新型阵列构造及性能分析.docx

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1、新型阵列构造及性能分析为提高天线在低信噪比情况下的波达方向估计能力和估计精度，基于柱形多层均匀圆阵，提出了一种新型锥形多层均匀圆阵。将该阵列在锥面各条母线上的阵元等效为均匀线阵，并将各线阵上接收的数据构成新的阵列流形矩阵。比照分析种阵列流形的克拉美罗界，得出该阵列在低信噪比、大仰角情况下相对柱形多层均匀圆阵能够获得更高的估计精度和估计成功概率。在仿真中，用二维多重信号分类算法验证了该阵列在多信源、低信噪比和大仰角时的优越性，同时给出了空间角对该阵列估计性能的影响。波达方向估计；阵列流形；均匀圆阵；锥形多层阵列近几十年来，随着波达方向估计算法研究的不断深化，阵列构造的设计成为限制估计精度提高的因

2、素之一，新型阵列构造的研究逐步引起人们的重视。文献研究发现，阵列构造的变化导致阵列流形矩阵的变化，直接影响了算法克拉美罗界的大小。传统均匀线阵测量精度高，但只能提供的方位角测量范围，难以实现全空域的角度估计，限制了在实际中的应用。对于面阵而言，理论上能够实现方位全空域的角度估计，但在实际应用中相控阵天线波束扫描范围受限以内，波束宽度随扫描角度的增大、探测精度下降等缺点同样限制了应用范围。均匀圆阵能提供方位的全空域覆盖，但是在解相干能力和抗干扰能力上存在缺乏。为此，文献提出了利用柱形多层均匀圆阵来提高解相干能力和抗干扰能力，但柱形多层均匀圆阵仍未解决对低信噪比、高空大仰角情况下信源估计精度差的问

3、题。针对该问题本文提出一种新型锥形多层均匀圆阵，在该布阵方式中，多层均匀圆阵各层间间距相等，各层相应位置的阵元在同一条直线上，但各层圆阵的半径不同，整个阵列构成一个圆锥形的多层阵列。在处理时，将沿圆锥面不同母线的阵元等效为不同线阵，并以此为模型构建波达信号的接收矩阵。由于不同线阵与波达方向之间存在不同的空间夹角，因而可获得更多的先验信息，提高在低信噪比、高空大仰角情况下对信源估计精度和估计成功概率。锥形多层均匀圆阵模型假设有个波长为的窄带远场信源，辐射到每层阵元数为且各向同性的层圆锥形均匀圆形阵列，假设阵列中不存在阵元幅相误差和互耦等影响因素。层数、每层阵元数时锥形多层均匀圆阵示意见图。假设噪

4、声为空时加性高斯白噪声，不同阵元间噪声互相独立，且与信号不相关。设顶层圆阵的各个阵元分别为各自沿母线所构成线阵的参考阵元，顶层圆阵的参考点为顶层圆圆心，则不同信源在不同线阵的导向矢量。阵列流形分析阵列构造决定阵列的性能，而阵列流形与阵列构造密切相关。信号子空间类的算法如多重信号分类算法，从本质上来讲都是求解信号子空间与阵列流形的交集，而阵列流形刻画的是整个参数空间上的响应特性，它的特性由阵元响应特性以及阵元位置来决定。由式、可知锥形多层均匀圆阵对信源方位角和俯仰角估计的均小于柱形多层均匀圆阵，即锥形多层均匀圆阵对角度的估计精度高于柱形多层均匀圆阵。下节通过仿真验证了推导出的结论。仿真与分析信源

5、数对估计性能的影响仿真信源入射方向为，、，、，信噪比均为。图和图给出了实验结果。图和图分别表示锥形多层均匀圆阵和柱形多层均匀圆阵同时估计个信源时的空间谱。由图、图分析可得种类型的阵列均可有效得同时估计出少量信源。在锥形多层均匀圆阵估计信源时，空间谱除谱峰外基本不存在起伏；但在柱形多层均匀圆阵估计信源时谱峰会出现展宽，效果相对较差。在估计较少信源时，锥形多层均匀圆阵在一样精度下能够获得更为有效的谱峰。图和图分别表示锥形多层均匀圆阵和柱形多层均匀圆阵同时估计个信源时的空间谱。由图可看出锥形多层均匀圆阵可准确地估计出个信源目的，而柱形多层均匀圆阵无法准确估计出信源个数。讲明锥形多层均匀圆阵在一样阵元

6、数目的情况下相对柱形多层均匀圆阵能估计出更多的信源，估计能力强于柱形多层均匀圆阵。信噪比对估计性能的影响仿真信源入射方向为，信噪比均从到变化，利用蒙特卡罗仿真方法观察锥形多层均匀圆阵和柱形多层均匀圆阵角度估计方差和成功概率随信噪比的变化情况，共进行次蒙特卡罗实验。图和给出了仿真结果。综合分析图和图可看出：随着信噪比的增加，角度估计均方根误差逐步减小，成功概率不断增大，并且俯仰角的估计精度和估计成功概率均高于方位角的估计精度和估计成功概率；在低信噪比情况下锥形多层均匀圆阵在方位角和俯仰角的估计精度明显高于柱形多层均匀圆阵，锥形多层均匀圆阵在方位角和俯仰角的估计成功概率高于柱形多层均匀圆阵。空间角

7、对估计性能的影响仿真设空间有一信源，在运动时保持俯仰角不变，考虑到均匀圆阵的对称性，在仿真中设方位角变化范围为到，俯仰角固定为，信号信噪比从到变化，观察方位角变化引起的方位角估计均方误根差的变化，蒙特卡罗实验次数设定为。仿真结果见图。仿真设空间有一信源，在运动时保持方位角不变，在仿真中设俯仰角变化范围为到，方位角固定为，信号信噪比从到变化，观察俯仰角变化引起的俯仰角估计均方根误差的变化，蒙特卡罗实验次数设定为。仿真结果见图。比照分析图、图和图可知：当信噪比增大时，锥形多层均匀圆阵的方位角和俯仰角估计精度均有提高，柱形多层均匀圆阵的俯仰角估计精度也有提高；当俯仰角固定时，锥形多层均匀圆阵的方位角

8、估计均方根误差随着方位角的改变基本保持不变，讲明该阵列对于方位角的测量具有很好的稳定性；当方位角固定时，锥形多层均匀圆阵的俯仰角估计均方根误差随着俯仰角的增大有所增加，讲明该阵列对于高空目的的角度估计精度高于对低空目的的角度估计精度；在同等条件下锥形多层均匀圆阵对俯仰角的估计精度高于对方位角的估计精度；当方位角固定时，柱形多层均匀圆阵的俯仰角估计均方根误差随着俯仰角的增大而下降，讲明该阵列对高空目的探测能力较差，低空目的探测能力强，但与锥形多层均匀圆阵探测精度相比仍有缺乏。本文设计了一种新型锥形多层均匀圆阵构造，并分析了新型阵列与传统柱形多层均匀圆阵阵列流形变化引起的相应的变化，得出锥形多层均匀圆阵的角度估计精度优于柱形多层均匀圆阵的结论。利用算法验证了该构造在不增加阵元数的前提下仍能有很好的估计性能，尤其在多信源、低信噪比及大仰角情况下，性能明显优于同等阵元数的柱形多层均匀圆阵构造。这种新型锥形多层均匀圆阵适用于多目的、低信噪比以及对高空信源俯仰角估计精度要求较高的场合。