【摘要】：陣列波達方向估計(Direction Of Arrival,DOA)在無線通信、天文學和雷達等領域上具有廣泛的應用。為了避免測角出現(xiàn)模糊,其陣元間距一般不超過入射信號的半波長。通過設計具有特定陣列構型的非均勻陣列,利用其接收數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計量信息,可構造出一個陣元間距不超過半波長的虛擬均勻陣列,稱作差分合成陣列(Difference CoArray,DCA)。差分合成陣列相對于實際的物理陣列,具有更多的虛擬陣元,從而獲得更高的自由度(Degree Of Freedom,DOF),可同時估計大于物理陣元數(shù)的目標的方向,即可實現(xiàn)欠定(Underdetermined)DOA估計,同時提高角度估計性能。因此,本文針對非均勻陣列的陣型設計問題展開研究,以提高陣列的自由度和降低陣元間的互耦為目標,提出了兩種非均勻線陣和兩種非均勻面陣。相比較于現(xiàn)有陣列,所提陣列具有更好的多目標估計能力和估計性能。具體工作概括如下:1.非均勻線陣設計方面。對現(xiàn)在流行的二級嵌套式線性陣列進行改進,提出了一種改進的嵌套式陣列,在保持原有陣列所有優(yōu)點的前提下,可獲得更大的陣列孔徑和更高的自由度。改進后的嵌套式陣列的差分合成陣列的孔徑更大,且是完全填充的。仿真實驗表明,改進的嵌套式陣列相比于二級嵌套式陣列,具有更多的自由度,可估計更多的信源,具有更好的估計性能。針對存在多個發(fā)射陣元和多個接收陣元的MIMO(Multiple Input and Multiple Output)雷達,以實現(xiàn)盡可能多的自由度并保持差分合成陣列完全填充為目標,提出了一種嵌套式MIMO陣列。對于一個具有K個物理陣元的嵌套式MIMO陣列,通過匹配濾波后形成的和陣列的差分合成陣列(Difference Coarray of the Sum Coarray,DCSC)具有(46)(K~4)的自由度,且其具有完全填充的特性。此外,嵌套式MIMO陣列的陣元位置具有閉式解,適合于大規(guī)模陣列的設計。仿真結果表明,嵌套式MIMO陣列與現(xiàn)有互質MIMO陣列相比,具有更多的自由度,可估計更多的信源,具有更好的估計性能。值得注意的是,該設計方法還具有可擴展性,其收發(fā)陣列可擴展至其他差分合成陣列具有完全填充特性的非均勻線陣,如超嵌套式陣列(Super Nested Array,SNA)和前面提出的改進的嵌套式陣列等等。2.非均勻面陣設計方面。為提高非均勻面陣的自由度,在最小冗余線陣(Minimum Redundancy linear Array,MRA)的基礎上,我們提出了一種最小冗余面陣設計。該陣列的X軸和Y軸方向上投影均為最小冗余線陣,并且所形成的差分合成陣列是完全填充的。與現(xiàn)有性能較好的開盒子陣列(Open Box Array,OBA)相比,我們提出的最小冗余面陣具有更多的自由度,可估計更多的信源,并可獲得更好的估計性能。為降低面陣陣元間的互耦,我們提出一種新的保溫瓶陣列,該陣列以現(xiàn)有陣元互耦較小的沙漏陣列為基礎,通過調整最小陣元間距陣元對的位置,形成一種比沙漏陣列互耦更小的非均勻面陣。由于所提陣列的陣列排布呈現(xiàn)出保溫瓶的形狀,故稱其為保溫瓶陣列。該陣列具有比沙漏陣列更少數(shù)量的最小間距陣元對,對存在互耦的角度估計更具魯棒性。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.23
【圖文】：

2.3.1空間平滑算法空間平滑算法是對相干信號的有效辦法，但這里秩恢復成滿秩，而非一般的解相干。其基本思想是同的子陣，然后對所有子陣的協(xié)方差矩陣進行求和于均勻陣列，所以僅能利用差分合成陣列中完全填填充時，則可利用到所有陣元的信息。為充分利用量z中位于相同位置( )m lv v 處的數(shù)據(jù)求和平均，合成陣列的接收數(shù)據(jù)z 。設差分合成陣列中完全填充部分的維度為M N，其中變量M 和 N 分別表示在 X 軸和 Y 軸上的陣陣列表現(xiàn)為均勻線陣，如圖 2.3(a)所示，否則表現(xiàn)為均勻陣列劃分成( 1)( 1) 4M NK 個維度為1 2 M 2.3 所示。

實曲線表示的是 MUSIC 譜。(a) 二級嵌套式陣列 (b) 改進的嵌套式陣列圖3.5 兩種非均勻線陣的 MUSIC 譜圖通過圖 3.5 可以看到，二階嵌套式陣列在空間頻率 0.3 和 0.5 處沒有峰值，估計失敗，而改進的嵌套式陣列在所有信號的空間頻率處都有存在峰值，估計出了所有信號，具有更好的欠定估計能力。3.2.3.3 DOA估計性能為了比較二級嵌套式陣列和改進的嵌套式陣列這兩種非均勻線陣的 DOA估計性能，這里通過給定不同的輸入信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR），采用蒙特卡羅（Monte Carlo）實驗來計算估計角度的 RMSE。RMSE 公式定義為211 RMSE= ( )Qq qqEQ ，其中 q 為第q個信號方位角q 的估計值。 E ( ) 表示統(tǒng)計期望操作。本次仿真依舊使用如圖 3.4 所示 8 陣元的兩種陣列結構

【參考文獻】

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本文編號：2731288