Harvat sensoriryhmät signaalin tulokulman estimoinnissa

Abstract

Signaalin tulokulman estimointi on keskeinen osa sensoriryhmien signaalinkäsittelyä, jota hyödynnetään esimerkiksi tutka-, kaikuluotain-, paikannus- ja tietoliikennejärjestelmissä. Sensoriryhmän suorituskyky riippuu sensorien lukumäärästä, sijoittelusta ja fyysisestä apertuurista. Perinteisesti sensorit sijoitetaan tasavälein, mutta tällöin suorituskyvyn parantaminen edellyttää usein sensormäärän lisäämistä, mikä lisää järjestelmän kustannuksia.

Näihin rajoitteisiin voidaan vastata harvoilla sensoriryhmillä, joissa osa sensoreista voi olla sijoitettuna epäsäännöllisin välein. Yksi harvojen ryhmien tavoitteista on saavuttaa suurempi apertuuri ja parempi kulmaresoluutio samalla sensorimäärällä kuin tasavälisessä ryhmässä. Tässä työssä tarkastellaan harvojen lineaaristen sensoriryhmien vaikutusta signaalin tulokulman estimointiin tilanteessa, jossa signaalilähteiden määrä on pienempi kuin fyysisten sensorien määrä. Työn tavoitteena on selvittää, miten sensoriryhmän geometria vaikuttaa tulokulman estimoinnin tarkkuuteen ja lähekkäin saapuvien signaalien erottelukykyyn. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena, jota täydennettiin simulaatiolla. Simulaatioissa vertailtiin tasavälistä lineaarista sensoriryhmää, sekä kolmea erilaista harvaa sensoriryhmää, korkean resoluution aliavaruusmenetelmää käyttäen.

Tulosten perusteella sensoriryhmän geometrialla on vaikutusta tulokulman estimoinnin tarkkuuteen. Signaali-kohinasuhteen kasvaessa kaikkien tarkasteltujen geometrioiden estimointivirhe pieneni, mutta harvat sensoriryhmät saavuttivat tasavälistä ryhmää pienemmän virheen. Lähekkäin saapuvien signaalien erottelussa harvojen sensoriryhmien etu korostui. Pienillä kulmaseparaatioilla tasavälinen ryhmä ei kyennyt luotettavasti erottamaan kahta signaalia toisistaan, kun taas harvat rakenteet paransivat erottelukykyä selvästi. Tulokset osoittavat, että harvoilla sensoriryhmillä on mahdollista saavuttaa parempi suorituskyky samoilla fyysisillä resursseilla kuin tasavälisellä ryhmällä. Harvoihin ryhmiin liittyy kuitenkin myös käytännön haasteita, kuten suurempi fyysinen koko ja optimoitujen rakenteiden haastava laskennallinen muodostaminen.