基于時(shí)頻空綜合信息的陣列信號(hào)處理技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間：2020-04-24 23:55

【摘要】：陣列信號(hào)處理技術(shù)能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境中測(cè)得目標(biāo)波達(dá)方向(Direction of Arrival,DOA)并提取出期望信號(hào),具有超分辨、高增益、同時(shí)多目標(biāo)等諸多優(yōu)勢(shì)。但實(shí)際應(yīng)用中,陣元位置誤差、幅相誤差、少快拍等各種非理想因素會(huì)嚴(yán)重影響DOA估計(jì)精度和空域?yàn)V波效果,且僅利用空域信息的改進(jìn)方法已很難再有明顯的性能提升。為此,本文引入時(shí)頻分析技術(shù),針對(duì)陣元位置誤差下的寬帶自校正和DOA估計(jì)、隨機(jī)誤差下的窄帶自適應(yīng)波束形成、角度誤差和陣元位置誤差下的寬帶自適應(yīng)波束形成以及低復(fù)雜度寬帶波束形成等難點(diǎn)問(wèn)題,研究基于時(shí)頻空綜合信息的陣列信號(hào)處理技術(shù),改善非理想條件下DOA估計(jì)和波束形成的輸出性能。論文的主要工作如下:1、針對(duì)傳統(tǒng)陣元位置誤差自校正算法對(duì)寬帶信號(hào)適用性差、計(jì)算復(fù)雜度高,且隨著誤差增大輸出性能急劇下降的問(wèn)題,提出一種基于短時(shí)傅里葉變換的寬帶陣元位置誤差自校正和DOA估計(jì)算法。該算法通過(guò)將接收信號(hào)變換到時(shí)頻域來(lái)增加目標(biāo)間的可分性,再利用空域特性對(duì)時(shí)頻點(diǎn)進(jìn)行分類,并提取出源信號(hào)的單源點(diǎn)集合。然后根據(jù)單源點(diǎn)求得信號(hào)在不同陣元間的傳播時(shí)延。由于時(shí)延和陣元位置滿足線性關(guān)系,最終可通過(guò)一種無(wú)需近似的兩步交替迭代方法求解出真實(shí)陣元位置和目標(biāo)DOA,避免了高維遍歷和全局優(yōu)化搜索,具有更快的收斂速度。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法在大誤差條件下依然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的自校正和DOA估計(jì),且計(jì)算復(fù)雜度更低。2、針對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)健窄帶自適應(yīng)波束形成算法隨著信噪比升高性能損失增大,而現(xiàn)有協(xié)方差矩陣重構(gòu)類方法對(duì)隨機(jī)誤差穩(wěn)健性較差的問(wèn)題,提出一種基于雙線性時(shí)頻變換的窄帶自適應(yīng)波束形成算法。該算法首先通過(guò)分辨率更高的雙線性時(shí)頻變換獲取窄帶信號(hào)的時(shí)頻信息。然后,分別利用期望信號(hào)和干擾信號(hào)單源自項(xiàng)點(diǎn)上的空時(shí)頻分布矩陣來(lái)估計(jì)導(dǎo)向矢量和重構(gòu)干擾加噪聲協(xié)方差矩陣。最后,根據(jù)最小方差無(wú)失真準(zhǔn)則求得加權(quán)系數(shù)。在此過(guò)程中無(wú)需使用先驗(yàn)陣列流型信息,因此陣列誤差不會(huì)導(dǎo)致輸出性能下降。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)誤差下的穩(wěn)健波束形成,且輸出信干噪比接近最優(yōu)值。3、針對(duì)現(xiàn)有穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成算法在角度誤差、陣元位置誤差以及少快拍條件下性能較差的問(wèn)題,提出一種基于雙線性時(shí)頻變換的寬帶自適應(yīng)波束形成算法。首先,該算法利用目標(biāo)時(shí)頻空特性實(shí)現(xiàn)了角度誤差和陣元位置誤差下的時(shí)延估計(jì),并根據(jù)估計(jì)結(jié)果求得期望信號(hào)導(dǎo)向矢量。然后,利用Capon譜求解干擾信號(hào)在不同頻率分量上的協(xié)方差矩陣,并對(duì)其求和重構(gòu)出寬帶干擾加噪聲協(xié)方差矩陣。最后,將求得的期望信號(hào)導(dǎo)向矢量和干擾加噪聲協(xié)方差矩陣代入無(wú)需預(yù)延遲補(bǔ)償?shù)膶拵Рㄊ纬善髦袑?shí)現(xiàn)空域?yàn)V波。此外,還給出了一種基于短時(shí)傅里葉變換的穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成算法,它可直接利用信號(hào)的時(shí)頻變換來(lái)構(gòu)造干擾加噪聲協(xié)方差矩陣,同樣也可準(zhǔn)確地估計(jì)出期望信號(hào)導(dǎo)向矢量。仿真實(shí)驗(yàn)表明所提的兩種算法均可在少快拍條件下獲得接近最優(yōu)值的輸出信干噪比,且對(duì)角度誤差和陣元位置誤差均具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性。4、針對(duì)寬帶波束形成器中抽延遲線和陣元延遲線導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大的問(wèn)題,提出一種無(wú)需延遲線的低復(fù)雜度寬帶波束形成器。首先,它將一個(gè)寬帶陣列信號(hào)拆分為多個(gè)來(lái)向相鄰且具有相同等效頻率的窄帶陣列信號(hào)。然后,通過(guò)預(yù)延遲補(bǔ)償將期望信號(hào)變換到0~o方向,使得期望信號(hào)在不同頻率上的導(dǎo)向矢量相同。最后,利用窄帶波束形成器實(shí)現(xiàn)了寬帶信號(hào)的空域?yàn)V波。為了進(jìn)一步提高穩(wěn)健性,本文又將該波束形成器和時(shí)頻空方法相結(jié)合,給出了一種無(wú)需延遲線的穩(wěn)健寬帶自適應(yīng)波束形成方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明去除延遲線后可有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高運(yùn)行效率,并且所提算法能夠在角度誤差和陣元位置誤差下取得較好的輸出性能和較快的收斂速度。
【圖文】：

陣列雷達(dá)