不同噪声环境下的宽带LFM信号DOA估计

作     者：张静 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王建英

授予年度：2009年

学科分类：0711[理学-系统科学] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：宽带线性调频信号DOA估计 匹配跟踪 无穷范数 传播算子 分数阶Fourier变换 

摘      要：波达方向（Direction of Arrival, DOA）估计作为阵列信号处理的一个重要研究方向,在雷达、通信等领域有着广泛的应用前景,目前,它已成为阵列天线系统和智能天线的关键技术。 波达方向估计的主要研究内容之一是如何从背景噪声中准确地估计信号的方位（而这些背景噪声各种各样,大致从简单的高斯空间白噪声环境到复杂的未知空间色噪声环境）。实际工程中,最常出现的是复杂噪声环境下的波达方向估计问题,由此,不同噪声环境下的DOA估计算法研究,不仅有着重要的理论意义,也具备较高的实际应用价值。 线性调频（Linear Frequency Modulation,LFM）信号是非平稳信号中普遍存在的一种信号形式,由于它的非平稳特性,其参数估计较一般的信号复杂,得到了学者们的广泛关注。本文主要就不同噪声环境下的宽带LFM信号波达方向估计进行研究。 论文首先介绍了信号模型与阵列形式及其传统的时频子空间DOA估计算法,然后针对不同的加性噪声环境,本文着重研究了如何在不同噪声环境下得到准确的、高分辨的波达方向。 本文的主要工作和贡献有： 1、研究了宽带LFM信号DOA估计的几种算法,重点介绍了自适应信号稀疏分解方法——MP（Matching Pursuit）算法。计算机仿真实验表明,在高斯白噪声环境下,对比于传统的时频信号子空间DOA估计算法,MP算法性能较好,尤其在低信噪比情况下仍然有较高的估计精度。 2、给出了sαs冲击噪声环境下的高分辨DOA估计算法。首先,给出了基于无穷范数及Screened Ratio原理的MP（简称IN-SR-MP）波达方向估计算法,即利用无穷范数归一化先进行预处理,接着通过Screened Ratio原理的启发来构建MP分解过程中进行匹配所需的相关矩阵,最后利用传统MP算法,实现LFM信号波达角估计;其次,鉴于MP算法存在计算量大的问题,又推导出基于无穷范数归一化预处理的传播算子（简称IN-PM）波达方向估计快速算法。上述两种算法的估计性能均优于常规的FLOM-TF-MUSIC算法、FLOM-MP算法。 3、在高斯色噪声环境下,详细介绍了基于线性时频变换（FRFT）的四阶累积量MUSIC算法对非平稳宽带LFM信号的DOA估计过程,针对上述算法所存在的低信噪比下估计性能失效及运算量大的问题,又给出了基于FRFT的传播算子的DOA估计算法。仿真实验验证,基于FRFT的四阶累积量MUSIC算法能够用来处理高斯色噪声。同时,实验亦表明FRFT-PM算法估计性能略优于FRFT-CUM-MUSIC算法,和MP算法性能相当。 4、在两种噪声共存的混合加性噪声环境下,设计了基于FRFT的传播算子新算法,并将基于FRFT的传播算子算法及其新算法运用到混合加性噪声环境下,仿真实现了混合加性噪声环境下的LFM信号DOA估计。