[논문 리뷰] Millimeter-Wave Angle Estimation of Multiple Targets Using Space-Time Modulation and Interferometric Antenna Arrays

Stavros Vakalis, Jeffrey A. Nanzer|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 01.

Direction-of-Arrival Estimation Techniques참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 선형 주파수 변조(LFM) 송신기와 N개 요소로 구성된 간섭계 수신 어레이를 사용하여 도착각(DoA)을 추정하는 새로운 능동 각도 추정 기법을 제안한다. 이 기법은 최대 O(N²)개의 타깃을 추정할 수 있으며, 공간-시간으로 조절된 복사 패턴을 활용하고 다중 간섭계 기준선 응답을 곱하여 전통적 간섭계 기법에서 발생하는 모호함을 해소함으로써, 빔 스캐닝이나 복잡한 신호 처리 없이 고정밀도이고 실시간인 각도 추정을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 타깃을 추정할 때 간섭계 레이더 시스템에서 발생하는 각도 모호함 문제를 해결하기 위해.
• 기계적 또는 전자적 빔 스캐닝 없이 고해상도이고 실시간 각도 추정을 가능하게 하기 위해.
• 공간-시간 조절과 다중 기준선 상관관계를 활용하여 모호함을 해소하는 계산 효율적인 방법을 개발하기 위해.
• 단일 송신기와 N개 요소 간섭계 어레이를 사용하여 기존 어레이 처리 기법에서의 N−1개 타깃을 초월한 타깃 추정 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일 LFM 송신기를 사용하여 어레이 전역에 결정론적인 공간-시간 조절 복사 패턴을 부여하는 광대역 신호를 생성한다.
• N개 요소 간섭계 수신 어레이를 사용하여 신호를 수신하고, 길이 D, 2D, ..., (N−1)D의 다중 기준선을 형성한다.
• 수신 요소 간의 쌍별 교차상관을 계산하여 기준선별 각도 가짜 스펙트럼을 생성한다.
• 다중 기준선 응답의 곱셈 조합을 적용하여 잡음 신호와 모호한 응답을 억제한다.
• 빠른 푸리에 변환(FFTs)과 벡터 곱셈을 활용하여 효율적이고 실시간 처리를 수행한다.
• 진짜 타깃 각도는 다중 기준선 응답의 곱에만 존재하며, 잡음 피크는 필터링됨을 이용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 기준선 상관관계를 활용하여 간섭계 각도 추정을 다중 타깃에 대해 모호함 없이 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 단일 송신기와 수동 간섭계 어레이로 기존 어레이 처리 기법에서의 N−1개 타깃을 초월한 DoA 추정이 가능한가?
• RQ3 LFM 웨이브폼에서 유도된 공간-시간 조절이 각도 해상도 향상과 모호함 완화에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 실제 밀리미터파 시스템에서 달성 가능한 각도 해상도와 추정 정밀도는 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법은 낮은 계산 복잡도로 실시간 성능를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 다중 기준선 응답의 곱셈 조합을 통해 모호함을 효과적으로 해소하여, 조합된 출력에 진짜 타깃 각도만 유지함을 입증하였다.
• 36–39.5 GHz 대역에서 3요소 어레이를 사용한 실험 결과, 8°와 15°에 위치한 두 타깃을 오류 없이 탐지함을 확인하였다.
• 기준선 응답의 곱셈 조합은 개별 기준선 대비 각도 응답 폭을 크게 좁히는 데 기여하였다.
• 노이즈 제거를 적용하지 않아도 1차원 벡터 곱셈과 FFT만으로 실시간 처리를 달성하였다.
• 시뮬레이션과 실험 결과 간 강한 일치를 보이며 O(N²) 타깃 추정에 대한 이론 모델의 타당성을 검증하였다.
• 불필요한 교차곱셈 항목이 곱셈 영역에서 효과적으로 필터링되어, 기술이 잡음 응답에 대해 강건함을 입증하였다.