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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 波束形成法 现代 超分
2、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/D变换。处理：数字信号处理单元,
3、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、数学模型,阵元i接收到第n个信源的输出：,
4、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 在不同相关程度下MUSIC的估计性能 (b)
5、,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布式信号源中心方向0，分布参数 2,点源:分布源:
6、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
7、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: 8MhzA/D: 12位，20MHz,DBF: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
8、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优化算法，,7（续）,7-3、阵元互耦效应的影响及其校正,互耦效应的数学模型及影响分析。互耦效应的校正方法的研究,7（续）,7-4、信源数目的快速估计方法研究,信源估计是DOA的前提有效方法的研究仍是热点,7-5、近场DOA估计,7-6、循环平稳性和高阶累积量的应用,
