1、硕士学位论文基于信号先验信息的 DOA 估计算法研究RESEARCH OF DOA ESTIMATION ALGORITHMS BASED ON PRIORI KNOWLEDGE OF SIGNALS国内图书分类号：TN974 学校代码：10213国际图书分类号：654.1 密级：公开 工学硕士学位论文基于信号先验信息的 DOA 估计算法研究硕士研究生 ：导 师 ：申请学位 ： 工学硕士学科 ： 信息与通信工程所 在 单 位 ： 信息与电气工程学院答 辩 日 期 ：授予学位单位 ：Classified Index: TN974 U.D.C: 654.1 Dissertation for the
2、 Master Degree in EngineeringRESEARCH OF DOA ESTIMATION ALGORITHMS BASED ON PRIORI KNOWLEDGE OF SIGNALSCandidate： Yang LeiSupervisor： Prof.Mao XingpengAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Information and Communication EngineeringAffiliation： School of Information and Electri
3、cal EngineeringDate of Defence： June, 2013Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- I -摘 要随着通信技术的发展，作为阵列信号处理领域的一个重要分支，DOA 估计技术的研究已经取得了巨大的进步。传统的 DOA 估计技术在对来波信号完全未知的情况下就可以实现波达角度的估计检测。近些年来，DOA 估计技术的应用不仅局限在导航定位、电子侦查与对抗等军事领域。在许多民用应用领域，如机电测量、生物医学等方面也取得了广泛的应用。在这些应用中，来波信号
4、的先验信息通常是完全已知的，这便推动了基于信号先验信息的 DOA 估计算法研究的兴起。本文针对先验信息已知信号的 DOA 估计算法进行了探讨研究，主要分析了两大类算法，一类是以最大似然准则为基础的最大似然估计类算法，如 DEML 算法、CDEML 算法、WDEML 算法等。最大似然估计类算法具有极高的测角精度与分辨力，相比于传统的 DOA 估计算法在性能上有着极大的提升，但其存在着运算量大的问题。另一类是利用信号先验信息进行迭代运算的 DOA 估计算法，如 MSWF-MUSIC 算法、线阵 PASI 算法等。相比于传统的 DOA 估计算法，利用迭代技术的算法通常有着突出的性能，如能够适应低信噪
5、比、少快拍的恶劣环境，能够提高测角精度或者是能降低算法的运算复杂度等。对于最大似然估计类算法，本文主要分析了影响其算法性能的各个因素条件，并与 MUSIC 算法进行了对比，总结得到了算法的优势与不足。同时分析了接收端所用参考信号先验信息的变化对算法性能的影响，得到了相应的结论与规律。对基于迭代技术的 DOA 估计算法，本文主要研究了其所拥有的一些特点，分析了迭代对于算法性能和运算复杂度所带来的优势。针对线阵 PASI 算法应用的局限性问题，本文提出了一种基于阵列平移的圆阵 PASI 算法，解决了 PASI 算法在其他阵列形式中因难以构造合适的子阵而无法应用的问题。该算法利用阵列平移的方式构造平
6、滑子阵，再通过平移形成的子阵接收来波信号。由此获得的各个子阵的接收数据便可以应用 PASI 算法进行 DOA估计。对所提出算法进行了性能的仿真分析，并与其它基于信号先验信息的 DOA估计算法进行了比较。关键词：DOA 估计；最大似然；先验信息；迭代；阵列平移哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- II -AbstractWith the development of communication technology, the DOA estimation technology has achieved great progress as an important branch of array si
7、gnal processing. Traditional DOA estimation technique can estimate the direction of arriving signals in the case that the signals are completely unknown for the receiver. In recent years, DOA estimation technology is not only confined to the military fileds, such as the navigation and positioning, t
8、he electronic surveilance and combat, etc. but also applied to many civilian fileds, such as mechanical and electrical measurements, biomedicine, etc. In these applications, the priori knowledge of the signals is usually completely known for the receiver. This has promoted the research of DOA estima
9、tion algorithm based on priori knowledge of signals.The paper makes discussions and researches to DOA estimation algorithms based on priori knowledge of signals. The paper mainly analyzes two types of algorithm. One type is the maximum likelihood estimation algorithms based on the maximum likelihood
10、 criterion, such as DEML algorithm, CDEML algorithm, WDEML algorithm, etc. The maximum likelihood estimation algorithm has a very high accuracy and resolution. Compared to the traditional DOA estimation algorithm, it has made great improvement in performance, but it has the problem that the computat
11、ion is large. The other make DOA estimation through the iterative technology by using the priori knowledge of signals, such as MSWF-MUSIC algorithm, PASI algorithm in linear array, etc. Compared to the traditional DOA estimation algorithms, the algorithms using the iterative technology usually has o
12、utstanding performance, for example it can adapt to low SNR and low snapshops, it can improve the accuracy and reduce the computational complexity, etc.For maximum likelihood estimation algorithms, this paper mainly analyzes various factors which influence the performance of algorithms and makes a c
13、omparison to the MUSIC algorithm, then sums to obtain the advantages and disadvantages of the algorithm. We also analyzes the influence of changes of signals priori knowledge used by receiver on this algorithm and gets the corresponding conclusions and laws. For the DOA estimation algorithm using it
14、erative technique, the paper mainly studies some of the characterstics that it has and analyzes the advantages of algorithms performance and computational complexity which iterative technique brings.For the limitations problem of the application of the PASI algorithm in the linear array, this paper
15、proposes a PASI algorithm based on array translation in the circular array, which solves the problem that the PASI algorithm cant be used in other forms of array because of the difficulty to construct appropriate subarray. This algorithm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- III -constructs subarrays by using the way of
16、 array translation and receives signals through these subarrays. Then the signals receiving through this way can be used in PASI algorithm to estimate the direction of signals. We make the simulation analysis of performance for the proposed algorithm and make comparisons with other DOA estimation al
17、gorithms based on the priori knowledge of signals.Keywords: DOA estimation, maximum likelihood, priori knowledge, iteration, array translation哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- III -目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景及研究的目的和意义 .11.2 相关理论的研究历史与现状分析 .21.2.1 传统的 DOA 估计理论 .21.2.2 先验信息已知的信号 DOA 估计理论 .31.3 本文的主要研究内容及结
18、构 .4第 2 章 DOA 估计算法的理论基础 .62.1 DOA 估计算法的理想化条件 .62.2 信号源的数学模型 .72.2.1 窄带信号源的数学模型 .72.2.2 相干信号源的数学模型 .82.3 天线阵列的数学模型 .92.3.1 均匀线阵 .92.3.2 均匀圆阵 .102.4 DOA 估计技术的基本原理 .112.5 MUSIC 算法 .122.5.1 MUSIC 算法的基本原理 .122.5.2 空间平滑算法的基本原理 .132.5.3 MUSIC 算法的仿真分析 .152.6 本章小结 .17第 3 章 最大似然估计类算法 .183.1 DEML 算法 .183.1.1 D
19、EML 算法的原理 .183.1.2 仿真实验及分析 .213.1.3 DEML 算法的特性优势 .253.2 CDEML 算法 .253.2.1 CDEML 算法的原理 .253.2.2 CDEML 算法的仿真分析 .27哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- IV -3.3 WDEML 算法 .283.3.1 WDEML 算法的原理 .283.3.2 WDEML 算法的仿真分析 .293.4 参考信号先验信息对算法性能的影响 .313.4.1 幅度差对算法性能影响的仿真分析 .313.4.2 频率差对算法性能影响的仿真分析 .323.4.3 相位差对算法性能影响的仿真分析 .333.5 本章小结
20、 .34第 4 章 基于迭代的已知信号 DOA 估计算法 .354.1 MSWF-MUSIC 算法 .354.1.1 多级维纳滤波器的结构及原理 .354.1.2 MSWF-MUSIC 算法的原理 .364.1.3 MSWF-MUSIC 算法的仿真分析 .384.2 线阵 PASI 算法 .404.2.1 线阵 PASI 算法的基本原理 .404.2.2 线阵 PASI 算法的仿真分析 .424.3 本章小结 .43第 5 章 基于阵列平移的圆阵 PASI 算法 .445.1 信号模型 .445.2 适用于圆阵的基于信号先验信息的 DOA 估计算法 .455.3 基于阵列平移的圆阵 PASI
21、算法的基本原理 .455.3.1 阵列平移构造子阵的原理 .455.3.2 基于圆阵的 PASI 算法初次 DOA 估计的原理 .465.3.3 基于圆阵的 PASI 算法的迭代估计原理 .475.4 基于阵列平移的圆阵 PASI 算法的算法仿真 .485.4.1 单信源多径信号的测角仿真 .485.4.2 存在多个多径的多个信源测角仿真 .505.5 基于阵列平移的圆阵 PASI 算法的性能仿真 .515.5.1 阵列半径与阵元数对 PASI 算法性能的影响 .525.5.2 信噪比与快拍数对 PASI 算法性能的影响 .525.5.3 迭代次数对 PASI 算法性能的影响 .535.6 本
22、章小结 .53结 论 .55哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- V -参考文献 .57攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 .62哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 .63致 谢 .64哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 1 -第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义随着现代通信技术和信息处理技术的迅速发展，信号与信息处理已经成为一个研究应用十分广阔的领域。其中，阵列信号处理是一个重要的分支。近几十年来，阵列信号处理不仅在声纳、雷达定位、目标检测、目标侦查和电子对抗等诸多军事领域得到了广泛的应用，同时在民用领域也获得了十足的发展，例如在地震勘测、射电天文、导航、机电测量和生物医
23、学工程等方面都取得了十分巨大的成就。阵列信号处理是利用空间中不同位置的多个传感器构成的传感器阵列对空间中的声音、电磁等信号进行接收处理的过程，其目的是抑制或去除干扰和噪声等不感兴趣的信息，更好的提取有用信号以及信号所包含的信息。阵列信号处理主要包括了自适应阵列处理和空间谱估计两个方面的研究内容1，这两方面的研究虽然有所区别，但通常两者是相互依存，密不可分的。自适应阵列处理通常又称自适应空域滤波，主要是通过利用有用信号与干扰信号、噪声之间的差别实现对后者的抑制，从而增强目标信号。空间谱估计主要是对信号的参数进行测量，如角度信息，频率信息，极化信息等，从而对信号实现检测、方向估计、定位、跟踪等。自
24、适应阵列处理的研究要早于空间谱估计，目前已经在工程中得到了广泛的应用。而不同于自适应阵列处理，空间谱估计的研究虽然近三十年来也得到了飞速的发展，但其在实际应用中并不是很多。研究阵列信号处理，将两者结合起来，对于分析识别日趋复杂的电磁环境，从其中提取所需的有用信息有着极其重要的作用。当今的社会已经发展成为一个信息化的社会，携带各种信息的电磁波遍布在我们周围的各个角落。空间中传输的不同电磁波有着不同的波形信息、角度信息、频率信息、极化信息等。通过对信号波形进行匹配识别可以从中得到发射信源的相关信息；对角度信息的获取可以实现对辐射源的空间定位；通过测量信号的相关频率来获取信源的状态信息；通过对极化信息的利用可以排除干扰与噪声的影响，更好的区分、识别、提取所需信号。面对日益复杂的电磁环境，对于空间电磁信号的处理通常需要将阵列信号处理中自适应阵列处理技术与空间谱估计技术相结合，充分利用信号的时域、空域、频域、极化域的信息来提升阵列信号处理的性能。研究信号的空间谱估计问题对于国民经济以及军事应用都有着重要的意义与价值。
