[논문 리뷰] Analysis and Design of Nonuniform Arrays for Direction Finding

Elie Daher|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 07.

Direction-of-Arrival Estimation Techniques인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 좁대역 및 넓대역 환경에서 방향도 도래(doA) 추정 성능을 햖थ기 위해 고도화된 비균일 배열 설계 및 신호 처리 기법을 제안한다. 한정된 자유도(DOFs), 일관된 타깃, 상호 커플링 등의 주요 과제를 스파arsity 기반 방법, 다주파수 운영 및 보간 기법을 통해 해결함으로써 실용적인 배열 구성에서 더 높은 해상도와 강인성을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 균일 배열의 한계를 초월해 비균일 배열에서 이용 가능한 자유도(DOFs)를 증가시켜 DOA 추정 성능을 향상시키는 것.
• 스parse 재구성 및 활성 배열 구성 방식을 활용해 비균일 배열에서 일관된 타깃 간섭을 해결하는 것.
• 캘리브레이션 및 신호 모델링을 활용한 새로운 보정 및 처리 기법을 통해 실세계 안테나 배열에서의 상호 커플링 영향을 최소화하는 것.
• 비균일 배열 기하구조를 활용해 넓대역 및 다주파수 환경에서 고해상도 DOA 추정을 가능하게 하는 것.
• 스파arsity 기반 보간 방법을 개발하여 비균일 센서 위치로부터 효과적인 자유도를 증가시켜 추정 정확도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 다주파수 운영을 활용해 넓대역 DOA 추정을 위한 비균일 배열의 허용 구조 및 자유도를 합성적으로 증가시킴.
• 압축 감지(compressive sensing) 등의 스파arsity 재구성 기법을 적용하여 일관된 및 상관없는 소스가 존재하는 조건에서 DOA를 추정함.
• 비균일 센서 위치로부터 가상의 배열 응답을 재구성함으로써 자유도 가용성을 향상시키기 위해 스파arsity 기반 보간 기법을 도입함.
• 좁대역 조건에서 활성 비균일 배열을 사용한 혼합 일관성 및 비상관 타깃의 DOA 추정 프레임워크를 제안함.
• 캘리브레이션 및 신호 모델링을 활용해 비균일 배열 기하구조에 특화된 상호 커플링 보정 기법을 개발함.
• 고해상도 DOA 추정을 위해 스파arsity 복구와 함께 서브스페이스 기반 방법(MUSIC 유사)을 활용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한정된 자유도를 가진 비균일 배열에서 DOA 추정 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비균일 배열에서 일관된 타깃은 DOA 추정에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 실제 비균일 배열에서 상호 커플링은 DOA 추정 정확도를 어떻게 떨어뜨리며, 이를 보정할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 다주파수 운영은 비균일 배열에서 효과적인 구조 및 자유도를 효과적으로 증가시키는가?
• RQ5 스파arsity 기반 보간은 비균일 배열 구성에서 DOA 해상도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 다주파수 운영은 비균일 배열에서 효과적인 자유도를 성공적으로 증가시켜 물리적 배열 구조를 초월한 고해상도 DOA 추정을 가능하게 한다.
• 제안된 스파arsity 기반 보간 기법은 흩어진 비균일 센서 위치로부터 더욱 조밀한 가상의 배열 응답을 합성함으로써 DOA 추정 정확도를 향상시킨다.
• 혼합 일관성 및 비상관 타깃을 처리하기 위한 방법은 활성 비균일 배열에서 스파arsity 재구성 기법을 활용해 정확한 DOA 추정을 달성한다.
• 상호 커플링 보정 기법은 실용적인 비균일 배열 설정에서 추정 오차를 크게 감소시켜 강인성을 향상시킨다.
• 수치 시뮬레이션은 고신호대역비(SNR) 및 저신호대역비(SNR) 조건을 포함한 다양한 시나리오에서 제안된 모든 방법의 유효성을 검증한다.
• 스파arsity 재구성과 비균일 배열 기하구조의 통합은 균일 배열 성능에 가까운 DOA 추정을 가능하게 하며, 더 큰 유연성을 제공한다.