[論文レビュー] Millimeter-Wave Angle Estimation of Multiple Targets Using Space-Time Modulation and Interferometric Antenna Arrays

Stavros Vakalis, Jeffrey A. Nanzer|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2020

Direction-of-Arrival Estimation Techniques参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、1つの線形周波数変調（LFM）送信機とN要素の干渉型受信アレイを用いて、最大O(N²)のターゲットの方向角到着（DoA）を推定する、新しいアクティブな角度推定技術を提案する。空間時間変調された放射パターンを活用し、複数の干渉ベースラインからの応答を乗算することで、従来の干渉法に内在する曇りを解消し、ビームスキャンや複雑な信号処理を要せず、高精度でリアルタイムの角度推定を実現する。

ABSTRACT

A new method of angle estimation of multiple targets using a distributed interferometric antenna array and wideband space-time modulation is presented in this work. Interferometric array measurements of angle of arrival are generally ambiguous in the presence of one or more targets. We propose a new method of mitigating ambiguities in interferometric measurements by multiplying the angle pseudo-spectra from multiple antenna baselines, resulting in detections at only the angles of the targets. Using a single linear frequency modulated (LFM) transmitter and a receive interferometric array with $N$ elements we show a simple and computationally efficient technique to estimate the angle of up to $\mathcal{O}(N^2)$ targets. We describe the theory behind the technique, present detailed simulations, and an experimental verification using a three-element millimeter-wave measurement system.

研究の動機と目的

• 複数のターゲットを推定する際の干渉レーダーシステムにおける角度曇りの課題に対処すること。
• 機械的・電子的ビームスキャンを不要とし、高分解能かつリアルタイムの角度推定を可能とすること。
• 空間時間変調とマルチベースライン相関を活用した、計算効率の良い曇りの解消手法の開発。
• 1台の送信機とN要素の干渉型アレイを用いて、従来のアレイ処理におけるN−1を超えるターゲットの推定が可能であることを実証すること。

提案手法

• アレイ全体に決定論的な空間時間変調放射パターンを付与するため、1つのLFM送信機を用いて帯域幅の広い信号を生成する。
• N要素の干渉型受信アレイを用いて信号を受信し、長さD、2D、…、(N−1)Dの複数のベースラインを形成する。
• 受信素子間のペアワイズ相互相関を計算し、各ベースライン固有の角度パワースペクトル（偽スペクトル）を生成する。
• 複数のベースラインからの応答を乗算することで、誤検出や曇り応答を抑制する。
• 高速フーリエ変換（FFTs）とベクトル乗算を用いて、効率的かつリアルタイムの処理を実現する。
• 真のターゲット角度は複数のベースライン応答の積にのみ現れることを活用し、不正なピークをフィルタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチベースライン相関を用いることで、複数ターゲットに対する干渉的角度推定の曇りを解消できるか？
• RQ2 1台の送信機と受動的干渉型アレイを用いて、従来のアレイ処理におけるN−1を超えるターゲットのDoAを推定できるか？
• RQ3 LFM波形からの空間時間変調が、角度分解能の向上と曇りの低減にどのように寄与するか？
• RQ4 実世界のミリ波システムにおいて、達成可能な角度分解能と推定精度は何か？
• RQ5 提案手法は、低計算複雑性でリアルタイム性能を達成できるか？

主な発見

• 複数のベースラインからの応答を乗算することで、曇りを効果的に解消し、結合出力に真のターゲット角度のみを保持する。
• 36–39.5 GHzの3要素アレイを用いた実験結果により、8°および15°の2つのターゲットが誤検出なしに検出された。
• 複数のベースライン応答の乗算結合により、個々のベースラインに比べて角度応答幅が顕著に狭くなった。
• ノイズ除去を施さずに、1次元ベクトル乗算とFFTsのみを用いてリアルタイム処理を達成した。
• シミュレーションと実験の結果が強く一致し、O(N²)ターゲット推定の理論的モデルの妥当性が検証された。
• 不正応答に対して高いロバスト性を示し、乗算ドメインにおいて不要なクロス積項が効果的にフィルタリングされた。