[00332723]基于简单几何配置平面阵列的混合窄带信号二维波达方向估计

在雷达、声纳、无线通信等许多实际应用中,由于信号传播过程中周围物体等引起的各种反射和散射等会引起得多径传播,从而使到达阵列传感器的部分入射信号相关甚至完全相关（即相干）,进而导致阵列协方差矩阵的信号子空间维数小于入射信号的个数,进而使这些包括非相关信号、相关信号和相干信号（甚至多组）的多个混合信号的波达方向估计问题变得复杂且非常重要。 针对现有的混合信号二维波达方向估计方法计算复杂、二维角配对繁琐以及不能有效分离非相干和相干信号的问题,提出一种基于斜投影算子的无需特征值分解的二维波达方向估计算法OPADE（oblique projection based approach for 2-D direction estimation）。该方法将二维波达方向估计问题转化成两个独立的一维波达方向估计问题,避免了计算繁琐的二维谱峰搜索;利用线性算子估计噪音子空间,避免了特征值分解程序,从而进一步减少了算法计算量。同时,该OPADE方法实现了方位角和俯仰角的自动配对,不需要设计额外的联合配对算法,避免了配对失败问题。在目前所有的混合信号波达方向估计算法（一维、二维）中,相干信号的波达方向估计都会受到“饱和”影响,估计精度严重被限制,本研究提出了一种交替迭代算法,有效解决了饱和问题。此外,推导出非相干和相干信号二维波达方向估计的理论最小误差（即随机Cramer-Rao lower bound, CRB）。由于有效地克服了饱和影响以及实现了非相干和相干信号独立估计,OPADE算法具有计算简单、估计精度高以及更强的估计能力等特点。因此该OPADE算法具有计算简单、估计精度高、估计能力更强、可解决更多个数的入射信号等特点。相关研究成果以长文发表在信号处理领域国际顶级期刊IEEE Trans. Signal Processing, January 2015 （google引用10）,并获授权国家发明专利1项。 为避免二维波达方向估计中的配对失败和估计失败问题,同时降低运算量以便于实时处理,申请人开展了基于L型阵列非相干窄带信号二维波达方向估计和跟踪的研究。首先,提出了一个基于相互相关且方位角和俯仰角自动配对的波达方向估计批处理方法CODEC （cross-correlation based direction-of-arrival estimation with automatic pair-matching）。该方法实现了参数的自动配对,避免了配对失败问题,同时消除了估计失败,另外该方法具有无需特征分解计算简单有效的特点。在此基础上,我们提出了二维波达方向跟踪算法,利用伦伯格状态观测器解决了信号入射方向有交叉情况下的方向跟踪问题。同时经过严格的理论推导,得到了所提出的批处理方法的理论误差,从理论意义上明确了该方法的有效性。数值实验也验证了该方法在信噪比较低,采样数据量较小的情况下有良好的估计性能,并且能够跟踪角度有交叉情况下的信号二维波达方向。相关研究成果以长文发表在国际知名期刊IEEE Trans. Aerospace and Electronic System,April 2015 （Google被引用3次）,并获授权国家发明专利1项。 研究面向二维波达方向估计的非相干和多组相干信号混合入射下,非相干信号个数、相干组数以及每一组相干信号个数估计问题,提出半参数的混合非相干和相干信号个数估计算法OPEMS（oblique projection based enumerator for mixed signals）。该算法可以分别估计出非相干以及每一组相干信号的个数,同时由于实现了非相干和相干信号的独立估计以及避免了特征值分解,OPEMS算法以较小的计算复杂度获取了比较好的估计性能。与已有的算法相比,该算法具有以下两个显著优点： （1）实现了非相干信号、相干信号源、每一组相干信号个数的估计; （2）在低信噪比或着小采样数的情况下,该算法仍然具有很好的估计性能。以长文发表在信号处理领域国际顶级期刊IEEE Trans. Signal Processing, August 2016 ,并申请国家发明专利1项。