彭应宁-波达方向估计算法及应用新进展

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.MUSICDOA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的分类阵列波束扫描机械转动离远，精度低为最大信号测向法：距图{)a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(2cos)arccos()2ll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§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：cos)1(2]exp[)()()()(cos21lijtStXtStXliii加权和：miimiiilijWFFtStYjtSWtY11]cos)1(2exp[)()()()(]exp[)()(§2-2（续））空域滤波器组（）滤波器组（时域的富氏变换确定由加权值方向图2010)(FIRWiF,12,81277232(2)kLkLmlLlk瑞利限：为阵列孔径长度阵元，，角分辨§3、MUSIC算法——超分辨MultipleSignalClassification.——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：milktnijktStXtnlijtStXidnnniinnin,...,2,12)(}cos)1(exp{)()()(}cos)1(2exp{)()(1，§3-1（续）)()()()()()()(......)()(..............................)(......)()()(......)()()()()()(212121222121211121tntntntStStStXtXtXtYmddmmmddm)()()()((1))()()()(]cos)1(exp[)(21dnniAtntSAtYijk§3-1（续））阵列流型（的方向向量阵列对信源manifoldAi)(i)(）（仅取决于固定阵§3、MUSIC算法——超分辨§3-2、MUSIC算法特征向量特征值进行特征分解为正定、哈米特矩阵，满秩矩阵（独立信源）—取协方差矩阵)(212112mmHmiHiiiHSHSHeeeEdiagEEeeRRSSERIAARYYERnASY§3-2（续）按大小顺序排列，，则有个独立信源，则mdddmddNdSmddNdSNSNSSeeeEeeeEdiagdiagEEEdRRankd21212121212100][§3-2（续）1)]()([)(MUSIC0)()]([][][][)]([][][][HNNHMUSICHNNNSSNSEEPEASpanESpanESpanESpanASpanESpanESpanESpan空间谱估计式：利用正交关系，构造由哈米特特性知：空间。：信号子空间、噪声子和*§3-2（续）11)()()()(120HNNHMUSICNLKHKKEEPASpanESpanYYLR实际：一维搜索：§3-2（续）归结：。间谱（峰为信源方向）、进行一维搜索，获空、构造做特征分解、对输出协方差阵：、由多次快拍估计阵列4)()()(3,,,21111HNNHMUSICNSNSLKHKKEEPEERYYLR。和不能正确构成源。一维搜索不能分辨相干维数数中降秩信源相干独立信源。方法NSmSiSSEEdEdR2321MUSIC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）光速—cclijwclifjiljeeAnSAYnnnnnmjjndnn,cos)1(expcos)1(2expcos)1(2exp1)()()()()(00)1(100§3-3（续）MKKHSKSpHpSpMKKKpHpKHSKpKjjjpKKpKDRDMRIARARMRIADRDAReeediagDMpmKpAtntSDAtYd1)1()1(212)1()1()1()(11)()1,......(2,1)()()()()(02010。个阵元的方向向量矩阵为前求均值：第K个子阵输出为：§3-3（续）即可。，普通分辨相干源为代价空间平滑损失阵列孔径见文献证明略满秩。，则定理：当子阵数1MUSIC21,1No.4)33VolASSP,OnTransIEEEet.ShanJ.T.(dmdmdpmMdpRdMSMKKMHSKMKHSKSpHpSpKKDRDDRDMRIARARdmRdMMUSIC1)()()1()1(2)()(21,5.1,2/满秩且当方法：双向平滑*§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)§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2.5MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能§4（续）图2.5MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能150,3,0.1,110,100,2,5.0LdBSNRd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: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1diitiYtastn1diiitiYtbstniib,,iiiiibagdb,iig可得多维参数MUSIC空间谱当时，为二维搜索§5-2（续）11,,,,HHNNHHNNPbEEbbEEb,f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,iig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）,iig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,1800MHzIF:70MHzDR:8MhzA/D:12位，20MHzDBF:精分方向，取权值，形成波束20msDOA,022ms5,02036~01:DOA以内，）精分，步长）粗分目的：1)扩容：空分多址SDMA2)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3)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处形成零点方位手机2手机1手机3形成零点美国FCCE-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基站基站基站§6-2（续）BSCityBuilding2Building1MS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BSBuilding2Building1MSDirect(true)Path(LOSobstructions)ReflectedPath(NLOS)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2minl§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，10%%,5§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