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基于空、时域扩展的运动阵列信号处理技术

王健鹏  
【摘要】:在现代战场环境中,随着各种雷达、通信辐射源和干扰源、雷达诱偏源的大量部署,电磁环境日益复杂,信号时域重叠现象已日趋严重。为对各类辐射源目标进行准确定位以实现某些战术意图,需要首先保证混叠多信号能够被有效分辨。在通常情况下,信号的高分辨波达方向(DOA)估计需要大孔径天线阵列的支持。然而随着各类战术平台向着小型化的趋势发展,阵列的孔径会受到越来越严格的限制,常规的阵列空域处理算法已经难以满足对信号的高分辨DOA估计需要。为解决信号分辨力与阵列孔径间的矛盾,本文从实现阵列空域扩展的角度出发研究了被动合成孔径技术,从实现阵列时域扩展的角度出发研究了阵列信号时-空二维处理技术。基于上述两种技术,本文尝试利用较小的实阵列孔径(或较少的通道数)以实现对信号的高性能分辨。论文主要研究内容如下: 第二章研究了单阵元被动合成孔径问题。首先,在匀速运动单阵元被动合成孔径模型的基础上分析了单阵元被动合成孔径所面临的信号频率和DOA的估计模糊问题。然后,提出了适用于单阵元任意机动方式的被动合成孔径通用算法,并数值分析了阵元被动合成孔径的最优运动方式。接下来,针对现有单阵元被动合成孔径技术在适应脉冲信号频率抖动(主要由相位噪声造成)方面的不足,提出了与相位噪声模型相匹配的改进单阵元被动合成孔径算法。该算法可以提高对脉冲信号的DOA估计精度。 第三章研究了运动线阵列的被动合成孔径问题。针对非均匀运动线阵列对窄带非连续信号的被动合成孔径处理需要,推广了ETAM算法,提出一种非重叠阵列扩展(Non-Overlap Extended Array, NOEA)算法。该算法无需阵元重叠,通过二维MUSIC算法估计“相位校正因子”来实现阵列的孔径扩展,可有效提升运动线阵列的信号分辨性能。 第四章研究了任意构型阵列的被动合成孔径问题,并分两种情况加以讨论。第一,针对阵列运动姿态变化情况,应用内插变换技术将任意构型阵列变换为虚拟线阵列,再利用NOEA算法估计“相位校正因子”,从而实现对任意构型阵列的被动合成孔径处理。然后,采用粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)方法对相干信号进行二维DOA估计。该算法的贡献在于:将被动合成孔径技术的应用对象由线阵列扩展到存在平台姿态变化的任意构型阵列,将对信号DOA的估计维数由一维拓展到二维。第二,针对运动阵列姿态不变情况,利用阵列的平移不变性提出一种基于阵列内插ESPRIT的“相位校正因子”估计方法,实现了对任意构型阵列的被动合成孔径处理。然后,利用阵列内插变换技术完成对合成孔径阵列的“均匀化”,以实现对相干信号的空间平滑。最后,利用二维MUSIC算法完成对相干信号的二维高分辨DOA估计。该算法相对于变姿态任意构型阵列的被动合成孔径算法,在计算效率上存在优势,但要求阵列的运动姿态保持稳定。 第五章主要研究时-空二维阵列信号处理问题。首先,为满足运动阵列对相干信号高分辨DOA估计的需要,建立了引入阵列运动信息的时-空二维信号模型,并提出了相应时-空二维时间平滑方法,给出了分辨两相干信号所需的阵列最小运动速度值。根据运动阵列时-空二维处理过程与被动合成孔径技术在阵列运动信息利用上的相似性,将运动阵列时-空二维处理过程看作是被动合成孔径的一种技术实现方式。另外,为减小阵列信号时-空二维处理过程的计算量,提出一种基于时-空二维信号模型的快速DOA估计算法。


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