Passive near-field localization of multiple non-Gaussian sources in 3-D using cumulants

• Published in: Signal processing Vol. 65; no. 1; pp. 39 - 53
• Main Authors: Challa, Raghu N., Shamsunder, Sanyogita
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Amsterdam Elsevier B.V 01.02.1998; Elsevier Science
• Subjects: 3-D source location; Antenna arrays; Applied sciences; Cumulants; Detection, estimation, filtering, equalization, prediction; DOA; ESPRIT; Exact sciences and technology; Higher-order statistics; Information, signal and communications theory; Near-field; Passive listening; Signal and communications theory; Signal, noise; Telecommunications and information theory; Passive listening; Near-field; 3-D source location; DOA; Higher-order statistics; Cumulants; ESPRIT; Antenna arrays; Near field; Statistical method; Eigen element; Narrow band signal; Decomposition method; Localization; Antenna array; Cumulant; Signal detection
• ISSN: 0165-1684; 1872-7557
• DOI: 10.1016/S0165-1684(97)00206-5

In this paper an eigendecomposition technique based on cumulant matrices is proposed to passively localize narrowband non-Gaussian sources in the spherical coordinates, viz., azimuth, elevation and range, using signals recorded by a centro-symmetric 2-D cross array. The high-resolution algorithm exploits the multiple degrees of freedom available from cumulants to transform the near-field data into pseudo-data collected by a virtual rectangular array observing virtual far-field sources. The source locations are estimated directly from eigenvalues of certain cumulant matrices, thereby eliminating the multi-dimensional search inherent in the traditional methods like 3-D MUSIC. The centro-symmetric structure lost by a uniform linear array in the presence of near-field sources, is restored in the virtual rectangular array thus allowing efficient real-valued processing via Unitary ESPRIT. In dieser Arbeit wird eine Technik zur passiven Ortung nicht gauss'scher Quellen in spärischen Koordinaten, also Azimuth, Elevation und Entfernung, vorgestellt. Diese Technik basiert auf einer Eigenwertzerlegung von Kumulantmatrizen. Die Signale wurden mit einem zentralsymmetrischen 2-D Kreuzarray aufgezeichnet. Der hier betrachtete hochauflösende Algorithmus benutzt die höhere Anzahl von Freiheitsgraden bei Kumulanten zur Transformation der Nahfelddaten in Pseudodaten, die von einem rechteckigen Array aufgenommen sein könnten, welches Fernfeldquellen observiert. Die Quellpositionen werden direkt aus den Eigenwerten der Kumulantmatrizen geschätzt, wobei die multidimensionale Suche mit den üblichen Methoden, wie z.B. 3D-Music durchgeführt wird. Die zentralsymmertische Struktur, welche bei einer Linearantenne für Nahfeldquellen verloren geht, wird in dem virtuellen rechteckigen Array wieder hergestellt. Somit wird die efflziente Signalverarbeitung mit “Unitary ESPRIT” ermöglicht. Nous proposons dans cet article une technique de décomposition propre basée sur des matrices de cumulants pour la localisation passive de sources non-gaussiennes à bande étroite en coordonnées sphériques, à savoir azimuth, élévation et déclinaison, ceci sur des signaux acquis par un réseau croisé 2-D centro-symétrique. Cet algorithme haute résolution exploite les multiples degrés de liberté disponibles à parti des cumulants pour transformer les données champ-proche en pseudo-données collectées par un réseau rectangulaire virtuel observant des sources champ-éloigné virtuelles. Les emplacements des sources sont estimés directement à partir des valeurs propres de certaines matrices de cumulants, ce qui élimine de ce fait la recherche multi-dimensionnelle inhérente aux méthodes traditionnelles tells que MUSIC 3-D. La structure centro-symétrique perdue dans un réseau linéaire uniforme en présence de sources champ-proche est restaurée dans le réseau rectangulaire virtuel ce qui permet un traitement efficient en nombres réels via un ESPRIT unitaire.