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阵列信号处理知识点

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阵列信号处理技术

阵列信号处理技术

动通信的用户很多，一方面通过空间不同位置进行区分，另 一方面通过不同的编码等方法实现多用户和大容量。 现代超分辨技术，使系统能够分辨空间和时间上都很靠 近的信号。
概括起来说：
波束的控制和管理
时间和空间信号的高分辨 五、主要研究内容 1、阵列构形研究 均匀直线阵、平面阵、元阵、随机阵、共形阵。 2、波束形成和超分辨新方法的研究（不是热点）
军用雷达：
火炮雷动：炮位侦校雷达、炮瞄雷达
战场侦察雷达：(坦克、直升机等目标的检测与识别)
步兵侦察雷达：
空中警戒雷达：（对空监视雷达） 机载雷达气象雷达： 天气预报、人工降雨）
探地雷达： （探测地下管道，检查高速公路施工质量，
接收信号
X T = [ x1 , x 2 , L , x N ]
(2.1.1)
方向图形成网络： W = [ w1 , w 2 , L , w N ]
(2.1.2)
(形成最优权 和系统输出)
y(t ) = W T X = X T W
(2.1.3)
自适应处理器: ( 例如MVDR：Minimum Variance Distortionless Response) 求解约束性问题：
0 ≤ t ≤ T
（2.2.5）
所需信号和噪声的矢量可以表达为：
s1 (t ) S (t ) = 2 M s N (t )
n1 (t ) n (t ) = 2 M n N (t )
0 ≤ t ≤ T
所需信号分量可精确已知，粗略近视已知，或仅在统计意 义上已知。
3、理想的传播模型
3、应用性研究(热点）
在一个具体的领域或工程项目上，如何应用这些理论和
方法，实际系统的误差很大，比如阵列通道之间的性能差异， 频率特性，阵列传感器的位置误差等情况下的一些理论算法 和性能。

课件2：阵列信号处理数学基础

课件2：阵列信号处理数学基础

谱定理，也就是矩阵A的特征值分解定理，其中Λ diag( , , , ), E
1
2
n
[e ,e , ,e ]是由特征向量构成的酉矩阵。
1
2
n
•9
一、代数基础
Kronecker积
定义：p q矩阵A和m n矩阵B的Kronecker积记作A B，它是一个 pm qn矩阵，定义为
a B
11
x
(t)
s (t)e K
jwom ( i )
n
(t)
m
i1 i
m
s (t)为入射到阵列的第i个源信号 i
( )为第m个阵元相对参考点的时延
m
i
n (t)为第m个阵元的加性噪声 m
X (t) [x (t), x (t),, x (t)]T
1
2
M
矩阵表示接收信号 N (t) [n (t), n (t),, n (t)]T
f
f
Khatri Rao积具有如下一些性质：
A⊙(B⊙C) (A⊙B)⊙C
(A B)⊙C A⊙C B⊙C
A⊙B B⊙ A
•12
一、代数基础
Hadamard积
矩阵A 和B IJ IJ的Hadamard积定义为
向量化
a b 11 11
A B a b21 21
a bI1 I1
ab 12 12
1
2
t1 ,t2
E{n(t )nT (t )} 0
1
2
Outline
一、矩阵代数相关知识 二、信源和噪声模型 三、阵列天线统计模型 四、阵列响应矢量/矩阵 五、阵列协方差矩阵的特征值分解 六、信源数估计方法
•19

第四章 阵列信号处理

第四章 阵列信号处理
si (t ) = s (t − 1 riT α ) exp[ j (ωt − riT k )] c
通常信号的频带B比载波 ω 小很多，即s(t)变化 相对 ω 缓慢，则延时
1 c
r α <<
T
1 B
则可以认为 s (t − r α ) ≈ s (t ) 即信号包络 在各阵元上差异可忽略——窄带信号。
4.2 等距线阵与均匀圆阵
一、等距线阵 M个阵元等距排成一直线，阵元间距为d，到达波 的方向角定义为与阵列法线的夹角 θ ，称为波 达方向（DOA）。 在三维空间中还可以 θ θ 确定信源方位角 ψ
d
5
4
y
ψ
2
1
x
等距线阵（ULA）的方向向量
aULA (θ ) = [1, e = [1, e
−j 2π − j k d sin θ −j
,L, e
2π
− j k ( M −1) d sin θ T
]
λ
d sin θ
,L, e
λ
( M −1) d sin θ
]T
若有多个信源(p个),波达方向分别为 θ i (i − 1, L, p) 方向矩阵为
A = [a(θ1 ), a(θ 2 ),L, a(θ p )] = 1 ⎡ ⎢ e − j 2λπ d sin θ1 =⎢ ⎢ L ⎢ − j 2λπ ( M −1) d sin θ1 ⎣e ⎤ π − j 2λ d sin θ p ⎥ L e ⎥ ⎥ L L π − j 2λ ( M −1) d sin θ p ⎥ L e ⎦ L 1
θ
d sin θ
Vandermonde矩阵
阵列结构不允许其方向向量和空间角之间模糊， 等距线阵阵元间距不能大于 λ ，则可以保证 2 方向矩阵中各个列向量线性独立。 二、等距线阵的阵列响应与方向图 在单个信源情况下，阵列输出为各阵元信号的加 权和（不考虑噪声），

阵列信号处理(知识点)

阵列信号处理(知识点)

信号子空间：设N 元阵接收p 个信源，则其信号模型为：()()()()1piiii x t s t a N t θ==+∑在无噪声条件下，()()()()()12,,,P x t span a a a θθθ∈称()()()()12,,,P span a a a θθθ 为信号子空间，是N 维线性空间中的P 维子空间，记为P NS 。

PN S 的正交补空间称为噪声子空间，记为N P N N -。

正交投影设子空间m S R ∈，如果线性变换P 满足，()1),,,2),,,0m mx R Px S x S Px x x R y S x Px y ∀∈∈∀∈=∀∈∀∈-=且则称线性变换P 为正交投影。

导向矢量、阵列流形设N 元阵接收p 个信源，则其信号模型为：()()()()1piiii x t s t a N t θ==+∑，其中矢量()i ia θ称为导向矢量，当改变空间角θ，使其在空间扫描，所形成的矩阵称为阵列流形，用符号A 表示，即(){|(0,2)}a A θθπ=∈波束形成波束形成（空域滤波）技术与时间滤波相类似，是对采样数据作加权求和,以增强特定方向信号的功率，即()()()()HHy t W X t s t W a θ==，通过加权系数W实现对θ的选择。

最大似然已知一组服从某概率模型()f X θ的样本集12,,,N X X X ，其中θ为参数集合，使条件概率()12,,,N f X X X θ 最大的参数θ估计称为最大似然估计。

不同几何形态的阵列的阵列流形矢量计算问题假设有P 个信源，N 元阵列，则先建立阵列的几何模型求第i 个信源的导向矢量()i i a θ 选择阵元中的一个作为第一阵元，其导向矢量()1[1]i a θ=然后根据阵列的几何模型求得其他各阵元与第一阵元之间的波程差n ∆，则确定其导向矢量()2jn i a eπλθ∆=最后形成N 元阵的阵列流形矢量()11221N j j N Pe A e πλπλθ-∆∆⨯⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 例如各向同性的NxM 元矩形阵，阵元间隔为半个波长，当信源与阵列共面时：首先建立阵列几何模型：对于第m 行、第n 列的阵元，其与第1行、第1列阵元之间的波程差为(1)sin()(1)cos()mn i i n d m d θθ∆=---故：()1122(sin()cos())22((1)sin()(1)cos())11N j j d j j d N M NM P NM Pe e A e e ππθθλλππθθλλθ-∆-∆---⨯⨯⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦而当信源与阵列不共面时： 首先将信源投影到阵列平面然后建立阵列模型对于第m 行、第n 列的阵元，其与第1行、第1列阵元之间的波程差为[(1)sin()(1)cos()]sin()mn i i i n d m d θθϕ∆=-+-故：()1122(sin()cos())cos()22((1)sin()(1)cos())cos()11N j j d j j d N M NM P NM Pe e A e e ππθθϕλλππθθϕλλθ-∆-∆---⨯⨯⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦线性约束最小方差准则（LCMV ）的自适应波束形成算法： 对于信号模型：()()()0X t s t a J N θ=++， 波束形成输出：()()()()0()H H H yt W X t s t W a W J N θ==++LCMV 准则实际上是使()0HW a θ为一个固定值的条件下，求取使得()HWJ N +方差最小的W 作为最有权值，即：()0min .H X WHW R Ws t W a Fθ⎧⎪⎨⎪=⎩，其中F 为常数利用拉格朗日乘子法可解得：()10X opt W R a μθ-=当取1F =时，则()()11H X a R a μθθ-=，μ的取值不影响SNR 和方向图。

阵列信号处理-1

阵列信号处理-1
其中：
n = −∞
∑A
∞
n
exp[ jnω 0 (t − α ⋅ x )]
（2.15） 由以上分析可以得到如下结论：传播的电 磁波 ，无论其信号是何种形式，均满足波 动方程。且任意方向传播的电磁波可同时 存在。
1 T An = ∫ s(u) exp(− jnω0u)du T 0
球面波波动方程： 球面波波动方程：
第一章
绪论
信号处理研究的内容
信号处理主要 研究方向
从复杂环境中 提取有用信号
由检测到的信号中 提取信息
信号处理的发展
起源于17世纪 50年代前期 分离元件 速度低 体积大 可靠性差
速度高 体积小 可靠性高
60年代后期 集成电路
信号处理的发展
信号处理前期
信号处理后期
时域信号处理 （一维）
图像处理
波束形成；
窗函数； 阵列的形成； 数字波束形成等；
阵列处理方法；
抗干扰； 超分辨；
空间目标参数的获取和估计； 两大类： 空间滤波； 空间谱估计；
阵列信号处理的主要目的： 1）增加信噪比 空间采样； 空间滤波； 2）利用阵列信号处理，对波源的个数、传播 方向、位置等参数进行估计。 3）对运动目标进行跟踪。
（2.1）
（2.2）
这里，J为电流密度： 2.3 进一步可推导出电磁波的波动方程表示式：
J = σE
∂ ∂ ∂ 1 ∂ E ( 2 + 2 + 2 )E = 2 2 ∂x ∂y ∂z c ∂t
2 2 2 2
2.4
假设波动方程的解为： 2.5 为计算方便，对这种形式的方程解作进一步的假 设，将解用指数形式表示：即 s ( x , y , z , t ) = A exp[ j (ω t − k x x − k y y − k z z )] 2.6 将其带入波动方程 (2.4)中，可以得到：

阵列信号处理的基本知识

阵列信号处理的基本知识

a
பைடு நூலகம்11
各通道同步采集假设
阵列接收信号需要进行采样和Ａ／Ｄ变换 为数字信号后进入DSP处理器进行算法处 理。
Nyquist采样率
宽频段信号：采用欠采样率(空时欠采 样)，需要解模糊算法。
a
12
对信号和噪声的假设
窄带假设
信号带宽远小于信号波前跨越阵列最大口径 所需要的时间的倒数，即有如下假设：
1
P
波传播的方向信息含于载波上，而不是复包络上， 即与波形无关(这与时域信号处理不同)，空间信 息含于载波上，时域信息含于信号包络上。
a
7
对阵列及其通道的假设 阵元的方向性：
空间入射信号示意图
a ( ) [ f ( ) e , ,f( ) e] 1
j k • p 1
a
j k • p M T
B L 1
F
式中L为阵列最大口径，F和为信号中心频率 和该频率对应的波长。
远场假设
即辐射源到阵列的距离远大于阵列的最大口
径，从而入L2射到阵列的信号波前可近似为平
面波前(d ).
a
13
入射信号统计特性
空间入射信号平稳且各态历经，可以用时
间平均代替集合平均。一般还假定各入射
信号统计独立。
E { s ( t) s H ( t) } d{ i2 , a ,2 g }
6
将整个阵列的输出信号写成矩阵形式为：
x (t) A (t) sn (t)
A [a () ,,a ()]为阵列流行矩阵、空间信
1
P
号方向矢量、阵列响应矩阵。
a ( ) [ 1 e , ,e ] j2 d si /n
j2( M 1 ) d si /n T

阵列信号处理1-2

阵列信号处理1-2
)] = ξ[W (t )] = d (t) 2rXd (t)W (t )
2 2 T
+ W (t ) RXX (t )W (t )
T
(2.2.3 )
将上式对变量 W(t)求导数并使之等于零
ξ[W (t )] = 2rXd (t ) + 2RXX (t )W (t ) Wopt = RXX rXd
多径信号:有用信号经过多次反(散)射进入接收机的信号. 2,信号模型:
① 随机信号 例如:舰船发动机的噪声,推进器的噪声,未知的通信 信号,传感器热噪声,环境噪声,干扰信号,本质上都是随 机的.这些噪声都典型地来自大量独立微弱源的合成效应, 故应用统计学中心极限定理,可取合成噪声信号的数学模型 为高斯(Gauss)随机过程(通常是平稳高斯随机过程). 高斯信号的统计学性质特别有利于分析计算,因为高斯随机 过程的一阶矩和二阶矩给出了这种随机信号的全部信息特征. 来源:大量独立微弱源的合成效应.(未知的通信信号传感 器热噪声,环境噪声,干扰……等) 模型:Gauss平稳随机过程 参数:均值,方差
(2.1.1) (2.1.2) (2.1.3)
T 方向图形成网络: W = [ w1 , w 2 , L , w N ]
(形成最优权 和系统输出) 自适应处理器:
y (t ) = W T X = X T W
( 例如MVDR:Minimum Variance Distortionless Response) 求解约束性问题: min s.t
4,有利于多目标远距离的检测和跟踪 (Multiple targets detection and traction) 阵元数越多,天线孔径越大,波束及空间谱分辨率越高. 同时自由度增大.增加形成的主波束数量,实现对多目标的跟 踪.另一方面,也可以增加抑制干扰的数量. 三,自适应阵列信号处理的发展历史 自适应波束形成技术的研究主要在六十年代到七十年代, 到七十年代末已经基本成熟. 空间谱估计:主要是超/高分辨空间谱估计技术,从七 十年代到八十年代末期. 八十年代到九十年代,主要研究如何在实际系统中应用

阵列信号处理第二讲(Part_B)04_03_16

阵列信号处理第二讲(Part_B)04_03_16

则： 导数为：
其中： 则优化的问题为：
约束条件：
34
约束函数：
对W求导得到： 或： 利用： 我们计算出计算出拉格朗日因子。 所以：
最优权值为：
其中：
35
或者可以写成：
从上式可以看出，最优权值是从理想权值中减去 一个由约束矢量线性组合形成的一个分量。 则：
对于零阶约束条件：
可见：设计的波束是从常规波束中减去多个由在不同零点 位置指向的常规波束而得到的。 同理，n阶导数约束下形成的最后的波束图，也是从常规波 束中减去了在不同零点位置指向的常规波束的n阶导数波束 图而得到的。 上述结果对任意阵列也是成立的，对于零阶约束条件，我 们有：
其中，分子为修正的Dolph-Chebychev零点。修正 的目的是在n=n的位置上不会出现一个跳变，分母 为均匀加权的零点： Dolph-Chebychev零点由(3.187)给出。每个零点 乘上：
21
则： 新零点为： 其余的零点是均匀的：
22
23
四、最小二乘方向图合成
最小二乘误差为： 求导得到： 我们定义： 最优权值的计算公式： 对于标准均匀线阵：
解值为：
(3) m阶多项式在x属于（-1,1）内的最大值和最小值 是相互交替出现的，最值的幅度为1。所以，多项式 在间隔（-1,1）内是等纹波的。
7
(4)所有的多项式均通过点(1,1)，且在x=1的位置, 有|Tm(1)|=1。对于x>1，有|Tm(1)|>1。
8
拟合的方法是：令阵列方向图对应的多项式，等于 一个Chebychev多项式，使阵列多项式的系数等于 Chebychev多项式的系数。则该方向图将对应一个 Chebychev多项式的图。我们定义：

阵列信号处理某高校课程

阵列信号处理某高校课程
率和扩大覆盖范围。
医学成像中的阵列信号处理
总结词
医学成像中的阵列信号处理主要用于提高成像质量和诊断准确率。
详细描述
医学成像技术如超声成像、核磁共振成像等，利用不同频率的声波或电磁波获取人体内部结构的信息 。阵列信号处理技术可以对接收到的信号进行处理，实现图像增强、去噪和分辨率提升。阵列信号处 理在医学成像中能够提高成像质量和诊断准确率，对于医疗诊断和治疗具有重要意义。
阵列信号处理将进一步与其他 领域的技术融合，如机器学习 、人工智能等。通过跨域协同 ，可以实现更高效、更精准的 信号处理和分析。
随着传感器技术的发展，阵列 的构成和排列方式也将不断创 新。未来的阵列信号处理系统 将更加灵活、多样化和智能化 。
阵列信号处理技术的应用领域 将继续拓展，如智能感知、无 人系统、物联网等新兴领域。 通过与这些领域的交叉融合， 阵列信号处理将发挥更大的作 用和价值。
信号的波束形成
通过调整阵列天线接收信号的相位和幅度，实现信号的 波束形成，增强特定方向的信号强度。
阵列信号的传播特性
信号的空间传播
阵列信号在空间中传播时，会受到环境因素的影 响，如多径效应、阴影衰落等。
信号的方向特性
阵列信号的方向特性包括方向图、波束宽度、副 瓣电平等，这些特性决定了阵列对信号的接收和 定向发射能力。
05
课程总结与展望
课程总结
阵列信号处理的基本原理
阵列信号处理是一门研究如何通过多个传感器接收信号，并通过对这些信号的处理和分析，实现对信号源的定位、跟 踪和识别的学科。其基本原理包括信号的传播、阵列的几何排列、信号的波束形成等。
课程内容与学习目标
本课程介绍了阵列信号处理的基本概念、原理和方法，包括信号模型、阵列模型、信号参数估计、波束形成等。通过 学习，学生应能掌握阵列信号处理的基本理论和方法，并能够运用所学知识解决实际问题。

阵列信号处理读研

阵列信号处理读研

阵列信号处理读研一、引言随着信息技术的发展和智能设备的普及，信号处理在各个领域中扮演着重要的角色。

其中，阵列信号处理作为一种高级信号处理技术，具有广泛的应用前景。

因此，越来越多的人选择进行阵列信号处理相关研究，并选择读研深造。

本文将详细探讨阵列信号处理读研的相关内容。

二、阵列信号处理概述2.1 信号处理的基本概念信号处理是指对信号进行采集、转化、编码、解码等一系列操作的过程。

阵列信号处理则将信号处理与阵列技术相结合，通过利用多个传感器接收信号，并利用阵列中的几何结构对信号进行处理和分析。

2.2 阵列信号处理的应用领域阵列信号处理在许多领域中具有重要应用，例如无线通信、声音处理、雷达系统等。

通过阵列信号处理，信号的质量可以得到提高，对于特定目标的检测和定位等任务也更加高效准确。

三、阵列信号处理读研的意义3.1 学术研究意义阵列信号处理涉及到多个学科的知识，包括信号处理、数学、电子工程等。

通过读研，在相关领域进行深入研究，可以掌握先进的理论知识和实践技能，为学术研究做出贡献。

3.2 工程应用意义阵列信号处理在实际应用中有广泛的需求，例如在通信系统中，通过阵列信号处理技术可以提高信号的传输效率和抗干扰能力。

因此，通过读研，可以掌握阵列信号处理的相关原理和技术，为工程应用提供支持。

四、阵列信号处理读研的必备知识4.1 数学基础知识阵列信号处理涉及到许多数学知识，例如线性代数、概率论、信号与系统等。

在读研之前，有一定的数学基础是必要的，可以通过学习相关课程来打好基础。

4.2 信号处理基础知识阵列信号处理是在信号处理的基础上发展起来的，因此在读研之前，需要对信号处理的基本概念、方法和算法等有一定的了解。

可以通过学习相关课程或自学来掌握信号处理的基础知识。

4.3 电子工程知识阵列信号处理涉及到电子工程的相关知识，例如电路设计、电磁波传播等。

在读研之前，可以通过学习相关课程或进行实践操作来掌握电子工程的基本理论和实践技能。

阵列信号处理基础教程

阵列信号处理基础教程

阵列信号处理基础教程阵列信号处理是一项重要的数字信号处理技术，用于从多个传感器接收到的信号中提取有用的信息。

阵列信号处理可以用于各种应用，例如无线通信、声学信号处理和雷达系统等。

本文将介绍阵列信号处理的基本概念、技术和应用。

阵列信号处理的主要目标是通过对多个传感器接收到的信号进行处理，从中提取有用的信息。

其中一个常见的任务是估计信号的到达方向。

通过测量信号在不同传感器间的相位差，可以估计信号的波前到达角度。

这种估计可以用于声源定位、雷达目标跟踪等应用中。

在阵列信号处理中，有几种常用的方法用于估计信号的到达方向。

其中一种方法是波束形成技术。

波束形成是一种利用传感器阵列的相干性增强信号的方法，从而提高信号的功率和信噪比。

波束形成通过对传感器接收到的信号进行加权和相干处理，使得来自特定方向的信号在输出中得到增强，而来自其他方向的信号被压制。

另一种常用的方法是空间谱估计技术。

空间谱估计是一种通过对传感器接收到的信号进行功率谱估计从而估计信号的到达方向的方法。

空间谱估计技术包括传统方法如基于协方差矩阵或自相关矩阵的方法，以及现代方法如基于模型的方法或压缩感知方法。

除了信号波前到达角度的估计，阵列信号处理还可以用于其他任务，例如信号分离、自适应滤波和声源增强等。

在信号分离中，阵列信号处理可以通过对传感器接收到的混合信号进行处理，将其分解为原始信号的组合。

自适应滤波是一种利用传感器阵列的几何结构和信号统计性质设计滤波器的方法。

声源增强是一种通过改善信号的信噪比来提高信号质量的方法，从而增强人们对声音的感知。

阵列信号处理在无线通信、声学信号处理和雷达系统等领域都有广泛的应用。

在无线通信中，阵列信号处理可以用于无线通信信道的估计和均衡，以提高通信性能。

在声学信号处理中，阵列信号处理可以用于语音信号的增强和麦克风阵列的防噪声设计。

在雷达系统中，阵列信号处理可以用于目标检测、目标跟踪和成像等任务。

综上所述，阵列信号处理是一项重要的数字信号处理技术，用于从多个传感器接收到的信号中提取有用的信息。

阵列信号处理的基本知识

阵列信号处理的基本知识


阵元之间的互藕 有关因素：阵元之间的间距大小，系统工作 频段，采用的传感器类型等。 设所有阵元之间的藕合系数矩阵为C，则考 虑到阵元间互藕的阵列输出信号模型为：
x(t ) CAs (t ) n(t )

阵元位置 阵元测向的关键信息是空间信号入射到各阵 元的相对延迟相位，而这一相位依赖于阵元 之间的空间位置，阵元位置误差直接导致延 迟相位估计误差，从而影响信号参数估计。 阵列模糊 阵元间距大于 / 2 时，影响空间信号到达角 的可辨识性和确定性，需要解决阵列模糊问 题。

时域滤波 频率响应 通带 阻带 频率选择
空域滤波 方向图 主瓣 旁瓣 方向选择
三、当前的一些研究热点和新技术

参数估计以及信号检测： 1. 非理想条件下稳健的参数估计方法和信号检测 (色噪声，非平稳信号环境，阵列存在系统误差 （包括互藕、幅相误差、位置误差）)。 2. 快速算法(子空间跟踪与更新，权系数更新)。 3. 相干信号和宽带信号环境。 4. 低信噪必(弱信号)、短数据环境下的检测与估 计。 5. 新方法(MCMC，SMC(particle filter)，SVB, Stochastic Resonance)。
]
T
s [s (t ),, s (t )] 为信号源矢量。
T
波传播的方向信息含于载波上，而不是复包络上， 即与波形无关(这与时域信号处理不同)，空间信 息含于载波上，时域信息含于信号包络上。
对阵列及其通道的假设 阵元的方向性：
空间入射信号示意图
a( ) [ f ( )e
1
jk p1
式中L为阵列最大口径，F和 为信号中心频率 和该频率对应的波长。 远场假设 即辐射源到阵列的距离远大于阵列的最大口 径，从而入射到阵列的信号波前可近似为平 面波前(d ).

西工大阵列信号处理考点整理

西工大阵列信号处理考点整理

西工大《阵列信号处理》复习考点整理考试形式：一、8道问答题，每道题5分；二、六道大题，包括PPT 上老师给出的那一道。

一1. 均匀线列阵在波束扫描时，波束图怎么变化？当波束指向法线方向时，波束图具有最窄的主瓣宽度；随着阵元指向逐渐远离法线方向，主瓣一直指向所调方向并且展宽；除了指向法线方向外，主瓣都关于波束倾角轴不对称；当达到某一临界角时不能形成波束，但是在端射方向又可以形成波束。

且在端射方向形成一个较宽的主瓣。

2．DI 是什么？DI 表示指向性指数，其表达式为D 为方向性，是阵列和孔径的一个常用性能度量。

⎰⎰⋅=ππφθθφθπφθ200),(sin 41),(P d d P D T T 3. DC 加权的特点（1）旁瓣级给定时，主瓣宽度最小； （2）主瓣宽度给定时，旁瓣级最低； （3）等旁瓣级。

4. 频域快拍模型是什么，步骤是什么，常用的频域快拍取的时间有什么关系？ （1）记住《最优阵列处理技术》245页图5.1 （2）步骤：①把总的观测时间T 分为K 个不重叠的时间区域，区域长度为△T ； ②对时域快拍进行FT ；③对频域向量（频域快拍）进行窄带波束形成； ④对上述频域信号进行IFT 。

（3）△T 的选择准则①△T 必须远大于平面波通过阵列的传播时间；②△T 依赖于输入信号的带宽和信号的时域谱，16≥∆⋅T B （B*△T 足够大，选用频域快拍模型）。

5. 什么是均匀阵的瑞利限？常规波束形成分辨率的极限。

表达式为6. 空间白噪声的阵增益的相关计算。

阵列增益ωA 的定义为阵列的输出SNR 和一个阵元上的输入SNR 的比值。

下标“ω”表示空域不相关的噪声输入。

表达式如下：22101)()(--====∑nN n nin o SNR SNR A ωωωωω对于一个标准线阵（阵元间距为d=λ/2），白噪声阵列增益等于阵列的方向性D ； 对于一个均匀加权阵列，有ωn =1/N(n=0,…，N-1)，N A =ω(或单位为dB 时，为N log 10) 7. N 元ULA 可以分辨有多少来波？可以分辨N-1个来波个数（N 元阵有1个参考元，所以自由度为N-1）.二1. 对于阵元数N =5和N =6两种情况，推导并绘制标准均匀线列阵指向阵列法线方向，均匀加权得到的波束图)(u B ，注意旁瓣个数以及端射方向的波束形状。

阵列信号处理读研

阵列信号处理读研

阵列信号处理读研1. 引言阵列信号处理是一门涉及多个传感器或接收器的信号处理技术，通过对多个接收到的信号进行分析和处理，从而提取出有用的信息。

这门技术在无线通信、雷达、声音识别等领域具有广泛的应用。

由于其重要性和前景广阔，越来越多的人选择阵列信号处理作为读研方向。

本文将介绍阵列信号处理读研的相关内容，包括该领域的基本概念、研究方向、发展趋势以及对个人职业发展的影响等。

2. 基本概念2.1 阵列信号处理阵列信号处理是指利用多个传感器或接收器对同一目标进行接收和分析，并通过合理地组合和加权这些接收到的信号，提取出有用的信息。

阵列信号处理可以用于定位目标、抑制干扰、增强接收信号等。

2.2 阵列阵列是指由多个传感器或接收器组成的系统。

这些传感器或接收器之间按照一定规律排列，并通过相互之间的协作，实现对信号的接收和处理。

常见的阵列包括线性阵列、均匀圆阵、非均匀圆阵等。

2.3 目标定位目标定位是指通过对接收到的信号进行分析和处理，确定目标在空间中的位置信息。

在阵列信号处理中，通过对不同传感器或接收器接收到的信号进行比较和计算，可以得到目标相对于阵列的位置。

3. 研究方向3.1 阵列设计与优化阵列设计与优化是指研究如何选择合适的传感器或接收器，并确定它们之间的布局和参数，以达到最佳的性能。

这个研究方向涉及到信号处理、优化算法等多个领域。

3.2 目标定位算法目标定位算法是指通过对接收到的信号进行分析和计算，确定目标在空间中的位置信息。

这个研究方向涉及到信号处理、数学建模、机器学习等多个领域。

3.3 阵列干扰抑制在实际应用中，常常会存在多个目标同时存在或者干扰源影响下的情况。

阵列干扰抑制是指通过对接收到的信号进行分析和处理，抑制干扰信号，提取出目标信号。

这个研究方向涉及到信号处理、滤波器设计等多个领域。

4. 发展趋势4.1 多传感器融合随着技术的进步，越来越多的传感器被应用于阵列信号处理中。

多传感器融合是指将不同类型的传感器进行组合和集成，以实现更高效、更准确的信号处理。

宽带阵列信号处理关键知识点学习笔记

宽带阵列信号处理关键知识点学习笔记

宽带阵列信号处理关键知识点学习笔记第⼀部分宽带阵列信号测向ISSM(Incoherent Signal-Subspace Method)：宽带⾮相⼲信号⼦空间⽅法。

优点：不需要进⾏⾓度预估。

缺点：1、由于该⽅法在每个频段上仅利⽤了宽带信号的部分信息，所以其估计性能不⾼，主要是分辨率低，不能解相关信源。

CSM(Coherent Signal-Subspace Method)：相⼲信号⼦空间算法。

优点：CSM ⽅法不仅估计性能优于⾮相⼲处理⽅法，并且具有处理相关信号的能⼒。

缺点：1、需要对信源的⽅向进⾏预估以便构造聚焦矩阵，所以性能易受到信源⽅位预估精度的影响。

2、CSM ⽅法本质上是⽤窄带模型在聚焦后构成低秩模型来近似宽带结果，从⽽导致其估计结果受到信号短时谱不确定的影响。

宽带阵列信号处理的优点：1、⽬标回波携带的信息量⼤，有利于⽬标检测、参量估计和⽬标特征提取等特点。

2、宽带信号的信息具有较好的抗信号起伏、衰落性能。

M 个阵元的接收机同时采样（快拍），得到⼀次快拍M 个数据（空间采样数据）线阵窄带信号⼀次快拍采样的数据是正弦序列。

相⼲信号源：如多径现象、敌⽅有意同频⼲扰。

信号阵列会接收到不同⽅向上的相⼲信号，相⼲信号会导致信源协⽅差矩阵的秩亏缺，使得信号特征⽮量发散到噪声⼦空间去。

⾣矩阵：n 阶复⽅阵U 的n 个列向量是U 空间的⼀个标准正交基，则U 是⾣矩阵。

也可定义为：H H n U U UUE ==。

充分必要判别条件是：1H U U -=Hermitian 矩阵：矩阵n n A ?满⾜H A A =。

Hermitian 矩阵性质如下：（1） Hermitian 矩阵所有特征值都是实的。

（2） Hermitian 矩阵对应于不同特征值的特征⽮量相互正交。

（3） Hermitian 矩阵可就⾏谱分解及特征分解。

相关系数：*0()()01()()1()()ik ik i k ik i k iki k s t s t s t s t s t s t ρρρρ==<上式中，当信号相⼲时，信号之间只差⼀个复常数。

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信号子空间：设N 元阵接收p 个信源，则其信号模型为：()()()()1piiii x t s t a N t θ==+∑在无噪声条件下，()()()()()12,,,P x t span a a a θθθ∈称()()()()12,,,P spana a a θθθ为信号子空间，是N 维线性空间中的P 维子空间，记为P NS 。

PN S 的正交补空间称为噪声子空间，记为N P N N -。

正交投影设子空间mS R ∈，如果线性变换P 满足，则称线性变换P 为正交投影。

导向矢量、阵列流形设N 元阵接收p 个信源，则其信号模型为：()()()()1piiii x t s t a N t θ==+∑，其中矢量()i ia θ称为导向矢量，当改变空间角θ，使其在空间扫描，所形成的矩阵称为阵列流形，用符号A 表示，即(){|(0,2)}a A θθπ=∈波束形成波束形成（空域滤波）技术与时间滤波相类似，是对采样数据作加权求和,以增强特定方向信号的功率，即()()()()HHy t W X t s t W a θ==，通过加权系数W 实现对θ的选择。

最大似然已知一组服从某概率模型()f X θ的样本集12,,,N X X X ，其中θ为参数集合，使条件概率()12,,,N f X X X θ最大的参数θ估计称为最大似然估计。

不同几何形态的阵列的阵列流形矢量计算问题假设有P 个信源，N 元阵列，则先建立阵列的几何模型求第i 个信源的导向矢量()i i a θ选择阵元中的一个作为第一阵元，其导向矢量()1[1]i a θ=然后根据阵列的几何模型求得其他各阵元与第一阵元之间的波程差n ∆，则确定其导向矢量()2j n i a eπλθ∆=最后形成N 元阵的阵列流形矢量()11221N j j N Pe A e πλπλθ-∆∆⨯⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 例如各向同性的NxM 元矩形阵，阵元间隔为半个波长，当信源与阵列共面时： 首先建立阵列几何模型：对于第m 行、第n 列的阵元，其与第1行、第1列阵元之间的波程差为故：()1122(sin()cos())22((1)sin()(1)cos())11N j j d j j d N M NM P NM Pe e A e e ππθθλλππθθλλθ-∆-∆---⨯⨯⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦而当信源与阵列不共面时： 首先将信源投影到阵列平面 然后建立阵列模型对于第m 行、第n 列的阵元，其与第1行、第1列阵元之间的波程差为故：()1122(sin()cos())cos()22((1)sin()(1)cos())cos()11N j j d j j d N M NM P NM Pe e A e e ππθθϕλλππθθϕλλθ-∆-∆---⨯⨯⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦线性约束最小方差准则（LCMV ）的自适应波束形成算法： 对于信号模型：()()()0X t s t a J N θ=++，波束形成输出：()()()()0()HHHy t W X t s t W a W J N θ==++LCMV 准则实际上是使()0HWa θ为一个固定值的条件下，求取使得()HW J N +方差最小的W作为最有权值，即：()0min .H X WHW R W s t W a Fθ⎧⎪⎨⎪=⎩，其中F 为常数利用拉格朗日乘子法可解得：()10X opt W R a μθ-=当取1F =时，则()()11H X a R a μθθ-=，μ的取值不影响SNR 和方向图。

在精确的方向矢量约束条件和相关矩阵精确已知的情况下，LCMV 准则与SNR 准则等效。

对于最有波束形成()1'0|n optLCMV W R a μθ-=，其中n R 应不含信号分量。

SMI （采样协方差矩阵求逆）算法是在此准则上，用一批次采样数据(),1,2,,i Xt i M =来估计得到n R ，()()()11MHn i i i R M X t Xt M∧==∑此估计为最大似然无偏估计，即：(),n n R M R M ∧→→∞SMI 算法输出SNR 损失会随着M 的增加而减小，当M →∞，输出无损失；为了使性能损失不超过3dB ，一般取2MN >。

当精确的方向矢量约束条件和精确的相关矩阵已知的条件不满足时，直接使用()n R M ∧估计n R 求逆会产生信号相消的现象。

SMI 算法的收敛性受n R 特征值分散程度的影响，在超过一定临界值之后，若期望信号不含在R 中，则收敛较快，反之则会变慢；可利用对角加载改善收敛速度。

天线旁瓣相消问题（ASC ）自适应天线旁瓣相消器采用下面的结构，基于最小均方误差准则的最适应波束形成（MSE ） 辅助天线增益小，与主天线旁瓣电平相当，无方向性，因此()y t 几乎仅为干扰信号，加在辅助天线的权矢量为1X Xd optW R r -=；主天线与辅助天线对干扰信号接收输出信号相关性较好时，可获得好的干扰抑制性能。

广义天线旁瓣相消问题属于一种部分自适应设计，其结构框图如下： 对于一般的最优波束形成有（LCMV 准则）其权系数分为两部分：一部分为固定权0W （匹配滤波系数）；另一部分为自适应权A W ，依赖输入数据，计算最优权值时，只需要计算A W 。

令：则：()0HH HA n n W C C W WC C ===，故有0Hn C C =而：0A W W W =-，故00()H H HHH A A W C W W C W C W C F =-=-=故：00A n W W W W C W =-=-能满足约束方程，可将方程约束条件去掉 得：00min ()()HHn n WW RW W C W R W C W =--，()()10H H nnnW C RC CRW -=信号被分成两个支路：上支路形成目标检测通道(0W 是匹配滤波权系数)；下支路形成辅助通道，用其加权求和去预测检测通道中的干扰信号进而对消掉。

对于输入信号()xt 有：()()()()()()0000n H H nnx t s t a x t C a C C C a θθθ=+===因为0HnC C =，故有：()0()(()()())()()()HHHHH n n n n n n nn y t Cx t Cs t a x t C Cs t Cx t Cx t θ==+=+=所以下支路中()y t 不含目标信号，仅有干扰，n C 被称为信号阻塞矩阵（Block Matrix ），由n C 保证下支路中不含目标信号。

当精确的方向矢量约束条件或精确的相关矩阵未知时，会产生信号相消的现象。

而进行降维处理之后：()()()()()10HHAn n n W C T R C T C T RW -=令n C T T −−−→记为，则()()10HHA W T RT TRW -=其中T 称为降维处理矩阵，因为0HT C =，故T 可阻塞信号；且T 的维数p N L <-进行降维处理之后的结构框图为： T 有三种设计方法：1、（Gabriel 法）：由指向干扰方向的波束作为权矢量构成的。

2、（Adams 法）：由指向目标方向邻近波束权矢量构成。

3、由R 的特征分解的特征矢量构成。

MUSIC 算法MUSIC 算法进行DOA 估计的步骤为：1、由阵列数据()i x t 估计相关矩阵，()()^11MHi i i R x t xt M==∑2、对^R 作特征分解，用其P 个大特征值对应的特征向量12,,,p v v v 张成信号子空间PN S （或用其N P -个小特征值对应的特征矢量1,,p N v v +噪声子空间N PN N -）3、 用搜索矢量()a θ向PNS 作投影，得到()()1N P H i i n i P a v v a θθ-=⎡⎤=⎢⎥⎣⎦∑或用搜索矢量()aθ向N PNN-作投影()()1N H i i n i N P P a v v a θθ=-+⎡⎤=⎢⎥⎣⎦∑ 4、 计算谱峰：()()()21PHin i S P a a vθθθ===∑，谱峰对应的角度就是波束到达角度。

（或用()()()2111NHn ii P S P a av θθθ=+==∑计算谱峰）MUSIC 算法并不能适用于任何几何形态的阵列，不同阵列的()aθ是不一样的，而MUSIC 算法要求()a θ为满秩的范德蒙德矩阵，这个条件有可能不满足。

MUSIC 算法并不能适用于相干源，因为对于相干信源，其相关矩阵^R 有可能不满秩，这样既不能准确知道信源的个数P ，又不能得到准确的信号子空间PN S 和噪声子空间N PN N -。

但可以通过空间平滑法去相关，然后再用MUSIC 算法。

空间平滑法就是将N 元等距线阵分成L 个M 元子阵， 这样对于每一个M 元子阵有()()()()1i iM i X t A D S t N t θ-=+其中：122sin 2sin 2sin 0P d j d j d j eeD e πθλπθλπθλ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 于是：()()()()122sin 12sin 22sin P dj d j md j P S te S t e D S t S t e πθλπθλπθλ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦若信源中存在相干源，则采用这种方法后可破坏其相关性。

通过多个子阵，每个子阵相当于空间平移，因为不同信号由于方向不同，旋转因子不同，将多出的旋转因子归并到信号包络()i S t ，所以然后()iS t 便变得不相干了；然后将各子阵数据在相关域平均。

对于非等间隔线阵，若信源中不含相干源，则MUSIC 算法仍然适用；若含有相干源，则则MUSIC 算法不适用，且不能通过空间平滑法去相关。

MUSIC 算法并不能适用于P 个波长不同的平面波波达方向估计，此时()a θ虽为的范德蒙德矩阵，但不满秩，空间角θ模糊。

MUSIC 算法并不能适用于色噪声环境，可以利用高阶累量抑制未知相关矩阵的高斯色噪声，然后运用MUSIC 算法。

例如，4阶累量MUSIC 算法流程如下： 1、 构建4阶累量矩阵：2、在P 个独立源情况下：4HC A A =Γ，其中()12,,,P diagr r r Γ=，i r 为第i 个信号源的4阶累量：()()()()**iii i i r Cum S t S t S t S t ⎡⎤=⎣⎦ 3、对4C 进行特征值分解，用其N P -个小特征值对应的特征矢量1,,p N v v +噪声子空间N PN N -4、由()()()2111NHn ii P S P a av θθθ=+==∑搜索P 个信源的谱峰方向。