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【硕士论文】探讨一种基于等效变换阵元间距的宽频段自适应波达方向算法(论文案例)

星级: ★★★★★ 期刊: 《中国高新技术企业》作者:姜浩智,郭静浏览量:2725 论文级别:优质本章主题:角度和算法原创论文: 5156论文网时间:2015年2月16日审核稿件编辑:Reg本文版权归属:www.5156chinese.cn 分享次数:2791 评论次数: 1762

导读:一种基于等效变换阵元间距的宽频段自适应波达方向算法是一篇相关角度和算法的论文开题报告ppt模板,免费分享阅读下载是对毕业生写作论文有着参考意义。

(江西路通科技有限公司,江西 南昌 330002)

摘要:文章分析了宽频段自适应波达方向算法的基本原理和思路,提出了一种基于等效变换阵元间距的宽频段自适应波达方向算法,该方法在不改变均匀线阵物理拓扑结构的情况下,能够保证一定空间分辨率,同时有效避免波达方向估计角度模糊,最后通过计算机模拟仿真验证文中结论.

关键词:天线阵列;波达方向;MUSIC算法;阵元间距;空间谱

中图分类号:TP212  文献标识码:A  文章编号:1009-2374(2010)06-0012-03

  

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阵列测向技术中,各种算法利用阵列天线阵元间距产生时延所引起的相移信息来估计波达方向角度.然而相位信息是以2π为周期的,所以对于普通的常用等距线阵来说,其阵元间距不能大于空间入射信号波长的一半,使得阵列方向矩阵的各个列向量线性独立,以保证波达方向估计的唯一性.对于宽频段的测向设备中,空间入射信号的波长的波动范围较大,这样阵元间距选取不当将会存在两个严重问题:对于高频段的空间入射信号而言,波达方向估计算法的空间谱上将出现虚假谱峰,估计角度模糊;对于低频段的空间入射信号而言,虽然保证了波达方向估计的唯一性,但是阵元间距与空间入射信号的半波长相比过小,造成波达方向估计算法空间分辨率和估计精确度的降低.

针对空间谱上将出现虚假谱峰,估计角度模糊的问题,Zoltowski等人首先提出了采用的非均匀线阵的方法来解波达方向估计角度模糊,在此基础之上,王激扬等人提出了一个可以实现信号到达角解模糊的具有最小冗余度的非均匀线阵阵元间距的配置方案和相应的信号到达角解模糊算法.但是这类方法需要设计较为复杂不规则的非均匀线阵,不利于算法的扩展.Kim等人提出了采用对实际的物理阵列进行多次虚拟扩展,然后平均多个具有不同扩展参数h的虚拟阵列的空间谱的方法来拟制虚假谱峰;然而这样必然需要进行空间自相关矩阵的估计、空间自相关矩阵的特征分解、噪声子空间的构造、空间谱的构造等多次计算,导致巨大的运算量,增加了算法复杂度,影响波达方向估计算法的运算速度,使得算法的实时性变差.

本文以最为经典的MUSIC算法为例,提出一种基于等效变换阵元间距的宽频段自适应波达方向算法,该方法在不改变均匀线阵物理拓扑结构的情况下,能够保证一定空间分辨率,同时有效避免波达方向估计角度模糊.

  一、基本原理和思路

  从原理上来说,等效变换阵元间距法拟制空间谱上的虚假谱峰,解除角度模糊问题,也同样是通过参考文献[4]提出的扩展参数h改变阵列的方向向量来达到目的的.图1、图2是对于8元均匀线阵、和均匀圆阵的虚拟变换示意图.

实际上,通过变换后的阵列方向向量为:

  这也就是说,虽然阵元间距和载波频率所对应的波长之间满足θ>0。5,会产生虚假谱峰和角度模糊,但是只要我们选取恰当的扩展参数h<1,就可以保证通过扩展参数h的影响使得hd/λ<0。5,从而使得破坏空间谱出现虚假谱峰的条件,解除角度模糊,提取真实谱峰,获得正确的波达方向估计,同时又要可以保证一定的估计精确度.以下详细阐述等效变换阵列阵元间距方法的思路:

  首先,采用普通MUSIC算法进行波达方向估计(此时不需要做任何的虚拟阵列扩展,即阵列的扩展参数h=1)

一种基于等效变换阵元间距的宽频段自适应波达方向算法
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,在空间谱上搜索到P( 0 )个谱峰,同时通过MDL或者是AIC准则估计出信源个数P,然后比较空间谱上搜索到的谱峰个数P( 0 )和估计出的信源个数P之间的大小.接下来可能出现三种情况:

  1.若P( 0 )<P,那么这就说明有几个信源的波达方向角度靠得很近,以至于现有的物理阵列孔径不能够有效的分辨出这些角度,使得本应该识别的多个角度,变为一个角度,不妨记为θp( 0 )

  此时,可以再把扩展参数h扩大2倍,对物理阵列进行一次虚拟扩展,再次应用MUSIC算法进行一次波达方向估计,此时不需要搜索(π-/2,π/2)区间上的所有角度,收缩谱峰搜索角度域的范围在上一轮每一个估

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计角度p( 0 )所对应的谱峰附近空间谱谱

  此时算法的空间分辨率将增强,记搜索到所有波达方向角的个数为P( 1 ),P( 1 )≥P( 0 ).这里不在全角度域进行谱峰搜索的原因有两点:其一,再次全角度域搜索浪费了上一轮估计给出的信息量,没有必要的增加了宝贵算法的时间;其二,也是更加重要的,对于上一轮波达方向估计过程中能够很好分辨的信源到达角度而言,在完成采用2倍于上一轮的扩展参数后,进行的本轮估计将有可能在别的角度上出现虚假谱峰,造成角度模糊,甚至使得本轮搜索到所有波达方向角的个数为P( 1 )>P,增加算法检测是否还有别的角度由于本轮算法的分辨率不够而还存在没有分辨出来的波达方向角,同时也增加排除虚假谱峰的难度.此时若仍有P( 1 )<P,那么重复情况(i);若P( 1 )=P,那么进入情况2;

  2.若PP( 0 )=P,那么这些谱峰在角度域上所对应的角度即为所求的波达方向估计角度,波达方向估计完成.

  3.若P( 0 )>P,意味着必然出现了虚假谱峰,产生了角度模糊.为了能够在尽量少的虚拟阵列变换过程中,查找真实波达方向角度,同时又具有较好的算法分辨性能.对于扩展参数h的选取问题不能过大也不能过小,扩展参数h过大,则将仍然存在着虚假谱峰和角度模糊问题,不能有效分辨真实谱峰;扩展参数h过小,那么有可能使得波达方向估计算法的空间分辨率下降,以至于不能

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有效分辨上一轮能够分辨出来的波达方向角度.因此为了选取一个大小较为合适的扩展参数h,进一步考察空间谱上搜索到的谱峰个数P( 0 )和估计出的信源个数P之间的关系.由上一小节得出的虚假谱峰的个数和阵元间距的关系,我们可以把阵列虚拟扩展参数h取值定义为:

(4)

  然后,可以再把物理阵列进行虚拟缩小扩展h倍,再次应用MUSIC算法进行一次波达方向估计,利用上一轮波达方向估计的信息,此时同样不需要搜索(-π/2,π/2)区间上的所有角度,收缩

些谱峰在角度域上所对应的角度即为所求的波达方向估计角度,波达方向估计完成.

  二、等效变换阵元间距算法步骤

  具体算法步骤描述如下:

  步骤1:初始化扩展参数h=1,进行普通MUSIC算法估计得到空间谱谱峰P( 0 )个,信源数P个.

  步骤2:比较空间谱谱峰个数P( 0 )与信源数个数P之间的大小关系,当P( 0 )<P,则转向执行步骤3;当P( 0 )=P,则转向执行步骤4;当P( 0 )>P,则转向执行步骤5.

  步骤3:把扩展参数扩大一倍后,再次应用MUSIC算法进行估计得到空间谱谱峰P( 1 )个,并把这轮估计得到的谱峰个数P( 1 )与信源个数P相比较,当P( 1 )<P,则继续执行步骤3;当P( 1 )=P,则转向执行步骤4.

  步骤4:本轮空间谱谱峰搜索得到的P( 0 )个谱峰在角度域所对应的角度即为波达方向,算法结束.

  步骤5:令扩展参数

,并再次应用MUSIC算法进行估计后必有空间谱谱峰个数P( 0 )与信源数个数P相等,即P( 0 )=P,本轮空间谱谱峰搜索得到的P( 0 )个谱峰在角度域所对应的角度即为波达方向,算法结束.

  等效变换阵元间距方法的流程图如图3所示:

  三、仿真实验

  对于宽频段中的两个空间信号分别从20°和40°入射到阵元间距为一倍波长的8元均匀线阵上,线阵的阵元间距大于空间信号对应的半波长,信噪比均为10dB,快拍数为128.采用h=1和h=1/2的两组不同的虚拟变换参数进行空间谱估计,如图4所示,进行了一次等效缩小阵列变换方法的MUSIC算法完全消除了虚假谱峰.

  四、结论

  为了避免设置非均匀线阵和平均多个等效虚拟扩展阵列空间谱而带来的巨大运算量,本文提出采用等效缩小阵元间距的变换方法来,使得等效阵元间距变小来拟制虚假谱峰和波达方向估计角度模糊.该方法在能够在出现虚假谱峰的情况下,仅仅只需要通过一次阵列虚拟扩展就可以把空间谱的真实谱峰提取出来;并且在虚拟扩展阵列所对应的空间谱搜索上也不需要全角度域的搜索,仅仅只需要在几个上一轮已经存在的谱峰周围进行搜索,有效地避免了不必要的运算.

  

[ 参考文献 ]

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