Bir Polar Grid Anten Dizisiyle Doa Kestirimi

Abstract

Kaynak işaretlerin geliş doğrultusu (Direction of Arrival - DOA) kestirimi problemi radar, sonar ve telsiz haberleşme gibi pek çok uygulama alanında çözümü üzerinde yoğun çalışılan önemli bir araştırma konusudur. Bu tez kapsamında öncelikle elektromagnetik dalga yayılımı bağıntılarından yola çıkılarak bir dalganın yayılım hız ve doğrultu bilgisini taşıyan vektör tanımlanmıştır. Bu vektör ile kaynak işaretlerinin alıcı anten dizileri üzerinde, ilgili dizi geometrisine bağlı olarak alacağı faz farklarının belirlenmesi ve dolayısıyla alınan işaretle kaynak işaretleri arasındaki bağıntıları içeren yönlendirme matrislerinin türetilmesi mümkün olmuştur. Bu tezde DOA kestirimi probleminde işaret alt uzaylarının ayrıştırılmasına dayalı MUSIC (Multiple SIgnal Classification) algoritması temel alınarak dar bantlı kaynak işaretleri için çeşitli anten dizilim geometrileri incelenmiş, mevcut düzgün doğrusal dizilim (Uniform Linear Array - ULA) ve düzgün dairesel dizilim (Uniform circular Array - UCA) geometrilerine alternatif olarak eş merkezli dairesel dizilimleri içeren polar grid anten dizi geometrisi önerilmiştir. Bu geometriye ait yönlendirme matrisi özgün bir çalışma olarak ortaya konmuş, dizilimin DOA kestirimi problemini çözme performansı benzetimlerle irdelenmiştir. Çeşitli geometriler üzerinde yapılan karşılaştırmalı benzetimlerle dizi geometrilerindeki çeşitli parametrelerin DOA kestirimi başarımına olan etkileri incelenmiştir. Bu tez çalışması ile polar grid dizilimin ULA ve UCA dizilimlerine göre daha yüksek açı çözünürlüğü sağladığı ancak maliyet arttırıcı bir etken olarak polar grid dizilimlerle DOA kestiriminde yüksek işlem gücü gerektiren daha karmaşık algoritmaların kullanılmasını gerektiği sonucuna varılmıştır.

The problem of estimating the direction of arrival (DOA) of source signals is a vital research interest in various application areas including radar, sonar and wireless communications with vast amount of effort invested to its solution. In this thesis, a vector that possesses the information on the speed of propagation and the direction of a wave, which are derived from the electromagnetic propagation formulation is defined. Using this vector, it could be possible to determine the phase difference terms of the source signals related to the geometry of the array and therefore derive the steering matrices which include the phase-difference relationships between the received and source signals. In this thesis, we employ the MUSIC (Multiple SIgnal Classification) algorithm depending on the separation of signal subspaces in the estimation of DOA and analyze various antenna array geometries for narrowband source signals. As an alternative to the well-known geometries of uniform linear array (ULA) and uniform circular array (UCA), polar grid antenna arrays including concentric circular arrays have been proposed. The steering matrix of this geometry is defined as an original contribution and the performance analysis of the array in DOA-estimation is investigated. Through comparative simulations on several antenna geometries, the role of various parameters is analyzed in DOA estimation performance. We conclude that polar grid geometries provide higher angle resolution compared to the ULA and UCA geometries, however as a cost-increasing effect, more complex algorithms and higher computational power are needed to estimate DOA with polar grid antenna arrays.