基于矢量传感器复声强测量的低空目标二维波达方向估计

提出了一种基于三维压差式矢量传感器复声强测量的低空目标二维波达方向(DOA:Directions Of Arrival)估计方法。利用矢量传感器在低频段的良好特性,实现了小尺寸声阵条件下的高精度目标DOA估计。采用实测的直升机辐射噪声数据验证了该方法的有效性,研究了传感器尺寸、积分时间和信噪比对目标DOA估计精度的影响。性能分析表明,在小尺寸声阵条件下,新方法优于基于时延估计的测向方法。该研究为实现低空运动目标的无源声学探测提供了一种新的技术途径。

基于分数阶傅里叶变换的线性调频信号二维波达方向估计

本文提出了一种基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)的多线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号二维波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计方法.该方法利用FRFT对LFM信号的能量聚集特性,构造出一种新的分数阶傅里叶域的阵列信号数据模型,并利用MUSIC算法实现对多个LFM信号的二维DOA估计.仿真实验验证了算法的有效性.

一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法

提出一种基于声矢量传感器阵的宽带源二维波达方向估计算法,在宽带相干源条件下实现了二维波达方向估计参数的自动配对。克服了通常声矢量传感器阵波达方向估计中存在的谱峰搜索和参数配对问题。分析表明:该算法能够可靠判定目标源的个数,具有较高的估计精度;不受目标波达方向角度间存在兼并(入射源含有相同的方位角或俯仰角)的影响;当存在阵列误差时,算法的稳健性好。

基于Y形阵的空时二维波达方向估计

提出了一种适用于Y形阵的空时二维波达方向估计方法,在低信噪比下实现了无模糊的二维波达方向估计。该方法利用了Y形阵的特性,具有较好的稳定性和较小的估计方差。仿真结果证明了本方法的有效性。

采用等距二元矢量水听器直线阵的二维波达方向估计

为了减小传统四元矢量水听器阵的尺寸和减少冗余阵元,提出了采用等距二元矢量水听器直线阵的二维波达方向(DOA)估计方法。每个阵元(矢量水听器)由空间共点的一个声压水听器和一个振速水听器构成。其中声压水听器阵可以被划分为2个子阵,它们构成旋转对,旋转因子为包含某一轴方向余弦信息的相位延迟因子。振速水听器阵可以被划分为2个子阵,它与声压水听器阵构成旋转对,旋转因子为另一轴方向余弦。基于旋转子空间不变法(ESPRIT)的思想,采用并行总体最小二乘(TLS)矩阵束方法实现对旋转因子的估计和自动配对,从而实现二维DOA估计。计算机仿真实验结果证明了该方法的有效性。

一种用于矩形阵列的二维波达方向估计方法

针对现有使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列的二维无格波达方向估计方法的性能欠佳的问题,提出一种基于二阶特普利茨矩阵重构和二维旋转不变参数估计技术的无格波达方向估计方法。使用均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列,对其接收信号的协方差矩阵进行二阶特普利茨结构表达,通过log-det稀疏测度与正定约束构造约束优化问题,并使用优化最小算法求解,最后通过二维旋转不变参数估计技术估计源的二维波达方向,即方位角与俯仰角。这种方法需要多次求解半定规划问题,计算复杂度相对较高,但能获得更好的波达方向估计性能。在仿真实验中,这种方法在均匀矩形阵列或稀疏矩形阵列条件下均有非常低的均方根误差,接近克拉美罗界,证明了其良好的波达方向估计性能。

SαS噪声环境下的宽带信号二维波达方向估计算法

为克服在SαS噪声环境下的DOA估计方法没有考虑宽带信号的情况,在分析SαS噪声环境下宽带信号阵列输出矩阵性质的基础上,将时域方法与频域方法有机结合起来,通过构造L型阵列的各频带的分数阶累计量,将一维宽带信号阵列模型拓展到二维,并利用CSM聚焦算法,通过k个聚焦矩阵T(fk)把不同频率处的方向矩阵变换到同一参考频率f0下的矩阵,采用改进的分数低阶矩阵(MFLOM)来作为共变矩阵的估计子。实现了SαS噪声环境下的宽带信号的二维波达角估计,通过仿真分析证明了该算法的有效性。

利用空域稀疏性的L型阵下二维波达方向估计

针对稀疏重构应用于二维波达方向估计时存在计算量大的问题,从减少过完备字典的原子个数以及求解模型的阶数这两个方面入手,提出一种具有较低计算复杂度的基于稀疏重构的二维波达方向估计方法。该方法中首先根据L型阵的结构特点,对基于阵列接收数据的稀疏线性模型进行分解和重新组合,抛弃与信源无关的原子,大大减少了原子个数;其次,提出利用多快拍数据协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量作为待分解信号建立稀疏模型,使模型阶数从快拍数降至一阶。此外,给出了新方法的详细实施步骤,并且对其计算复杂度进行了理论分析。新方法估计精度高,并且能够自动实现俯仰角和方位角配对。最后,通过计算机仿真验证了新方法的有效性。

基于稀疏重构的L型阵列的二维波达方向估计

在L型阵列下,基于稀疏重构提出一种可实现自动角度配对的二维波达方向估计方法。首先,根据两均匀线阵接收数据的互相关矩阵构建二维稀疏线性模型;然后,通过数学变换将该二维模型转换为联合稀疏重构模型之内,通过联合稀疏重构算法分别单独获得信源方位角和俯仰角的粗略估计,并将此信息融入二维稀疏线性模型,大大减少了模型中原子个数,达到降低计算复杂度的目的;其次,从理论上分析了新方法可分辨的信源个数和计算复杂度;最后,通过一系列计算机仿真将新方法与其它子空间类二维波达方位估计方法进行比较,表明了新方法在估计精度上的优越性。

基于MIMO雷达虚拟阵列的二维波达方向估计算法

基于L型配置MIMO雷达系统,提出了一种利用MIMO雷达单次回波的二维波达方向估计新算法。该算法通过单次回波信号形成的虚拟阵列数据来构造两个具有特定关系的矩阵,再用这两个矩阵构造一个波达方向矩阵,根据该矩阵的特征值和特征向量之间的关系,导出了目标方位角和高低角的闭式解。该算法不涉及二维谱峰搜索,计算量小,且不存在参数的配对问题;此外,当发射阵元数大于2时,其估计的最大目标数可大于或等于接收阵元数。计算机仿真结果证明了该算法的正确性和可行性。

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。

L型阵列互耦条件下的二维波达方向估计

针对L型阵列,提出一种去互耦算法.该算法在L型阵列的两均匀线阵上分别取受互耦影响一致的阵元,则其理想导向向量可与互耦参数剥离,用其中一组阵元输出的协方差阵和两组阵元输出的互协方差阵构建矩阵,根据其传播算子构成的信号子空间和阵元导向向量张成同一空间以及均匀线阵的旋转不变特性得到两个与方向角和俯仰角相关的信息参量.在这两参量配对时,只需对包含信息参量的其中一个矩阵进行一次特征值分解以及简单的除法运算即可实现.理论和仿真表明,该算法无需谱峰搜索,只需一次特征分解,有效抑制了互耦影响,测量精度高.

基于互协方差的L型嵌套阵列二维波达方向估计

为了解决L型均匀阵列波达方向(DOA)估计分辨率较低、估计信源数受限于阵元数、估计精度易受信噪比影响等问题,提出一种基于互协方差的L型嵌套阵列二维DOA估计算法。利用不同子阵间互协方差矩阵产生较长无冗余阵元的虚拟阵列,消除噪声干扰;利用虚拟阵列及其共轭矩阵构建等效协方差矩阵,实现虚拟阵列信号的解相干;采用旋转不变子空间技术对等效协方差矩阵进行处理,得到目标的角度信息;基于虚拟阵列等效信源的唯一性进行空间信源的角度匹配。对所提算法的DOA估计有效性进行仿真验证,结果表明,在阵元数相同情况下,该算法与L型均匀阵列相比在低信噪比环境下拥有更高的估计精度,能够辨识更多的空间信源。

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。

任意平面阵列的相干信号二维波达方向估计方法

相干信号的波达方向(direction of arrival,DOA)估计一直是阵列信号处理中研究的关键问题,但传统的算法受到阵列流型的限制。为了解决任意平面阵列对二维相干信号的DOA估计问题,提出了一种新的方法。首先利用信号的循环平稳特性构造数据协方差矩阵,再利用信号在极化域的差异来实现解相干。该方法具有噪声抑制的能力,无需空间平滑,不影响阵列孔径,并且对窄带信号和宽带信号均适用。仿真结果证明了该算法的有效性。

基于辅助阵元的二维波达方向估计算法

针对任意平面阵列,提出了一种基于辅助阵元的二维波达方向估计算法。首先利用附加的一个辅助阵元及信号的空、时域信息,构造时空旋转矩阵实现对仰角的分离估计,再利用得到的仰角信息通过一维搜索获取方位角。与传统基于子空间的二维波达方向估计算法相比,该方法不需要进行二维谱峰搜索与参数配对,对阵元的幅相误差具有较强的鲁棒性,并具有较高的角度分辨力,对阵元的利用率高,且能够应用于任意结构的平面阵。最后,计算机仿真结果验证了算法的有效性。

基于L型和差嵌套阵的二维波达方向估计

针对传统L型均匀阵列二维波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计中可估计信源数目受限于阵元数、分辨率低等问题,提出了一种新的L型和差嵌套阵列结构。该L型阵列的两个子阵布置相同,是非均匀的稀疏阵,通过阵元位置之间的差分、求和操作达到虚拟扩展阵元数目的效果,从而提升阵列的自由度。采用该阵列进行二维DOA估计时,两个子阵分别先进行一维的DOA估计,再采用PSCM(Pair-matching Signal Covariance Matrices)算法进行一维角度配对。每个子阵进行一维波达方向估计时,先采用VCAM(Vectorized Conjugate Augmented MUSIC)算法生成非均匀稀疏阵的求和求差协方差矩阵,再采用矩阵重构的方法恢复协方差矩阵的秩,最后对协方差矩阵采用MUSIC(Multiple Signal Classification)算法进行DOA估计。实验仿真表明,本阵列有着更高的自由度和估计精度。

基于协方差矩阵降维稀疏表示的二维波达方向估计

针对稀疏重构下二维波达方向(2D-DOA)估计存在计算量大的问题,提出一种基于协方差矩阵降维稀疏表示的二维波达方向估计方法。首先引入空间角构造流形矢量矩阵冗余字典,将方位角和俯仰角组合从二维空间映射到一维空间,降低了字典的长度和求解复杂度,并且能自动实现俯仰角和方位角配对;其次改进了样本协方差矩阵的稀疏表示模型,对该模型进行了降维处理;然后由协方差矩阵稀疏重构的残差约束特性得到约束残差项置信区间,避免采用正则化方法导致参数选取困难;最后通过凸优化包实现了二维波达方向的估计。仿真实验表明,待选取的协方差矩阵列数达到某个阈值(在只有两个入射信号情况下该值为3)时,可准确实现入射信号角的估计;当信噪比(SNR)较小(<5 d B)时,该方法估计精度优于基于空间角的特征矢量算法;低快拍数(<100)下该方法估计精度略低于特征矢量法,但小间隔角度下估计精度与后者相当。

基于矢量化差分相位的单分布源解耦二维波达方向估计

在分布源(包括相干分布源和非相干分布源)的二维波达方向估计中,均匀圆阵由于可实现全方位测角、具有较高的分辨率,得到了广泛的应用,然而现有的估计算法均需要谱峰搜索和特征值分解,复杂度较高.针对此问题,考虑单个相干分布源或非相干分布源入射两种情况,提出了一种基于矢量化差分相位的解耦二维波达方向快速估计算法.该算法首先基于空间频率近似模型,证明了任意单个分布源入射时,均匀圆阵中不同阵元接收信号间的差分相位均不受角度扩展参数的影响;基于此特性,通过获取差分相位即可实现中心波达角的解耦合;接下来,提取采样协方差矩阵的严格上三角元素相位,即对应于各阵元间的差分相位,并进行矢量化处理,最终将波达方向估计问题转化为一个最小二乘问题,从而直接得到闭式解,避免了谱峰搜索和特征值分解运算,大幅度降低了复杂度.理论分析和仿真实验表明,所提算法具有较高的估计精度,并且无需角信号分布的先验信息,同时具备较低的计算复杂度和硬件复杂度,有利于复杂环境下阵列测向等工程实践.

稀疏贝叶斯假设检验准则下的二维波达方向估计

为了降低均匀圆阵列二维波达方向估计的计算量,提出一种基于稀疏贝叶斯假设检验的波达方向估计算法。根据"粗扫描"+"细扫描"思想,将角度空间重新构建新的冗余字典,运用贪婪类算法粗略构造新的稀疏重构模型,结合稀疏贝叶斯假设检验准则,快速求解超参数,实现二维波达角的估计。实验结果表明,该算法具有较高的估计精度以及较好的检测性能。