On calibration and direction finding with uniform circular arrays

Antenna array calibration methods and narrowband direction finding (DF) techniques will be outlined and compared for a uniform circular array. DF is stated as an inverse problem, which solution requires a parametric model of the array itself. Because real arrays suffer from mechanical and electrical imperfections, analytic array models are per se not applicable. Mitigation of such disturbances by a global calibration matrix will be addressed, and methods to estimate this calibration matrix will be recapped from literature. Also, a novel method will be presented, which circumvents the problem of a changed noise statistic due to calibration. Furthermore, local calibration, where array calibration measurements are incorporated in the DF algorithm, is considered as well. Common DF algorithms will be outlined, their assumptions regarding array properties will be addressed, and required preprocessing steps such as the beam-space transformation will be presented. Also, two novel DF techniques will be proposed, based on the Capon beamformer, but with reduced computational effort and higher resolution for bearing estimation. Simulations are used to exemplary compare calibration and DF methods in conjunction with each other. Furthermore, measurements with a single and two coherent sources are considered. It turns out that global calibration enables computational efficient DF algorithms but causes biased estimates. Furthermore, resolution of two coherent sources necessitates array calibration

Acoustic Speaker Localization with Strong Reverberation and Adaptive Feature Filtering with a Bayes RFS Framework

The thesis investigates the challenges of speaker localization in presence of strong reverberation, multi-speaker tracking, and multi-feature multi-speaker state filtering, using sound recordings from microphones. Novel reverberation-robust speaker localization algorithms are derived from the signal and room acoustics models. A multi-speaker tracking filter and a multi-feature multi-speaker state filter are developed based upon the generalized labeled multi-Bernoulli random finite set framework. Experiments and comparative studies have verified and demonstrated the benefits of the proposed methods

Limitations of experimental channel characterisation

KURZFASSUNG In dieser Dissertation wird die Experimentelle Kanalcharakterisierung und deren Grenzen in realenAusbreitungsumgebungen untersucht. Dies beinhaltet die Aufzeichnung der mehrdimensionalenbreitbandigen Kanalmatrix mit einem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Channel-Sounderunter Verwendung von Antennenarrays auf der Sende- und Empfangsseite. Um den Funkkanalmit Hilfe der Parameter Sendewinkel (DoD), Empfangswinkel (DoA), Laufzeit (TDoA) und denkomplexen polarimetrischen Pfadgewichten zu charakterisieren, werden hochauflösende Parameterschätzverfahrenverwendet. Die Genauigkeit dieser Parameterschätzergebnisse in ”realen“ Messumgebungenwird durch eine Vielzahl von Fehlerquellen begrenzt. Diese Genauigkeitsgrenzen derParameterschätzung werden anhand zahlreicher Simulationen und Messungen analysiert. Fehlerquellenim gesamten Verarbeitungsablauf werden untersucht. Dazu gehören die Einschränkungendurch das Messsystem, systematische Fehler bei der Kalibrierung praktischer Antennenarrays sowieUnzulänglichkeiten des Funkkanalmodells des hochauflösenden Parameterschätzers. Darüber hinauswerden die Auswirkungen der Parametrierung bzw. Ableitung geometrisch basierter Kanalmodelleauf der Grundlage von Parameterschätzergebnissen mit begrenzter Genauigkeit aufgezeigt.Mit Messungen in typischen Ausbreitungsumgebungen kann der Funkkanal immer nur in Abhängigkeitder Messantennen beschrieben werden. Als Ziel wird jedoch eine antennenunabhängige Beschreibungdes Funkkanals angestrebt. Daher ist es notwendig, die Sende- und Empfangswinkel derspekularen Ausbreitungspfade mittels hochauflösender Parameterschätzverfahren zu bestimmen.Der gradientenbasierte Maximum Likelihood (ML) Parameterschätzer RIMAX, auf dem diese Arbeitaufbaut, verwendet ein Datenmodell, das den Funkkanal und das Messsystem inklusive derAntennenarrays beschreibt. Im Gegensatz zu anderen ML-Parameterschätzern wird ein Funkanalmodellangewendet, welches spekulare Reflektionen und verteilte diffuse Streuungen berücksichtigt.Für die Modellierung des Messsystems wird ein effizientes und exaktes Modell der gemessenenpolarimetrischen Richtcharakteristika benötigt. Das hier vorgeschlagene Modell, die so genannteEffective Aperture Distribution Function (EADF), beschreibt die Antennenrichtcharakteristikaanalytisch und basiert im Wesentlichen auf der zweidimensionalen (2D) Fouriertransformation derperiodischen Richtcharakteristika. Im Gegensatz zu anderen Verfahren können auf der Grundlageder EADF die Antennencharakteristika und ihre Ableitungen mit geringem Aufwand und hoherGenauigkeit berechnet werden. Für eine exakte Messung der Richtcharakteristika eines Antennenarrayswird ein vollpolarimetrisches 2D-Kalibrierverfahren vorgeschlagen. Mit diesem Verfahrenwird der komplette Messaufbau kalibriert. Dazu gehören der MIMO Channel-Sounder, die dualpolarisierte Referenzhornantenne und alle Hochfrequenzkomponenten außer dem zu untersuchendenAntennenarray. Im Zusammenhang mit der Arraykalibrierung wird ein gradientenbasierterML-Parameterschätzer entwickelt, mit dem eine bei der Kalibriermessung auftretende Phasenabweichungkorrigiert wird. DesWeiteren wird ein leistungsstarkes Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays auf derBasis der EADFs gemessener Richtcharakteristika vorgeschlagen. Die Cram´er-Rao-Schranken derWinkelparameter in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses werden mit dem EADF-Modellanalytisch berechnet. Der Vorteil des EADF-Modells besteht darin, dass die Richtcharakteristikaeines realen Antennenarrays unter Einbeziehung aller störenden Einflussgrößen beschrieben werden.Das vorgeschlagene Bewertungsverfahren wird anhand von Messungen im Antennenmessraum verifiziert.Das Modell des Messsystems inklusive der Antennenarrays, welches für die Parameterschätzungverwendet wird, kann das reale System nur begrenzt beschreiben. Es wurden Schätzergebnisse vonzahlreichen Messungen analysiert. Hierbei musste festgestellt werden, dass Fehler bei der Modellierungzu teilweise unglaubwürdigen Schätzergebnissen führen. Genauer untersucht werden Fehlerin Bezug auf die Antennenarrays und das Messsystem. Erstere werden hervorgerufen durchsystematische Fehler bei der Arraykalibrierung und durch die Verwendung unvollständiger Datenmodelle(z.B. Nichtberücksichtigung der polarimetrischen Eigenschaften der Antennen). Letztereentstehen einerseits durch Phasenrauschen und andererseits durch ungeeignete Kalibrierung. Eswird nachgewiesen, dass die Verwendung ungenauer Modelle zur Schätzung von Artefakten führt.Diese Schätzfehler äußern sich in Abweichungen und/oder in einer künstlichen Aufspreizung derWinkelschätzungen der spekularen Anteile. Es werden geeignete Methoden vorgeschlagen, um dieAuswirkungen von Modellfehlern weitestgehend zu vermeiden bzw. zu korrigieren. Betont werdenmuss jedoch, dass einige Fehler unvermeidbar sind. Die Auswirkungen aller unvermeidbaren Fehler auf die Experimentelle Kanalcharakterisierung inkomplexen Ausbreitungsumgebungen werden im letzten Teil dieser Arbeit dargestellt. Es wird gezeigt,unter welchen Bedingungen die geschätzten spekularen Anteile sowie die geschätzten verteiltendiffusen Streuanteile glaubwürdig und physikalisch relevant sind. Die Untersuchungen basierenauf ”realistischen“ Simulationen des Funkkanals (Ray-Tracing) und auf Messungen. Diese Synthesegarantiert Glaubwürdigkeit und Aussagefähigkeit der in der Arbeit gewonnenen Ergebnisse.Die Resultate dieser Dissertation sind speziell für Wissenschaftler auf dem Gebiet der Parameterschätzungsowie Funkkanalmodellierung von Interesse und können wie folgt zusammengefasstwerden: • die Entwicklung eines Modells zur exakten und effizienten Beschreibung der Richtcharakteristikavon Antennenarrays,• ein Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays,• die Sensibilisierung für Modellfehler und deren Auswirkungen auf die Parameterschätzergebnisseund• die Bestimmung der Grenzen Experimenteller Kanalcharakterisierung unter Berücksichtigungaller unvermeidbarer Fehlerquellen

Antennas and Propagation

This Special Issue gathers topics of utmost interest in the field of antennas and propagation, such as: new directions and challenges in antenna design and propagation; innovative antenna technologies for space applications; metamaterial, metasurface and other periodic structures; antennas for 5G; electromagnetic field measurements and remote sensing applications

An Analysis of Radio-Frequency Geolocation Techniques for Satellite Systems Design

This research 1) evaluates the effectiveness of CubeSat radio-frequency geolocation and 2) analyzes the sensitivity of different RF algorithms to system parameters. A MATLAB simulation is developed to assess geolocation accuracy for variable system designs and techniques (AOA, TDOA, T/FDOA). An unconstrained maximum likelihood estimator (MLE) and three different digital elevation models (DEM) are utilized as the surface of the Earth constraint to improve geolocation accuracy. The results presented show the effectiveness of the MLE and DEM techniques, the sensitivity of AOA, TDOA, and T/FDOA algorithms, and the system level performance of a CubeSat geolocation cluster in a 500km circular orbit

Ein Beitrag zur effizienten Richtungsschätzung mittels Antennenarrays

Sicherlich gibt es nicht den einen Algorithmus zur Schätzung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen. Statt dessen existieren Algorithmen, die darauf optimiert sind Hunderte Pfade zu finden, mit uniformen linearen oder kreisförmigen Antennen-Arrays genutzt zu werden oder möglichst schnell zu sein. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit letzterer Art. Wir beschränken uns jedoch nicht auf den reinen Algorithmus zur Richtungsschätzung (RS), sondern gehen das Problem in verschiedener Hinsicht an. Die erste Herangehensweise befasst sich mit der Beschreibung der Array-Mannigfaltigkeit (AM). Bisherige Interpolationsverfahren der AM berücksichtigen nicht inhärent Polarisation. Daher wird separat für jede Polarisation einzeln interpoliert. Wir übernehmen den Ansatz, eine diskrete zweidimensionale Fouriertransformation (FT) zur Interpolation zu nutzen. Jedoch verschieben wir das Problem in den Raum der Quaternionen. Dort wenden wir eine zweidimensionale diskrete quaternionische FT an. Somit können beide Polarisationszustände als eine einzige Größe betrachtet werden. Das sich ergebende Signalmodell ist im Wesentlichen kompatibel mit dem herkömmlichen komplexwertigen Modell. Unsere zweite Herangehensweise zielt auf die fundamentale Eignung eines Antennen-Arrays für die RS ab. Zu diesem Zweck nutzen wir die deterministische Cramér-Rao-Schranke (Cramér-Rao Lower Bound, CRLB). Wir leiten drei verschiedene CRLBs ab, die Polarisationszustände entweder gar nicht oder als gewünschte oder störende Parameter betrachten. Darüber hinaus zeigen wir auf, wie Antennen-Arrays schon während der Design-Phase auf RS optimiert werden können. Der eigentliche Algorithmus zur RS stellt die letzte Herangehensweise dar. Mittels einer MUSIC-basierte Kostenfunktion leiten wir effiziente Schätzer ab. Hierfür kommt eine modifizierte Levenberg- bzw. Levenberg-Marquardt-Suche zum Einsatz. Da die eigentliche Kostenfunktion hier nicht angewendet werden kann, ersetzen wir diese durch vier verschiedene Funktionen, die sich lokal ähnlich verhalten. Diese Funktionen beruhen auf einer Linearisierung eines Kroneckerproduktes zweier polarimetrischer Array-Steering-Vektoren. Dabei stellt sich heraus, dass zumindest eine der Funktionen in der Regel zu sehr schneller Konvergenz führt, sodass ein echtzeitfähiger Algorithmus entsteht.It is save to say that there is no such thing as the direction finding (DF) algorithm. Rather, there are algorithms that are tuned to resolve hundreds of paths, algorithms that are designed for uniform linear arrays or uniform circular arrays, and algorithms that strive for efficiency. The doctoral thesis at hand deals with the latter type of algorithms. However, the approach taken does not only incorporate the actual DF algorithm but approaches the problem from different perspectives. The first perspective concerns the description of the array manifold. Current interpolation schemes have no notion of polarization. Hence, the array manifold interpolation is performed separately for each state of polarization. In this thesis, we adopted the idea of interpolation via a 2-D discrete Fourier transform. However, we transform the problem into the quaternionic domain. Here, a 2-D discrete quaternionic Fourier transform is applied. Hence, both states of polarization can be viewed as a single quantity. The resulting interpolation is applied to a signal model which is essentially compatible to conventional complex model. The second perspective in this thesis is to look at the fundamental DF capability of an antenna array. For that, we use the deterministic Cramér-Rao Lower Bound (CRLB). We point out the differences between not considering polarimetric parameters and taking them as desired parameters or nuisance parameters. Such differences lead to three different CRLBs. Moreover, insight is given how a CRLB can be used to optimize an antenna array already during the design process to improve its DF performance. The actual DF algorithm constitutes the third perspective that is considered in this thesis. A MUSIC-based cost function is used to derive efficient estimators. To this end, a modified Levenberg search and Levenberg-Marquardt search are employed. Since the original cost function is not eligible to be used in this framework, we replace it by four different functions that locally show the same behavior. These functions are based on a linearization of Kronecker products of two polarimetric array steering vectors. It turns out that at least one of these functions usually exhibits very fast convergence leading to real-time capable algorithms