通信雷达联合侦察场景下的DOA估计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

随着信息技术的不断发展，战争形式从古代的冷兵器肉搏转变为现在的信

息化战争。现代战争是信息化的战争，掌握敌方信息可以对敌实施精确打击，

掌握己方信息能够作战行动协调一致。谁优先夺取和保持制信息权，谁就获得

了制胜的关键。传统侦察方式中通信侦察和雷达侦察是分开的，但是随着电磁

环境日趋复杂，单一侦察方式已经不能满足需求，适合复杂电磁环境的通信雷

达联合侦察设备已经成为一种新的趋势。通常而言雷达信号功率大、所占频带

宽，通信信号功率小，所占频带窄。因此在通信雷达联合侦察场景中将面临通

信信号被大功率的雷达信号淹没、信号频带宽、宽窄带信号并存等复杂场景。

不幸的是，现存的DOA估计算法主要针对功率相差不大的窄带信源。因此，

本文系统地研究了现存的窄带DOA估计算法，并在此基础上分别对宽带DOA

估计和信源功率相差大的DOA估计问题展开了研究，旨在解决通信雷达联合

侦察场景下强弱信号并存、频带更宽的DOA估计。

本文以线阵下的一维DOA估计为出发点，介绍了窄带下的DOA估计模

型。针对通信雷达联合侦察场景下频带更宽、阵元之间互耦效应大的情形引入

了互质阵列和嵌套阵列两种稀疏阵列。仿真分析发现相同阵元数下两种稀疏阵

列的阵列自由度和阵列孔径大于均匀直线阵列，并且在DOA估计中精度更高。

在三维空间中，一维窄带DOA估计不能唯一确定来波方向。因此，本文

在一维窄带DOA估计基础上进一步引入了二维窄带DOA估计。给出应用广

泛的均匀面阵模型以及对应的DOA估计算法，接着引入互质面阵实现了较少

阵元数下高精度DOA估计，最后给出均匀圆阵下的DOA估计算法。仿真分

析发现均匀面阵下的MUSIC算法估计精度高，但是计算复杂度高。二维

ESPRIT算法精度稍差，但计算复杂度低，更适用于实时场景。均匀圆阵下基

于波束空间转换的MUSIC算法性能要高于基于波束空间转换的ESPRIT算法。

基于波束空间转换的MUSIC算法对相位误差敏感，而基于波束空间转换的

ESPRIT算法却对相位误差有很好的抵抗力。

强弱信号并存条件下传统的DOA估计算法性能急剧退化，不能准确的估

计出信号的DOA。针对强弱信号并存下的DOA估计，本文重点讨论三种算

法：Bartlett波束零陷权法、干扰阻塞算法和噪声子空间不变法。前两种算法

都是在已知强信号方向的基础上通过空域滤波的方式抑制强信号，然后再进行

弱信号DOA估计。第三种算法通过噪声子空间不变的特性通过角度搜索可以

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同时估计出强信号和弱信号的DOA。仿真结果表明噪声子空间不变法具有很

好的角度分辨力，性能优于其他两种算法。

考虑到通信、雷达信号有些是宽带信号，本文对宽带信号的DOA估计算

法做了进一步研究。为了能够充分融合子带信息、解决投影子空间正交性测试

（TOPS）算法在单个参考频点下性能差的问题，本文首先提出了一维多参考

频点TOPS算法（MRF-TOPS）。MRF-TOPS可以根据入射信号带宽灵活调整

参考频率个数和参考频率数值。在入射信号频谱不集中时仍然可以估计出所有

信号DOA。仿真结果表明，MRF-TOPS算法在低信噪比、少快拍数的情况下

性能优于TOPS算法。同时MRF-TOPS算法更加适用于宽窄带信号并存下的

DOA估计。在一维MRF-TOPS算法的基础上，本文进一步将MRF-TOPS算法

引入到均匀平面阵列，实现了高精度的二维宽带DOA估计。

关键词；通信雷达联合侦察；DOA估计；均匀面阵；强弱信号并存；子空间

理论；

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