Two-Dimensional Direction of Arrival Estimation using Sparse Arrays

Two-Dimensional Direction of Arrival Estimation using Sparse Arrays. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
thesis.pdf
Restricted to Repository staff only until 11 August 2022.

Download (1MB)

Arabic Abstract

تقدير اتجاه الوصول أساس لعدد من التطبيقات مثل الرادارات وأنظمة الاتصالات النقالة. أحد أفضل أساليب تقدير اتجاه الوصول هو استخدام عدة مستشعرات (هوائيات) مصفوفة خطيا، على مستوى، أو في الأبعاد الثلاثة. الأولى الأشهر في البحث والتطبيق. مع ذلك، الاهتمام بالمصفوفات الخطية تزايد مؤخرا. المصفوفات الخطية يمكنها تقدير زاوية واحدة، السمت مثلا. أما المصفوفات المستوية يمكنها تقدير زاويتي السمت والارتفاع، وهذا هو التقدير ثنائي البعد. إذا كانت الهوائيات مصفوفة بمسافات متساوية فهي منتظمة، وإذا أزيلت بعض الهوائيات من هذه المصفوفة، فهي منثورة. أيسر وأشهر مصفوفة استعمالا هي المصفوفة الخطية المنتظمة. لاستخراج تقدير الزوايا من مصفوفة لا بد من خوارزمية. اقترح عدد من الخوارزميات لتقدير اتجاه الوصول في العقود الماضية، منها ما يستعمل مع أنواع شتى من المصفوفات بعد تعديلات مناسبة. أشهر خوارزميتان لتقدير اتجاه الوصول هما تصنيف الإشارة المتعدد (MUSIC) و تقدير معاملات الإشارة عبر تقنيات الثبات الدوراني (ESPRIT). هاتان الخوارزميتان وغيرهما يستخدمان الإحصائيات المقدرة من العينات المحدودة المتوفرة من خرج المصفوفة. إحصائيات الدرجة الثانية (autocorrelation) مفيدة في كثير من التطبيقات، بيد أن إحصائيات الدرجات الأعلى قد تغلبها في حالات مثل ضوضاء غاوس الملونة. مؤخرا، لاقت تراكميات الدرجة الرابعة، إحدى إحصائيات الدرجات الأعلى، اهتماما في تقدير اتجاه الوصول. هذه الرسالة تقدم مراجعة شاملة لمصفوفات المستشعرات المنثورة على مستوى في تقدير بعدي اتجاه الوصول. وفيها توضيح معنى النثر ودراسة خصائص المصفوفات المنثورة بالإضافة إلى مؤشرات أداء لمقارنة المصفوفات. المقارنة المعروضة المحتوية مراجعة شاملة لأكثر من ٣٠ ورقة استعملت مصفوفات مستشعرات منثورة يرجى أن تكون مفيدة للباحثين الساعين إلى إيجاد تصميمات مصفوفات جديدة. بعض الخصائص المفتاحية المختارة للمصفوفات المراجعة لخصت في جدولين عند نهاية المراجعة. علاوة على ذلك، فالرسالة تقترح مصفوفات مستشعرات منثورة جديدة وتناقش بعض خصائصها المرغوبة. تحديدا، مسحت بعض المصفوفات ذات العدد الكبير من المسافات المختلفة في المصفوفة المكافئة من الدرجة الرابعة. وأيضا، اختبر تصميم المصفوفات محدودة المستشعرات في وجود الاقتران المتبادل.

English Abstract

Direction of arrival (DoA) estimation is essential in many applications such as radars and mobile telecommunications systems. Among the best ways of performing DoA estimation is using an array of sensors (antennas) arranged in a linear, planar or three-dimensional geometry. The first is the most common in research and applications. However, planar arrays are gaining more attention recently. Linear arrays can only estimate a single angle, azimuth for example; whereas planar arrays can estimate elevation and azimuth, i.e. two-dimensional DoA estimation is possible. If an array is placed uniformly on a grid, it is called uniform; and if some elements of such a grid are missing, the array is sparse. For instance, the uniform linear array (ULA) is the simplest and most ubiquitous antenna array in use. To get angle estimates from any array, an algorithm for DoA estimation is required. Many algorithms have been proposed for DoA estimation in the past decades. However, some of them are usable with a variety of antenna arrays with appropriate modifications. The most famous algorithms for DoA estimation are MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) and estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT). These algorithms, among others, utilize estimated statistics from the finite samples available from the array output. Second order statistics (autocorrelation) estimates are very useful in many applications, but can be surpassed by higher order statistics in scenarios like colored Gaussian noise. Recently, fourth order cumulants, a higher order statistics estimate is gaining attention in DoA estimation. This thesis provides a comprehensive review of 2D sparse sensor arrays used for 2D-DoA estimation. The meaning of sparse is clarified and the properties of the sparse arrays are explored in addition to performance metrics to compare the arrays. The presented comprehensive review of more than 30 papers using sparse planar arrays is hopefully useful for researchers aiming at finding new array designs. Key selected properties of the reviewed arrays are summarized in two tables at the end of this review. Furthermore, this thesis proposes new sparse sensor arrays and discusses some of their desired properties. In particular, some arrays with large number of consecutive lags in the fourth order difference coarray (4-DC) are investigated. In addition, design of arrays with limited number of sensors in presence of mutual coupling is examined.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor: Muqaibel, Ali
Committee Members: Alhassoun, Mohammad and Al-Dharrab, Suhail
Depositing User: IBRAHIM ABOU MAHMOUD
Date Deposited: 18 Aug 2021 07:39
Last Modified: 18 Aug 2021 07:39
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141941