均匀线阵和均匀圆阵下的DOA算法和DBF算法研究的背景及目的意义.doc

均匀线阵和均匀圆阵下的DOA算法和DBF算法研究的背景及目的意义1研究背景信号处理的基本原则是尽可能地利用、提取和恢复包含于信号特征中的有用信息。在复杂的电磁环境中对信号的参数进行有效的检测和精确的估计就显得尤其重要。在信号处理的发展历程中，信号处理技术最初是从一维时域信号处理中得到发展的。长期以来人们在一维信号的检测和分析方面取得了许多重要的成果。进入上世纪六十年代以来，研究人员开始将一维信号处理逐渐延伸到多维信号处理的领域中。通过传感器阵列或者是天线阵列把时域采样变成时空采样，将时间频率变成空间频率(角度)，从而将时域信号处理的许多理论成果推广到空域，开辟了阵列信号处理这一新的研究领域，阵列信号处理也就逐渐成为信号处理领域的一个重要分支。阵列信号处理就是将多个传感器分别设置在空间不同的位置从而组成所谓的传感器阵列，利用传感器阵列来接收空间信号进而对接收的信号进行特定的处理，增强所感兴趣的有用信号，抑制无用的千扰和噪声，并提取有用的信号特征，解读信号中所包含的信息。与传统的单个传感器接收信号的一维信号处理相比传感器阵列信号处理具有灵活的波束控制、较高的信号增益、较强的干扰抑制能力以及很好的空间分辨能力等多种优点，这些优势也是阵列信号处理理论一直不断蓬勃发展的根本动力。阵列信号处理是空域信号分析和处理的一种重要手段，它的应用涉及雷达、声纳、通讯、地震勘探、射电天文、医学成像等多种军事和国民经济应用领域。传感器阵列在某一时刻接收到的信号，其实质是对信号作空域采样，它与信号的时域采样有着对偶关系。时域信号具有“频谱”的概念，对应到阵列信号为“空间谱”。时域信号处理中所属的“系统响应”对应到阵列信号处理中为阵列“方向图”。对信号在时域中作“滤波处理”的实质是对不同频率的信号进行增强或抑制，对信号在空域中作“滤波处理”的实质是对不同来向的信号进行增强或抑制。因此不难想象，对应于时域信号的分析处理技术，都有相应的空域处理技术。然而阵列信号处理能够发展成为信号处理技术的一个重要分支，自然有其自身的特点。“空间谱”是阵列信号处理中的一个重要概念，时域频谱表示信号在各个频率上的能量分布，“空间谱”表示信号分量在空间各个方向上的分布情况，因而若能获得信号的“空间谱”，就能得到信号的波达方向 (DOA: Direction-of-Arrival)。阵列信号处理的任务就是从观测数据中提取接收信号的空间信息，以实现对空间信号的检测及分辨。阵列信号处理的一个基本问题就是确定同时处在空间某一区域内的多个感兴趣的空间信号的方向或位置，即实现信号的分辨和定位，这也是雷达、声纳、通讯等探测系统的重要任务之一。为了解决这一基本问题，传统的处理方法主要是采用常规波束形成限的阵列孔径，常规波束形成法的分辨能力受到瑞利限的限制:即对于一个确定的有限阵元构成的阵列，其最小波束宽度是一定的，而当多个信号处于同一波束宽度时，常规波束形成法不能分辨这些信号。近二十年发展起来的高分辨算法由于能够突破瑞利限的限制，因而受到人们普遍的关注。阵列信号处理的主要有两个方面的内容，即波达方向估计和波束形成。对空间信号波达方向估计最早的方法是采用机械扫描的方法，这种方法无论在速度上和精度上都满足不了实际的需要，对波束形成技术的研究使这方面有了突破性的进展。但是当信源的入射角之差小于波束宽度时，也会引起角度估计误差的增大，这就是所谓的瑞利限。解决办法之一是增大阵列天线的孔径。为了实现在阵列天线尺寸较小的条件下，区分波束宽度内的两个信号，这就要寻找超分辨算法。超分辨技术可望在有限的阵列条件下获得远比常规方法优秀的技术性能。目前超分辨技术已取得了重大进展，为了提高角度分辨率，人们采用了类似时域谱估计中的非线性处理技术，使角分辨率突破了瑞利准则的限制，如最大似然估计、最大熵估计和自相关矩阵的特征分解方法，其中典型方法有多重信号分类算法(Music)和旋转不变子空间算法(Esprit)等。波束形成一词最早来源于为接收某方位信号而发射波束。天线阵列既可以用来发射波束也可以用来接收波束。波束形成的含义是指在特定的方向上形成主波束用来接收有用的期望信号，它是一个空域滤波的处理系统。系统接收到的空域信号通常会受到噪声或干扰源的污染，如果干扰信号和期望信号处在相同的频带，仅用时域滤波器是无法将信号和干扰区分开的。不过，期望信号和干扰信号通常是来自不同方位的发生源，所以可以用空域滤波器进行区分。对于时域滤波器通常需要处理一个时域孔径所采集的数据，采样点即传感器组成阵列，对每一个阵元进行采样得到时间序列再经过线性组合处理，得到一个标量输出序列，所以，波束形成器实质上是一个多输入单输出的多维系统。波束形成可以用数字方式在基带实现或用模拟方式在微波或中频上实现。用数字方式在基带实现通常称为数字波束形成(DBF)，数字波束形成(DBF)是在原来天线波束形成原理的基础上,引入先进的数字信号处理方法后建立起来的一门新技术。这种技术充分利用了阵列天线所接收到的空间信息,可以方便地获得超分辨和低副瓣的性能、实现波束扫描、自校准和自适应波束形成等功能。DBF技术的成功应用必将对现代雷达技术的发展产生重大影响。由于DBF的一系列优点，现在主要采用DBF方式。波束形成又可分为数据独立波束形成、最佳波束形成和自适应波束形成。数据独立波束形成是根据系统要求设计的，不需要阵列输入信号的知识。最佳波束形成器利用的是信号干扰环境的先验知识，并按一定的最佳准则进行设计。自适应波束形成器是利用现时的输入信号和干扰矢量采用自适应算法进行处理的。就目前情况而言，虽然阵列信号处理技术从理论到工程的转化取得了不少研究成果，但是我们要承认这些成果都是基于实验室的条件下来完成的，阵列信号处理的理论到真正的工程应用还有一定的距离。造成阵列信号处理技术从理论到应用转化困难的原因主要有两个：一是以前对阵列信号处理的理论研究主要是在作了许多假设条件的理想情况下进行的研究，对于实际系统，误差的存在不可避免，并且信号环境十分复杂。二是阵列信号处理的理论运算量较大，对硬件设备要求较高，当前硬件速度要满足系统实时运算有一定的困难。在国外早已开始研制集成自适应阵列信号处理技术的多功能数字阵列雷达（DAR）,DAR大量采用低成本高精度微波组件技术、光纤技术、FPGA、VME总线技术降低造价。与之前的相控阵雷达相比，性能更加先进，其阵面天线通过自适应阵列信号处理系统的控制，在发射和接收状态均能产生自适应波束形成，有效抑制主波束方向以外其他方位的强干扰信号，大幅度提高系统的探测精度、抗干扰、反辐射性能。国内目前还没有能够用于大工作带宽、大阵面的相控阵体制雷达电子战的空时联合自适合阵列信号接收处理系统，相关研究工作正在进行。2研究目的及意义天线阵根据天线单元的排列情况有很多种，如线阵、圆阵、二维平面阵等。相对干二维平面阵，圆阵形成的波束赋形不如二维平面阵，但圆阵所需要的天线单元少，数据量相应也少，处理方法也比较简单。尤其在军用舰船这类的实际环境中，由于其空间上的限制，往往对天线阵列的形状与尺寸有较高的要求，形状与尺寸选择的合理与否，将直接影响阵列信号处理的结果。相对于目前研究得最充分的均匀线性阵列，均匀圆形阵列有着许多优点。在阵列雷达、无线通信、无线电测向以及其它许多应用中，需要天线阵列具有在水平面内进行360“扫描的能力。虽然直线阵中有一