DE10044402A1

DE10044402A1 - Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Parameterschätzverfahren

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Publication number: DE10044402A1
Application number: DE2000144402
Authority: DE
Inventors: Tobias P Kurpjuhn; Michel T Ivrlac
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Hochauflösende Parameterschätzverfahren verwenden zur Sicherstellung ihrer Funktionalität häufig Signalvorverarbeitungsverfahren, die direkt auf die Messdaten eines Sensorfeldes angewandt werden. Diese Vorverarbeitungsschritte sind unabhängig vom Ergebnis der Parameterschätzung. Eine Verbesserung der Genauigkeit durch die Vorverarbeitung gehört nicht zum gegenwärtigen Stand der Technik. DOLLAR A Das neue Verfahren soll unter gleichen Voraussetzungen eine Genauigkeitserhöhung der Parameterschätzung ermöglichen, ohne dabei die Anwendbarkeit der anderen Vorverarbeitungsstufen einzuschränken. Voraussetzung hierbei sind uniforme Sensorfelder, welche in der angewandten Funktechnik in Form von Gruppenantennen üblich sind. DOLLAR A Das neue Verfahren beruht auf einer Anpassung der Messdaten an den jeweils zu schätzenden Parameter durch räumliche Vorfilterung mit der besonderen Eigenschaft, ein Sensorfeld auf ein virtuelles Sensorfeld abzubilden. Dabei wird die Empfangscharakteristik und Ausdehnung (Apertur) verändert. Das räumliche Filter wird mit Hilfe einer ersten Grobschätzung jedes Parameters so eingestellt, daß eine sequentielle Zweitschätzung an dem nun angepassten virtuellen Sensorfeld zu einer Genauigkeitsverbesserung führt. DOLLAR A Anwendungsgebiet sind Parameterschätzverfahren, die auf uniforme Sensorfelder zurückgreifen. Insbesondere Frequenz- und Richtungsschätzung in der Funktechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Parame terschätzverfahren. Parameterschätzverfahren verfolgen das Ziel, die charakteristischen Kenngrößen eines Signals, das heißt, die Parameter eines Signalmodells, zu erfassen, um eine darauf basierende Signalverarbeitung zu ermöglichen.

1.1 Technisches Umfeld

Jedes Verfahren zur Parameterschätzung baut auf einer zeitlichen oder raum-zeitlichen Abtastung von Signalen (Sprache, Bilder oder andere Daten) auf. Die zeitliche Abta stung erfolgt durch Messung der Amplitude und Phase des Signals zu diskreten Zeiten und im allgemeinen in gleichmäßigen Zeitabständen. Die raum-zeitliche Abtastung erfolgt mithilfe von mehreren räumlich getrennten Sensoren (z. B. Antennen, Mikrofo nen, Lichtsensoren etc.), die ein sogenanntes Sensorfeld bilden. Dabei wird eine wie oben beschriebene, zeitliche Abtastung an jedem der Einzelsensoren des Sensorfeldes durchgeführt.

In der Funkübertragungstechnik handelt es sich bei dem Sensorfeld typischerwei se um eine aus mehreren Einzelantennen bestehende Gruppenantenne. Die Signa le werden in Form von elektromagnetischen Wellen auf Funkübertragungskanälen übertragen. Im Allgemeinen sind die Einzelantennen äquidistant in Richtung der drei rechtwinkligen Koordinatenachsen angeordnet. Hierbei können die Sensoren eindi mensional entlang einer Geraden angeordnet sein (Uniform-Lineare Antennengruppe, ULA), zweidimensional in Form eines Rechtecks (Uniform-Rechteckige Antennen gruppe, URA) oder dreidimensional in Form eines Quaders.

Teilweise im zivilen, vornehmlich jedoch im militärischen Umfeld, werden solche Gruppenantennen oft zur Funkortung eingesetzt. Deren Ziel ist es, die räumlichen Einfallsrichtungen von elektromagnetischen Wellen zu bestimmen, auf deren Grund lage eine Senderlokalisierung angestrebt wird.

Mobile oder stationäre Systeme zur Funkortung bestehen im wesentlichen aus 4 Grundkomponenten (siehe Abb. 1): einer Gruppenantenne, einem oder mehre ren Empfängern, einer digitalen Signalverarbeitungseinheit und einer Benutzerschnitt stelle. Wird die Gruppenantenne einem elektromagnetischen Wellenfeld ausgesetzt, so können aus der Messung und Auswertung von Amplitude und Phase des Empfangssi gnals des Sensorfeldes die Einfallsrichtungen der elektromagnetischen Wellenfronten bestimmt werden.

Die in Frage kommenden Verfahren zur Auswertung der Empfangssignale lassen sich auf mehrfache Weise einteilen. So unterscheidet man generell Verfahren zur Be stimmung der Einfallsrichtung einer einzelnen Wellenfront von solchen zur Bestim mung der Einfallsrichtungen mehrerer, sich überlagernder Wellenfronten. Als typi sche Vertreter der ersten Gruppe sind unter anderem interferometrische Verfahren, Doppler- und Pseudodoppler- sowie die Watson-Watt- und Wullenweber-Verfahren zu nennen. Sie finden vor allem im zivilen Sektor Anwendung. Bei den Methoden der zweiten Gruppe, mit zur Zeit hauptsächlich militärischem Anwendungsgebiet, unter scheidet man wiederum die sogenannten "klassischen" von den hochauflösenden Ver fahren.

Während bei den "klassischen" Methoden - wie etwa Periodogrammanalyse [5] - die räumliche Auflösungsfähigkeit durch die Anzahl der verwendeten Antennenele mente und der Signalqualität (Verhältnis von Signalleistung zu Störleistung und Stati stik und Korrelation der Signale und der Störeinflüsse, wie Rauschen und Interferenz) begrenzt wird, hängt sie bei den hochauflösenden Verfahren im wesentlichen nur von der Signalqualität ab. Das räumliche Auflösungsvermögen moderner, hochauflösen der Verfahren zur Richtungsschätzung - wie etwa MVDR [2], SAGE [3], MUSIC [8, 1] oder ESPRIT [7, 6] - liegt in der Praxis deutlich über derjenigen "klassischer" Metho den.

Um die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Algorithmus zu gewährleisten, ist es so mit nötig, für entsprechende Signalqualität zu sorgen. Ein allgemein üblicher Ansatz ist es, die Signale einer Vorverarbeitung zu unterziehen, bevor sie dem jeweiligen Al gorithmus zugeführt werden. Dieser Vorverarbeitungsschritt setzt sich zum Ziel, für die Auflösbarkeit aller Signale zu sorgen.

Der Vorverarbeitung der Empfangssignale kommt somit eine entscheidende Rolle zu.

1.2 Stand der Technik

Moderne Verfahren der hochauflösenden Parameterschätzung setzen voraus, daß die empfangenen Signale unkorreliert sind. Eine Gruppe von hochauflösenden Parame terschätzern setzt weiterhin voraus, daß ebenfalls das Rauschen unkorreliert ist. Der derzeitige Stand der Technik aus dem Bereich der Signalvorverarbeitung für hoch auflösende Parameterschätzer läßt sich daher in 2 Teilbereiche untergliedern: eine Dekorrelation der Signale und eine Dekorrelation des Rauschens.

Zum ersten Teilbereich zählen die Methode des räumlichen Glättens (spatial smoo thing [9]) und die Methode der vorwärts-rückwärts-Mittelung (FB-averaging [4]). Bei der Methode des räumlichen Glättens wird das Sensorfeld in kleinere, überlappende, gleich große Untergruppen aus benachbarten Sensorelementen unterteilt. Durch diese Methodik erhält man eine virtuell vergrößerte Anzahl von Abtastwerten an ei nem kleineren Sensorfeld und eine Dekorrelation der Signale.

Bei der Methode der vorwärts-rückwärts-Mittelung wird die zeitliche und räumliche Reihenfolge der Abtastwerte umgedreht und an die ursprünglich gemessenen Daten angehängt. Dadurch erhält man eine virtuell verdoppelte Anzahl von Abtastwerten und eine Dekorrelation eines Signalpaars.

Zum zweiten Teilbereich zählt die Methode der Rauschentfärbung (pre-whitening). Dabei werden die empfangenen Signale einer Vorverarbeitung unterzogen, welche zu einer Dekorrelation des Rauschens führt. Man spricht dann von sogenanntem" weißem Rauschen" und dementsprechend von Rauschentfärbung.

1.3 Mängel der bisher bekannten Ausführungen

Das Hauptanliegen der oben genannten Vorverarbeitungsschritte liegt darin, die Sta tistik der Signale, beziehungsweise die Statistik des Rauschen an die Voraussetzungen des nachfolgenden Algorithmus anzupassen, um so die Parameter der Signale erst schätzbar zu machen. Ferner sind die Vorverarbeitungsschritte im wesentlichen stati sche Prozesse, unabhängig vom Ergebnis der Parameterschätzung. Eine Verbesserung der Genauigkeit der geschätzten Parameter ist daher sehr gering.

1.4 Gestelltes, technisches Problem

Ziel dieses Patents ist ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von hochauf lösenden Parameterschätzverfahren, das kombinierbar ist mit den einschlägigen Vor verarbeitungsschritten (siehe Abschnitt 1.2). Dabei wird das Vorhandensein von uni formen Sensorfeldern (Uniform-Lineare Antennengruppe, Uniform-Rechteckige Anten nengruppe oder Uniform-Kubische Antennengruppe) vorausgesetzt, beziehungswei se eine äquidistante, zeitliche Abtastung, falls die Parameterschätzung außschließlich im Zeitbereich arbeitet.

1.5 Lösung des Problems

Die Lösung besteht aus einem Vorverarbeitungsschritt und einem Rahmenalgorithmus zur verbesserten Bestimmung der Parameter.

1.5.1 Vorverarbeitungsschritt (siehe Abb. 2)

Der Vorverarbeitungsschritt besteht aus einem räumlichen Filter (1) mit mehreren Ein gängen (2) und mehreren Ausgängen (3), welches die besondere Eigenschaft besitzt, daß es uniforme Sensorfelder (4) auf andere Sensorfelder gleicher Topologie (5) ab bildet (Vandermonde Invariance-Transformation, VIT). Hierbei wird die Apertur (6, 7) des Sensorfeldes und die Strahlungscharakteristik der Einzelsensoren (8) verändert und auf einen Arbeitspunkt (9) eingestellt. Es läßt sich zeigen, daß eine kleine Ver ringerung der Apertur um den sogenannten Aperturfaktor (10) eine kleine Verringe rung der Auflösefähigkeit verursacht, die jedoch überkompensiert wird durch eine angepaßte Strahlcharakteristik, die zu einer erheblichen Vergrößerung des Signal-zu- Rauschleistung-Verhältnisses führt.

1.5.2 Rahmenalgorithmus (siehe Abb. 3)

Mit Hilfe des Rahmenalgorithmus ist es nun möglich, den Vorverarbeitungsschritt ad aptiv an den jeweils zu schätzenden Parameter anzupassen. Somit operiert der Pa rameterschätzalgorithmus auf einem an den zu schätzenden Parameter optimierten Datensatz eines virtuellen Sensorfeldes (Virtual Array-Processing, VAP). Eine erste Grobschätzung des zu schätzenden Parameters wird dazu genutzt, die Strahlcharakte ristik des virtuellen Sensorfeldes auf eben diesen Parameter abzustimmen. Eine darauf folgende, zweite Schätzung des Parameters erzielt auf diese Art und Weise eine erhöhte Genauigkeit.

1.5.3 Erzeugung des räumlichen Filters der Vorverarbeitung

Die Vorgehensweise zur Erzeugung der Transformationsmatrix des räumlichen Filters der Vorverarbeitung ist im folgenden als MATLAB-Programm angegeben.

1.5.4 Zusammenfassung

Das neue Konzept besitzt somit folgende Eigenschaften:

- Der Parameterschätzalgorithmus wird in die Vorfilterung mit einbezogen.
- Anpassung der Vorfilterung an den zu schätzenden Parameter.
- Jeder Signalparameter wird sequentiell im Empfindlichkeitsmaximum geschätzt.
- Aktive Rauschunterdrückung.
- Parameterschätzung, basierend auf virtuellen, parameter-adaptiven Sensorfeldern.

1.6 Erläuterung eines Ausführungsbeispiels

Die Funktionsweise des neu vorgestellten Verfahrens soll anhand einer eindimensio nalen Richtungsschätzung erläutert werden. Die zu schätzenden Parameter sind so mit die Azimutalwinkel, unter denen die Signalpfade auf die eindimensionale, unifor me Antennengruppe auftreffen. Der verwendete Algorithmus zur Schätzung der Ein fallswinkel ist hierbei beliebig (z. B. SAGE, MUSIC, ESPRIT, MVDR, Periodogramm etc.) und wird in einem Ausführungsbeispiel in Abb. 4 durch die Bezeichnung PARAMEST symbolisch ersetzt. Die Erzeugung der räumlichen Filtermatrix T wird durch die Bezeichnung GetVIT symbolisiert. Der zugehörige Algorithmus ist in Ab schnitt 1.5.3 nachzulesen.

1.7 Erzielte Vorteile

Durch die oben beschriebene Vorgehensweise wird eine höhere Genauigkeit der zu schätzenden Parameter bei gleicher Signalqualität erreicht. Es werden somit weniger Abtastwerte oder ein geringeres Signal-zu-Rauschleistung-Verhältnis benötigt, um eine gleiche Genauigkeit im Vergleich zur Standardschätzung zu erreichen.

Literatur

[1] A. J. Barabell. "Improving the resolution performance of eigenstructure-based di rection finding algorithms." Proc. IEEE Int. Conf. Acoust., Speech, Signal-Processing, pages 336-339, May 1983.
[2] J. Capon. "High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis." Proc. IEEE, 57: 1408-1418, August 1969.
[3] M. Feder and E. Weinstein. "Parameter estimation of superimposed signals using the EM algorithm." IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal-Processing, 36: 477-489, April 1988.
[4] M. Haardt. "Efficient One-, Two- and Multidimensional High-Resolution Array Signal Processing." Ph. D. dissertation, Technical University of Munich, Institute of Net work Theory and Circuit Design, Germany, 1996. Shaker-Verlag, ISBN 3-8265-2220- 6.
[5] V. K. Madisetti and D. B. Williams. "The Digital Signal Processing-Handbook." CRC Press and IEEE Press, 1989.
[6] A. Paulraj, R. Roy, and T. Kailath. "Estimation of signal-parameters via rotational invariance techniques-ESPRIT." Proc. of 19th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pages 83-89, November 1985.
[7] R. Roy and T. Kailath. "ESPRIT-estimation of signal-parameters via rotational invariance techniques." IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal-Processing, pages 984-995, July 1989.
[8] R. O. Schmidt. "Multiple emitter location and signal parameter estimation." Proc. RA DC Spectrum Estimation Workshop, 34: 276-280, March 1986.
[9] T. J. Shan, M. Wax, and T. Kailath. "On spatial smoothing for direction-of-arrival estimation of coherent signals." IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal-Processing, 33: 806-811, August 1985.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Parameterschätzverfahren, ins besondere bei Frequenz-, Richtungs-, Doppler-, Zeit- und Phasenschätzung, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterschätzverfahren auf eine Sensoreinrichtung mit mehreren, uni form angeordneten Einzelsensoren zurückgreift und über eine Rückkopplung ei ner Grobschätzung der Parameter ein räumliches Vorfilter mit der Eigenschaft, über mehrere Eingänge und Ausgänge uniforme Sensorfelder auf andere unifor me Sensorfelder abzubilden, anpaßt, dahingehend, daß die Daten des transfor mierten, virtuellen Sensorfeldes an den rückgekoppelten, zu schätzenden Para meter adaptiv optimiert werden, um eine verbesserte Schätzung der Parameter durchzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung der zu schätzenden Parameter ersetzt wird durch eine feste oder anderweitig adaptive Einstellung des räumlichen Vorfilters, inklusive einer Rückkopplung bliebig transformierter Parameter.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Vorfilterung zu einer effektiven Veränderung der Apertur und/oder der Empfangscharakteristik der Sensoren des Sensorfeldes verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplung der Parameter dazu verwendet wird, eine unimodulare Skalierung der Ausgänge des räumlichen Filters durchzuführen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Eingänge und die Zahl der Ausgänge des räumlichen Filters gleich ist, beziehungsweise die Zahl der Eingänge größer ist, als die Zahl der Ausgänge.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schätzen der Parameter zusätzlich Informationen zumindest über ei nen der folgenden Werte: Einfallsrichtung (DOAs), Leistung, Spektrum oder eine Korrelationsmatrix von Störsignalen berücksichtigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parameterschätzung hochauflösende Richtungsschätzverfahren angewandt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parameterschätzung ein MUSIC-Verfahren angewandt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parameterschätzung ein ein-dimensionales oder mehr-dimensionales ESPRIT-Verfahren angewandt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parameterschätzung ein ein-dimensionales oder mehr-dimensionales UNITARY ESPRIT-Verfahren angewandt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Mobilfunksystem angewendet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Radar- bzw. Sonarsystem angewendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem seismischen Meßsystem angewendet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Funkortung angewendet wird.