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阵列数字波束形成技术研究

作　者: 苏保伟
导　师: 周良柱；王永良
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 自适应波束形成自适应阵列主瓣干扰固定扰动虚拟阵列方向图控制旁瓣对消
分类号: TN911.7
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

自适应阵列技术是阵列信号处理的重要分支之一,在雷达、通信、声纳、导航、语音信号处理等军事和民用领域有着广阔的发展前景,特别是近年来已成为新一代多功能自适应有源相控阵雷达和移动通信智能天线中的关键技术。自适应阵列技术经历了近半个世纪的发展,取得了丰硕的研究成果,并逐步走向工程实用化,但对自适应阵列技术的研究远非完善。本文主要研究阵列信号自适应波束形成技术,总结了常用的波束形成算法及误差模型,对主瓣干扰、固定扰动干扰的抑制进行了研究,并研究了虚拟变换在阵列信号波束形成中的应用;研究分析了自适应方向图控制;对旁瓣相消时辅助天线阵元不同摆放形式、位置对相消性能的影响进行了研究。本文的主要工作和创新点概括如下:1、在自适应干扰对消时,当存在主瓣干扰且有期望信号混入或者干扰信号和期望信号相干时,用常规波束形成方法将在所有干扰方向形成零陷,而且期望信号也会被抑制,这会引起主瓣变形从而影响抗干扰性能。本文第三章提出一种改进的阻塞矩阵方法,先对接收数据进行预处理,消除它们对计算数据协方差阵的影响,再用其它方法确定自适应权值。本方法可以同时对具有先验方向信息的多个主瓣干扰和相干干扰进行处理,并对非均匀阵列也推导出相应的阻塞公式,理论分析和计算机仿真表明用阻塞矩阵方法可以获得较大的性能提升。2、在自适应阵列处理中,由于用于权值计算的训练快拍数据与当前被加权处理接收的快拍数据之间存在延迟,对于运动干扰,干扰角度快速变化,形成的自适应方向图零陷不能及时对准当前实际干扰角度,造成干扰不能被有效抑制。用传统的零陷加宽方法就既要对付固定强干扰,又要对付随机方向干扰,计算量大而且加宽零陷方法消耗了系统自由度。本文第四章提出固定零陷加宽方法SNW可以很好的解决这个问题,既形成宽零陷,又不增加太多计算负担。3、在阵列信号自适应处理中,很多优秀算法都是针对等距均匀线阵(ULA)而言,比如经典解相干技术——空间平滑,只能应用于ULA阵。但实际应用中阵列可能是非等距线阵(NLA)、圆阵或其它几何排列阵列。NLA阵在保持阵元数不变的情况下可有效提高空间分辨力,但阵元间距的扩大会带来方向估计的模糊,自适应处理时不仅抑制实际干扰,对并不存在的模糊方向也会抑制,无谓消耗系统自由度。实际中干扰数目可能会超过天线阵列系统自由度,这时系统抗干扰能力将下降。本文第五章研究了虚拟变换在自适应波束形成中应用,具体分析了变换区域的选取及虚拟阵列的最佳阵元数选取,指出了要性能达到最优,虚拟阵列孔径需和实际阵列孔径基本一致,并解决了虚拟变换中白噪声受到污染成为色噪声而引起的性能下降问题。对超过系统自由度干扰的抑制问题文中也进行了仿真分析。4、在一些特殊应用,如智能发射中,可能对波束方向图副瓣形状及增益有不同要求。文中第六章研究了基于LCMV的自适应方向图控制方法,在LCMV波束形成中,增加最优权目标拟合函数,得到的方向图能保证期望信号方向增益最大,干扰方向形成零点并且副瓣形状、增益与期望静态方向图非常接近。用对角加载方法解决了小快拍数下收敛速度慢的问题,并仿真给出了加载量的选取范围,对面阵的自适应方向图控制文中也进行了详细讨论,阵列幅相误差和互耦误差对自适应方向图控制影响,文中也给出了仿真和分析。5、自适应旁瓣相消是相控阵雷达技术的一个重要组成部分,它将天线技术与信号处理技术结合在一起,使相控阵天线实现超低副瓣,达到抗有源干扰的目的。由于工程需要,辅助天线可能被做成各种形状,辅助阵元可能会有不同的排列形式,不同情况下旁瓣相消性能如何?文中第七章讨论了典型的辅助阵元排列形式、位置对线阵、面阵旁瓣相消性能影响,并讨论了辅助通道不一致对相消性能影响。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-17
第一章绪论  17-26
  1.1 引言  17
  1.2 自适应阵列信号处理的研究进展及现状  17-22
  1.3 本文主要工作  22-26
第二章自适应阵列处理的数学模型  26-37
  2.1 阵列窄带信号数学模型  26-29
  2.2 阵列误差模型  29-31
  2.3 阵列方向图  31-32
  2.4 自适应波束形成算法的几个准则  32-37
第三章阻塞矩阵法在自适应波束形成中的应用  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 采样信号包含期望信号并存在主瓣干扰时自适应干扰对消  37-42
    3.2.1 阻塞矩阵计算  37-41
    3.2.2 阻塞预处理对波束形成影响  41-42
  3.3 非均匀线阵时阻塞阵求法  42
  3.4 性能分析  42-46
  3.5 小结  46-47
第四章固定扰动情况下自适应抗干扰  47-55
  4.1 引言  47
  4.2 最优波束形成  47-49
    4.2.1 MVDR 方法求权  47-48
    4.2.2 形成固定宽零陷并抑制其它干扰  48-49
    4.2.3 输出信干噪比  49
  4.3 仿真实验  49-54
    4.3.1 对消性能分析  49-52
    4.3.2 阵列存在幅相误差时情况  52-54
  4.4 小结  54-55
第五章虚拟变换自适应波束形成方法  55-72
  5.1 引言  55
  5.2 虚拟阵列变换方法  55-58
    5.2.1 信号描述  55-56
    5.2.2 虚拟阵列变换方法  56-58
  5.3 相关分析  58-62
    5.3.1 抗超自由度干扰  58-59
    5.3.2 解决方位模糊及高旁瓣问题  59-61
    5.3.3 变换误差与角度关系  61-62
  5.4 仿真分析  62-70
    5.4.1 虚拟阵元数目对性能影响  62-66
      5.4.1.1 非半波长均匀线阵虚拟变换  62-63
      5.4.1.2 任意阵列虚拟变换  63-65
      5.4.1.3 均匀圆阵虚拟变换  65-66
    5.4.2 虚拟阵列间距选取  66-68
    5.4.3 虚拟阵列对付超自由度干扰  68-70
      5.4.3.1 对付超自由度独立干扰  68-69
      5.4.3.2 对付超自由度相干干扰  69-70
  5.5 小结  70-72
第六章自适应方向图控制  72-102
  6.1 引言  72-73
  6.2 方法描述  73-75
  6.3 对面阵的方面图控制  75-76
    6.3.1 面阵信号模型  75
    6.3.2 面阵方向图表示  75-76
    6.3.3 面阵降维求自适应权及面阵方向图控制  76
  6.4 小快拍数下性能与稳定性分析  76-78
  6.5 存在误差时方向图控制  78-79
    6.5.1 存在幅相误差时权值表示  78-79
    6.5.2 互耦误差对方向图影响  79
  6.6 计算机仿真分析  79-100
    6.6.1 线阵方向图控制计算机仿真  79-84
    6.6.2 面阵方向图控制计算机仿真  84-88
    6.6.3 阵列误差对自适应方向图控制及系统性能影响计算机仿真  88-100
      6.6.3.1 仅有幅度误差时方向图控制  88-90
      6.6.3.2 仅有相位误差时方向图控制  90-92
      6.6.3.3 有幅度误差和相位误差时方向图控制  92-95
      6.6.3.4 幅度误差和相位误差对系统输出信干噪比影响  95-96
      6.6.3.5 存在互耦误差时阵列方向图  96-100
  6.7 小结  100-102
第七章辅助天线不同排列形式及位置变化对旁瓣对消性能影响  102-113
  7.1 旁瓣对消原理  102-103
  7.2 线阵旁瓣相消辅助阵元几种摆放位置最优权计算  103-106
  7.3 二维自适应旁瓣相消  106-107
  7.4 计算机仿真  107-112
    7.4.1 线阵旁瓣相消  107-108
    7.4.2 面阵旁瓣相消  108-112
  7.5 小结  112-113
第八章结束语  113-117
  8.1 本文内容总结  113-115
  8.2 需进一步研究的问题  115-117
致谢  117-118
参考文献  118-125
作者在学期间取得的学术成果  125

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