机载相干信源DOA估计与幅相误差校正

作     者：江雅东 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦国栋

授予年度：2021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：DOA估计 幅相误差 自校正 外辐射源校正 解相干 最小二乘 

摘      要：阵列信号处理的应用涵盖了通讯、雷达、医学、定位和航空航天天等众多领域,是信号处理领域中的一个重要研究内容。经典的空间谱估计方法都是建立在理想阵列结构下的,然而在实际安装环境中,例如机载平台下,阵列会存在各种误差,例如幅相误差和互耦误差等。在不对阵列误差进行校正的情况下,传统空间谱估计方法的性能将严重恶化。受限于机载平台下有限的位置空间,阵列规模小且周围安装有其他设备,导致阵列工作在复杂环境中时,不得不考虑反射造成的多径以及外部的同频干扰信号。另外,由于机载平台处于不断运动中,在进行幅相误差校正时还需要考虑坐标位置的转换,这又给阵列误差校正增加了难度。针对上述几个问题,本文基于机载平台,对相干信源波达角估计与幅相误差校正展开研究。首先,对阵列信号的基本数学模型进行了介绍,给出了两种最常用的空间谱估计算法的实现原理,并通过仿真对两种算法的估计性能进行了对比。针对复杂环境下入射信号含有相干信号源的情况,建立了相干信号数学模型,分析了特征分解类算法在相干信源存在条件下性能发生恶化的原因。最后,给出了两种经典的解相干算法,并经过仿真分析对比了不同解相干方法的性能。其次,针对阵列结构存在误差下的空间谱估计问题,建立了阵列误差的数学模型,研究了阵列误差对空间谱估计结果的影响。然后介绍了经典的单辐射源校正和WeissFriedander（WF）自校正两种阵列误差校正方法。针对WF自校正算法在均匀线阵结构下失效的问题,介绍了基于最小二乘的自校正方法并对其进行了改进,改进算法在原最小二乘算法得到的相位误差基础上,构造可以规避相位误差和信源方位之间关联的代价函数,通过最小化代价函数,找到造成相位估计结果出现偏差的系数,通过补偿即可进一步降低均匀线阵结构下阵列相位不一致误差和角度估计之间的模糊现象,得到更准确的幅相误差结果。最后,对机载环境下阵列误差校正的工程实现进行了介绍。首先给出误差校正的总体框图,介绍了机载平台中关键模块的硬件参数和性能,并对谱估计算法在DSP上的软件实现进行了分析。通过利用插值和坐标转换,对实测数据进行了外辐射源校正分析。最后使用改进的最小二乘自校正算法对实测数据进行了仿真,获得了和外辐射源校正结果接近的性能。相比于WF自校正,改进的自校正算法无需进行迭代运算,算法复杂度低,具备一定的工程应用价值。