均匀圆阵的测向模糊研究

在高分辨阵列测向系统中,均匀圆阵(UCA)是一种广泛使用的阵列结构。利用均匀圆阵的阵列流形的微分几何作为分析工具,对实际中常用的几种均匀圆阵的测向模糊进行了大量的计算机仿真试验,定量地给出了这些阵列的测向模糊方向和相应的秩,揭示了均匀圆阵的测向模糊性能与其阵元数和孔径之间的关系,得出了一些有实际意义的结论。这对工程应用时均匀圆阵的选择和构造具有很强的参考价值和指导意义,可以避免系统设计的盲目性和随意性。     

基于非圆信号的二维测向算法

提出了一种基于窄带非圆信号的二维测向算法,利用非圆信号的椭圆协方差矩阵非零特性将阵列有效阵元数和孔径同时扩展,提高多信号检测的能力。进一步通过利用L阵的几何性质和两子阵间的互相关来滤除噪声,提高角度估计精度,并采用快速算法获得信号方位角和俯仰角。最后计算机仿真结果验证了该方法由于利用非圆信号特性比传统测向算法的估计性能更高。     

具有高测向精度的最优麦克风对称阵设计研究

麦克风平面阵列布局方式的不同会导致其测向性能的不同,而现有的阵列设计方法并不能使麦克风面阵的测向性能达到最优且其计算复杂度高。针对该问题,本文提出了基于克拉美罗界（Cramer Rao Bound）的最优麦克风对称阵设计方法。该方法给出了设计最优麦克风对称阵的约束条件,该约束条件能够使各阵元之间的相对位置满足特定的关系,从而提高阵列测向精度,同时也能降低阵列设计复杂度。本文利用该方法设计出了最优麦克风对称阵,并对其测向性能进行了理论分析和仿真验证。结果表明,与常见布局阵列相比,按照本文方法设计出的最优麦克风对称阵的测向性能最优。      

阵元切换时间对单通道阵列测向性能的影响

单通道阵列采用单个通道贯续接入各阵元进行采样,与常规阵列相比,单通道阵列减少了硬件成本以及通道幅相特性不一致问题对估计性能的影响,但现有研究均未考虑单通道阵列的阵元切换时间对系统性能的影响。为填补这一空白,首先参照常规阵列,明确了单通道阵列中窄带信号的带宽限制及其与单通道阵列阵元切换时间的关系;再以单通道阵列MUSIC算法为例,同时考虑信号带宽与单通道阵列阵元切换时间对单通道阵列协方差阵特性的影响,从理论上推导了单通道阵列MUSIC算法关于扩展相对带宽的一阶估计误差。最后对单通道阵列MUSIC算法与单通道阵列空间FFT算法在不同阵元切换时间下进行仿真,对两种算法测向误差与阵元切换时间的关系进行分析,验证了理论推导结果的正确性。      

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。      

奇偶阵元数均匀圆阵测向性能研究

均匀圆阵比起其他形状的阵列,更符合电子侦察测向接收机的应用需求。文中采用将均匀圆阵投影为随入射角变化的非均匀线阵的方式,分析了奇偶阵元数均匀圆阵中的波程差特点,给出了对应的半径选取公式,并提出采用信号矢量相关系数表示测向误差变化趋势的方法。分析了两种不同阵列中各向等效性、测向精度、相位模糊与对阵元位置误差敏感度等特点,通过仿真验证了推论与公式的有效性。在工程应用方面,文中结论对均匀圆阵布阵具有较高的参考价值。     

基于阿基米德天线的两种圆阵的比较

研究了基于阿基米德螺旋天线的有向阵元构成的两种圆形阵列（8单元圆阵和1＋7型圆阵）的性能比较。首先介绍了N元圆形阵列的方向图特性并推导了方向图函数,在此基础上分析了基于有向阵元的阵列方向图特性;接着讨论了阿基米德螺旋天线在不同频率下的方向性,给出了单个阵元的方向图的仿真结果;最后给出了有向阵元构成的两种圆阵的方向图以及MUSIC算法测向的仿真结果,对比分析了两种圆阵的性能,发现1＋7型圆阵要优于8单元圆阵。     

内插阵列变换扩展传播算子算法

扩展传播算子(EPM)算法是首先对数据进行扩展,再利用传播算子(PM)方法进行测向的一种算法,该算法充分利用了非圆信号的特点,分辨力和估计精度优于未充分利用非圆信号信息的经典高分辨算法。但是在实际信号测向中,由于阵元位置误差的存在,算法的估计性能会受到一定的影响。因此提出一种基于内插阵列变换的扩展传播算子(VIA-EPM)算法,该算法利用真实阵列流型与虚拟阵列流型之间的变换矩阵,将真实协方差矩阵变换为虚拟协方差矩阵,再对虚拟协方差矩阵进行分块并得出扩展传播算子,进而得出算法的空间谱函数。仿真实验表明:在存在阵元位置误差的情况下,新算法通过对阵元位置校准数据进行内插阵列变换(VIA),取得与阵元位置校准的EPM算法相当的估计性能,保持了阵列扩展能力以及高估计精度,在低信噪比情况下,基于扩展协方差矩阵的VIA-EPM算法的分辨力以及估计精度均要优于基于扩展数据矩阵的VIA-EPM算法。     

线阵阵元位置误差造成的测向误差估算

阵元位置误差导致阵列流形改变,形成误差流形,子空间算法搜索既定理想流形,从而产生测向误差(准确性和分辨力降低).将线阵的误差流形与理想流形看作CN中的曲线,以微分几何为工具,分析了子空间与二者之间的相互关系,给出了测向误差的估算方法.仿真结果说明这种估算方法在一定条件下可行.     

平移嵌套阵列稀疏贝叶斯学习角度估计算法

针对阵元间互耦效应导致嵌套阵列测向性能下降的问题,该文提出两种不同的平移嵌套阵列结构,在保证产生虚拟阵列无孔的条件下,通过对原二级嵌套阵列阵元位置进行调整,形成平移嵌套阵列,提高了原二级嵌套阵列的稀疏性,降低了阵元间的互耦效应,扩展了原嵌套阵列的测向自由度。在空间辐射源数目未知条件下,建立了平移嵌套阵列稀疏贝叶斯学习(SBL)算法模型,对形成的虚拟阵列接收数据进行处理,获得角度估计,有效提高了原嵌套阵列测向算法的测向性能。仿真实验表明,平移嵌套阵列自由度高于原嵌套阵列,在低信噪比、小快拍数、存在互耦影响条件下,基于稀疏贝叶斯学习的平移嵌套阵列测向算法测向精度优于原嵌套阵列测向算法,并且提高了原嵌套阵列测向算法的角度分辨率。     

基于宽频带多基线阵列解模糊的波达角估计算法

针对宽频带电子信号侦测系统测向精度与解相位模糊能力这一矛盾问题,根据多基线测向原理,提出一种基于宽频带多基线阵列解模糊的波达角估计算法,并进行了仿真分析。结果表明,该方法可有效求解宽频带多基线阵列相位模糊,提高对目标在相位差测量精度不高情况下的测向精度。     

基于微分几何的平面天线阵列测向精度研究

利用阵列流形的微分几何作为分析工具,构造了实际使用中常见的平面天线阵的几何结构,并对这些阵列结构的测向精度进行了研究和全面仿真。通过比较各种天线阵几何结构的优劣,可以从中选择一种合适的、最优的阵列结构,避免设计的盲目性和随意性。这为超分辨阵列结构的选择和设计提供了一条有效的途径,在实际应用中将具有十分重要的参考价值。     

矢量传感器阵列MIMO雷达高精度二维DOA与极化联合估计

该文采用矢量传感器配置下的十字型阵列MIMO雷达系统,提出一种新的2维高精度DOA与极化参数联合估计算法。首先根据MIMO雷达虚拟阵列导向矢量的特点,通过降维矩阵的设计及回波数据的降维变换,将高维回波数据转换至低维信号空间;然后基于传播算子获得对应信号子空间的估计,利用收、发阵列阵元间长基线对应的旋转不变性和极化矢量中电场矢量和磁场矢量的叉积进行2维高精度DOA估计和解模糊处理,同时利用与阵列结构无关的极化域旋转不变性进行极化辅角和极化相位差的联合估计。该矢量传感器MIMO雷达阵列可同时获取MIMO雷达的波形分集和矢量传感器的极化分集,无需额外增加阵元和硬件开销,能够有效扩展阵列孔径,提高参数估计性能;同时通过降维变换及传播算子,在获取信噪比增益的同时,能够实现2维高精度DOA和2维极化矢量的联合估计及参数的自动配对,有效降低数据处理维数和参数估计的运算复杂度;最后,仿真结果验证了理论分析的正确性和算法的有效性。     

Optimum Ambiguity-Free Directional and Omnidirectional Planar Antenna Arrays for DOA Estimation

This paper studies the antenna array geometry impact on both direction of arrival (DOA) estimation accuracy and array rank ambiguity. Some restrictions are imposed on the array geometry that guarantee first-order ambiguity-free arrays and, at the same time, reduce the cost of a global systematic optimization. The subsequently derived Cramer-Rao bound (CRB) on the DOA estimates shows to be attractive for numerical evaluation. Depending on whether the DOA estimation accuracy is desired to be uniform in all possible directions or is to be enhanced in a given aperture around some privileged direction, two optimization problems are formulated and solved by exhaustive search to compute the optimal array geometries. The obtained optimal arrays significantly outperform their circular counterparts and tend to have a form close to the V shape. We study in details V-shaped arrays and derive asymptotic performance measures that apply for large sized arrays where exhaustive search is unaffordable.     

双基地分布式阵列MIMO雷达的DOA和DOD估计方法

结合分布式阵列和双基地多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷达的特点, 提出了一种新的双基地分布式阵列MIMO雷达的接收角(Direction of Arrival, DOA)和发射角(Direction of Departure, DOD)估计方法.根据发射阵列和接收阵列的空域旋转不变特性, 利用旋转不变估计技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)获取无模糊DOA粗估计和高精度周期性模糊的DOA、DOD精估计; 再利用无模糊DOA粗估计、目标的双基地距离信息以及双基地MIMO雷达的几何特点, 解除DOA、DOD精估计的周期性模糊, 得到高精度且无模糊的DOA和DOD估计.最后, 根据ESPRIT算法原理和估计误差的概率统计特性进行算法的性能分析, 给出算法基线模糊门限的近似计算方法.该算法有效地放宽了发射阵列孔径扩展程度的限制, 从而提高了阵列在大孔径下的角度估计精度, 且能够实现DOA和DOD估计的自动配对.仿真结果验证了所提算法和性能分析方法的有效性.     

Direction finding in partly calibrated sensor arrays composed of multiple subarrays

We consider the direction-finding problem in partly calibrated arrays composed of several calibrated and identically oriented (but possibly nonidentical) subarrays that are displaced by unknown (and possibly time-varying) vector translations. A new search-free eigenstructure-based direction-finding approach is proposed for such class of sensor arrays. It is referred to as the rank-reduction (RARE) estimator and enjoys simple implementation that entails computing the eigendecomposition of the sample array covariance matrix and polynomial rooting. Closed-form expressions for the deterministic Cramer-Rao bounds (CRBs) on direction-of-arrival (DOA) estimation for the considered class of sensor arrays are derived. Comparison of these expressions with simulation results show that the finite-sample performance of RARE algorithms in both time-invariant and time-varying array cases is close to the corresponding bounds. Moreover, comparisons of the derived CRBs with the well-known bounds for the fully calibrated time-invariant array case help to discover several interesting properties of DOA estimation in partly calibrated and time-varying arrays.     

共形阵列天线MUSIC算法性能分析

该文在建立了三维共形天线阵列流形的数学模型基础上,将经典高分辨波达方向(DOA)估计方法多重信号分类(MUSIC)算法移植到共形阵列天线中;详细分析推导了MUSIC算法在共形阵列天线 (锥面阵列、柱面阵列、球面阵列)中的估计方差、克拉美-罗界(CRB);通过计算机仿真试验对比MUSIC算法在面阵(均匀线阵、均匀圆阵)与共形阵列中的性能函数以及估计方差,给出了MUSIC 算法在不同阵列形式中DOA估计性能的评估与比较,仿真结果显示MUSIC算法在不同阵列形式中的估计性能均随阵元个数以及信噪比的增加而变好,验证了理论分析的正确性。     

适用于任意几何结构平面阵列的无网格DOA估计算法

由于在网格失配情况下依然具备良好的估计性能,无网格DOA估计算法近年来受到了广泛的关注与研究,其中又以基于原子范数最小化(ANM)的DOA估计算法最具代表性.随着可分离ANM(DANM)算法的提出,为ANM理论在2维DOA估计领域中的应用提供了可能.不过传统的DANM算法以及其后续的一系列改进算法都只适用于均匀矩形阵列...     

一种适用于MIMO雷达的低复杂度二维DOA估计方法

 本文提出了一种适用于收、发共阵多发多收(MIMO)雷达的低复杂度二维波达方向(DOA)估计方法.该方法将MIMO雷达的虚拟二维阵列分解为多个构形相同但位置不同的虚拟子阵,通过一种基于预投影的ESPRIT算法得到同一目标二维DOA的多组估计值,极大地降低了运算量.并利用Kalman滤波器对这多组二维DOA估计值进行融合,提高了估计值的精度.同时,利用收、发对偶性对样本数据进行了重排,等效地将样本数加倍,进一步提高了二维DOA估计精度.数值仿真的结果证明了该方法的有效性.     

基于矢量传感器MIMO雷达的DOD DOA和极化联合估计算法

该文研究了一种基于多输入多输出(MIMO)电磁矢量传感器阵列雷达目标波离角(DOD),波达角(DOA)和极化联合估计问题。提出一种新型矢量阵MIMO雷达系统模型,发射阵列采用常规阵元,而接收阵列采用电磁矢量传感器。在此基础上,该文提出4维MUSIC, ESPRIT和迭代1维MUSIC 3种联合参数估计算法。其中迭代1维MUSIC算法首先利用矢量传感器的内在结构特点获得目标DOA预估计,随后采用MUSIC算法对DOD和DOA分别进行1维搜索获得目标角度的高精度估计,最后给出一种基于ESPRIT的目标极化估计算法。迭代1维MUSIC算法可用于不规则阵列,对接收阵列约束较少,无需2维搜索及多维搜索,还可以利用矢量阵特点扩展阵列孔径提高DOA估计精度。此外,论文还推导了DOD, DOA和极化联合估计的CRB。仿真实验表明,与前两种算法相比,迭代1维MUSIC算法具有与CRB更接近的估计精度。