Localization of DOA trajectories -- Beyond the grid

The direction of arrival (DOA) estimation algorithms are crucial in localizing acoustic sources. Traditional localization methods rely on block-level processing to extract the directional information from multiple measurements processed together. However, these methods assume that DOA remains constant throughout the block, which may not be true in practical scenarios. Also, the performance of localization methods is limited when the true parameters do not lie on the parameter search grid. In this paper we propose two trajectory models, namely the polynomial and bandlimited trajectory models, to capture the DOA dynamics. To estimate trajectory parameters, we adopt two gridless algorithms: i) Sliding Frank-Wolfe (SFW), which solves the Beurling LASSO problem and ii) Newtonized Orthogonal Matching Pursuit (NOMP), which improves over OMP using cyclic refinement. Furthermore, we extend our analysis to include wideband processing. The simulation results indicate that the proposed trajectory localization algorithms exhibit improved performance compared to grid-based methods in terms of resolution, robustness to noise, and computational efficiency

Compact Formulations for Sparse Reconstruction in Fully and Partly Calibrated Sensor Arrays

Sensor array processing is a classical field of signal processing which offers various applications in practice, such as direction of arrival estimation or signal reconstruction, as well as a rich theory, including numerous estimation methods and statistical bounds on the achievable estimation performance. A comparably new field in signal processing is given by sparse signal reconstruction (SSR), which has attracted remarkable interest in the research community during the last years and similarly offers plentiful fields of application. This thesis considers the application of SSR in fully calibrated sensor arrays as well as in partly calibrated sensor arrays. The main contributions are a novel SSR method for application in partly calibrated arrays as well as compact formulations for the SSR problem, where special emphasis is given on exploiting specific structure in the signals as well as in the array topologies

Sparse Array Signal Processing

This dissertation details three approaches for direction-of-arrival (DOA) estimation or beamforming in array signal processing from the perspective of sparsity. In the first part of this dissertation, we consider sparse array beamformer design based on the alternating direction method of multipliers (ADMM); in the second part of this dissertation, the problem of joint DOA estimation and distorted sensor detection is investigated; and off-grid DOA estimation is studied in the last part of this dissertation. In the first part of this thesis, we devise a sparse array design algorithm for adaptive beamforming. Our strategy is based on finding a sparse beamformer weight to maximize the output signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR). The proposed method utilizes ADMM, and admits closed-form solutions at each ADMM iteration. The algorithm convergence properties are analyzed by showing the monotonicity and boundedness of the augmented Lagrangian function. In addition, we prove that the proposed algorithm converges to the set of Karush-Kuhn-Tucker stationary points. Numerical results exhibit its excellent performance, which is comparable to that of the exhaustive search approach, slightly better than those of the state-of-the-art solvers, and significantly outperforms several other sparse array design strategies, in terms of output SINR. Moreover, the proposed ADMM algorithm outperforms its competitors, in terms of computational cost. Distorted sensors could occur randomly and may lead to the breakdown of a sensor array system. In the second part of this thesis, we consider an array model in which a small number of sensors are distorted by unknown sensor gain and phase errors. With such an array model, the problem of joint DOA estimation and distorted sensor detection is formulated under the framework of low-rank and row-sparse decomposition. We derive an iteratively reweighted least squares (IRLS) algorithm to solve the resulting problem. The convergence property of the IRLS algorithm is analyzed by means of the monotonicity and boundedness of the objective function. Extensive simulations are conducted in view of parameter selection, convergence speed, computational complexity, and performance of DOA estimation as well as distorted sensor detection. Even though the IRLS algorithm is slightly worse than the ADMM in detecting the distorted sensors, the results show that our approach outperforms several state-of-the-art techniques in terms of convergence speed, computational cost, and DOA estimation performance. In the last part of this thesis, the problem of off-grid DOA estimation is investigated. We develop a method to jointly estimate the closest spatial frequency (the sine of DOA) grids, and the gaps between the estimated grids and the corresponding frequencies. By using a second-order Taylor approximation, the data model under the framework of joint-sparse representation is formulated. We point out an important property of the signals of interest in the model, namely the proportionality relationship. The proportionality relationship is empirically demonstrated to be useful in the sense that it increases the probability of the mixing matrix satisfying the block restricted isometry property. Simulation examples demonstrate the effectiveness and superiority of the proposed method against several state-of-the-art grid-based approaches

Advanced array signal processing algorithms for multi-dimensional parameter estimation

Multi-dimensional high-resolution parameter estimation is a fundamental problem in a variety of array signal processing applications, including radar, mobile communications, multiple-input multiple-output (MIMO) channel estimation, and biomedical imaging. The objective is to estimate the frequency parameters of noise-corrupted multi-dimensional harmonics that are sampled on a multi-dimensional grid. Among the proposed parameter estimation algorithms to solve this problem, multi-dimensional (R-D) ESPRIT-type algorithms have been widely used due to their computational efficiency and their simplicity. Their performance in various scenarios has been objectively evaluated by means of an analytical performance assessment framework. Recently, a relatively new class of parameter estimators based on sparse signal reconstruction has gained popularity due to their robustness under challenging conditions such as a small sample size or strong signal correlation. A common approach towards further improving the performance of parameter estimation algorithms is to exploit prior knowledge on the structure of the signals. In this thesis, we develop enhanced versions of R-D ESPRIT-type algorithms and the relatively new class of sparsity-based parameter estimation algorithms by exploiting the multi-dimensional structure of the signals and the statistical properties of strictly non-circular (NC) signals. First, we derive analytical expressions for the gain from forward-backward averaging and tensor-based processing in R-D ESPRIT-type and R-D Tensor-ESPRIT-type algorithms for the special case of two sources. This is accomplished by simplifying the generic analytical MSE expressions from the performance analysis of R-D ESPRIT-type algorithms. The derived expressions allow us to identify the parameter settings, e.g., the number of sensors, the signal correlation, and the source separation, for which both gains are most pronounced or no gain is achieved. Second, we propose the generalized least squares (GLS) algorithm to solve the overdetermined shift invariance equation in R-D ESPRIT-type algorithms. GLS directly incorporates the statistics of the subspace estimation error into the shift invariance solution through its covariance matrix, which is found via a first-order perturbation expansion. To objectively assess the estimation accuracy, we derive performance analysis expressions for the mean square error (MSE) of GLS-based ESPRIT-type algorithms, which are asymptotic in the effective SNR, i.e., the results become exact for a high SNR or a small sample size. Based on the performance analysis, we show that the simplified MSE expressions of GLS-based 1-D ESPRIT-type algorithms for a single source and two sources can be transformed into the corresponding Cramer-Rao bound (CRB) expressions, which provide a lower limit on the estimation error. Thereby, ESPRIT-type algorithms can become asymptotically efficient, i.e., they asymptotically achieve the CRB. Numerical simulations show that this can also be the case for more than two sources. In the third contribution, we derive matrix-based and tensor-based R-D NC ESPRIT-type algorithms for multi-dimensional strictly non-circular signals, where R-D NC Tensor-ESPRIT-type algorithms exploit both the multi-dimensional structure and the strictly non-circular structure of the signals. Exploiting the NC signal structure by means of a preprocessing step leads to a virtual doubling of the original sensor array, which provides an improved estimation accuracy and doubles the number of resolvable signals. We derive an analytical performance analysis and compute simplified MSE expressions for a single source and two sources. These expressions are used to analytically compute the NC gain for these cases, which has so far only been studied via Monte-Carlo simulations. We additionally consider spatial smoothing preprocessing for R-D ESPRIT-type algorithms, which has been widely used to improve the estimation performance for highly correlated signals or a small sample size. Once more, we derive performance analysis expressions for R-D ESPRIT-type algorithms and their corresponding NC versions with spatial smoothing and derive the optimal number of subarrays for spatial smoothing that minimizes the MSE for a single source. In the next part, we focus on the relatively new concept of parameter estimation via sparse signal reconstruction (SSR), in which the sparsity of the received signal power spectrum in the spatio-temporal domain is exploited. We develop three NC SSR-based parameter estimation algorithms for strictly noncircular sources and show that the benefits of exploiting the signals’ NC structure can also be achieved via sparse reconstruction. We develop two grid-based NC SSR algorithms with a low-complexity off-grid estimation procedure, and a gridless NC SSR algorithm based on atomic norm minimization. As the final contribution of this thesis, we derive the deterministic R-D NC CRB for strictly non-circular sources, which serves as a benchmark for the presented R-D NC ESPRIT-type algorithms and the NC SSR-based parameter estimation algorithms. We show for the special cases of, e.g., full coherence, a single snapshot, or a single strictly non-circular source, that the deterministic R-D NC CRB reduces to the existing deterministic R-D CRB for arbitrary signals. Therefore, no NC gain can be achieved in these cases. For the special case of two closely-spaced NC sources, we simplify the NC CRB expression and compute the NC gain for two closely-spaced NC signals. Finally, its behavior in terms of the physical parameters is studied to determine the parameter settings that provide the largest NC gain.Die hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale findet Anwendung in vielen Bereichen der Signalverarbeitung in Mehrantennensystemen. Zu den Anwendungsgebieten zählen beispielsweise Radar, die Mobilkommunikation, die Kanalschätzung in multiple-input multiple-output (MIMO)-Systemen und bildgebende Verfahren in der Biosignalverarbeitung. In letzter Zeit sind eine Vielzahl von Algorithmen zur Parameterschätzung entwickelt worden, deren Schätzgenauigkeit durch eine analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit objektiv bewertet werden kann. Eine verbreitete Methode zur Verbesserung der Schätzgenauigkeit von Parameterschätzverfahren ist die Ausnutzung von Vorwissen bezüglich der Signalstruktur. In dieser Arbeit werden mehrdimensionale ESPRIT-Verfahren als Beispiel für Unterraum-basierte Verfahren entwickelt und analysiert, die explizit die mehrdimensionale Signalstruktur mittels Tensor-Signalverarbeitung ausnutzt und die statistischen Eigenschaften von nicht-zirkulären Signalen einbezieht. Weiterhin werden neuartige auf Signalrekonstruktion basierende Algorithmen vorgestellt, die die nicht-zirkuläre Signalstruktur bei der Rekonstruktion ausnutzen. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen eine deutlich verbesserte Schätzgüte und verdoppeln die Anzahl der auflösbaren Signale. Die Vielzahl der Forschungsbeiträge in dieser Arbeit setzt sich aus verschiedenen Teilen zusammen. Im ersten Teil wird die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit von Matrix-basierten und Tensor-basierten ESPRIT-Algorithmen betrachtet. Die Tensor-basierten Verfahren nutzen explizit die mehrdimensionale Struktur der Daten aus. Es werden für beide Algorithmenarten vereinfachte analytische Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler für zwei Signalquellen hergeleitet, die lediglich von den physikalischen Parametern, wie zum Beispiel die Anzahl der Antennenelemente, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, oder die Anzahl der Messungen, abhängen. Ein Vergleich dieser Ausdrücke ermöglicht die Berechnung einfacher Ausdrücke für den Schätzgenauigkeitsgewinn durch den forward-backward averaging (FBA)-Vorverarbeitungsschritt und die Tensor-Signalverarbeitung, die die analytische Abhängigkeit von den physikalischen Parametern enthalten. Im zweiten Teil entwickeln wir einen neuartigen general least squares (GLS)-Ansatz zur Lösung der Verschiebungs-Invarianz-Gleichung, die die Grundlage der ESPRIT-Algorithmen darstellt. Der neue Lösungsansatz berücksichtigt die statistische Beschreibung des Fehlers bei der Unterraumschätzung durch dessen Kovarianzmatrix und ermöglicht unter bestimmten Annahmen eine optimale Lösung der Invarianz-Gleichung. Mittels einer Performanzanalyse der GLS-basierten ESPRIT-Verfahren und der Vereinfachung der analytischen Ausdrücke für den Schätzfehler für eine Signalquelle und zwei zeitlich unkorrelierte Signalquellen wird gezeigt, dass die Cramer-Rao-Schranke, eine untere Schranke für die Varianz eines Schätzers, erreicht werden kann. Im nächsten Teil werden Matrix-basierte und Tensor-basierte ESPRIT-Algorithmen für nicht-zirkuläre Signalquellen vorgestellt. Unter Ausnutzung der Signalstruktur gelingt es, die Schätzgenauigkeit zu erhöhen und die doppelte Anzahl an Quellen aufzulösen. Dabei ermöglichen die vorgeschlagenen Tensor-ESPRIT-Verfahren sogar die gleichzeitige Ausnutzung der mehrdimensionalen Signalstruktur und der nicht-zirkuläre Signalstruktur. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren wird erneut durch eine analytische Beschreibung objektiv bewertet und Spezialfälle für eine und zwei Quellen betrachtet. Es zeigt sich, dass für eine Quelle keinerlei Gewinn durch die nicht-zirkuläre Struktur erzielen lässt. Für zwei nicht-zirkuläre Quellen werden vereinfachte Ausdrücke für den Gewinn sowohl im Matrixfall also auch im Tensorfall hergeleitet und die Abhängigkeit der physikalischen Parameter analysiert. Sind die Signale stark korreliert oder ist die Anzahl der Messdaten sehr gering, kann der spatial smoothing-Vorverarbeitungsschritt mit den verbesserten ESPRIT-Verfahren kombiniert werden. Anhand der Performanzanalyse wird die Anzahl der Mittellungen für das spatial smoothing-Verfahren analytisch für eine Quelle bestimmt, die den Schätzfehler minimiert. Der nächste Teil befasst sich mit einer vergleichsweise neuen Klasse von Parameterschätzverfahren, die auf der Rekonstruktion überlagerter dünnbesetzter Signale basiert. Als Vorteil gegenüber den Algorithmen, die eine Signalunterraumschätzung voraussetzen, sind die Rekonstruktionsverfahren verhältnismäßig robust im Falle einer geringen Anzahl zeitlicher Messungen oder einer starken Korrelation der Signale. In diesem Teil der vorliegenden Arbeit werden drei solcher Verfahren entwickelt, die bei der Rekonstruktion zusätzlich die nicht-zirkuläre Signalstruktur ausnutzen. Dadurch kann auch für diese Art von Verfahren eine höhere Schätzgenauigkeit erreicht werden und eine höhere Anzahl an Signalen rekonstruiert werden. Im letzten Kapitel der Arbeit wird schließlich die Cramer-Rao-Schranke für mehrdimensionale nicht-zirkuläre Signale hergeleitet. Sie stellt eine untere Schranke für den Schätzfehler aller Algorithmen dar, die speziell für die Ausnutzung dieser Signalstruktur entwickelt wurden. Im Vergleich zur bekannten Cramer-Rao-Schranke für beliebige Signale, zeigt sich, dass im Fall von zeitlich kohärenten Signalen, für einen Messvektor oder für eine Quelle, beide Schranken äquivalent sind. In diesen Fällen kann daher keine Verbesserung der Schätzgüte erzielt werden. Zusätzlich wird die Cramer-Rao-Schranke für zwei benachbarte nicht-zirkuläre Signalquellen vereinfacht und der maximal mögliche Gewinn in Abhängigkeit der physikalischen Parameter analytisch ermittelt. Dieser Ausdruck gilt als Maßstab für den erzielbaren Gewinn aller Parameterschätzverfahren für zwei nicht-zirkuläre Signalquellen

Applications of compressive sensing to direction of arrival estimation

Die Schätzung der Einfallsrichtungen (Directions of Arrival/DOA) mehrerer ebener Wellenfronten mit Hilfe eines Antennen-Arrays ist eine der prominentesten Fragestellungen im Gebiet der Array-Signalverarbeitung. Das nach wie vor starke Forschungsinteresse in dieser Richtung konzentriert sich vor allem auf die Reduktion des Hardware-Aufwands, im Sinne der Komplexität und des Energieverbrauchs der Empfänger, bei einem vorgegebenen Grad an Genauigkeit und Robustheit gegen Mehrwegeausbreitung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung von Compressive Sensing (CS) auf das Gebiet der DOA-Schätzung mit dem Ziel, hiermit die Komplexität der Empfängerhardware zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Richtungsauflösung und Robustheit zu erreichen. CS wurde bereits auf das DOA-Problem angewandt unter der Ausnutzung der Tatsache, dass eine Superposition ebener Wellenfronten mit einer winkelabhängigen Leistungsdichte korrespondiert, die über den Winkel betrachtet sparse ist. Basierend auf der Idee wurden CS-basierte Algorithmen zur DOA-Schätzung vorgeschlagen, die sich durch eine geringe Rechenkomplexität, Robustheit gegenüber Quellenkorrelation und Flexibilität bezüglich der Wahl der Array-Geometrie auszeichnen. Die Anwendung von CS führt darüber hinaus zu einer erheblichen Reduktion der Hardware-Komplexität, da weniger Empfangskanäle benötigt werden und eine geringere Datenmenge zu verarbeiten und zu speichern ist, ohne dabei wesentliche Informationen zu verlieren. Im ersten Teil der Arbeit wird das Problem des Modellfehlers bei der CS-basierten DOA-Schätzung mit gitterbehafteten Verfahren untersucht. Ein häufig verwendeter Ansatz um das CS-Framework auf das DOA-Problem anzuwenden ist es, den kontinuierlichen Winkel-Parameter zu diskreditieren und damit ein Dictionary endlicher Größe zu bilden. Da die tatsächlichen Winkel fast sicher nicht auf diesem Gitter liegen werden, entsteht dabei ein unvermeidlicher Modellfehler, der sich auf die Schätzalgorithmen auswirkt. In der Arbeit wird ein analytischer Ansatz gewählt, um den Effekt der Gitterfehler auf die rekonstruierten Spektra zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass sich die Messung einer Quelle aus beliebiger Richtung sehr gut durch die erwarteten Antworten ihrer beiden Nachbarn auf dem Gitter annähern lässt. Darauf basierend wird ein einfaches und effizientes Verfahren vorgeschlagen, den Gitterversatz zu schätzen. Dieser Ansatz ist anwendbar auf einzelne Quellen oder mehrere, räumlich gut separierte Quellen. Für den Fall mehrerer dicht benachbarter Quellen wird ein numerischer Ansatz zur gemeinsamen Schätzung des Gitterversatzes diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir das Design kompressiver Antennenarrays für die DOA-Schätzung. Die Kompression im Sinne von Linearkombinationen der Antennensignale, erlaubt es, Arrays mit großer Apertur zu entwerfen, die nur wenige Empfangskanäle benötigen und sich konfigurieren lassen. In der Arbeit wird eine einfache Empfangsarchitektur vorgeschlagen und ein allgemeines Systemmodell diskutiert, welches verschiedene Optionen der tatsächlichen Hardware-Realisierung dieser Linearkombinationen zulässt. Im Anschluss wird das Design der Gewichte des analogen Kombinations-Netzwerks untersucht. Numerische Simulationen zeigen die Überlegenheit der vorgeschlagenen kompressiven Antennen-Arrays im Vergleich mit dünn besetzten Arrays der gleichen Komplexität sowie kompressiver Arrays mit zufällig gewählten Gewichten. Schließlich werden zwei weitere Anwendungen der vorgeschlagenen Ansätze diskutiert: CS-basierte Verzögerungsschätzung und kompressives Channel Sounding. Es wird demonstriert, dass die in beiden Gebieten durch die Anwendung der vorgeschlagenen Ansätze erhebliche Verbesserungen erzielt werden können.Direction of Arrival (DOA) estimation of plane waves impinging on an array of sensors is one of the most important tasks in array signal processing, which have attracted tremendous research interest over the past several decades. The estimated DOAs are used in various applications like localization of transmitting sources, massive MIMO and 5G Networks, tracking and surveillance in radar, and many others. The major objective in DOA estimation is to develop approaches that allow to reduce the hardware complexity in terms of receiver costs and power consumption, while providing a desired level of estimation accuracy and robustness in the presence of multiple sources and/or multiple paths. Compressive sensing (CS) is a novel sampling methodology merging signal acquisition and compression. It allows for sampling a signal with a rate below the conventional Nyquist bound. In essence, it has been shown that signals can be acquired at sub-Nyquist sampling rates without loss of information provided they possess a sufficiently sparse representation in some domain and that the measurement strategy is suitably chosen. CS has been recently applied to DOA estimation, leveraging the fact that a superposition of planar wavefronts corresponds to a sparse angular power spectrum. This dissertation investigates the application of compressive sensing to the DOA estimation problem with the goal to reduce the hardware complexity and/or achieve a high resolution and a high level of robustness. Many CS-based DOA estimation algorithms have been proposed in recent years showing tremendous advantages with respect to the complexity of the numerical solution while being insensitive to source correlation and allowing arbitrary array geometries. Moreover, CS has also been suggested to be applied in the spatial domain with the main goal to reduce the complexity of the measurement process by using fewer RF chains and storing less measured data without the loss of any significant information. In the first part of the work we investigate the model mismatch problem for CS based DOA estimation algorithms off the grid. To apply the CS framework a very common approach is to construct a finite dictionary by sampling the angular domain with a predefined sampling grid. Therefore, the target locations are almost surely not located exactly on a subset of these grid points. This leads to a model mismatch which deteriorates the performance of the estimators. We take an analytical approach to investigate the effect of such grid offsets on the recovered spectra showing that each off-grid source can be well approximated by the two neighboring points on the grid. We propose a simple and efficient scheme to estimate the grid offset for a single source or multiple well-separated sources. We also discuss a numerical procedure for the joint estimation of the grid offsets of closer sources. In the second part of the thesis we study the design of compressive antenna arrays for DOA estimation that aim to provide a larger aperture with a reduced hardware complexity and allowing reconfigurability, by a linear combination of the antenna outputs to a lower number of receiver channels. We present a basic receiver architecture of such a compressive array and introduce a generic system model that includes different options for the hardware implementation. We then discuss the design of the analog combining network that performs the receiver channel reduction. Our numerical simulations demonstrate the superiority of the proposed optimized compressive arrays compared to the sparse arrays of the same complexity and to compressive arrays with randomly chosen combining kernels. Finally, we consider two other applications of the sparse recovery and compressive arrays. The first application is CS based time delay estimation and the other one is compressive channel sounding. We show that the proposed approaches for sparse recovery off the grid and compressive arrays show significant improvements in the considered applications compared to conventional methods