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基于多幀相位增強(qiáng)的米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)DOA估計方法

項厚宏 陳伯孝 楊婷 楊明磊

項厚宏, 陳伯孝, 楊婷, 楊明磊. 基于多幀相位增強(qiáng)的米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)DOA估計方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(7): 1581-1589. doi: 10.11999/JEIT190432
引用本文: 項厚宏, 陳伯孝, 楊婷, 楊明磊. 基于多幀相位增強(qiáng)的米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)DOA估計方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2020, 42(7): 1581-1589. doi: 10.11999/JEIT190432
Houhong XIANG, Baixiao CHEN, Ting YANG, Minglei YANG. Low-elevation DOA Estimation for VHF Radar Based on Multi-frame Phase Feature Enhancement[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(7): 1581-1589. doi: 10.11999/JEIT190432
Citation: Houhong XIANG, Baixiao CHEN, Ting YANG, Minglei YANG. Low-elevation DOA Estimation for VHF Radar Based on Multi-frame Phase Feature Enhancement[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(7): 1581-1589. doi: 10.11999/JEIT190432

基于多幀相位增強(qiáng)的米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)DOA估計方法

doi: 10.11999/JEIT190432 cstr: 32379.14.JEIT190432
基金項目: 國家自然科學(xué)基金(61571344, 61971323),中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項基金,西安電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    項厚宏:男,1994年生,博士生,研究方向為陣列信號處理、米波雷達(dá)測高、機(jī)器學(xué)習(xí),深度學(xué)習(xí)

    陳伯孝:男,1966年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為新體制雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計及其實現(xiàn)、目標(biāo)精確制導(dǎo)與跟蹤、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等

    通訊作者:

    陳伯孝 bxchen@xidian.edu.cn

  • 中圖分類號: TN958

Low-elevation DOA Estimation for VHF Radar Based on Multi-frame Phase Feature Enhancement

Funds: The Natural Science Foundation of China (61571344, 61971323), The Fundamental Research Funds for the Central University, Innovation Fund of Xidian Univerisity
  • 摘要:

    針對米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)的DOA估計問題,該文提出一種新的基于多幀相位特征增強(qiáng)方法,所提方法可以有效解決低仰角條件下陣列接收信號中直達(dá)信號相位特征模糊問題,進(jìn)而提高DOA估計精度。通過學(xué)習(xí)多幀原始數(shù)據(jù)的相位分布特征與理想環(huán)境下直達(dá)波信號的相位分布特征之間的復(fù)雜映射關(guān)系,有效削弱多徑信號引起的相位誤差,將增強(qiáng)后的相位信息與原始的幅度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)重組,并利用已有的超分辨算法進(jìn)行DOA估計。通過計算機(jī)仿真實驗和實測數(shù)據(jù)驗證,該文所提方法在DOA估計性能以及泛化能力上優(yōu)于基于物理驅(qū)動的MUSIC算法以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的基于特征反演和基于支持向量回歸的兩種估計方法。

  • 圖  1  信號模型

    圖  2  幅相敏感度分析

    圖  3  相位增強(qiáng)系統(tǒng)框圖

    圖  4  深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    圖  5  深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    圖  6  信噪比匹配條件下,DNN增強(qiáng)的RMSE與信噪比關(guān)系曲線

    圖  7  信噪比匹配條件下,CNN增強(qiáng)的RMSE與信噪比關(guān)系曲線

    圖  8  信噪比匹配條件下,DNN增強(qiáng)的GOF與信噪比關(guān)系曲線

    圖  9  信噪比匹配條件下,CNN增強(qiáng)的GOF與信噪比關(guān)系曲線

    圖  10  誤差匹配條件下DNN增強(qiáng)的RMSE與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  11  誤差匹配條件下CNN增強(qiáng)的RMSE與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  12  誤差匹配條件下DNN增強(qiáng)的GOF與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  13  誤差匹配條件下CNN增強(qiáng)的GOF與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  14  信噪比失配條件下DNN增強(qiáng)的RMSE與信噪比關(guān)系曲線

    圖  15  信噪比失配條件下CNN增強(qiáng)的RMSE與信噪比關(guān)系曲線

    圖  16  信噪比失配條件下DNN增強(qiáng)的GOF與信噪比關(guān)系曲線

    圖  17  信噪比失配條件下CNN增強(qiáng)的GOF與信噪比關(guān)系曲線

    圖  18  誤差失配條件下DNN增強(qiáng)的RMSE與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  19  誤差失配條件下CNN增強(qiáng)的RMSE與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  20  誤差失配條件下DNN增強(qiáng)的GOF與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  21  誤差失配條件下CNN增強(qiáng)的GOF與相位誤差關(guān)系曲線

    圖  22  相位增強(qiáng)前后分布圖

    圖  23  目標(biāo)航跡圖和測角結(jié)果圖

    圖  24  DNN增強(qiáng)后測角誤差

    圖  25  CNN增強(qiáng)后測角誤差

    表  1  深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

    網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)激活函數(shù)學(xué)習(xí)率初始化方式
    ${{x}} \times 1024 \times 1024 \times 1024 \times {{o}}$ReLU10–4高斯隨機(jī)初始化
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

    網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卷積核大小池化層大小激活函數(shù)學(xué)習(xí)率初始化方式
    2層卷積層$3 \times 1 \times 15$$1 \times 3$ReLU10–4高斯隨機(jī)
    3層全連接層$3 \times 15 \times 30$初始化
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  有效點數(shù)占比(%)

    方法DBFSSMUSIC3幀DNN5幀DNN7幀DNN3幀CNN5幀CNN7幀CNN
    占比1.80.295.693.589.885.181.172.7
    下載: 導(dǎo)出CSV
  • 朱偉. 米波數(shù)字陣列雷達(dá)低仰角測高方法研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學(xué), 2013.

    ZHU Wei. Study on low-angle altitude measurement in VHF Radar[D]. [Ph.D. dissertation], Xidian University, 2013.
    鄭軼松. 米波陣列雷達(dá)低仰角測高若干問題研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學(xué), 2017.

    ZHENG Yisong. Study on some issues of low-angle altitude measurement for VHF array radar[D]. [Ph.D. dissertation], Xidian University, 2017.
    李存勖. 米波雷達(dá)低仰角測高相關(guān)問題研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學(xué), 2018.

    LI Cunxu. Study on some issues of altitude measurement of low-angle target for VHF array radar[D]. [Ph.D. dissertation], Xidian University, 2018.
    陳伯孝, 胡鐵軍, 鄭自良, 等. 基于波瓣分裂的米波雷達(dá)低仰角測高方法及其應(yīng)用[J]. 電子學(xué)報, 2007, 35(6): 1021–1025. doi: 10.3321/j.issn:0372-2112.2007.06.003

    CHEN Baixiao, HU Tiejun, ZHENG Ziliang, et al. Method of altitude measurement based on beam Split in VHF radar and its application[J]. Acta Electronica Sinica, 2007, 35(6): 1021–1025. doi: 10.3321/j.issn:0372-2112.2007.06.003
    ZHU Wei and CHEN Baixiao. Altitude measurement based on terrain matching in VHF array radar[J]. Circuits, Systems, and Signal Processing, 2013, 32(2): 647–662. doi: 10.1007/s00034-012-9472-4
    鄭軼松, 陳伯孝. 米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)多徑模型及其反演方法研究[J]. 電子與信息學(xué)報, 2016, 38(6): 1468–1474. doi: 10.11999/JEIT151013

    ZHENG Yisong and CHEN Baixiao. Multipath model and inversion method for low-angle target in very high frequency radar[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2016, 38(6): 1468–1474. doi: 10.11999/JEIT151013
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    ROY R and KAILATH T. ESPRIT-estimation of signal parameters via rotational invariance techniques[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1989, 37(7): 984–995. doi: 10.1109/29.32276
    ZISKIND I and WAX M. Maximum likelihood localization of multiple sources by alternating projection[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1988, 36(10): 1553–1560. doi: 10.1109/29.7543
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    WU Liuli and HUANG Zhitao. Coherent SVR learning for wideband direction-of-arrival estimation[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2019, 26(4): 642–646. doi: 10.1109/LSP.2019.2901641
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    LECUN Y, BOSER B, DENKER J S, et al. Backpropagation applied to handwritten zip code recognition[J]. Neural Computation, 1989, 1(4): 541–551. doi: 10.1162/neco.1989.1.4.541
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    SRIVASTAVA N, HINTON G, KRIZHEVSKY A, et al. Dropout: A simple way to prevent neural networks from overfitting[J]. Journal of Machine Learning Research, 2014, 15(1): 1929–1958.
  • 加載中
圖(25) / 表(3)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-06-13
  • 修回日期:  2019-10-08
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2020-02-05
  • 刊出日期:  2020-07-23

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