基于波束空间ESPRIT算法电力系统谐波检测

电力系统中谐波检测是无功补偿、谐波滤除等电能质量分析与控制的前提。针对传统电力系统中谐波检测方法存在的精确度低,抗噪性差等问题,本文将波束空间ESPRIT算法应用于电力系统谐波检测。该算法以信号空间为模型,首先用盖氏圆检测出信号源数,然后利用波束空间将阵列接收的数据通过变换得到波束空间的数据,再将波束空间的数据分解为噪声和信号子空间后由ESPRIT算法得到信号的频率估计值。最后由扩展PRONY方法计算得到信号的幅值。通过仿真实验验证和实际数据分析表明该方法速度快,精确度高且抗噪性强,具有一定的应用前景。

多接收子阵下特征波束的角度空间调制方法

基于波束赋形的波束切换空间调制算法,不仅可以提高频谱效率,还可以利用天线阵列增益提高能量效率。该文利用信道响应构造统计平均的协方差矩阵,构造正交特征向量作为阵列的加权矢量,形成相互独立的多个等效传输信道,利用波束赋形增益和分集增益提高无线通信的传输可靠性和传输能力。进一步采用天线子阵分组方法,克服信道相关性带来的不利影响。性能分析和仿真结果表明,特征波束角度空间调制方案可获得更多的波束组合数目,会明显改善译码性能和频谱效率。

基于空间馈电的高功率波束扫描螺旋透射阵列天线设计

传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点,不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活,波束扫描速度较慢,不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元,并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线,通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描,在设计上更加灵活,可根据实际应用需求调整阵列布局,符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列,数值模拟结果表明,单元反射系数S11≤-20 dB,功率容量0.35 MW,阵列口径效率0.68,可在±45°范围内扫描,最大增益下降3 dB。

基于波束空间交替投影极大似然的拖曳式诱饵分辨判别方法

机载平台在遭遇威胁时,通过释放拖曳式诱饵假目标干扰进行自卫.载机和拖曳式诱饵在雷达波束宽度内,且径向距离小于距离分辨率时,雷达无法通过常规方法对载机目标和拖曳式诱饵进行分辨测量.针对数字相控阵雷达同拖曳式诱饵对抗的问题,提出一种基于波束空间交替投影极大似然(BSAP-ML)方法.首先通过阵元空间到波束空间处理,减少数字相控阵维度;然后通过交替投影方法对目标和拖曳式诱饵的角度进行迭代测量;最后通过基于角度向量的判别方法对载机目标和诱饵进行判断识别.仿真结果表明,该方法可用于数字相控阵雷达,对载机和拖曳式诱饵进行有效的超分辨角度测量和判别.

中继卫星空间静态波束的构建方法

通过空间静态波束的广域覆盖,中继卫星测控服务的时效性及多目标能力将得到有效提升。对中继卫星空间静态波束的构建方法进行了研究,在数字波束形成原理基础上,基于中继卫星相控阵天线和多个地面返向波束计算单元,实现了空间静态波束形成。最后对空间静态波束构型进行仿真分析,从不同波束交叠和不同空间高度2个角度分别开展。结果表明,在工程应用中须对卫星波束覆盖和地面返向波束计算单元数量进行折中考虑,最大化发挥中继卫星空间静态波束的性能优势。

星机双基SAR波束空间同步误差及性能分析

星机双基合成孔径雷达(SA-BiSAR)系统利用卫星作为发射站,飞机作为接收站,利用收发分置的特点可以有效提高系统抗干扰能力。为满足成像需求,收发基站的雷达波束指向需满足严格的空间同步要求,必须在成像之前进行波束空间同步检测。针对波束同步检测这一问题,文中建立了星机双基SAR波束同步的数学模型,引入收发波束重叠比反映收发波束的相对关系,通过系统接收信噪比定量分析了无误差情况、飞机存在定位误差和指向误差情况下的系统性能。在飞机斜距为85.6 km的仿真条件下,仿真结果表明,文中建立的数学模型以及信噪比分析方法可有效反映收发波束相对关系及同步性能;当同时存在-5 km定位误差以及0.2°指向误差时,系统性能与无误差时相比整体下降了1 dB以上,中心区域范围较原来大幅缩小,波束中心区域边界点与无误差时位置差达8 km以上。

基于卷积波束空间传播算子的FDA-MIMO雷达角度、距离估计算法

针对FDA-MIMO雷达接收数据维数高和工程实现复杂的问题,提出一种FDA-MIMO雷达卷积波束空间目标角度、距离估计算法。首先基于发射波形间的正交性,将对应各发射波形的回波信号通过一组满足奈奎斯特性质的滤波器组,然后对各滤波器的稳态卷积输出进行抽取处理以降低数据维数;对抽取数据应用传播算子法,再基于卷积滤波器的通带特性和FDA阵列角度、距离间的耦合关系,实现目标角度和距离参数的无模糊估计。仿真实验验证了该参数估计算法的有效性。

基于张量的RIS辅助波束空间MIMO系统信道估计

针对可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助波束空间多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系统信道状态信息获取难度大的问题,提出了一种基于张量的迭代信道估计算法。构建了基站接收导频信号的三阶张量模型,模型的3个维度包括基站天线数、用户数以及RIS相位配置数;采用并行因子(Parallel Factor, PARAFAC)分解和交替最小二乘(Alternative Least Squares, ALS)算法对该系统中的信道进行估计并得到了闭式解,理论分析了所提算法的可行性条件;在仿真实验中讨论了不同系统参数对信道估计性能的影响。仿真实验结果表明,该算法利用PARAFAC特定代数结构获得了良好的信道估计性能。

基于稀疏空间采样的雷达阵列天线主波束指向估计

天线主波束指向代表了雷达的能量集中方向,其在电子对抗领域是一个十分重要的信息。当已知雷达天线的主波束指向时,可以避开目标雷达的探测或对其实施精准的电子干扰。基于雷达周围部署的少量观测点,构建噪声环境下的稀疏空间采样数学模型,并提出四种雷达阵列天线主波束指向的估计算法。蒙特卡洛仿真测试结果展示了所提算法在不同条件下的估计准确性。

基于空间解析几何模型的多波束测线研究——以渤海某海域为例

以渤海某海域为例,文章主要研究了多波束测线测量方法。在对覆盖宽度、重叠率及测线布置等问题进行深入分析的基础上,综合应用了空间解析几何模型与平面解析几何模型,使用迭代算法构建了海水深度、坡角与覆盖宽度、重叠率之间的模型。

基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成与分析

为了实现三极化平面阵列的高性能宽角扫描,提出一种基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成方法,并对相控阵扫描特性进行了分析。首先,在假设单元3个极化特性一致的前提下,从期望的合成波束指向出发,将与之正交的极化电场单位矢量沿3个极化方向分解,从而获得3个极化电场分量的相位和幅度,再依据功率与极化电场幅度平方成正比的关系,推导获得4种极化形式下极化合成所需的激励表达式,并通过仿真验证了该激励表达式的正确性。接着采用经典的阵因子控制方法,改变阵元相位差,使阵因子扫描角与单元波束指向一致,从而形成半空间任意方向扫描的阵列波束。最后,在不考虑阵元间互耦的情况下,对4种极化形式下的阵列扫描特性进行仿真分析与对比,结果表明,该阵列具有优越的半空间扫描特性,验证了该波束形成方法的有效性。

稳健的特征空间基变换自适应波束形成

针对现有自适应波束形成器在阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差耦合时干扰抑制能力下降的问题,提出了一种稳健的基于特征空间基变换的自适应波束形成算法。首先,对导向向量中阵元位置误差、幅相误差以及信号来波方向误差的影响进行了建模;然后,通过利用真实信号子空间与导向矢量张成空间相同的特性,引入子空间距离的概念量化两个子空间相似程度,并构建出一个最小化空间距离的多维非线性优化问题;在此基础上,结合遗传算法与拟牛顿法的特点形成一种混合优化策略,在解除最优化问题后,得到信号子空间的一组非正交基;最后,将估计的信号子空间与噪声子空间组合为特征空间,通过对特征空间进行基变换提取出准确的干扰加噪声协方差矩阵,并对期望信号导向向量进行了修正。数值仿真结果表明:所提混合优化算法随着迭代数提高能够显著降低子空间距离,迭代数达到100次时,能够将子空间距离降低至1以下;在信号来波方向误差、阵元位置误差以及幅相误差同时存在,且输入信噪比为10 dB的情况下,所提算法的输出信干噪比与现有方法相比提高约14 dB。

线性分布式定向阵列波束空间覆盖面积分析

相控阵天线因具有高增益、高可靠性、波束指向可控等优点,已广泛应用于雷达、通信等领域。考虑到阵列天线体积、部署地形、设备功耗等因素的限制,单一相控阵天线在某些复杂场景下难以满足需求。特别是在天地间通信、侦察及干扰等场景下,需要多部相控阵天线分布式部署,进行协同波束合成,以获得与单部阵列天线相比更高的功率增益。分布式定向阵列利用多个分布式阵列节点形成虚拟天线阵列,通过调整各阵元的相位收发同一信号,合成定向波束。针对分布式定向阵列合成波束在特定高度平面上增益覆盖面积的计算问题,利用阵列天线波束合成原理、方向图乘积定理以及空间解析几何,提出一种理论解析计算方法。建模分析及仿真结果表明,线性分布式定向阵列波束合成的增益覆盖面积,包括主瓣及栅瓣波束增益覆盖面积,与分布式阵列的俯仰角、目标平面高度、信号载频以及分布式节点个数强相关,但与分布式节点间距关联较弱;且所提方法的解析值与计算机仿真值相符,可为远距离大功率分布式阵列的工程实现提供理论参考。

基于降维波束空间的实值ESPRIT单基地MIMO雷达测角算法

单基地多输入多输出(MIMO)雷达的波达方向(DOA)估计问题是近年来研究的热点。高维度的MIMO雷达数据,导致传统旋转不变性参数估计技术(ESPRIT)算法需要付出较大的运算代价。在低信噪比、低快拍数的条件下,传统ESPRIT算法性能会严重下降。为了克服传统ESPRIT算法的以上缺点,该文提出一种降维波束空间的实值ESPRIT算法。该算法通过转换矩阵,将高维度MIMO雷达数据转换到低维度的数据,从而去除数据中的冗余。然后再将低维数据变换到波束空间,构造实值旋转不变性等式,用以估计目标的角度。仿真结果表明,在低信噪比和低快拍数时,相比于传统ESPRIT算法,该文所提方法具有更好的角度估计性能和更少的运算量。

非一致性噪声条件下的特征空间波束形成

由于水声环境的复杂性,阵列的噪声分布可能是非一致性的。当阵元噪声功率各不相同时,阵列协方差矩阵特征分解得到的特征子空间与真实目标的特征子空间之间存在误差,导致特征子空间波束形成算法的性能衰减。文章提出了一种新的非一致性噪声条件下特征子空间的估计方法,将阵列协方差矩阵对角线置0,进行特征分解估计的特征子空间将不受阵元噪声非一致性的影响。将该方法应用到特征空间波束形成算法,提高了非一致性噪声条件下特征空间波束形成算法的方位分辨能力。仿真和实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

一种改进的基于波束空间的酉-ESPRIT算法

针对酉-ESPR IT算法估计精度较高但是对信噪比水平变化比较敏感的问题,提出了一种改进的用于DOA估计的酉-ESPR IT算法。该算法首先对观测数据在变换域中进行预处理使信号能量更集中,然后进行波束变换,在波束空间中估计信号的到达方向。文中采用的波束形成矩阵使用较少的波束数可以在更广范围内搜索信号以避免漏掉有用信号,因此减少了运算量。通过计算机仿真试验可知,无论在白噪声还是色噪声背景下,与酉-ESPR IT算法相比,本算法不仅减少了计算量,并且具有更小的信噪比门限,提高了酉-ESPR IT算法的鲁棒性。

基于波束形成的变压器噪声成像技术研究与应用

作为变电站中最为昂贵和重要的设备,变压器一直是科研人员的研究重点对象。目前对变压器噪声源识别的相关研究较少,因此结合波束形成技术针对变压器噪声源识别展开研究。首先根据所调研的变压器噪声特性,确定了所关注的噪声频段和所用的声源识别方法,阐述了宽带信号的波达方向估计与波束形成的相关理论,进而整理出了一种基于频域数据的宽带变压器信号定位思路,利用仿真结果证实了所提定位思路的合理性与准确性。最后基于LabVIEW平台搭建了一套变压器噪声源识别系统,并通过对不同情况下实际运行变压器的现场试验,对系统的定位效果进行了测试,其定位误差在2°左右,结果证明噪声源识别思路和搭建的系统平台具有良好的可靠性与可用性。

基于双面平行带线的全空间扫描漏波天线

为了实现从后向端射到前向端射的连续波束扫描天线,该文基于双面平行带线结构提出了一种具有全空间扫描能力的漏波天线。天线单元由双面平行带线传输线和一对反向加载的开路枝节组成,两个开路枝节分别位于传输线的上导带和下导带。加载的反向开路枝节等效为一个偶极子,使得天线单元具有全向辐射性能,作为整个全空间扫描漏波天线的基础单元。为了抑制周期漏波天线中的开阻带问题,又在天线基础单元上加载了一对平衡槽以实现频率平衡条件,还加载了一对匹配槽以匹配周期结构的阻抗。最后实现了一款天线原型,经仿真与实验验证,该天线能够在7.6 GHz到14.0 GHz的频率范围内,实现从后向端射,经侧向辐射,然后到前向端射的全空间扫描能力。

移动强干扰条件下大孔径阵列稀疏空间谱估计

无源声呐阵列的目标方位估计性能受到强干扰的显著影响,在干扰源快速移动时大孔径阵列还可能存在快拍不足的问题,为此提出一种结合波束域预处理以实现干扰抑制和数据降维的稀疏空间谱估计方法。首先在预处理阶段对干扰方向形成自适应零点,并通过协方差矩阵锥化展宽零点,然后对预处理后的波束域数据应用稀疏贝叶斯学习进行空间谱估计。与现有方法相比,波束域预处理可以有效减少阻带范围内干扰声源的影响,提高通带范围内空间谱估计的精度和计算效率,零点展宽可以进一步加强稳健性,避免出现快拍不足问题。仿真分析和海试结果表明,所提方法在移动强干扰条件下仍能准确估计目标声源的多途到达角,且计算时间远低于阵元域稀疏方法。

基于改进最小方差波束成形的心磁信号的源重建

由于冠心病患者的心磁图在信噪比较低时,最小方差波束成形(MV)方法的源重建效果不理想,提出一种基于改进最小方差波束成形(IMV)方法,在MV方法的基础上,使用导联矩阵和磁场信号二阶特征矩阵组成约束矩阵,构造新的空间滤波器的权矩阵,从而降低输出噪声功率增益。利用点扩散函数理论比较IMV方法和MV方法的空间谱估计的单源分辨率;利用3个电流偶极子产生36通道磁场仿真数据,采用IMV方法和MV方法在低信噪比下对仿真数据进行源重建;最后对3名冠心病患者的36通道心磁图的R波峰和T波峰时刻数据进行源重建。结果表明,IMV方法的单源分辨率更高,对仿真数据及冠心病患者心磁数据的重建精度更好。