相干信号DOA的混合型估计算法研究

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空间信号波达方向估计(Direction of Arrival,DOA)是阵列信号处理中的关键问题,应用于雷达、声呐以及无线通信等许多场合,可以实现对目标的精确定位与跟踪和信号的空间滤波。目前大部分DOA算法都是在空域信号相对独立或不相关的前提下进行构建。然而在实际通信环境中,由于同频干扰和多径传播等因素的影响使空间中存在大量的相干信号。针对相干信号源会导致信源协方差矩阵的“秩亏缺”,使得常用的DOA估计算法出现阵元利用率低,信噪比表现差等问题。本文提出一种用于对相干信源DOA进行精确估计的混合型MUSIC算法,并通过MATLAB对该算法进行仿真,以及结合USRP-RIO软件无线电平台验证该算法的性能。主要研究内容有:
  (1)本文通过对传统的几种 DOA 估计算法的优缺点进行总结和分析,并且深入研究了基于远场窄带信号对相干信源的DOA估计算法。首先根据阵列中非相干信源的DOA估计模型分析了延迟相加法(Delay-and-Sum,DAS)、Capon最小方差、多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)以及旋转不变技术的信号参数估计(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法原理。然后基于相干信源接收模型,分析了改进的IMUSIC算法、双向空间平滑算法以及Toeplitz矩阵重构算法原理。最后通过仿真模拟对不同算法的DOA估计性能进行评估。
  (2)在经典MUSIC算法和解相干算法基础上,本文提出混合型MUSIC算法。该算法通过修正的前后向空间平滑技术对天线阵列进行预处理,并将得到的新协方差矢量矩阵应用于改进的IMUSIC算法实现相干信号的DOA估计。仿真结果表明,在信噪比低的情况下,信号角度间隔小且相关时,与传统DOA估计算法相比,混合型MUSIC算法能够更加准确地估计出信号源的DOA,验证了该算法的高分辨率和高性能。
  (3)通过LabVIEW和USRP-RIO搭建软件无线电平台(Software-Defined Radio, SDR)验证混合型MUSIC算法在真实无线通信环境中的有效性。在室内环境中,使用4个接收天线来确定相干信号的到达角度,对信号源波达方向进行实时估计。详细描述发射、接收机设置以及实验过程,实验结果可获得阵列参考阵元任意角度处信号源的个数以及空间谱图。验证了混合型MUSIC算法的有效性,以及该平台能够实时地、精确地估计相干信源的DOA。
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