[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种先进的非均匀阵列设计与信号处理技术，以在窄带和宽带场景下提升波达方向（DOA）估计性能。通过稀疏化方法、多频操作和插值技术，解决了有限自由度（DOFs）、相干目标和互耦合等关键挑战，显著提升了实际阵列配置下的分辨率与鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 通过将可用自由度（DOFs）提升至超过均匀阵列的限制，提升非均匀阵列中的DOA估计性能。
• 利用稀疏重构和有源阵列配置，解决DOA估计中相干目标干扰的问题。
• 通过新型校准与处理技术，减轻实际天线阵列中互耦合的实用影响。
• 利用非均匀阵列几何结构，在宽带和多频场景下实现高分辨率DOA估计。
• 开发基于稀疏性的插值方法，以提升有效DOFs，从而提高估计精度。

提出的方法

• 利用多频操作，合成性地扩展非均匀阵列的孔径和DOFs，以实现宽带DOA估计。
• 应用稀疏重构技术（例如压缩感知）在相干与不相干源共存条件下进行DOA估计。
• 提出一种基于稀疏性的插值方法，通过从非均匀传感器位置重构虚拟阵列响应，提升DOF可用性。
• 提出一种在窄带条件下，针对混合相干与不相干目标的有源非均匀阵列DOA估计框架。
• 开发针对非均匀阵列几何结构的互耦合补偿技术，结合校准与信号建模。
• 结合子空间方法（如MUSIC类）与稀疏恢复，实现高分辨率DOA估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在自由度受限的非均匀阵列中提升DOA估计性能？
• RQ2 相干目标对非均匀阵列中DOA估计的影响是什么？如何加以缓解？
• RQ3 互耦合如何降低实际非均匀阵列中DOA估计的准确性？可采用哪些方法进行校正？
• RQ4 多频操作是否能有效提升非均匀阵列的有效孔径和DOFs？
• RQ5 基于稀疏性的插值在多大程度上可提升非均匀阵列配置下的DOA分辨率？

主要发现

• 多频操作成功提升了非均匀阵列中的有效DOFs，使DOA估计分辨率超越物理阵列孔径限制。
• 所提出的基于稀疏性的插值技术通过从稀疏非均匀传感器位置重构更密集的虚拟阵列响应，显著提升了DOA估计精度。
• 针对混合相干与不相干目标的处理方法，在有源非均匀阵列中结合稀疏重构，实现了高精度DOA估计。
• 互耦合补偿技术显著降低了实际非均匀阵列设置中的估计误差，提升了系统鲁棒性。
• 数值仿真验证了所有所提方法在各种场景下的有效性，包括高信噪比和低信噪比条件。
• 将稀疏重构与非均匀阵列几何结构相结合，实现了接近均匀阵列性能的DOA估计，同时具备更高的灵活性。