Direction of arrival estimation of moving targets based on real-life antenna measurements
Hareketli hedeflerin gerçek hayat anten ölçümlerine dayalı varış yönü kestirimi
- Tez No: 960866
- Danışmanlar: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN, DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Haberleşme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Kablosuz iletişim sistemlerinde, sinyal kaynaklarının doğru bir şekilde konumlandırılması; radar takibi, otonom navigasyon, arama kurtarma operasyonları ve sismoloji gibi uygulamaların gerçekleştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Geliş-Yönü-Kestirimi (Direction-of-Arrival, DOA) konusu, sinyal sinyal işlemede önemli bir araştırma alanıdır. Doğru bir şekilde DOA'yı bulmak için Geleneksel Huzmeleme (Conventional Beamforming, CBF), Çoklu Sinyal Sınıflandırması (Multiple Signal Classification, MUSIC), Minimum Varyanslı Bozunumsuz Tepki (Minimum Variance Distortionless Response, MVDR) gibi çeşitli algoritmalar geliştirilmiştir. Bu tez, dört portlu bir anten sistemi kullanılarak hem simülasyon hem de gerçek uygulama senaryolarında gerçekleştirilen kapsamlı bir DOA kestirim çalışmasını sunmaktadır. DOA kestirim algoritmaları; izotropik anten kullanımı gibi ideal koşullar altında yüksek performans göstermektedir. Ancak, gerçek hayat uygulamalarında yönlü antenler kullanılmaktadır. Bu sebeple, anten elemanları arasında karşılıklı bağlaşım oluşmakta ve yol kaybı alınan sinyallerde sapmalara neden olmaktadır. Bu tezde, sinyalleri almak ve DOA kestirimi yapmak amacıyla mikroşerit anten ve 1 x 4 mikroşerit anten dizisi tasarlandı ve üretildi. İlk olarak, antenler simülasyon ortamında tasarlandı ve analiz edildi, elde edilen S-parametreleri ile CBF, MVDR ve MUSIC algoritmalarının karşılaştırmalı analizi yapıldı. Böylece deneysel düzenek için bir model oluşturuldu. İki boyutlu bir uzamsal bir ızgaradan oluşan ölçüm düzeneği, burada farklı kaynak konumları için 𝑆21 verileri Vektör Ağ Analizör (Vector Network Analyzer, VNA) kullanılarak toplanması için kullanıldı. Bu ölçümler Matriks Laboratuvarı (Matrix Laboratory, MATLAB) ortamında işlendi. MUSIC algoritması ile elde edilen sonuçlar hedefe oldukça yakın tahminler vermekle birlikte, yönlü antenin kazanç varyasyonu ve yol kaybı etkileri de büyüklük-açı eşlemesinin doğruluğunu sağlamak amacıyla dikkate alınması gerektiği gözlemlendi. Sonuçlar, normalizasyondan sonra kestirilen sinyal kaynaklarının yz-düzlemindeki göreli konumlarının, özellikle geniş açı yönünde, gerçek konumlarla daha iyi örtüştüğünü göstermektedir. Bu durum hem sabit hem de hareketli hedefler için S-parametrelerine dayalı DOA tahmini yönteminin kullanımını doğrulamaktadır. Böylelikle bu tez, fiziksel ölçüm verilerini ve algoritma iyileştirmelerini bir araya getirerek gerçek dünya uygulamaları için anten dizisine dayalı Radyo Frekansı (RF) konumlama sistemleri konusunda sağlam bir temel sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In wireless communication systems, accurate localization of signal sources plays critical role in enabling applications such as radar tracking, autonomous navigation, search and rescue operations, and seismology. The Direction-of-Arrival (DOA) Estimation is an important topic in signal processing. To accurately extract DOA, various algorithms have been developed, including CBF (Conventional Beamforming), MUSIC (Multiple Signal Classification), MVDR (Minimum Variance Distortionless Response). This thesis presents a comprehensive study of DOA estimation using four-port antenna system through both simulation and real-life scenarios. These DOA estimation algorithms show high performance under ideal antenna deployments like isotropic antennas. However, in real-life applications directional antennas are used. Thus, mutual coupling between antenna elements occurs, and path loss causes discrepancies in the received signals. In this thesis, a microstrip antenna and a 1 x 4 microstrip antenna array is designed and fabricated for capturing signals and estimating DOA. First, the antennas were designed and analyzed in simulation environment, where the S-parameters were extracted for comparative study of CBF, MVDR and MUSIC algorithms. This created a model for the experimental setup. The measurement setup which consists of scanning a 2D spatial grid, is used to collect the 𝑆21 data for various source positions using a Vector Network Analyzer (VNA). These measurements are processed in Matrix Laboratory (MATLAB). While MUSIC algorithm results yielded close estimates, it is observed that the gain variation of the directional antenna and path loss effects should be considered to ensure the accuracy of magnitude-angle mapping. The results demonstrate that after normalization, the estimated relative signal source positions across the yz-plane align much better. This validates effectiveness the usage of S-parameter-based DOA estimation for both stationary and moving targets. Thus, this thesis provides a robust foundation for antenna array-based Radio Frequency (RF) localization systems, incorporating physical measurement insights with algorithm enhancements for real-world applications.
Benzer Tezler
- Time difference of arrival based passive sensing and positioning system integrated into moving platforms
Geliş zamanı farkı yaklaşımlı hareketli platformlara entegre pasif yayın algılama ve konumlandırma sistemi
BURAK AHMET ÇELEBİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
- Target localization methods for frequency-only MIMO radar
Sadece frekans bilgisi kullanan MIMO radar için hedef konumlama yöntemleri
YILMAZ KALKAN
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BUYURMAN BAYKAL
- Jeofon dizinleri vasıtasıyla sismik yön tespiti
Seismic direction estimation via geophone arrays
ARDA ARAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Platforma monteli baskılı anten dizilerine mekanik titreşimlerin etkisinin incelenmesi
Analysing mechanical vibration effects of printed antenna arrays mounted on a platform
CANTÜRK KARADENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN AKSOY