第二次世界大战以后,由于现代通信技术、航天、雷达系统等发展迅速,显著提高了对测角技术的实时性以及分辨率的要求,这也促使传统的角度估计技术和新的角度估计算法的不断进步。

“单脉冲”的概念首次由贝尔实验室于1946年提出,它是基于扫描和波束转换技术发展起来的[2]。在波束转换技术之后,发展起来的是圆锥扫描技术,它的原理是波束绕天线轴连续旋转,根据产生的误差电平来计算目标与天线轴的角度偏差。圆锥扫描需要一系列回波脉冲,而不同时刻的脉冲回波信号的振幅是不稳定的,会带来测角误差,而单脉冲测角概念的提出解决了这一问题。单脉冲测角只需要一个回波脉冲,避免了因不同回波信号振幅起伏造成的侧角误差;而且,因为单脉冲的和波束总是指向目标,所以获得的信噪比也比较高。所以,单脉冲已经慢慢取代了圆锥扫描,越来越多的被应用于现代雷达系统中。78052

在单脉冲技术早期,是通过馈源的方式来实现天线增益的指向。四馈源结构是单脉冲馈源的最典型代表,通常使用3dB电桥或魔T来完成信号的和、差处理,从而使天线能够形成独立的和、差方向图。虽然四馈源结构的天线实现比较简单,性能指标也有了一定程度的提高,但是和、差波束性能矛盾比较严重。[3]随着天线技术的发展,平板阵列天线作为单脉冲技术发展的性突破,成为普遍采用的天线结构。平板阵列天线不仅能够满足低旁瓣和高效率的性能要求,同时具有较好的匹配性能和较小的馈电损耗[4]。到了20世纪末,由于空间电磁环境越发的复杂多变,传统的方法已经无法满足人们对性能的要求,所以相控阵技术逐渐成为人们竞相研究的焦点。基于相控阵天线和数字波束形成(DigitalBeamforming,DBF),使得单脉冲技术不再局限于通过固定的天线馈源设计来实现。[5]-[6]利用先进的DBF算法,并借助强大的数字信号处理器,我们可以同时形成多个波束,且可以通过权重系数控制波束方向图。因此基于相控阵天线的单脉冲技术不仅具有运算量小、系统简单稳定的优点,最重要的是具有很强的抗干扰能力[7][8]。尤其是采用自适应数字波束形成(AdaptiveDigitalBeamforming,ADBF)算法[9],可以使波束中心始终指向目标,并且在干扰存在的方向形成零陷,进一步提高抗干扰性能。因此单脉冲测角作为一种高效、成熟的测角方法,已经得到了广泛地应用。

自适应阵列处理和空间谱估计是近些年阵列信号处理主要的研究方向。自适应阵列处理的概念提出较早,技术已经十分成熟并且已经广泛被应用。反观空间谱估计,虽然近些年得到了飞快的发展,研究文献极多,遍及范围很广,但应用于工程的实际系统还不多见,目前空间谱估计算法仍然有很多有待攻克的难题,正逐渐成为许多阵列信号处理方面学者与专家研究的热点。

空间谱估计技术就是基于特定分布的阵列天线接收信号,对信号进行采样、处理,再通过高效的角度估计算法确定信号源的波达方向。空间谱估计技术具有极高的分辨能力,突破了传统方法在同一波束宽度内存在多个号时无法分辨的问题,所以空间谱估计又称为超分辨DOA估计。在短短的四十几年的发展中,阵列信号处理理论主要经历了波束形成技术、零点技术及空间谱估计技术三个阶段。[10]所以空间谱估计技术也可以说是在这三种技术的基础上发展起来的一种新技术。论文网

最初的DOA估计方法是基于傅里叶变换的线性谱估计方法,常用的方法为BT法和周期图法。[12]但是这种方法不能突破瑞利限,且抗噪声性能差。后来,基于数学统计分析的最大似然谱估计具有较高的分辨性能,但因为要对高维空间进行遍历搜索,运算量很大而难以在实践工程中应用。[11]1967年,Burg提出了最大熵估计的思想,拉开了现代谱研究的帷幕。八十年代以后,学术界又提出了一种基于矩阵特征值分解的空间谱估计方法[12]。其中的典型代表是Schmidt等人提出的多重信号分类MUSIC方法和Roy等人提出的、基于信号子空间旋转不变性的旋转不变子空间ESPRIT方法[13]。MUSIC算法通过阵列协方差矩阵的特征值分解可以把观测数据空间划分成信号子空间和噪声子空间[14],基于噪声子空间与信号子空间的正交特性,构造空间谱函数,通过谱峰搜索确定目标方位。MUSIC算法极大的提高了阵列天线的分辨能力,并且适用于任何几何结构的阵列天线。MUSIC算法突破了瑞利限限制,属于超分辨算法,所以自问世以来便引起了极大的关注。而后来提出的最小范数方法(Min-Norm)[15]和求根MUSIC算法(root_MUSIC)[18]均可以看成是MUSIC算法的推广。

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