基于稀疏面阵的低复杂度三维信源定位算法

针对3维信源定位中阵列结构过于复杂、算法复杂度过高、谱峰搜索范围过大的问题,该文提出一种基于互素线阵互素平移的稀疏面阵(CLACS-SPA)的3维降秩MUSIC算法(RARE-MUSIC).所提CLACS-SPA拥有中心对称的互素稀疏面阵结构,相较于同口径均匀面阵结构减少了大量的阵元,降低了阵列的结构复杂度;以CLACS-SPA为基础的3维RARE-MUSIC算法利用泰勒公式将接收信号中的方向信息与距离信息进行分离估计,从而将3维谱峰搜索转化为方位角俯仰角的2维搜索和距离项的1维搜索,降低了定位算法的计算复杂度.仿真分析表明:在口径与定位算法相同条件下,与均匀面阵结构相比,所提结构的计算复杂度降低了1～2个数量级;在相同口径与CLACS-SPA结构下,与经典3维MUSIC算法相比,所提算法的复杂度降低了2～3个数量级;在相同口径和阵元数量条件下,与经典3维MUSIC算法相比,所提算法不仅降低了计算复杂度,而且提升了方位角与俯仰角的测量精度.     

基于双向传播算子的互质面阵二维波达方向估计

针对谱峰搜索的二维波达方向估计中现有算法复杂度高,精度受搜索间隔影响较大的问题,给出了一种双向传播算子的互质面阵二维波达方向估计算法,实现了俯仰角和方位角的低复杂、高精度、无模糊联合估计.该方法首先将互质阵列引入到二维波达方向估计中,构造互质平面阵模型,然后采用两次旋转不变传播算子方法计算出不同阵列流型方向上的旋转因子矩阵,根据旋转因子矩阵解算出目标信号的俯仰角和方位角,同时利用互质理论消除了稀疏阵列角度估计的不确定性,证明了互质阵列模型下采用双向传播算子方法进行俯仰角和方位角估计的无模糊性.对算法的复杂度进行理论分析,并给出了平面阵列角度估计的克拉美罗界推导.理论分析与仿真结果表明,算法不需要进行角度匹配和谱峰搜索,在相同条件下的均方根误差性能优于均匀平面阵的多重信号分类算法,并且以较低的复杂度无模糊的达到了高维网格搜索的精度.     

稀疏表示框架下无需参数配对的二维到达角估计

现有二维到达角估计算法大多基于子空间理论及需要参数配对,针对这一问题,在稀疏表示理论框架下提出了一种参数自动配对的二维到达角估计新算法。该算法在L阵列下构建阵列互相关矩阵的稀疏表示模型,利用奇异值分解降低复杂度并基于群LASSO(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)获得方位角估计。在方位角估计的基础上,基于向量化操作构建稀疏空间谱匹配模型,然后利用LASSO 获得俯仰角估计。与参数配对ESPRIT 和改进的传播算子方法相比,所提算法不仅无需参数配对过程,而且可以提供改进的估计精度。计算机仿真结果验证了所提算法的有效性。     

一种自动匹配的分布式非圆信号二维DOA快速估计方法

在相干分布式非圆信号2维波达方向(DOA)估计中,针对利用非圆特性后维数扩展带来的较大复杂度问题,且现有的低复杂度算法均需要额外的参数匹配,该文提出一种基于互相关传播算子的自动匹配2维DOA快速估计算法。该算法考虑L型阵列,在建立相干分布式非圆信号扩展阵列模型的基础上,首先证明了L阵中两个子阵的广义方向矢量(GSV)均具有近似旋转不变特性,然后通过阵列输出信号的互相关运算消除了额外噪声,最终利用子阵GSV的近似旋转不变关系通过传播算子方法得到中心方位角与俯仰角估计。理论分析和仿真实验表明,所提算法无须谱峰搜索和协方差矩阵特征分解运算,具有较低的计算复杂度,并且能够实现2维DOA估计的自动匹配;同时,相比于现有的相干分布式非圆信号传播算子算法,所提算法以较小的复杂度代价获得了性能的较大提升。     

一种可自动配对的二维波达方向估计算法

针对非相关远场窄带信号,提出了一种基于L阵模型的低复杂度高分辨二维波达方向估计算法。该方法通过利用互相关矩阵以及L阵的几何结构,消除了附加噪声的影响,且对于方位角和俯仰角的求取仅仅需要一维估计,同时该算法只需对一个低维矩阵进行特征值分解,减少了运算负担,该算法利用特征值求取俯仰角,利用相应的特征向量构造出的虚拟阵列响应矩阵求取与俯仰角配对的方位角。仿真进一步证明了算法的有效性,通过仿真还可以看出,该文所提方法在低信噪比、小快拍数和较小角度间距的情况下都具有良好的性能。     

基于虚拟阵列的二维稀疏阵列相干源DOA估计

波达方向DOA估计是雷达阵列信号处理的一个重要方向,传统的MUSIC算法对均匀阵列条件下独立信号源的估计有很强的适应性,但实际的雷达工作中,稀疏布阵下多相干源测角是一个经常出现的应用场景。文中针对二维稀疏阵列的相干源测角,提出了一种基于虚拟阵列的相干源DOA估计方法。该方法利用虚拟阵列内插的方法,将一个任意二维稀疏阵列内插为一个均匀面阵,再通过二维空间平滑方法对相干源进行测角,能够同时获得信号的方位角和俯仰角信息。稀疏面阵和稀疏圆阵的仿真实验结果表明,该方法可以有效的解决二维稀疏阵列的相干源测角问题。     

一种互耦条件下多径信号的2D DOA估计方法

在均匀圆阵的阵列结构下,提出了一种互耦条件下相干多径信号的2D DOA估计方法,该方法基于RARE降秩理论,首先对多径相干源进行去相干处理,并对与俯仰角相关的互耦矩阵进行补偿,然后将圆阵导向矢量转换成新的波束空间阵列流型,同时将俯仰角与方位角变量构造到两个独立的函数中去,实现在互耦未知的情况下用求根的方法估计出方位角,再根据俯仰角向量函数与噪声零空间的关系通过1D参数搜索得到俯仰角的估计,最后再与方位角配对,得到2DDOA估计结果.整个估计过程仅需要1D参数搜索,不需要预先知道空间信源个数及相关性,俯仰角与方位角能正确配对,克服了RARE算法中2D DOA伪估计问题,没有孔径损失,计算量较RARE算法增加不大.仿真结果验证所提方法的有效性.     

基于稀疏对称阵列的混合信源定位

针对混合信源定位中存在阵列孔径损失的问题,基于稀疏对称阵列提出了一种新的混合信源定位方法。首先,通过不同子阵的接收数据构造一个仅与信源角度有关的特殊四阶累积量矩阵,进而利用MUSIC算法估计出所有信源方位角,然后在每个估计角度上进行距离维的搜索,从而得到近场信源的距离估计。该方法避免了二维搜索,且参数自动配对。同时,稀疏对称阵列的有效使用扩展了阵列孔径,提高了参数估计精度。实验仿真结果表明该算法的有效性。     

基于NC-MUSIC算法的均匀圆阵DOA估计及性能分析

近年来基于非圆信号的DOA估计算法由于其优良的估计性能,受到越来越多的关注。在接收阵列为均匀圆阵的情况下,对入射信号进行方位角和俯仰角的联合估计。依据非圆信号的DOA估计数学模型及阵列模型,采用NC-MUSIC算法完成对均匀圆阵方位角和俯仰角的联合估计。通过计算机仿真,得出该算法对均匀圆阵方位角和俯仰角的估计是比较准确的,并且通过NC-MUSIC与MUSIC算法仿真性能的分析比较,得出在接收阵列为均匀圆阵的情况下,NC-MUSIC算法也优于MUSIC。     

基于互素对称阵的近场源定位

针对近场源定位中存在的孔径损失问题,该文提出了一种新的近场源定位算法。该算法采用互素对称阵列,使得阵元间距不必限制于1/4信号波长。首先构造一个特殊的四阶累积量矩阵,进而采用MUSIC算法估计信源方位角,然后在每个估计方向上搜索距离。该算法将近场源2维定位问题转化为多次1维搜索,且参数自动配对。互素对称阵的使用有效地扩展了阵列孔径,提高了空间分辨概率和参数估计性能。计算机仿真验证了该算法的有效性。     

时空欠采样宽频段信号频率和二维角估计方法

本文提出了一种时空欠采样宽频段(2~18GHz)信号频率、方位角和仰角三维参数估计方法.该方法采用均匀圆阵和阵元延时,可在时间欠采样条件下实现频率无模糊估计;在空间欠采样条件下,用整数搜索法实现方位角和仰角无模糊估计,且频率、方位角和仰角估计可自动配对.该方法不仅可用于二阶统计量阵元空间和DFT波束空间,而且还可用于四阶累积量,可在高斯白或色噪声背景下,估计非高斯信源的参数.在DFT波束空间、阵元数相同和最大孔径相当时,该方法方位角和仰角估计的方差比L阵方法的方差小1~2个数量级.仿真实验表明了算法的有效性.     

基于宽带均匀同心球阵列的低复杂度二维波达方向估计算法

该文提出一种基于宽带均匀同心球阵列(UCSA)的2维波达方向(2D-DOA)低复杂度估计算法。该方法将宽带UCSA输出信号转换为相位模式,并对其进行频率补偿,实现近似频率不变(FI)特性,从而降低宽带信号处理的计算复杂度。为了进一步降低2D-DOA估计的计算复杂度,该文提出基于FI-UCSA的降维多重信号分类(MUSIC)算法。该方法将相位模式导向向量分解为方位角和仰角相关的两个矩阵,从而把2维搜索问题简化为1维(1D)搜索,实现降维优化并降低计算复杂度。仿真结果表明,该算法计算复杂度相较于2维MUSIC算法得到了极大的降低,并且在估计精度和分辨率上均稍有改善。     

采用降秩多级维纳滤波器的二维DOA估计快速算法

针对双平行线阵的二维波达方向(DOA)估计问题,为有效降低计算复杂度,提出了一种基于降秩多级维纳滤波器(MSWF)的快速算法。首先利用MSWF的前向递推实现信号子空间的快速估计,无需估计协方差矩阵和特征分解;然后,通过MUSIC算法对方位角和俯仰角的估计进行分维估计,使二维DOA估计退化为两个一维DOA估计问题,且方位角和俯仰角自动配对,进一步降低了运算量。仿真结果表明,该方法的估计精度优于同样基于双平行线阵提出的波达方向矩阵法(DOAM),俯仰角兼并时同样适用,计算复杂度低,适用于实时性要求高的应用背景。     

Reconfigurable leaky-mode/multifunction patch antenna structure

A reconfigurable aperture where different types of antennas and arrays with multiband coverage and multiple functions share a common planar physical aperture is proposed. Using either conventional or MEMS switches, a microstrip-based leaky-mode antenna array can easily be reconfigured to patch antennas operating at multiple frequency bands as well as monopulse radars for both azimuth and elevation tracking. The feasibility of the concept has been demonstrated by prototype design and measurement of a single-channel X-band leaky-wave/S- and C-band patch antenna structure     

一种基于余弦特性的快速DOA估计算法

为了满足实时测向处理系统的要求,需要降低测向算法的运算量。在众多测向算法中,其中基于圆阵的MUSIC类算法因为其测向频段宽,可估计二维波达方向,性能稳健,测向精度高,并且在各个方向上具有相同的测向性能而广泛应用于实际系统中。本文主要针对均匀圆阵的阵列流形,分析了均匀圆阵导向矢量的特点,提出了一种基于余弦特性的快速DOA估计算法。该算法利用余弦信号周期特性来构造统计量,通过数学推倒可以证明该统计量只与俯仰角有关,与方位角无关。通过这种分维处理的思想从而可以先估计出俯仰角,再通过所得俯仰角的空间谱切片把二维搜索转化为一维搜索,这样处理大大降低了算法运算量,提高了算法估计速度,特别适合阵元数目较多的应用场合。同时考虑到实际应用中在同一个窄带信道中干扰信号和期望信号同时存在,并且互相影响,特别是强信号对弱信号的影响。本文利用数字滤波器提取期望信号估计,减少了干扰信号对期望信号的影响,提高了估计精度。通过计算机仿真验证了该算法的有效性。      

Eigenstructure techniques for 2-D angle estimation with uniformcircular arrays

The problem of 2D angle estimation (azimuth and elevation) of multiple plane waves incident on a uniform circular array (UCA) of antennas is considered. Two eigenstructure-based estimation algorithms that operate in beamspace and employ phase mode excitation-based beamformers have been developed. The first, UCA-RB-MUSIC, is a beamspace version of MUSIC that offers numerous advantages over element space operation, including reduced computation, as subspace estimates are obtained via real-valued eigendecompositions, enhanced performance in correlated source scenarios due to the attendant forward-backward averaging effect, and the applicability of Root-MUSIC. The second, UCA-ESPRIT, represents a significant advance in the area of 2D angle estimation. It is a novel closed-form algorithm that provides automatically paired source azimuth and elevation estimates. With UCA-ESPRIT, the eigenvalues of a matrix have the form μ_i=sin &thetas;_ie^{jφ(i/), where &thetas;}sub i/ and φ_i are the elevation and azimuth angles, respectively. Expensive search procedures being thus avoided, UCA-ESPRIT is superior to existing 2D angle estimation algorithms with respect to computational complexity. Finally, asymptotic expressions for the variances of the element space MUSIC and UCA-RB-MUSIC estimators for the 2D scenario have been derived. Results of simulations that compare UCA-RB-MUSIC and UCA-ESPRIT and also validate the theoretical performance expressions are presented     

一种改进MUSIC算法的FPGA实现

MUSIC[1]算法具有很高的分辨力、估计精度及稳定性,但是由于需要对采样协方差矩阵进行特征分解,运算量巨大,难以利用FPGA实时实现。通过对等距线阵特点及MUSIC算法的研究,发现可以利用局部协方差矩阵构造信号子空间,进一步得到噪声子空间进行谱峰搜索,从而大大降低了算法的复杂度,计算机仿真验证了该算法的有效性。利用FPGA对该算法进行了硬件实现,测试的估计精度和实时性良好,对工程应用具有重要的指导意义。     

稀疏阵时分多相位中心孔径综合及其应用

为了降低机载三维成像雷达系统的复杂度,该文研究了基于稀疏阵三维成像雷达系统中的重要问题。提出了稀疏阵时分多相位中心孔径综合方法,通过运动补偿,该方法使综合后的相位中心数量和分布情况和满阵天线的相同,从而避免了稀疏阵旁瓣较高的问题;利用模拟退火算法对阵列进行了优化,以使实际使用的阵元最少;由于交轨阵列尺寸远小于场景宽度,系统采用了子孔径三维成像算法。实例分析和仿真结果表明了该方法的有效性。