基于新型平面阵列的二维波达方向估计和阵列自校正

In many practical applications of sensor array processing such as radar, sonar, communication and so on, two-dimensional (2-D) directions-of-arrivals (DOAs) (i.e., azimuth and elevation angles) of multiple incident signals must be estimated or tracked from the noisy measured array data. In this project, by exploiting the advantages of the L-shaped array and the F-shaped array, we investigate the 2-D DOA estimation for coherent/noncoherent narrowband signals from any directions and the array self-calibration in the presence of array model errors. Based the proposed batch CODE method and adaptive CODEC method for two-dimensional direction estimation with the L-shaped array，we will try to propose some low complicity and high accuracy 2-D DOA estimation methods for multiple signals impinging on the L-shaped array and F-shaped array for any direction in she space, and we will also propose effective array self-calibration methods. Furthermore, by studying the statistical analysis of the proposed methods and deriving the closed-form expressions of the asymptotic mean-square-errors (MSEs) of the angle estimates，we can quantitatively evaluate the impact of the array configurations and array model errors on the DOA estimation performance. The research works in this project have important theoretical and practical value, and the results will promote the development of the target localization and tracking technology in the fields of radar, sonar and mobile communications.

本项目以在雷达、声呐、无线通信等军事和民用领域中迫切需求高精度、多目标、抗干扰和自适应的信号二维波达方向（即俯仰角和方位角）估计为背景，利用L型和F型平面传感器阵列在几何配置和实现等方面的优势，开展复杂传播环境下相干/非相干窄带信号的二维波达方向估计以及这些阵列存在误差情况下的阵列自校正方法。以申请人已提出的基于L型阵列的非相干信号二维波达方向批处理估计法CODE和自适应估计法CODEC等成果为基础，面向L型阵列和F型阵列提出计算复杂度低、估计精度高且适用于具有任意不同二维入射方向（例如方位角相同或者俯仰角相同）的多个信号二维波达方向估计方法以及有效的阵列自校正方法。通过对所提出算法的统计性能进行严密的理论分析，推导波达方向估计值的渐近均方误差表达式，进而定量地讨论阵列几何结构以及阵列误差对波达方向估计性能的影响。本研究及其预期成果将会对雷达、声纳及移动通信中的目标定位和跟踪等技术的发展起到促进作用。

本项目紧密围绕国防军事领域中迫切需求的非合作目标定位与跟踪问题，在传感器信号处理和数据处理两个层次研究相关科学问题。按照项目立项计划，研究了基于平面传感器阵列的窄带/超宽带信号二维波达方向估计方法。（1）明确了双均匀线阵型平面阵列二维波达方向估计的参数可辨识性条件，定量分析了阵列几何结构对信号二维方向估计歧义性的影响；（2）在多径传播环境下，面向双平行均匀线阵和F型阵列提出了计算有效的窄带相干信号二维波达方向估计方法，并研究了传播路径和信号源的关联方法；（3）发明了基于L型阵列的具有任意空间入射方向的窄带非相干信号二维波达方向估计方法；（4）提出了适用于任意平面阵列的超宽带信号二维波达方向估计方法。数值计算仿真和严密的统计理论分析表明了所提出的波达方向估计方法的正确性和有效性。..课题组除了完成原计划研究内容外，从雷达和视觉传感器数据处理层次全面研究了目标定位、检测和跟踪问题。（1）提出了基于三维霍夫曼变换和多假设航迹关联的雷达弱小扩展目标检测和跟踪方法，实现了雷达测量数据在时间和空间的有效关联；（2）提出了基于平滑变结构模型的平滑估计器，实现目标状态参数的鲁棒估计，有效克服了由于目标过程噪声和测量噪声模型不确定造成的目标状态估计性能退化；（3）采用多分类器并行跟踪策略，提出了针对具有动态背景的视觉目标的有效跟踪方法。同时，课题组也重视理论研究的工程应用，借助相关理论成果研制了卫星导航干扰信号检测与定位装置。..