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快速稳健的参数估计及波束形成技术研究

作　者: 包志强
导　师: 吴顺君
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 阵列信号处理信源个数检测参数估计波束形成特征空间波达方向空间相关噪声非监督聚类
分类号: TN911.7
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

阵列信号处理是现代信号处理的一个重要的分支，其应用广泛的涉及到雷达、声呐、导航、通讯、成像、地质勘探和生物医学工程等诸多领域。因此对于该领域的研究有着重要的理论和应用价值。本论文的主要研究内容是阵列信号处理系统中的参数估计和波束形成技术，其目的是为了研究不同的噪声背景下快速有效的子空间估计方法，以及建立快速稳健的波束形成技术。论文主要的工作如下： 1) 针对多级维纳滤波器(MSWF)用于子空间估计时信号特征矢量泄漏到噪声子空间的问题，提出了一种新的信号子空间估计算法，该算法不需要训练信号和信源个数的先验知识。对于信源个数的确定，给出了一种信源检测的后判断方法，最终完成信源个数及方向的同时估计。整个算法不需要协方差矩阵的计算和特征值的分解，具有较低的计算复杂度。 2) 对于空间相关噪声下的快速DOA估计，我们把时间相关信息引入到多级维纳滤波器算法中，提出了基于空时相关的多级维纳分解算法，用于快速估计空间相关噪声下信源的波达方向。同时针对相干信源情况我们给出了前后向平滑的多级维纳子空间估计快速算法，用于快速估计相干信源的波达方向。 3) 针对基于采样协方差矩阵幂的快速子空间估计方法中存在的缺点：需要预先知道信源个数的先验知识以及分离信号与噪声特征值的门限。本文提出了一种基于QR分解的Power-ESPRIT(以下简称QP-ESPRIT算法)新算法。首先使用采样数据协方差矩阵的幂(Power)获得噪声子空间的估计，然后对噪声子空间进行OR分解并使用R矩阵估计信源个数，提出了无特征分解的信源个数检测算法—SDWED算法。进而，信号子空间的特征向量就可以由Q矩阵确定，从而应用ESPRIT算法获得信源波达方向的估计。 4) 提出了一种基于多极维纳滤波器的快速稳健广义旁瓣相消(Generalized Sidelobe Canceller，GSC)波束形成器。首先根据多级维纳分解推导出计算加载量方程，从而得到精确的加载量，进一步结合提出的匹配滤波器加载技术，使得算法达到了稳健的性能。该算法不需要计算阵列的协方差矩阵及其特征值分解，因此极大的降低了算法的计算复杂度。 5) 提出了一种自适应参数选择的稳健波束形成算法，克服了固定误差参数的选择对于稳健波束形成算法性能的影响。该算法使用双约束最坏性能的最优化问题，推导出了计算加载量的方程，并根据该方程的特性，提出了自适应确定误差参数的方法。与基于固定加载和特征空间等稳健波束形成算法的仿真实验对比证明了所提算法的稳健性和有效性。6) 使用了一种非监督的聚类算法—FCM算法，提出了非监督特征值聚类的检测算法—UECD算法。该算法受采样快拍数的影响很小具有很强的鲁棒性。在高斯白噪声和空间相关色噪声情况下，算法都可以得到正确的估计。尤其对于非均匀的高斯白噪声本文算法的检测性能最好。在空间相关色噪声情况时，无论是使用两个独立阵列且两阵列之间的噪声不相关的情形，还是使用阵元间的噪声相关的单一阵列，算法都是有效的，只是后一种情况下本文算法的检测性能会略微下降。因此算法适用于各种噪声模型，具有很强的普适性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-30
  §1.1 论文的研究背景及其意义  12-13
  §1.2 阵列信号处理中信源数目检测的研究历史及现状  13-15
  §1.3 阵列信号处理中参数估计的研究历史及现状  15-19
    §1.3.1 快速参数估计的研究历史及现状  17
    §1.3.2 空间相关色噪声下参数估计的研究历史及现状  17-19
  §1.4 波束形成的研究历史及现状  19-22
    §1.4.1 自适应波束形成的研究历史及现状  19-20
    §1.4.2 稳健波束形成的研究历史及现状  20-22
  §1.5 本文的主要研究工作及内容安排  22-24
  参考文献  24-30
第二章阵列信号处理的基础知识  30-44
  §2.1 引言  30-31
  §2.2 阵列信号处理的统计模型  31-32
  §2.3 基于信息论准则的信源数目的检测  32-33
  §2.4 阵列参数估计的子空间类高分辨算法  33-38
    §2.4.1 子空间的基本概念  34-35
    §2.4.2 MUSIC法(多重信号分类法)  35-36
    §2.4.3 ESPRIT法(旋转空间不变法)  36-38
  §2.5 阵列信号处理的波束形成技术  38-40
  §2.6 小结  40
  参考文献  40-44
第三章基于多级维纳滤波器的快速波达方向估计算法  44-62
  §3.1 引言  44-45
  §3.2 多级维纳滤波器技术  45-50
    §3.2.1 满秩的多级维纳滤波器  45-48
    §3.2.2 多级维纳滤波器的有效实现结构  48-49
    §3.2.3 多级维纳滤波器的性质  49-50
  §3.3 基于多级维纳滤波器的快速波达方向估计算法  50-59
    §3.3.1 基于多级维纳滤波器的快速子空间估计  50
    §3.3.2 一种新的快速子空间估计算法  50-54
    §3.3.3 信源数目估计的的后判断算法  54-55
    §3.3.4 计算机仿真实验  55-59
  §3.4 小结  59
  参考文献  59-62
第四章空间相关色噪声下的DOA估计快速算法  62-82
  §4.1 引言  62-63
  §4.2 空间相关色噪声下的DOA估计快速算法  63-71
    §4.2.1 信号模型及假设  63-64
    §4.2.2 基于空时相关的多级维纳快速子空间估计算法  64-66
    §4.2.3 计算机仿真实验  66-71
  §4.3 空间相关色噪声下相干信源的DOA估计快速算法  71-78
    §4.3.1 基于前后向平滑的空时多级维纳分解算法  71-73
    §4.3.2 计算机仿真试验  73-78
  §4.5 小结  78
  参考文献  78-82
第五章基于协方差矩阵幂的快速ESPRIT算法  82-94
  §5.1 引言  82-83
  §5.2 基于协方差矩阵幂的子空间近似算法  83-84
  §5.3 无特征分解的信源个数估计算法(SDWED)  84-86
  §5.4 一种低复杂度的QP-ESPRIT新算法  86-87
  §5.5 计算机仿真实验  87-91
  §5.6 小结  91
  参考文献  91-94
第六章快速稳健的波束形成技术  94-118
  §6.1 引言  94
  §6.2 稳健的波束形成技术理论  94-97
  §6.3 一种快速稳健的波束形成算法  97-104
    §6.3.1 基于多级维纳滤波器的GSC波束形成器  97-98
    §6.3.2 快速稳健的GSC波束形成器  98-101
    §6.3.3 计算机仿真实验  101-104
  §6.4 一种自适应参数选择的稳健的波束形成算法  104-111
    §6.4.1 基于最坏性能最优化的稳健的波束形成算法  105-106
    §6.4.2 一种自适应参数选择的稳健波束形成器  106-108
    §6.4.3 计算机仿真实验  108-111
  §6.5 小结  111
  参考文献  111-118
第七章基于非监督模糊聚类的信源个数稳健检测算法  118-136
  §7.1 引言  118-120
  §7.2 Fuzzy-c-means聚类算法  120-121
  §7.3 信号模型及问题提出  121-122
  §7.4 一种基于非监督聚类的稳健信源个数检测算法-UECD检测算法  122-126
    §7.4.1 聚类趋势分析  122-123
    §7.4.2 聚类的有效性分析  123-125
    §7.4.3 聚类中心的初始化分析  125
    §7.4.4 UECD检测算法  125-126
  §7.5 计算机仿真实验  126-131
  §7.6 小结  131-132
  参考文献  132-136
第八章总结与展望  136-140
  §8.1 总结  136-137
  §8.2 展望  137-140
致谢  140-142
攻读博士学位期间撰写的学术论文  142-143

快速稳健的参数估计及波束形成技术研究

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