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多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究

作　者: 曾浩
导　师: 杨士中
学　校: 重庆大学
专　业: 电路与系统
关键词: 多目标测控数字波束合成波达方向估计阵列增益阵列失配
分类号: V556
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

经过50多年发展,我国航空航天测控系统已经处于测控系统发展的第二个阶段,即统一载波测控体制,具有了由“地基”、“海基”测控设备构成的完整的测控网络。在这样的体制中,一套测控设备每次只能对一个目标进行测控,而且只能在本国和附近地区进行。随着航空航天科学技术的发展和国防建设需要,多目标同时测控的需求日益增强,其具体运用领域也日益广泛。比如,由跟踪与数据中继卫星组成的“天基”测控系统。为了在全球范围全程跟踪飞行器,“天基”测控把测控站放到太空中,由中继卫星完成。而一颗中继卫星不可能只监测一个飞行器,而必须同时多目标测控。多目标测控另一个典型应用是对小卫星测控。小卫星的出现,大大降低了卫星成本,这意味着空中卫星数量的增加,甚至出现了小卫星群。为了降低对小卫星的测控成本,多目标测控是主要解决手段。即使是在传统测控网络中,实现多目标测控,也是对原有设备进行改造和升级的重要方向。多目标测控实现是通过自适应数字波束合成(Digital Beamforming,DBF)技术。自适应DBF技术利用信号的不同来向,从空间域进行滤波,把主瓣对准期望信号而零陷对准干扰信号。通过软件形成不同的权值,在相同的硬件设备上形成多个通道,完成多目标测控。自适应DBF涉及了无线通信的各个部分,而关键在于基带信号处理。作者在全面理解DBF理论基础上,针对系统实现过程中涉及的多个系统性能问题进行了理论分析,同时对波束空间自适应算法和波达方向估计算法进行了改进,并完成了中频和基带的硬件设计和制作,为系统的产品化奠定了基础。论文主要内容包括:(1)首先以均匀线阵为研究模型,介绍了波束合成系统的几个重要参数意义和求解方法。推导在不同准则下的系统最优权矢量解,并对它们进行比较和分析,指出统一为维纳解。而通过对MV准则下波束合成器的仿真,可以观察空间滤波对系统性能的改善。(2)针对工程实现,分析了系统性能同量化比特数,采样快拍数,阵列失配的关系。对于量化比特数的分析,其意义在于确定ADC器件分辨率和数据精度。分析表明,系统量化比特数的增加对系统增益提高是有益的,但当量化比特数增加到一定值,这种改善就不明显了。快拍数大小,决定了协方差矩阵估计误差大小,从而影响系统性能。快拍数越多,误差当然越小,但系统复杂度自然也随之增加。通过分析快拍数同阵列增益的关系,就可以在理论上按照一定的技术指标确定自适应DBF算法使用的快拍数的多少。阵列失配是阵列校正的原因,线性约束和二次约束是两种基本校正方法。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-14
1 绪论  14-22
  1.1 研究背景  14-16
  1.2 自适应DBF 在测控系统中的应用  16-18
    1.2.1 自适应DBF 的特点  16-17
    1.2.2 “天基”测控系统中的自适应DBF  17
    1.2.3 小卫星测控中的自适应DBF  17-18
  1.3 技术发展与现状  18-20
  1.4 主要工作和内容安排  20-22
2 DBF 基础理论  22-42
  2.1 阵列天线的描绘  22-28
    2.1.1 阵列基本概念  22-23
    2.1.2 均匀线阵方向图  23-25
    2.1.3 阵列性能参数  25-28
  2.2 最优权值求解  28-33
    2.2.1 阵列导引  29
    2.2.2 零陷控制  29
    2.2.3 最大信干噪比准则（MSINR）  29-30
    2.2.4 最小均方误差准则（MMSE）  30-31
    2.2.5 最大似然准则（ML）  31
    2.2.6 最小方差准则（MV）  31-32
    2.2.7 最小功率准则（MP）  32
    2.2.8 几种准则的比较  32-33
  2.3 单一干扰下MV 准则最优波束合成器性能分析  33-38
    2.3.1 阵列增益  34-35
    2.3.2 阵列方向图  35-37
    2.3.3 灵敏度  37-38
  2.4 多目标阵列最优加权  38-40
  2.5 本章小结  40-42
3 DBF 中的几个重要问题  42-62
  3.1 引言  42
  3.2 量化误差对系统影响  42-47
    3.2.1 系统模型  42-43
    3.2.2 理想条件分析  43-44
    3.2.3 非理想条件分析  44-45
    3.2.4 仿真分析  45-47
  3.3 快拍数对系统影响  47-55
    3.3.1 协方差矩阵的估计  47-51
    3.3.2 快拍数K 对系统影响  51-55
  3.4 阵列失配  55-61
    3.4.1 阵列失配的原因  55-56
    3.4.2 MV 准则下失配对系统性能影响  56-57
    3.4.3 MP 准则下失配对系统性能影响  57-58
    3.4.4 稳健的波束合成器  58-61
  3.5 本章小结  61-62
4 自适应 DBF 算法和改进  62-90
  4.1 引言  62-63
  4.2 非盲自适应DBF 算法  63-74
    4.2.1 直接矩阵求逆法（DMI）  63-66
    4.2.2 递归最小二乘算法（RLS）  66-69
    4.2.3 最速下降算法（SD）  69-71
    4.2.4 最小均方算法（LMS）  71-74
  4.3 波束空间对角负载自适应波束合成器  74-84
    4.3.1 波束空间波束合成器  74-75
    4.3.2 波束空间DL 方法权矢量解  75-78
    4.3.3 波束空间DL 方法负载值  78-79
    4.3.4 阵列增益  79-82
    4.3.5 仿真结果  82-84
  4.4 盲自适应DBF 算法  84-89
    4.4.1 基于高阶累量的盲波束合成  85-86
    4.4.2 基于循环统计量的盲波束合成  86-88
    4.4.3 基于恒模特性的盲波束合成  88-89
  4.5 本章小结  89-90
5 DOA 估计算法及改进  90-110
  5.1 引言  90
  5.2 传统DOA 估计方法  90-93
    5.2.1 概述  90-91
    5.2.2 延迟－相加法  91-92
    5.2.3 Capon 最小方差法  92-93
  5.3 DOA 估计的子空间法  93-98
    5.3.1 概述  93
    5.3.2 基本的MUSIC 法  93-95
    5.3.3 基本ESPRIT 法  95-98
  5.4 参数估计法  98-99
    5.4.1 概述  98-99
    5.4.2 确定性最大似然法  99
    5.4.3 随机性最大似然法  99
  5.5 一种改进的MUSIC 算法  99-105
    5.5.1 引言  99-100
    5.5.2 均匀圆阵中二维DOA 估计的MUSIC 法  100-101
    5.5.3 DFT 的应用  101-102
    5.5.4 计算量分析  102-104
    5.5.5 仿真结果  104-105
  5.6 相关信源DOA 估计  105-108
    5.6.1 概述  105
    5.6.2 前向平滑技术  105-106
    5.6.3 前/后向空间平滑技术  106-108
  5.7 信源个数的估计  108-109
  5.8 本章小结  109-110
6 硬件设计和测试  110-126
  6.1 引言  110
  6.2 BPSK 的基本概念  110-114
    6.2.1 BPSK 的调制  110-112
    6.2.2 BPSK 的解调  112-113
    6.2.3 各种PSK 的性能分析  113-114
  6.3 直接序列扩频BPSK 调制的数字化实现  114-117
    6.3.1 扩频码产生  114-115
    6.3.2 DSSS 和BPSK 调制  115-117
  6.4 多路BPSK 解调  117-121
    6.4.1 多路BPSK 解调实现  117-118
    6.4.2 载波提取  118-121
  6.5 DBF 基带电路  121-125
    6.5.1 系统结构  121-122
    6.5.2 信号采集  122-123
    6.5.3 权值求解  123-124
    6.5.4 加权输出  124-125
  6.6 本章小结  125-126
7 结论和展望  126-128
致谢  128-130
参考文献  130-142
附录  142-147
独创性声明  147
学位论文版权使用授权书  147

多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究

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