ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 1
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.1.3
УДК 621.396.6
Обобщение сверхразрешающего метода минимального многочлена для пеленгации целей в условиях пространственно-окрашенного шума и помех
О. А. Шмонин
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
Статья поступила в редакцию 21 декабря 2020 г.
Аннотация. В работе рассмотрена проблема оценки углового положения близкорасположенных источников излучения на фоне пространственно-окрашенного шума и помех. Предложено два варианта обобщения сверхразрешающего метода минимального многочлена на случай произвольной корреляционной матрицы шума/помех. Первый вариант основан на особенностях формирования сигнального векторного подпространства в условиях пространственно-окрашенного шума, второй – на обеляющем преобразовании. Приведено теоретическое обоснование обоих подходов и доказана их эквивалентность. Эффективность предложенного метода исследована с помощью численного моделирования в сравнении с классическим методом минимального многочлена. Показано, что в условиях пространственно-распределённых помех предложенный алгоритм позволяет обеспечить значительный выигрыш в разрешающей способности и уменьшить величину систематической ошибки. При этом среднеквадратичная ошибка оценки угловых координат для классического и обобщённого методов примерно совпадают.
Ключевые слова: антенная решётка, сверхразрешение, пеленгация, оценка угловых координат, пространственно-окрашенный шум, помехи.
Abstract. The article is dedicated to super-resolution and direction of arrival (DOA) estimation problems under spatially colored noise and interference conditions. Super-resolution minimal polynomial method (MPM) is considered. The base method uses a signal received by antenna array assuming that noise in each array element is independent and has certain power. It also supposes that there are only signals which directions of arrival need to be estimated. In other words, there is no interference. The practice shows that these assumptions may not be satisfied in real-world systems. Interference problem arises both in radar and radio communication applications. In a dense scattering environment (e.g. the urban) there is multipath propagation effect. It makes interference spatially-distributed and decreases DOA estimation algorithms resolution ability. In order to overcome these problems the generalized minimal polynomial method (GMPM) is developed and proposed in this paper. Two approaches for generalization are considered. The first is based on features of the signal subspace forming under spatially colored noise conditions. The second is relied on the signal transformation which leads to identity noise correlation matrix. Theoretical description is presented for both approaches. Furthermore, the approaches equivalence is proved. Efficiency of the proposed algorithm is investigated in comparison with base MPM. It is shown that in case of spatially-distributed interference the proposed method gives opportunity to achieve a sufficient gain in resolution ability and DOA estimation accuracy in comparison with the base MPM algorithm.
Key words: antenna array, super-resolution, bearing, direction of arrival estimation, spatially colored noise, interference.
Литература
1. Ширман Я.Д., ред. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория: справочник. Москва, Радиотехника. 2007. 512 с.
2. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. Москва, Радио и связь. 2004. 199 с.
3. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи. Монография. Нижний Новгород, ННГУ. 2011. 368 с.
4. Godara L.C. Smart antennas. London, CRC Press. 2004. 472 p.
5. Tuncer T.E., Friedlander B. Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation. London, Elsevier Inc. 2009. 429 p.
6. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Анурин А.А. Оценивание параметров сигналов, принимаемых антенной решеткой. Изв. вузов. Радиофизика. 1996. Т.39. №9. С.1144–1160.
7. Roy R., Kailath T. Esprit - Estimation Of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques. IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing. 1989. Vol.37. No.7. P.984–995. https://doi.org/10.1109/29.32276. Available at: https://pdfs.semanticscholar.org/831e/d2a5f40861866b4ebfe60257b997701e38e2.pdf
8. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Елохин А.В., Шмонин О.А. Угловое сверхразрешение сигналов в антенной решётке с помощью корневого метода минимального многочлена корреляционной матрицы. Изв. вузов. Радиофизика. 2018. Т.61. №3. С.261–272.
9. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. Москва, Наука. 1967. 576 с.
10. Parlett B.N. The symmetric eigenvalue problem. Philadelphia, Society for Industrial and Applied Mathematics. 1998. 345 p.
11. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Елохин А.В., Шмонин О.А. Экспериментальное исследование углового сверхразрешения двух коррелированных сигналов методом минимального многочлена. Изв. вузов. Радиофизика. 2018. Т.61. №11. С.945–957.
12. Шмонин О.А. Угловое сверхразрешение источников в антенной решетке. Обобщение метода минимального многочлена на случай пространственно-окрашенного шума. Труды XXIV международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Нижний Новгород. 2018. С.214–219.
13. Ермолаев В.Т., Шмонин О.А. Обобщение сверхразрешающего метода минимального многочлена на случай пространственно-окрашенного шума. Труды XXII Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород. 2018. С.381–384.
14. Bevan D.D.N., Ermolayev V.T., Flaksman A.G., Averin I.M. Gaussian channel model for mobile multipath environment. EURASIP Journal on Applied Signal Processing. 2004. No.9. P.1321–1329.
15. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. Пер. с англ. Москва, Радио и связь. 1986. 448 с.
16. Прасолов В.В. Задачи и теоремы линейной алгебры. Москва, Наука. 1996. 304 с.
17. Вержбицкий В.М. Основы численных методов. Москва, Высшая школа. 2009. 840 с.
18. Ермолаев В.Т. Оценивание параметров минимального многочлена сигнальной корреляционной матрицы многоканальной адаптивной приемной системы. Изв. вузов. Радиофизика. 1995. Т.38. №8. С.841–859.
Для цитирования:
Шмонин О.А. Обобщение сверхразрешающего метода минимального многочлена для пеленгации целей в условиях пространственно-окрашенного шума и помех. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.1.3