Direction-of-Arrival Estimation in Broadband Signal Processing : Rotation of Signal Subspace Approach

광대역 신호 처리에서의 도래각 추정 : Rotation of Signal Subspaces 방법

In this paper, we present a method which is based on the concept of the rotation of subspaces. This method is highly related to the angle (or distance) between subspaces arising in many applications. An effective procedures is first derived for finding the optimal transformation matrix which rotates one subspace into another as closely as possible in the least squares sense , and then this algorithm is applied to the solution to general direction-of-arrival estimation problem of multiple broadband plane waves which may be a mixture of incoherent, partially coherent or coherent. In this typical application, the rotation of signal subspaces (ROSS) algorithm is effectively developed to achieve the high performance in the active systems for the case in which the noise field remains invariant with the measurement of the array spectral density matrix (or data matrix). It is not uncommon to observe this situation in sonar systems. The advantage of this techniques is not to require the preliminary processing and spatial prefiltering which is used in Wang-Kaveh's CSS focusing method. Furthermore, the array's geometry is not restricted. Simulation results are presented to illustrate the high performance achieved with this new approach relative to that obtained with Wang-Kaveh's CSS focusing method for incoherent sources and forward-backward spatial smoothed MUSIC for coherent sources including the signal eigenvector method (SEM).

본 논문은 rotation of subspaces 개념을 이용한 도래각 추정 방법을 제시한다. 이 방법은 여러 응용분야에서 대두되는 부공간들(subspaces)의 각도 및 거리와 밀접한 관련이 있다. 먼저 최소 자승을 이용하여 한 부공간을 다른 부공간으로 변환 시켜주는 최적 변환 행렬을 구하기 위한 효율적인 방법을 유도하고 이를 이용하여 다중 광대역 신호들 (인코히어런트, 부분적인 코히어런트와 완전한 코히어런트의 혼합신호들)의 도래각을 추정한다. 대표적인 응용으로, 잡음의 배열 스펙트럼 밀도 행렬이 변하지 않는 액티브 시스템(e. g. sonar system) 경우에 성능을 높이기 위하여 효율적인 ROSS (rotation of signal subspaces) 알고리듬을 제안한다. ROSS 알고리듬은 Wang-Kaveh's CSS-focusing 방법에서 사용하는 예비처리와 공간 필터링을 필요로 하지 않는 장점이 있으며 일반적인 모든 배열 안테나에도 적용될 수 있다. 시뮬레이션 결과, 제안된 새로운 알고리듬이 CSS-focusing 방법 및 Forward-Backward Spatial Smoothed MUSIC 보다 높은 성능을 가짐을 알 수 있었다.