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冲击噪声背景下的高精度波达方向估计方法研究

摘要

波达方向(DirectionofArrival,DOA)估计技术是雷达、声呐、导航、地震探测等领

域的共性技术。可以在军事领域和经济建设中广泛应用。比如在战场反导领域，可实

现多个目标的精准定位，既可以提升反导武器的打击精度，也可以为反导武器的抗干

扰、诱饵识别提供技术基础；在经济建设中，它是无人驾驶、机场异物探测、移动通

信和医学成像等系统的关键技术。目标DOA估计作为自适应阵列的关键技术之一，

已是信息、通信和控制等学科众多专家学者研究的重要课题，但随着对DOA估计性

能需求的提高以及越来越复杂的应用环境，它也面临着全新的挑战。本文针对已有的

DOA估计方法应用场景受限，求解精度差和计算复杂度高等问题，从抑制冲击噪声、

构造特殊阵列、提高计算效率等方面研究提升DOA估计方法性能的解决方案，根据

DOA估计的不同需求提出相应的DOA估计方法，并设计高效的量子群智能算法实现

对目标的鲁棒高精度DOA估计，建立基于量子群智能算法的鲁棒高精度DOA估计的

总体理论框架。本文的主要研究内容和创新工作简述如下：

1.针对现有DOA估计方法在冲击噪声下鲁棒性差，求解精度低的问题，研究冲

击噪声下鲁棒高精度的DOA估计方法，从设计基于核函数的相关熵和量子群智能算

法方面分别抑制冲击噪声和降低算法的计算复杂度。首先对冲击噪声下的阵列接收模

型进行建模，考虑信噪比，特征指数，快拍数等实际因素，通过分析DOA估计结果

的均方根误差和估计成功概率，揭示制约DOA估计方法性能提高的因素。针对冲击

噪声和小快拍场景，设计无穷范数指数核抑制冲击噪声，提出一种量子电磁场优化算

法对基于无穷范数指数核的极大似然测向方程进行高效求解。所提方法克服了已有

DOA估计方法在小快拍和冲击噪声下性能恶化甚至失效的不足，仿真结果证明了所提

方法的有效性和鲁棒性。

2.针对目前分布式阵列子阵优化设计与DOA估计问题，研究并设计了一种鲁棒

有效的分布式阵列子阵优化方法，设计了离散量子电磁场优化算法来快速求解所设计

的目标函数，以获取最优的子阵布阵结构。然后，基于这种布阵结构，利用无穷范数

指数核极大似然测向方法进行测向。通过与不同阵列结构下的测向性能进行仿真比较，

仿真结果表明，在冲击噪声，小快拍和低信噪比的情况下，所提的方法仍然能够有效

进行测向，这进一步验证了所提的方法能够获得更优的子阵布阵形式以及更优越的测

向结果。

I

哈尔滨工程大学博士学位论文

3.针对现有DOA估计方法大多假设高斯噪声背景和均匀线阵接收的问题，提出

冲击噪声下基于稀疏阵列的鲁棒高精度DOA估计方法，利用稀疏阵列扩展阵列孔径

的角度提高DOA估计方法的性能。首先构造无穷范数高斯核协方差矩阵抑制冲击噪

声，然后将稀疏阵列虚拟为均匀线阵，得到扩展的无穷范数高斯核协方差矩阵，提出

一种量子瞬态有哪些信誉好的足球投注网站优化算法对基于扩展的无穷范数高斯核协方差矩阵的极大似然测向

方程进行高效求解，并从算法实施的角度分析了量子瞬态有哪些信誉好的足球投注网站优化算法的计算复杂度

并证明了其收敛性。仿真结果表明了所提方法测向精度高，计算复杂度低，而且能够

直接处理相干信源。

4.针对冲击噪声下的动态DOA跟踪问题，提出一种冲击噪声下基于稀疏阵列的

鲁棒DOA跟踪方法，利用稀疏阵列可以虚拟为均匀线阵扩展阵列孔径的特性，构造

扩展的无穷范数分数低阶协方差矩阵抑制冲击噪声，推导了扩展的无穷范数分数低阶

协方差矩阵的极大似然跟踪方程，提出一种免疫飞蛾扑火算法对所提的极大似然跟踪

方程进行高效求解，此外还设计了一种有哪些信誉好的足球投注网站空间动态更新策略来进一步降低算法的计

算复杂度。仿真结果表明了所提方法优异的跟踪性能，计算复杂度低，而且无需任何

去相干方法即可跟踪相干信源。

5.针对双基地多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)阵列的波达角

和波离角联合估计问题，现有的多重信号分类(MUltipleSIgnalClassification,MUSIC)

方法由于优异的超分辨性能而应用广泛，但其需要二维谱峰有哪些信誉好的足球投注网站进行求解，且量化误

差难以避免。而MUSIC算法本质上是一个