[論文レビュー] Analysis and Design of Nonuniform Arrays for Direction Finding

Elie Daher|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2018

Direction-of-Arrival Estimation Techniques被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、狭帯域および広帯域の両状況において、方向代入（DOA）推定を向上させるための高度な非一様アレイ設計および信号処理技術を提案する。限られた自由度（DOFs）やコherentlyなターゲット、相互結合の問題に直面するが、スパarsityに基づく手法、多周波数運用、補間技術を用いることで、実用的なアレイ構成においても解像度とロバスト性を向上させた。

ABSTRACT

The purpose of this research is to employ non-uniform arrays in different active and passive sensing applications for both narrowband and wideband operations, while providing a multitude of array processing methodologies that assist in dealing with the different encountered challenges. The problem of direction-of-arrival (DOA) estimation using non-uniform arrays is considered. The different challenges that are treated include the reduction of the available degrees-of-freedom (DOFs), the presence of coherent targets, and the mutual coupling effect in practical antenna arrays. Multi-frequency operation is exploited to increase the DOFs that are available for DOA estimation using both high-resolution subspace and sparse reconstruction techniques. In addition, a sparsity-based interpolation technique is presented to perform DOA estimation with increased DOFs. Moreover, a DOA estimation approach for a mixture of coherent and uncorrelated targets based on sparse reconstruction and active non-uniform arrays under narrowband signal platform is proposed. The aforementioned approaches deal with ideal operational scenarios. To address a more practical scenario, various methods for DOA estimation using non-uniform arrays in the presence of mutual coupling are presented. Extensive numerical simulations which validate the different proposed methods are also included.

研究の動機と目的

• 一様アレイの限界を超えて利用可能な自由度（DOFs）を増加させることで、非一様アレイにおけるDOA推定性能を向上させること。
• スパース復元とアクティブアレイ構成を用いて、DOA推定におけるコherentなターゲット干渉を解消すること。
• 校正と信号モデリングを用いた新規な補正技術により、実世界のアンテナアレイにおける相互結合の実用的影響を軽減すること。
• 非一様アレイ幾何構造を用いて、広帯域および多周波数状況における高解像度DOA推定を可能とすること。
• スパarsityに基づく補間法を提案し、有効なDOFsを増加させることで推定精度を向上させること。

提案手法

• 広帯域DOA推定のため、非一様アレイの開口とDOFsを合成的に拡大する多周波数運用を活用する。
• 圧縮センシングなどのスパース復元技術（例：）を適用し、coherentおよび不相関の両源が存在する状況下でのDOA推定を実現する。
• 非一様センサ位置からの仮想アレイ応答を再構成することで、自由度の可用性を向上させるスパarsityに基づく補間法を導入する。
• 狭帯域条件下でのアクティブ非一様アレイを用いた、coherentおよび不相関の混合ターゲットを扱うDOA推定フレームワークを提案する。
• 校正と信号モデリングを用いて、非一様アレイ幾何構造に特化した相互結合補償技術を開発する。
• 高解像度DOA推定のため、スパース回復と併用してサブスペースベースの手法（例：MUSIC類似）を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由度が限られた非一様アレイにおいて、DOA推定性能をどのように向上させられるか？
• RQ2 コherentなターゲットが非一様アレイにおけるDOA推定に与える影響は何か。また、その影響をどのように軽減できるか？
• RQ3 実用的な非一様アレイにおいて、相互結合がDOA推定精度をどの程度低下させるか。また、その補正に適した手法は何か？
• RQ4 多周波数運用は、非一様アレイにおける有効開口とDOFsを効果的に拡大できるか？
• RQ5 スパarsityに基づく補間法は、非一様アレイ構成においてDOA解像度をどの程度向上させられるか？

主な発見

• 多周波数運用により、非一様アレイにおける有効DOFsが成功裏に拡大され、物理的アレイ開口を超える高解像度DOA推定が可能となった。
• 提案されたスパarsityに基づく補間技術により、スパースな非一様センサ位置からより密集した仮想アレイ応答を合成することで、DOA推定精度が向上した。
• coherentおよび不相関の混合ターゲットを扱うための手法は、アクティブ非一様アレイにおけるスパース復元を用いて、正確なDOA推定を達成した。
• 相互結合補償技術により、実用的な非一様アレイ設定における推定誤差が顕著に低減され、ロバスト性が向上した。
• 数値シミュレーションにより、高SNRおよび低SNRの両条件において、すべての提案手法の有効性が検証された。
• スパース復元と非一様アレイ幾何構造の統合により、一様アレイに近い性能を達成しつつも、より高い柔軟性を実現できた。