波达方向估计算法及应用新进展

1、波达方向(DOA)估计算法及其应用新进展,高速信号处理和网络传输研究所 彭应宁教授,电子学与通信学科前沿课,阵列信号处理之一,目 录,1. 引言 2. 常规DOA估计法 3. MUSIC DOA估计法 4. 空间平滑MUSIC方法 4-1. 单向空间平滑MUSIC方法 4-2. 双向空间平滑MUSIC方法 5. 分布式信源DOA估计方法 6. DOA估计的应用 6-1. 移动通信中的智能天线系统 6-2. 蜂窝通信中手机用户自动定位 6-3. 无源定位 7. 波达方向估计技术的前沿课题,1、引言,波达方向估计 多天线阵列信号处理 （多传感器） 估计信源到达方向（DOA） 分类： 常规 波束形成

2、法 现代 超分辨：突破瑞利限 MUSIC,ESPRIT,SVD,WSF等,应用： 雷达无源定位，反多径效应 声纳阵列测向 电子或通信干扰侦察 地震和地质资源探测 移动通信 医学领域 实际系统,1、引言,一、基于幅度的DOA方法：适用于长持续信号,1、引言 DOA的分类,图b)为最小信号测向法：距离近，精度高,二、基于相位的DOA方法：适用于短持续信号 天线阵列（至少二个），信源到达相位差测向,1、引言 DOA的分类,三、超分辨DOA方法： MUSIC, SVD, WSF等,2、常规DOA估计法 波束形成法,2-1、天线（传感器）阵列结构和模型,天线阵：线阵，圆阵，任意阵 通道：放大，相检，A/

3、D变换。 处理：数字信号处理单元,2、常规DOA估计法 波束形成法,2-1、天线（传感器）阵列结构和模型,2-1（续）,信源为远场、窄带信号。 信源个数d小于阵源数m, dm。 信源为平稳、各态历经、零均值复随机过程。 各通道噪声为加性噪声，彼此独立，也独立于信号。 噪声为平稳高斯过程：方差为，均值为零,2、常规DOA估计法 波束形成法,2-2、假设和数学表达,2-2（续）,线阵：阵元全向。,2-2（续）,相位差：,加权和：,2-2（续）,3、MUSIC算法 超分辨,Multiple Signal Classification. R.O.Schmidt提出,3、MUSIC算法 超分辨,3-1、

4、数学模型,阵元i接收到第n个信源的输出：,3-1（续）,3-1（续）,3、MUSIC算法 超分辨,3-2、MUSIC算法,3-2（续）,3-2（续）,*,3-2（续）,3-2（续）,归结：,Evans, J; T.j.Shan; Kailath等提出，改进 目的：通过平滑 = 恢复Rs满秩性。,3、MUSIC算法 超分辨,3-3、平滑MUSIC方法,3-3（续）,3-3（续）,3-3（续）,求均值：,第K个子阵输出为：,3-3（续）,*,4-1 单向空间平滑MUSIC方法,4-2 双向空间平滑MUSIC方法,4（续）,图2.3 在不同相关程度下MUSIC的估计性能 (a),4（续）,图2.3

5、在不同相关程度下MUSIC的估计性能 (b),4（续）,图2.3 在不同相关程度下MUSIC的估计性能 (c),4（续）,图2.4 相同孔径下,MUSIC、单向平滑、双向平滑的分辨性能,4（续）,图2.5 MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能,4（续）,图2.5 MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能,形成机理 蜂窝通信中多径条件下的局部散射信号 雷达低角跟踪时目标反射回波通过地面的漫反射 对流层或电离层无线电传播中的散射信号 当目标是一群满足一定统计分布的散射体的集合时,5 分布式信源DOA,5-1、点源分布式信源,5-1（续）,移动通信中由多径产生的分

6、布式信号源 中心方向0，分布参数 2,点源: 分布源: 是第i个分布式目标的方向矢量 是第i个分布源的角信号分布函数,5 分布式信源DOA,5-2、数学表示,可得多维参数MUSIC空间谱 当 时，为二维搜索,5-2（续）,分类 已知分布模型:均匀,高斯,三角,柯希等 未知分布模型:限定共轭对称,单峰共轭对称 通常用二维参数 分布式目标中心DOA估计(位置) 目标分布参数(角分布展开宽窄程度)估计,5 分布式信源DOA,5-3、估计方法,二维(或多维)参数谱峰搜索一维DOA搜索 极小最小特征值一维DOA搜索法 共轭对称，均匀，三角，高斯等 基于噪声子空间 极大最大特征值一维DOA搜索法 基于信号

7、子空间 大量前沿课题 任意分布,未知分布,预估计,不需搜索等,5-3（续）,2个分布式目标二维参数MUSIC空间谱估计(1),5-3（续）,角分布函数为均匀分布,2个分布式目标二维参数MUSIC空间谱估计(2),5-3（续）,角分布函数为三角分布,2个分布式目标二维参数MUSIC空间谱估计(3),5-3（续）,角分布函数为高斯分布,2个分布式目标二维参数MUSIC空间谱估计(4),5-3（续）,角分布函数为指数分布,6 应用,6-1、用于移动通信中的智能天线系统,8-12个天线阵元 RF: 900MHz, 1800MHz,IF: 70MHz,DR: 8Mhz A/D: 12位，20MHz,DB

8、F:精分方向，取权值，形成波束,目的： 扩容：空分多址SDMA 抗干扰：抗同通道和邻近通道干扰 同频、同码、同时隙的不同方向通道 干扰抑制 增加作用距离： 相同基站功率，R， 手机（移动台）功率，干扰,6-1（续）,6-1（续）,6-1（续）,抗邻近通道干扰示意图,波束指向手机2,手机1和3处形成零点,美国FCC E-911计划 目的： 应急服务 情景服务 交通调度 重点目标监控 盗打电话者定位 方法：阵列DOA估计交叉定位 适用：第三代移动通信,6 应用,6-2、蜂窝通信中手机用户自动定位,6-2（续）,多径效应,解决思路:分布式信源中心DOA估计法,6-2（续）,非直达波,解决思路: 匹配场建模法 多站信息补助,6 应用,6-3、无源定位系统,7、DOA估计技术的前沿,经DFT多个频域窄带信源 多个窄带信号方位的平均 阵列结构对宽带信源的稳健性研究 直接建立宽带信源的阵列数学模型 频率 方向的二维估计 宽频段内分布的多个窄带辐射源,7-1、宽带信源空间技术,7-2、阵源和通道不一致对DOA估计的影响及校正,天线元和通道的幅、相误差及其校正 研究对误差稳健的