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基于共形天线阵的DOA估计及DBF若干算法研究

作　者: 杨鹏
导　师: 杨峰
学　校: 电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 共形天线阵 DOA估计 数字波束形成(DBF) 阵列误差校正
分类号: TN820.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 229次
引　用: 2次
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内容摘要


在飞行器或其他移动平台载体表面,常常需要安装共形天线阵。共形阵具有不改变飞行器表面空气动力学性能、易实现宽角扫描、隐蔽性好,安装简单等优点。然而,共形阵也具有一些特殊的性质:如金属载体具有遮挡效应,对某一方向入射的信号会产生“暗区”,即某些阵元无法接收到该信号;阵元方向图无法设计成全向,即具有方向性;此外,阵元之间的互耦变得更为复杂,还会产生电磁绕射效应等等。因此,相对于普通阵列而言,要在共形阵上实现阵列天线的自适应信号处理还存在许多困难。针对以上问题,本文以共形天线阵为基础,详细研究了基于MUSIC(multiple signal classification)类的DOA(direction-of-arrival)估计算法和存在误差情况下的稳健DBF(digital beamforming)算法,并对共形阵中存在的各种误差进行了分析,主要内容如下:首先,介绍了共形阵的基本理论,导出了共形阵的统一的方向图函数表达式,并对共形阵的基础——均匀圆环阵的特性进行了深入研究。其次,在共形天线阵上,研究了MUSIC类和用于圆环类结构的DOA估计算法——UCA-RB-MUSIC(uniform circular array real beamspace MUSIC)算法,针对共形阵的特殊性,提出了一种适用于一般曲线(面)共形结构的子阵分割MUSIC算法,该方法可以有效克服由于载体遮挡引起的MUSIC算法性能下降。再次,研究了共形阵列上的DBF算法,详细讨论了DOA估计误差对波束形成性能的影响。将一种稳健的自适应波束形成算法—RCB(robust capon beaming)算法应用于共形阵DBF中,并由一维推广至二维情况。最后,针对实际工程应用中可能出现的几种典型的阵列误差进行了分析,研究了各种误差对共形阵DOA估计和DBF性能的影响,并给出了相应的校正方法。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 引言  9-16
  1.1 共形天线阵概述  9-10
    1.1.1 平面天线阵的不足  9
    1.1.2 共形天线阵的特点  9-10
    1.1.3 共形天线阵面临的困难  10
  1.2 自适应信号处理技术在共形天线阵中的应用  10-15
    1.2.1 自适应天线系统的优势  11-12
    1.2.2 自适应天线系统的构成  12-15
  1.3 本论文主要工作及论文结构  15-16
第二章 共形天线阵列分析  16-26
  2.1 任意阵列天线方向图函数  16-17
  2.2 圆环阵列分析  17-21
    2.2.1 圆环阵的方向图函数  17-19
    2.2.2 圆环阵的方向性系数  19
    2.2.3 阵元极化对共形圆环阵方向图函数的影响  19-21
  2.3 圆柱、圆锥、半球阵方向图函数  21-24
    2.3.1 统一的方向图函数  22
    2.3.2 圆柱共形阵的方向图函数  22-24
    2.3.3 圆锥共形阵、半球共形阵方向图函数  24
  2.4 小结  24-26
第三章 基于共形载体的DOA估计算法  26-45
  3.1 阵列接收数据模型  26-28
  3.2 MUSIC算法  28-34
    3.2.1 MUSIC算法原理  28-29
    3.2.2 基于圆柱共形阵的MUSIC算法仿真  29-34
  3.3 UCA-RB-MUSIC算法  34-39
    3.3.1 UCA-RB-MUSIC算法原理  34-36
    3.3.2 UCA-RB-MUSIC算法仿真  36-39
  3.4 基于子阵分割的MUSIC算法  39-44
    3.4.1 子阵分割MUSIC算法原理  39-41
    3.4.2 子阵分割MUSIC算法仿真  41-44
  3.5 小结  44-45
第四章 基于共形载体的数字波束形成算法  45-63
  4.1 数字波束形成算法准则  45-48
    4.1.1 最小均方误差(MMSE)准则  45-46
    4.1.2 最小二乘（LS）准则  46-47
    4.1.3 线性约束最小方差(LCMV)准则  47-48
  4.2 采样矩阵求逆算法(SMI)  48-53
    4.2.1 SMI算法原理  48-50
    4.2.2 SMI算法性能分析  50-53
  4.3 基于可变对角加载的稳健数字波束形成算法（RCB）  53-62
    4.3.1 算法原理  53-55
    4.3.2 基于共形阵的稳健DBF算法仿真  55-62
  4.4 小结  62-63
第五章 阵列误差对DOA估计及DBF性能的影响  63-80
  5.1 阵列误差模型  63-66
    5.1.1 阵列互耦  63-65
    5.1.2 阵元位置误差  65-66
    5.1.3 阵元匹配误差  66
  5.2 存在各种误差时DOA估计及DBF性能分析  66-74
    5.2.1 阵元互耦对DOA估计和DBF性能的影响  67-69
    5.2.2 同时考虑阵元方向性、阵元互耦以及阵元位置误差对DOA估计和DBF性能的影响  69-71
    5.2.3 阵元匹配误差对DOA估计和DBF性能的影响  71-74
  5.3 阵列误差校正方法  74-79
    5.3.1 DOA估计的辅助阵元校正法  74-76
    5.3.2 圆柱共形阵的DBF校正方法  76-79
  5.4 小结  79-80
第六章 结束语  80-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间主要科研和学术成果  85-86

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 天线 > 一般性问题 > 信号发送、辐射系统 > 天线阵与天线组合
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