Ю. Б. Нечаев – Засл. деятель науки РФ, д.ф.-м.н., профессор, кафедра информационных систем, Воронежский государственный университет

E-mail: nechaev_ub@mail.ru

И. В. Пешков – к.ф.-м.н., доцент, кафедра физики, радиотехники и электроники, Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина E-mail: ilvpeshkov@gmail.com

Постановка проблемы. Известно, что наиболее популярными конфигурациями антенных решеток (АР) являются однородные линейные, прямоугольные, а также однородные кольцевые, которые были исследованы в основном в азимутальной плоскости в предположении, что антенны обладают изотропной диаграммой направленности. Настоящая статья посвящена получению АР с более высокой точностью оценки угловых координат источников излучения.

Цель. Построить антенные решетки, расположение элементов которых позволяет сделать дисперсию ошибок радиопеленгации как можно ниже посредством минимизации полученного обобщенного выражения нижней границы Крамера–Рао, а также оценить точность определения координат источника сигнала по азимуту и углу места новыми формами антенн.

Результаты. Предложен метод построения антенных решеток оптимальной формы с точки зрения снижения ошибок радиопеленгации по азимуту или углу места. Отмечено, что предлагаемый метод заключается в минимизации обобщенного выражения нижней границы Крамера–Рао, которое показывает, что точность радиопеленгации обратно пропорциональна сумме квадратов разностей между координатами всех всенаправленных элементов вдоль осей абсцисс, ординат и аппликат. С учетом предполагаемой области нахождения источника сигнала проведена оптимизация расположения элементов антенной решетки в соответствии с функцией максимального правдоподобия.

Практическая значимость. Выполненное исследование метода MUSIC показало, что новые формы антенных решеток имеют лучшую точность по сравнению с кольцевыми.

1. Chetan D., Jadhav A.N. Simulation study on DOA estimation using MUSIC algorithm // Intl. J. Tech. Eng. Sys. 2011. V. 2. № 1.
2. Liu Z., He J., Liu Z. Computationally efficient DOA and polarization estimation of coherent sources with linear electromagnetic vector-sensor array // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing. 2011. Article ID 490289. DOI: 10.1155/2011/490289
3. Hosseini S.M., Sadeghzadeh R.A., Virdee B.S. DOA estimation using multiple measurement vector model with sparse solutions in linear array scenarios // EURASIP Journal onWireless Communications and Networking. 2017. 2017:58.
4. Abu-Al-Nadi D.I., Ismail T.H., Al-Tous H. et al. Design of linear phased array for interference suppression using array polynomial method and particle swarm optimization // Wireless Personal Communications. 2012. V. 63. № 2. P. 501–513.
5. Friedlander B., Tuncer T. Classical and modern direction-of-arrival estimation. Academic Press. 2009.
6. Abouda A., El-Sallabi H.M., Haggman S.G. Impact of antenna array geometry on MIMO channel eigenvalues // Proc. IEEE Intl. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Comm. 2005. V. 1. P. 568–572.
7. Kiani Sh., Pezeshk A.M. A comparative study of several array geometries for 2D DOA estimation // Procedia Computer Science. 2015. V. 58. P. 18–25.
8. Nechaev Yu., Peshkov I.V. Evaluating Cramer–Rao bound for 2D direction-finding via planar antenna arrays // Visnyk NTUU KPI. Ser. Radiotekhnika radioaparatobuduvannia. 2016. № 67. P. 12–17.
9. Nechaev Yu.B., Algazinov E., Peshkov I. Estimation of the Cramer–Rao bound for radio direction-finding on the azimuth and elevation of the cylindical antenna arrays // 41st International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP). 2018. DOI: 10.1109/TSP.2018.8441419
10. Wu B. Realization and simulation of DOA estimation using MUSIC algorithm with uniform circular arrays // 4th Asia-Pacific Conf. on Environmental Electromagnetics. 2006. P. 908–912.
11. Shi H., Li Z., Cao J. et al. Two-dimensional DOA estimation of coherent sources using two parallel uniform linear arrays // EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2017. 2017:60.
12. Poormohammad S., Farzaneh F. Precision of direction of arrival (DOA) estimation using novel three dimensional array geometries // International Journal of Electronics and Communications. 2017. V. 75. P. 35–45.
13. Lange O., Yang B. Antenna geometry optimization for 2D direction-of-arrival estimation for radar imaging // International ITG Workshop on Smart Antennas. 2011. DOI: 10.1109/WSA.2011.5741909
14. Ghani A., Keyvani F., Sedighy S.H. Antenna array placement on limited bound for isotropic and optimal direction-of-arrival estimation // IET Signal Processing. 2018. V. 12. № 3. P. 277–283.
15. Birinci T., Tanık Y. Optimization of nonuniform array geometry for DOA estimation with the constraint on gross error probability // Signal Processing. 2007. V. 87. № 10. P. 2360–2369.
16. Zhang L.C. et al. L-shaped array structure optimization via Cramer–Rao bound // Applied Mechanics and Materials. 2014. V. 556– 562. P. 3365–3368.
17. Thang Vu D., Renaux A., Boyer R., Marcos S. A Cramér Rao bounds based analysis of 3D antenna array geometries made from ULA branches // Multidimensional Systems and Signal Processing. 2013. V. 24. № 1. P. 121–155.
18. Nechaev Y., Peshkov I., Fortunova N. Evaluation and minimization of Cramer–Rao bound for conformal antenna arrays with directional emitters for DOA-estimation // Progress In Electromagnetics Research C. 2019. V. 90. P. 139–154.
19. Gazzah H., Marcos S. Cramer-Rao bounds for antenna array design // IEEE Transactions on Signal Processing. 2006. V. 54. P. 336–345.
20. Delmas J.P., El Korso M.N., Gazzah H., Castella M. CRB analysis of planar antenna arrays for optimizing near-field source localization // Signal Processing. 2016. V. 127. P. 117–134.
21. Schmidt R.O. Multiple emitter location and signal parameter estimation // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1986. V. 34. P. 276–280.
22. Moriya H. etc. Novel 3-D array configuration based on CRLB formulation for high-resolution DOA estimation // Proceedings of ISAP 2012. Nagoya, Japan. P. 1140–1143.