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水下相干源的高分辨方位估计技术

曾耀平  
【摘要】:高分辨方位估计是阵列信号处理的重要内容之一,随着微电子集成及数字技术的发展,其在声纳、雷达等许多领域有着很好的应用前景。高分辨算法最初都是基于不相关窄带信号而言的,而在水下信号处理中,由于多径、色散、以及海底和海面的影响,我们经常会碰到相干源的情形,如何把高分辨算法用到相干信号中去,是水下信号处理面临的一个难点。本文从工程实际应用的角度出发,系统研究了窄带相干源和宽带相干源高分辨方位估计的理论和方法,概括起来,本文的主要研究工作如下: 1、论述了DOA估计经典和高分辨方法的理论,对基于特征分解的高分辨算法MUSIC、Mini-Norm、ESPRIT进行了分析,给出了算法的实现步骤,分析并比较了算法的估计性能,对它们的分辨概率和估计精度进行了仿真,根据统计结果对算法的实用性做出了评价。 2、研究了窄带相干源高分辨算法的理论和方法,系统的研究了目前常用的解相干技术,即空间平滑技术、矢量重构技术、修KMUSIC算法、Toeplitz化近似法等,通过仿真,分析了这些算法的性能,并从估计精度、分辨概率、信噪比门限、稳健性等方面对这些算法进行了全面比较。研究结果表明:高信噪比下空间平滑技术性能较好且较稳健,低信噪比下Toeplitz化近似法、修正MUSIC算法性能较好。 3、深入研究了基于空间平滑技术的改进算法,系统的论述了相干源波束域及传播算子算法,相对于阵元域而言,波束域大大地降低了算法的运算量,且具有很好的稳健性,将传播算子的理论用于相干源中,算法的运算量可得到较大降低。同时研究了低信噪比下空间平滑的改进算法,研究结果表明矩阵分解法、利用子阵互相关法、加权空间平滑法的估计性能较空间平滑法有很大提高。此外把修正MUSIC法和空间平滑技术相结合,实现了子空间维数欠估计情况下相干源的方位估计。水池实验研究结果表明:空间平滑技术、Toeplitz化近似法、波束域算法对阵列误差具有较大的宽容性,是稳健的算法,具有很好的应用前景。 4、论述了宽带相干源高分辨算法的理论和方法,对典型宽带算法CSM法进行了系统的论述,分析了修正ISM法及基于恒定束宽的宽带波束域高分辨算法。仿真结果表明:CSM法、修正ISM法可以分辨相干源,且性能较好;宽带波束域算法运算量小、精度高、稳健性好,具有很好的工程应用前景。


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