【摘 要】
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近几十年来,波达方向估计(DOA)的研究取得了大量的成果,并在工程中得到了广泛的应用。非均匀阵列在实际应用中具有更大的孔径和更灵活的阵元间距设置,逐渐成为研究的热点。但已有的子空间类DOA估计算法不适用于相干信源入射的情况,且算法中包含很多的非线性运算,硬件实现复杂,很难满足实际工程的需求。因此本文主要针对非均匀阵列接收相干信源时的DOA估计算法和现场可编程门阵列(FPGA)硬件实现方案进行研究,
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近几十年来,波达方向估计(DOA)的研究取得了大量的成果,并在工程中得到了广泛的应用。非均匀阵列在实际应用中具有更大的孔径和更灵活的阵元间距设置,逐渐成为研究的热点。但已有的子空间类DOA估计算法不适用于相干信源入射的情况,且算法中包含很多的非线性运算,硬件实现复杂,很难满足实际工程的需求。因此本文主要针对非均匀阵列接收相干信源时的DOA估计算法和现场可编程门阵列(FPGA)硬件实现方案进行研究,主要内容如下:首先给出了非均匀阵列信号接收的数学模型,介绍了四种非均匀阵列结构,分析了非均匀阵列中角度模糊的问题。接着针对最小阵元间距受限的对称非均匀阵列进行研究,该阵列中存在多个相同结构的子阵,可以采用空间平滑的方法进行解相干处理,之后利用多重信号分类(MUSIC)算法实现DOA估计。通过仿真实验验证了该算法的有效性及DOA估计性能。然后针对非对称的非均匀阵列DOA估计问题,研究了基于Khatri-Rao(KR)积的阵列扩展算法。对非相干信源的KR-MUSIC算法的DOA估计性能进行仿真验证。针对入射信源中存在相干信源时,该算法失效的问题,提出一种转换参考阵元的矩阵重构解相干算法。利用虚拟阵列平移的方法得到不同参考阵元下的阵列接收数据,然后利用矩阵重构的方法恢复协方差矩阵的秩,最后利用KR-MUSIC算法实现DOA估计。通过仿真验证了该算法可以有效的实现非均匀阵列相干信源的DOA估计。最后研究了对称非均匀线阵空间平滑MUSIC算法的FPGA实现。根据算法步骤,设计了满秩协方差矩阵计算、特征值分解、噪声子空间估计和谱峰搜索四个模块。满秩协方差矩阵模块实现了协方差矩阵的计算,空间平滑解相干处理及实数化处理。特征值分解模块利用并行雅克比旋转的方式实现,采用3级清扫的模式来减少该模块的耗时。噪声子空间模块利用阈值判断信源个数并确定噪声子空间。谱峰搜索模块根据输入的信源频率得到导向矢量,构造伪谱,搜索谱峰,输出DOA估计角度,并通过划分搜索角度范围来减少耗时。最终测试表明整个算法流水实现只需5.64μs。
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