Improved Direction of Arrival Estimation Based on Coprime Array and Propagator Method by Noise Power Spectral Density Estimation

We propose an improved direction of arrival (DoA) estimation algorithm based on co-prime array and propagator method. The propagator method with co-prime array does not require singular value decomposition (SVD) requiring much less computational complexity but exhibiting somewhat worse performance in comparison with MUSIC based on co-prime array. We notice that one cause of the performance degradation was in the avoidance of the usage of the diagonal elements of the signal autocorrelation matrix that contains the noise power spectral density. So we propose an algorithm with the diagonal elements of the signal autocorrelation matrix based on the fact that the noise power spectral density can be estimated using noise observation over a long period of time. We observe, through simulations, that the proposed scheme in this paper improves the performance, with 4 times more computational requirement, by signal-to-noise ratio of 1.5dB and by DoA resolution of $0.7^{\circ}$ at the detection probability of 95% compared with the previously introduced co-prime array propagator scheme, resulting in performance much closer to that of co-prime array-based MUSIC scheme.

잡음 파워 스펙트럼 밀도 추정을 이용한 서로소 배열과 프로퍼게이터 기법 기반의 향상된 도래각 추정 기법

우리는 도래각 (DoA; direction of arrival) 추정 방법 중 하나인 서로소 배열 기반의 프로퍼게이터 방법을 개선시키는 알고리즘을 제안한다. 서로소 배열 기반의 프로퍼게이터 방법은 특이값 분해없이 도래각을 추정하는 방법으로 서로소 배열 기반의 MUSIC에 비하여 현저히 낮은 복잡도를 지녔으나, 다소 저하된 도래각 추정 성능을 보인다. 우리는 이러한 성능 저하의 원인 중 하나로 잡음의 파워 스펙트럼 밀도를 포함하고 있는 신호의 자기상관행렬의 대각 성분이 사용되고 있지 않음에 있음을 파악하고, 잡음의 파워 스펙트럼 밀도가 장기간에 걸쳐 추정이 가능하다는 사실에 착안하여 신호의 자기상관행렬의 대각 성분을 사용하는 도래각 추정 방법을 제안한다. 우리는 시뮬레이션을 통해 우리가 제안한 방법이 기존의 서로소 배열 기반의 프로퍼게이터 방법보다 연산량을 4배정도 증가시키지만 탐지확률 95% 기준 하에 신호대 잡음비를 1.5dB, 도래각 분해능을 $0.7^{\circ}$ 만큼 개선시켜 그 성능이 서로소 배열 기반의 MUSIC에 보다 근접함을 관찰한다.