高分辨方位估计算法资料Word文档格式.doc

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答辩日期2014年6月15日

高分辨估计算法研究

HighResolutionEstimationAlgorithmResearch

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兰州理工大学毕业论文

摘要

阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要分支，在近些年来得到了迅速发展。

波达方向（DirectionofArrival，DOA）估计是阵列信号处理的一个重要的研究领域，在雷达、通信、声纳、地震学等领域都有着广泛的应用前景。

在DOA估计的发展过程中，人们对高分辨DOA估计算法一直有很大的研究兴趣，并在这一领域取得了很多重要的进展。

本文主要研究经典的多重信号分类（MultiplesignalClassification，MUSIC）算法。

最经典的超分辨率空间谱估计方法是Schmidt在1979年提出的MUSIC（MukipleSignalClassification）算法，在模型准确的条件下，该算法能精确地估计空间上互不相关信号的波达方向。

然而，对空间上相隔比较近的小信噪比信号，MUSIC算法却不能很好地分辨出它们的波达方向，解决的途经是充分利用目标信号的信息。

基于信号循环平稳特性的循环互相关MUSIC算法就是将信号的循环平稳特性用于阵列信号处理中，这样就进一步提高信号的处理质量，具有更好的噪声抑制特性和分辨能力，但是它对循环相关信号的分辨力则受到限制。

本文在循环互相关MUSIC算法的基础上，同时利用了信号的循环互相关矩阵和循环共轭互相关矩阵的信息划该算法进行改进。

仿真结果表明，这种改进的算法有更好的抑制噪声能力，能够分辨循环相关的信号，具有更好的分辨能力。

本文首先回顾了空间谱估计技术的发展过程及现状，比较详细的介绍了空间谱估计基础和DOA估计模型，研究了DOA估计中的MUSIC算法，给出了MUSIC算法的原理和步骤，并通过一系列MATLAB仿真实验，得出了MUSIC算法的性能分析。

最后做了全文总结，归纳了本文所做的工作和结论。

关键词:

DOA估计;

阵列信号处理;

MUSIC算法

Abstract

Arraysignalprocessingisanimportantbranchofthefieldofsignalprocessing,inrecentyearsithasbeendevelopingrapidly.Direction-of-arrival（DOA）estimationisoneoftheimportantresearchofarraysignalprocessing,whichhasfoundwideapplicationsinradar,communication,sonar,seismologyandotherfields.DuringthedevelopmentprocessofDOAestimation,high-resolutionDOAestimationtechniqueshavelongbeenofgreatresearchinterestandmanysignificantprogresseshavebeenmadeinthisfield.ThispapermainlystudiestheclassicalMultiple-signal-classification（MUSIC）algorithm.

TheMUSIC（MultipleSignalClassification）algorithm，presentedbySchmidtin1979，isthemostclassicalsuper-resolutionalgorithm．Basedonanexactmodelofantennaarray,andthealgorithmcanestimatetheDOAofuncorrelatedsignalsaccurately．However，asfarasadjacentsignalswithsmallSNR（SignaltoNoiseRatio）isconsidered，MUSICalgorithmcannotestimatetheirDOA.Themainapproachtosolvethisproblemisfullutilizationofsignalsourcesinformation．TheMUSICalgorithmsbasedonthecyclostationaritypropertyhaveabetterperformanceinnoisesuppressingandsignalselectivitybyusingthecyclosationaritypropertyofsignalintoarraysignalprocessing.Howeverasfarassignalwithcycliccorrelationisconsidered，thesignalresolutionofthisalgorithmislimited．Tosolvethisproblem，animprovedcyclicMUSICalgorithmwaspresentedinthispaper．Bothcycliccorrelationmatricesandconjugatecycliccorrelationmatricesareconsideredinthisimprovedalgorithm.EmulationresultshaveindicatedtheimprovedalgorithmcanestimatetheDOAsofcycliccorrelationsignalsandadjacentsignalsandhasabetterresolutionandnoisesuppressingability．

Thispaperfirstreviewedthedevelopmentprocessandthepresentsituationofthespatialspectrumestimation;

AmoredetailedintroductiontothebasisofthespatialspectrumestimationandtothemodelofDOAestimation;

StudiedtheMUSICalgorithmofDOAestimation,giventheMUSICalgorithm’sprinciplesandsteps;

AndthroughanumberofMATLABobtainedtheperformanceanalysisoftheMUSICalgorithm.Finallysummarizesallthemainworkandresultsofthewholedissertation.

Keywords:

DOAestimation;

arraysignalprocessing;

MUSICalgorithm

目录

第1章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2DOA估计发展概述 2

1.3论文的主要工作及内容安排 3

第2章DOA估计基础知识 5

2.1DOA估计原理 5

2.1.1空间谱估计的系统结构 5

2.1.2DOA估计的基本原理 6

2.2阵列信号DOA估计的常用方法 7

2.3影响DOA估计结果的因素 8

2.4MATLAB简介 9

2.5其他相关知识 10

2.5.1分辨力 10

2.5.2Hermite矩阵 10

2.5.3协方差及协方差矩阵 11

第3章MUSIC算法 12

3.1MUSIC算法的提出 12

3.2波达方向估计问题中的阵列信号数学模型 12

3.3阵列协方差矩阵的特征分解 15

3.4MUSIC算法的原理及实现 16

第4章MUSIC算法的DOA估计仿真 19

4.1MUSIC算法的基本仿真 19

4.2MUSIC算法DOA估计与阵元数的关系 20

4.3MUSIC算法DOA估计与阵元间距的关系 20

4.4MUSIC算法DOA估计与快拍数的关系 21

4.5MUSIC算法DOA估计与信噪比的关系 22

4.6MUSIC算法DOA估计与信号入射角度差的关系 23

4.7信号相干时MUSIC算法与改进MUSIC算法的仿真比较 23

第5章MUSIC算法在应用中存在的问题及解决措施 26

5.1通道失配对算法的影响 26

5.2干扰源数目欠估计和过估计对算法的影响 26

5.3相干干扰源对算法的影响 26

总结 28

参考文献 29

附录一：

英文翻译原文 31

附录二：

外文翻译 34

附录三：

源代码程序 41

致谢 53

引言

阵列信号处理是信号处理领域内的一个重要分支，在近些年来得到了迅速发展，其应用涉及雷达、通信、声纳、地震、勘探、天文以及生物医学工程等众多军事及国民经济领域。

阵列信号处理主要的研究方向是自适应阵列处理和空间谱估计。

其中空间谱估计理论与技术仍处于方兴未艾的迅速发展之中，已成为阵列信号处理学科发展的主要方面。

空间谱估计侧重于研究空间多传感器阵列所构成的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行准确估计的能力，其主要目的是估计信号的空域参数或信源位置，这也是雷达、通信、声纳等许多领域的重要任务之一。

空间谱表示信号在空间各个方向上的能量分布。

因此，如果能得到信号的空间谱，就能得到信号的波达方向（DOA），所以，空间谱估计常称为“DOA估计”。

需要指出的是，有的文献将DOA估计直接称为“方向估计（bearingestimation）”或“角度估计（angleestimation）”，也有的称为“测向（directionfinding）”，实际上它们都是从不同角度的称谓。

波达方向估计指的是要确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣信号的空间位置，即各个信号到达阵列参考阵元的方向角。

波达方向技术是阵列信号处理中的重要研究方向，是近年来迅速发展起来了一门跨学科专业的边缘技术。

特别是多信号源的波达方向估计、相干信号源的波达方向估计、宽带波达方向估计、复杂环境下的波达方向估计等更是国际上研究的热点。

波达方向估计技术在雷达、声纳、通信、地震以及生物医学工程领域都有着十分广泛的应用前景。

近年来，波达方向估计的各种算法取得了丰硕的成果，其理论日益完善，这为其投入实际的应