基于稀疏重构的信源定位算法研究

【摘要】信源定位技术在雷达、声纳、无线通信等领域有着广泛的应用，其核心是目标信源的俯仰角、方位角、距离等定位参量的估计算法，一直是阵列信号处理领域研究的重要内容之一。经典的多定位参量估计算法往往基于观测数据的特征子空间特性，通过将MUSIC、ESPRIT算法等由线阵扩展至平面阵实现二维到达角、距离等参量的估计，存在分辨率低、低信噪比下精度不高等不足。将稀疏重构的思想引入到信源定位问题中，相对于经典方法在分辨率、对噪声的鲁棒性和处理相干信号等方面具有潜在优势，为信源定位问题研究提供了新的解决途径。目前的稀疏重构类信源定位算法主要适用于一维DOA估计，难以直接扩展到二维DOA和距离等的多参量估计。为此本文在分析典型稀疏重构类一维DOA估计算法基础上，研究探索应用稀疏重构解决二维DOA估计、二维DOA和距离估计的有效方法，主要工作及创新性如下：（1）二维DOA估计是对远场源的仰角和方位角进行估计，空域稀疏表示是研究稀疏重构类二维DOA估计算法的基础。稀疏表示建模时，若同时对仰角和方位角过采样，直接构造二维冗余字典的长度较大，将显著增加凸优化算法的计算复杂度。若利用空间角的稀疏性建模可减少冗余字典的长度，但需要利用信号的幅度信息进行配对，当信号幅度值相近时容易产生配对错误。本文利用L型阵列的特殊结构，提出了分离仰角参数的冗余字典构造方法，大幅减轻了重构算法计算量，同时能够实现二维角度的自动配对；在此基础上，利用l1范数代替l0范数表征稀疏性，将基于奇异值分解的一维DOA估计算法拓展到二维DOA估计，仿真实验表明：该算法与2D-MUSIC相比，在处理相干信号、对噪声的鲁棒性等方面具有一定的优势。（2）运用凸优化类算法进行DOA估计时，正则化参数的选择对估计性能具有重要影响。目前的选取方法当噪声统计特性已知时，可以将问题转化为二阶锥规划（SOCP）的约束形式，根据噪声特性选择参数，得到正则化参数的近似值，仅在较高信噪比条件下有效；当噪声统计特性未知时，有L曲线法、CV法等，这些算法需要反复多次验证以确定参数值，计算复杂度较高。本文针对上述局限性，利用对加权l1范数项的约束代替对噪声项的约束，并结合Capon谱得到约束条件，提出了基于改变约束项的优化问题的等价形式，无需参数选择，降低了计算量；进一步提出了改进的稀疏重构二维DOA估计算法，仿真结果表明：与前述算法相比，所提算法提高了分辨率和低信噪比条件下的估计精度。（3）对于三维近场源定位问题，若直接构造冗余字典需要同时对仰角、方位角和距离三个参数进行稀疏表示，计算复杂度会更高。即使利用特殊的阵列结构，也难以实现近场源角度和距离的分离。为此本文通过构造特定阵列输出的四阶累积量实现角度和距离的分离，消除了距离参数项，并保留角度参数；同时，利用空间角的稀疏性来代替仰角和方位角的稀疏性，避免了二维冗余字典的构造，降低了计算复杂度。建立了三维近场源定位的稀疏表示模型，提出了基于四阶累积量的稀疏重构近场源三维参量联合估计新算法，仿真结果表明，所提算法与3D-ESPRIT算法相比，在低信噪比条件下的估计精度有所提升。上述研究是稀疏重构理论应用到阵列信号处理领域的探索与发展，为进一步深入研究基于稀疏重构的信源定位问题提供了参考。
【作者】张妍君；
【导师】孙晓颖；
【作者基本信息】吉林大学，通信与信息系统，2014，硕士
【关键词】稀疏重构；凸优化；信源定位；二维DOA估计；三维近场定位；

【参考文献】
[1]尹冬靖.基于同轴网络的TCP代理确认算法设计与实现[D].华中科技大学,软件工程,2013,硕士.
[2]张斌.社交网络中朋友推荐技术研究[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[3]廖婧.社交网络视野下表达自由的法律界限[D].华中科技大学,民商法学,2013,硕士.
[4]吴春峰,施水才.基于OpenURL的开放链接服务之原型研究[J].现代图书情报技术,2005,12:55-58.
[5]何龙.基于DEA-malmquist指数的汽车行业上市公司融资效率分析与评价[D].华东交通大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[6]冯纯伯.反馈系统的无源性分析及其应用[J].自动化学报,1985,02:111-117.
[7]陈誉.电子商务平台模型概论[J].舰船电子工程,2005,01:80-83+134.
[8]徐梦蝶.现代汉语“程度副词+名词”构式的认知阐释[D].西南大学,英语语言文学,2013,硕士.
[9]杨敏,王志坚,尹燕敏.水文时间序列相似性挖掘系统[J].计算机系统应用,2001,09:46-47.
[10]曹永森.第三部门：资源配置的制度创新[D].苏州大学,行政管理,2003,硕士.
[11]葛敬辉.空心氧化硅纳米材料的控制合成及吸附性能研究[D].华南理工大学,化学工程,2014,硕士.
[12]周静.大豆分离蛋白制备羊肉风味基料[D].宁夏大学,食品加工与安全（专业学位）,2014,硕士.
[13]张力争.基于时差定位的外辐射源雷达定位跟踪技术[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[14]徐伟孺.非负矩阵的逆特征值问题[D].中北大学,应用数学,2014,硕士.
[15]郭勇.中化工程公司绩效管理研究[D].吉林大学,工商管理,2004,硕士.
[16]李长江.Φ340mm无缝钢管机组单辊传动定径机电气传动系统[J].冶金自动化,2006,01:19-24.
[17]梁友.IPTV机顶盒的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[18]张浩.非婚同居财产关系法律制度研究[D].广东外语外贸大学,法律,2013,硕士.
[19]苏日古嘎.纤锌矿In_xGa_(1-x)N/GaN量子阱中界面声子对极化子能量的影响[D].内蒙古师范大学,凝聚态物理,2012,硕士.
[20]曾林生.补肺健脾益肾法治疗早期COPD稳定期的疗效观察[D].广州中医药大学,中医内科学（专业学位）,2013,硕士.
[21]张巍.气压制动系统ABS硬件在环测试平台研究[D].武汉理工大学,车辆工程,2013,硕士.
[22]郑慧.基于入侵检测系统的校园网络安全模型设计[D].吉林大学,2004.
[23]曹宇琳.语用预设理论下《福尔摩斯探案集》逻辑推理研究[D].南昌航空大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[24]阎爱玲.向量优化的若干理论研究[D].北京交通大学,2008.
[25]吴东妮.常见的检疫性植物病毒高通量检测方法的建立和比较[D].上海海洋大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[26]段彦璐.析蒂克艺术童话《鲁能堡》《金发埃克贝尔特》中的“幸福”主题[D].四川外国语大学,德语语言文学,2014,硕士.
[27]周仲荣,张文桂,朱昊,杨川,黄楠,张卫华.重点实验室参与本科教学实践的启示[J].高等工程教育研究.2003(05)
[28]穆丽莎.天南星抗癌有效部位制备工艺及质量控制研究[D].北京中医药大学,中药化学,2014,硕士.
[29]韩燕妮.大连国合嘉汇房地产开发有限公司人员培训方案设计[D].大连理工大学,工商管理,2004,硕士.
[30]吴昊,谭克虎.快递业对经济社会发展的作用分析[J].经济问题探索,2014,02:48-51.
[31]周希照.中国证券市场的风险及其管理[D].华中师范大学,情报学,2003,硕士.
[32]巢吉.DD纺织开拓国内市场的营销策略研究[D].兰州理工大学,工商管理,2014,硕士.
[33]苏禹龙.四平条子河典型持久性有毒物质的污染特征研究[D].吉林大学,环境科学,2014,硕士.
[34]汪贵浦,李丹琳,林婷婷,周清.空间市场力的测度研究:中国银行业的案例[J].经济与管理研究,2014,12:80-87.
[35]孙蕾.资源信息与反馈对社会两难决策的影响研究[D].华中科技大学,发展与教育心理学,2013,硕士.
[36]刘雄鹏,雷定猷.基于数据仓库的铁路货票数据分析决策支持系统[J].电脑与信息技术,2004,02:51-54.
[37]杜楠.锂离子电池回收利用过程管理设计及研究[D].首都经济贸易大学,劳动卫生与环境卫生学,2004,硕士.
[38]刘洁.冠心病气虚血瘀证血管内皮功能的变化及参参康心胶囊的干预作用研究[D].甘肃中医学院,方剂学,2014,硕士.
[39]孙亚飞,李力.钢材含碳量电磁无损检测方法[J].冶金自动化,2011,02:4-10.
[40]甄文欢.电励磁无刷同步电机的设计与有限元分析[D].中国矿业大学,电机与电器,2014,硕士.
[41]冯子亮,游志胜,王明辉,张建州,范勇.基于空间交点强度的被动式多传感器数据关联[J].控制与决策,2001,05:561-564.
[42]刘东岩.不同成长性公司负债融资对投资行为影响的实证研究[D].江苏科技大学,会计学,2013,硕士.
[43]白祥琰.硫辛酸调控Nrf-2/HO-1通路对急性百草枯中毒大鼠肾损伤的保护作用[D].华中科技大学,急诊医学,2013,硕士.
[44]姚亚辉.超声弹性成像技术对肝脏局灶性病变的诊断价值研究[D].广西医科大学,影像医学与核医学（专业学位）,2013,硕士.
[45]白欣.汉语救助概念场词汇系统历史演变研究[D].四川外国语大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[46]赖巧燕.话语分析与汉维翻译[D].新疆大学,中国少数民族语言文学,2013,硕士.
[47]徐鼎平.基于三维数值模拟的边坡稳定性分析的整合方法研究[D].马鞍山矿山研究院,2007.
[48]黄臻洵.低介电常数聚酰亚胺/纯硅沸石杂化膜的制备[D].华南理工大学,2013.
[49]刘源.我国刑法视野下刑事责任问题研究[D].华东政法学院,刑法学,2004,硕士.
[50]彭欣.傅玄拟古诗研究[D].西南大学,中国古代文学,2014,硕士.