、部分相关和相千)角度的估计精度、角度分辨力和提高运算速度的各种算法。对空间信号到达角的估计最早的方法是采用机械波束扫描，这种方法在速度上和精度上都满足不了实际的藉要。而波束形成技术的研究，在这些方面有了突破性的进展。但是，空间信号很可能存在多源(在处理带宽内)信号，波束形成所给出

5、的角度误差将会增大，甚至将非所需的干扰信号误认为所需信号的到达角。因此，存在多源信号时，对所需信号到达角的估计就成为迫切的课题。以抑制干扰信号为目的的零点技术为解决多源信号到达角硕士论文相千信源波达方向估计算法研究的估计奠定了理论基础。它对在此条件下的角度估计精度提高了许多，提高的程度与阵列波束宽度和干扰入射角有关。若干扰信号与所需信号的入射角之差小于波束宽度时，虽然可以使干扰信号处于零点位置，但主瓣指向己偏离了所需信号到达角的方向，引起角度估计误差增大，这就是常说的瑞利限(Rayleighlimitation)"，而天线的波

6、束宽度与阵列的线长度有关。要区分开靠得比较近的所需信号与干扰，势必要加大天线的机械尺寸(孔径)。为了实现在天线尺寸较小的条件下，区分披束宽度内的两个信号，这就需要寻求超分辨算法。为了突破这个限制，早在60年代，在时域谱分析中采用非线性谱估计方法实现了频率的超分辨，如由Capon(1969)提出的最小方差算法(MVM),Burg(1969)提出的最大摘算法(MEM).Pisarenko(1973)提出的谐波分析法。R.0.Schmit(1986)提出的MUSIC算法"1标志着阵列信号处理进入一个新的时代，该算法突破了由阵列孔径确

7、定.的瑞利限的限制。之后，R.Roy等人(1989)提出了ESPRIT算法133，该方法利用信号子空间的旋转不变性来估计信号参数，避免了MUSIC算法因需要进行一维搜索而带来的大量计算。随后又有多种新的算法，如最小范数法、投影矩阵法和矩阵分解法等。1.2.3相千信号源DOA估计的发展与现状相干信号源的存在，造成信号子空间的向量散发到噪声子空间去，导致DOA估计错误。解决的思路是围绕着如何补偿由于相干引起的秩亏缺。为了解决相干信源的DOA估计问题，人们提出了很多算法，这些算法大致可分为两类:一类以牺牲有效阵元数来换取信号的不相干

8、性，即先对阵列信号进行去相干的预处理，而后应用以上各种算法以获取精确的到达角，如平滑技术、前后向预测投影矩阵法、数据矩阵分解法。另一类是不损失阵元数，而利用移动阵列的方法或采用频率平滑法处理相干信号。历史上最早提出空间平滑概念的是J.E.Evanst'011)，接着T.J.S