Direction finding in the presence of array imperfections, model mismatches and multipath
Dizilim kusurları, model uyuşmazlıkları ve çok-yollu yansımaların olduğu durumda yön bulma
- Tez No: 439790
- Danışmanlar: PROF. DR. TEMEL ENGİN TUNCER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Yön bulma (YB) uygulamalarında, bilinmeyen kaynak konumlarının varış-yönünün (VY) kestirim doğruluğunu etkileyen birçok etmen vardır. Kestirim sürecindeki başlıca bozulmalar dizilim kusurları, model uyuşmazlıkları ve çok-yollu yansımalardır. Dizilim kusurları genellikle pratik uygulamalarda ortak bağlaşım (OB) ve genlik/faz uyuşmazlıkları gibi kusurlardan kaynaklanır. Model uyuşmazlıkları genellikle alınan işaretin modeli, YB sisteminin işleme basamağında kullanılan modelden farklılaştığında ortaya çıkar. Bir diğer bozulma nedeni çok-yollu yansıyan işaretlerdir. Çok-yollu yansıma senaryosunda, anten dizilimi yollanan işareti farklı yönlerden birden fazla yoldan alır, öyle ki, işaretler kolayca ayrıştırılamazlar. Bu tezde, dizilim kusurları, model uyuşmazlıkları ve çok-yollu yansımaların olduğu durumda YB uygulamalarındaki sorunlar için dört yeni algoritma önerilmiştir. Birinci problemde, hava araçları üzerine yerleştirilen anten dizilimlerinin kalibrasyonu incelenmiştir. Anten diziliminin ve UH-60 helikopterin tüm 3-B modeli nümerik elektromanyetik programında yaratılmış ve benzetimi yapılıp, anten gözlemleri zamanda ve frekansta elde edilmiştir. Anten dizilimleri bu gibi platformlara yerleştirildiğinde, anten örüntüsü ve karakteristiği önemli ölçüde değişir ve hatalı YB sonuçlarına neden olur. Bu tezde, hava aracı yerde iken yapılan yeni ve kalibrasyon tekniği önerilmiştir. Yerde kalibrasyon işleminde, ana hata unsurları yerden ve platformdan yansıyan çok-yollu yansımalardır. Bu bozulmaları giderebilmek için zamanda pencereleme yöntemi önerilmiştir. İşaretler antenlerden alınıp zamanda gözlemlendiğinde, yansımalar istenilen işaret bileşeninden bir zaman gecikmesiyle elde edilir. İşaretin bu bölümü pencerelenmiş ve YB işlemi için yeterince iyi bir kalibrasyon verisi elde edilmiştir. Elde edilen kalibrasyon verisinin değerlendirmesi MUSIC algoritması ile yapılmıştır. Önerilen yöntem basitliği, doğruluğu ve düşük maliyetli oluşu ile avantajlıdır. İkinci problemde, anten diziliminden uzak- ve yakın-alan çok-yollu işaretlerin alındığı bir YB senaryosu incelenmiştir. Alınan işaret bileşenlerindeki model uyuşmazlıklarından dolayı, doğru bir parametre kestirimi için uzak- ve yakın-alan işaret düzgün bir şekilde modellenmelidir. Ayrıca, çok-yollu işaretlerden dolayı, dizilim ortak örtüşme dizeyi eksik kertelidir, öyle ki, bu durumda alt-uzay yöntemleri doğru bir VY kestirimi için doğrudan kullanılamazlar. Uzak- ve yakın-alan işaretlerin VY'si ve yakın-alan çok-yollu işaretlerin menzillerinin kestirimi için yeni bir yöntem önerilmiştir. Uzak-alan işaretin 2-B VY açısı bir kalibrasyon tekniği ile kestirilmiştir. Yakın-alan parametrelerinin kestirilmesi amacıyla, dizilim çıkışındaki uzak-alan bileşenleri yakın-uzak alan dönüşümü kullanılarak bastırılmıştır. Daha sonra, yakın-alan VY'lerini kestirmek amacıyla uzamsal yumuşatma kullanılmıştır. Yakın-alan menzillerin kestirilmesi için farklı menzillere ait yakın-alan kaynakların kullanıldığı bir sözlüğün olduğu sıkıştırılmış algılama yaklaşımı sunulmuştur. Önerilen yöntem, 3-B yayılım modelinin kullanıldığı numerik elektromanyetik benzetim aracı Wireless Insite ile üretilmiş gerçek dünyaya yakın veriler ile değerlendirilmiştir. Önerilen yöntemin yüksek frekans ön bulma ve bina-içi konumlama gibi uygulamalardaki performansını gösteren etkin parametre kestirim sonuçları gösterilmiştir. Üçüncü problemde, 2-B VY ve OB katsayılarının kestirimi rastgele dizilim yapıları için incelenmiştir. Literatürdeki diğer yöntemler genellikle belirli dizilim yapıları için önerilmiş ve düşük SNR ve az ölçüm sayısı durumunda sınırlı başarım göstermişlerdir. Bu tezde, antenlerin uzayda rastgele konumlandığı bir yapısız dizilim için, tek bir gözlem ile VY ve OB katsayılarının kestirimi için dizilim modelindeki ortak-seyrekliği sıkıştırılmış algılama ile ortaya çıkaran yeni bir yöntem önerilmiştir. Kaynak VY'lerini ve OB katsayılarını ortak-seyrek bir yöneye yerleştiren tek gözlem için ortak-seyrek geri oluşturma (TGOSGO) yöntemi sunulmuştur. Önerilen yöntem, çoklu gözlem durumu için genişletilmiş ve çoklu gözlem için ortak-seyrek geri oluşturma (ÇGOSGO) algoritması geliştirilmiştir. Kompozit bir dizeydeki VY ve OB katsayılarının oluşturduğu yapıdan faydalanarak yeni bir ortak-blok-seyrekli yapısı tanıtılmıştır. Nihayet son problemde, çok-yollu yayılım ve genlik/faz uyuşmazlıklarının olduğu durumda, rastgele dizilim yapıları için VY kestirimi problemi incelenmiştir. Evre-uyumlu kaynak işaretlerinin VY açıları ve uyuşmazlık parametrelerini kestirmek için bir ortak-seyrek geri oluşturma yöntemi önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
In direction finding (DF) applications, there are several factors affecting the estimation accuracy of the direction-of-arrivals (DOA) of unknown source locations. The major distortions in the estimation process are due to the array imperfections, model mismatches and multipath. The array imperfections usually exist in practical applications due to the nonidealities in the antenna array such as mutual coupling (MC) and gain/phase uncertainties. The model mismatches usually occur when the model of the received signal differs from the signal model used in the processing stage of the DF system. Another distortion is due to multipath signals. In the multipath scenario, the antenna array receives the transmitted signal from more than one path with different directions and the array covariance matrix is rank-deficient. In this thesis, three new methods are proposed for the problems in DF applications in the presence of array imperfections, model mismatches and multipath. In the first problem, calibration of antenna arrays mounted on aeronautical vehicles is considered. The complete 3-D model of an antenna array and a UH-60 helicopter is constructed and simulated in a numerical electromagnetic tool, FEKO, and the array observations are obtained both in time and frequency. When the antenna arrays are mounted on such platforms, antenna pattern and characteristics change significantly leading to erroneous DF results. In this thesis, a new calibration technique is proposed when the vehicle is on the ground. In ground calibration, the major error sources are the reflections from the platform and the multipath from the ground. In order to mitigate these distortions, a time-gating method is proposed. When the received signals from the antennas are observed in time, the reflections are present with a time delay after the desired signal component. This part of the signals is gated and sufficiently clean calibration data is obtained for DF operation. The evaluation of the calibration data is done using both correlative interferometer and the MUSIC algorithms. The proposed method is advantageous for its simplicity, accuracy and cost effectiveness. In the second problem, a DF scenario is considered where the antenna array receives a mixture of a far-field signal and its near-field multipaths. Due to the model mismatch of the received signal components, both far- and near-field signal models should be used accordingly for accurate parameter estimation. Moreover, the array covariance matrix is rank-deficient due to multipath so that the subspace methods cannot be directly used for accurate DOA estimation. A new method is proposed for the estimation of DOA angles of far- and near-field signals and the ranges of near-field multipaths. 2-D DOA angle of the far-field source is estimated by using a calibration technique. A near-to-far-field transformation is proposed to suppress the far-field components of the array output so that the near-field source parameters can be estimated. Then spatial smoothing is employed to estimate the near-field source DOA angles. In order to estimate the near-field source ranges, a compressed sensing approach is presented where a dictionary with near-field sources with different ranges is employed. The proposed method is evaluated using close-to-real world data generated by a numerical electromagnetic tool, Wireless Insite, where the array and transmitter are placed in an irregular terrain and the array data is generated using full 3-D propagation model. It is shown that unknown source parameters can be estimated effectively showing the potential of the proposed approach in applications involving high-frequency direction finding and indoor localization. In the third problem, 2-D DOA and MC coefficient estimation is considered for arbitrary array structures. Previous methods in the literature are usually proposed for certain array geometries and show limited performance at low SNR or for small number of snapshots. In this thesis, compressed sensing is used to exploit the joint-sparsity of the array model to estimate both DOA and MC coefficients with a single snapshot for an unstructured array where the antennas are placed arbitrarily in space. A joint-sparse recovery algorithm for a single snapshot (JSR-SS) is presented by embedding the source DOA angles and MC coefficients into a joint-sparse vector. A dictionary matrix is defined by considering the symmetricity of the MC matrix for the unstructured antenna array. The proposed method is extended to the multiple snapshots, and the joint-sparse recovery algorithm with multiple snapshots (JSR-MS) is developed. A new joint-sparsity structure, namely, joint-block-sparsity is introduced to take advantage of the structure in the composite matrix involving both DOA and MC coefficients. In order to utilize the joint-block-sparsity effectively in the optimization problem, new norm structures, namely L-2,2,0- and L-2,2,1-norms are defined. The same technique is modified in order to solve the gain/phase mismatch problem in multipath scenario. Several simulations are done in order to show the performance of the proposed techniques.
Benzer Tezler
- Kurumsal çeşitlendirme, iç sermaye pazarı ve firma performansı: Türk grup firmaları üstüne ampirik inceleme
Corporate diversification, internal capital markets and firm performance: An empirical investigation on the Turkish group firms
ECE CEYLAN KARADAĞLI
- Direction of arrival estimation by array interpolation in randomly distributed sensor arrays
Düzensiz dizilerde dizi ara değerlendirme ile geliş açısı tahmini
IŞIN AKYILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENGİN TUNCER
- MEMS mikrofon dizini ile varış zaman farkı esaslı akustik yön tespiti
Time difference of arrival based acoustic direction estimation with MEMS microphone array
NURİ BAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Telsiz vericilerinin çoklu yansımalı ortamlarda sayısının ve yerlerinin tespit edilmesi
Detection and localization of multiple emitters in the presence of multipath
UĞUR SARAÇ
Doktora
Türkçe
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
YRD. DOÇ. DR. F. KEREM HARMANCI
- A novel neural network based approach for direction of arrival estimation
Yapay sinir ağı tabanlı yeni bir geliş açısı tahmin yaklaşımı
SELÇUK ÇAYLAR
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLBİN DURAL
PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU