بخشی از مقاله
چکیده
پردازش سیگنال آرایه یکی از شاخههای مهم در زمینه پردازش سیگنال است که در سالهای اخیر به طور چشم-گیری پیشرفت کرده است و از آن میتوان در شاخههایی هم چون ارتباطات، سونار، زلزله، نجوم و زیست پزشکی استفاده نمود. پردازش سیگنال آرایه به دو دستهی پردازش سیگنال آرایه خود وفقی1 و طیف فضایی2، تقسیمبندی می شود که تئوری بر آورد طیف فضایی و تکنولوژی آن در حال رشد است و به یک وجه اصلی در پیشرفت پردازش سیگنال آرایه تبدیل شده است.
طیف فضایی نشان دهندهی توزیع سیگنال در همهی جهتهای فضا برای گیرنده است. از این رو میتوان طیف فضایی سیگنال و سپس جهت ورود - DOA - 3 را به دست آورد. بنابراین برآورد طیف فضایی برآورد DOA نامیده می-شود.برای برآورد DOA الگوریتم ها ی مختلفی وجود دارد که هزکدام از آن ها مزایا و معایب خاص خود را دارند. در این مقاله به بررسی الگوریتم MUSIC و CAPON و مقایسه اجمالی میان آن ها پرداخته می شود.
.1 مقدمه - با 2 خط 9pt فاصله از کلمات کلیدی -
پردازش سیگنال آرایه بهمنظور پردازش کردن سیگنال دریافتی بهوسیله آنتن آرایه، تقویت سیگنالهای مفید، جلوگیری از تداخل و نویز است، درحالیکه در همان زمان پارامترهای مفید سیگنال را، جمعآوری میکند. پردازش سیگنال آرایه به دو دستهی پردازش سیگنال آرایه خود وفقی4 و طیف فضایی5، تقسیمبندی می شود که خود وفقی زودتر نسبت به طیف فاصلهای اتفاق میافتدو قبلاً در بسیاری از سیستمهای مهندسی کاربردی استفاده شده است. بهعبارتدیگر اگرچه برآورد طیف فاصلهای بهسرعت پیشرفت کرد و مراجع بسیار داشت، از آن بهندرت در دستگاههای کاربردی استفاده میشد و در حال حاضر، هنوز هم در حال رشد است. [4]
طیف فاصلهای یک مفهوم مهم در تئوری پردازش آرایه سیگنال است؛ که توزیع سیگنال در هر جهت فاصله را معرفی میکند. از اینرو یک واحد قادر به گرفتن جهت ورود - DOA - است؛ در نتیجه از تخمین طیف فاصلهای میتوان بهعنوان تخمین DOA نام برد. پردازش سیگنال در سیستمهای آنتن هوشمند، متمرکز بر پیشرفت مؤثر الگوریتمها برای برآورد جهت ورود1 - DOA - و تشکیل پرتو انطباقی است. اگر برآورد DOA از آنتن ثابت استفاده کند، باز محدودیتهای بسیاری وجود دارد. پهنای پرتو گلبرگ اصلی آنتن بهطور معکوس متناسب با شکل فیزیکی آن است. که این یک انتخاب عملی، برای بهبود دقت اندازه زاویه با افزایش در دهانه فیزیکی آنتن دریافتی، نیست.
بعضی سیستمها مانند موشک جستوجو کننده - رادار تجسس هدف - یا آنتن هواپیما دارای اندازه فیزیکی محدود هستند، بنابراین آنها بهاندازه کافی با پهنای پرتو عریض از گلبرگ اصلی مطابقت دارند. آنها تفکیک - وضوح - خوبی ندارند و اگر چندین سیگنال بازگشت در گلبرگ اصلی آنتن وجود داشته باشد، تشخیص و جداسازی بین آنها دشوار میشود. استفاده از سیستم آنتن آرایه با پردازش سیگنال جدید بهجای آنتن تنها میتواند تفکیکپذیری - وضوح - برآورد DOA را افزایش دهد. این ساختار آرایه نمونههای فاصلهای شکل موج مورد قبول را تهیه میکند. در دریافت سیگنال و پارامتر تخمین، یک آرایه از سنسورها عملکرد بهتری نسبت به یک سنسور تنها دارد. [4]
بسیاری از انواع الگوریتمهای تفکیکپذیری بسیار خوب مانند تخمین طیفی - spectral estimation - ، Bartlett، Capon، ESPRIT ،Min-norm و MUSIC وجود دارند. [3] یکی از معروفترین تکنولوژیهای استفادهشده براساس فضای فرعی برای برآورد DOA از منابع سیگنال گوناگون، الگوریتم MUSIC است. تعداد زیادی از محاسبهها به جستوجو برای زاویه طیفی، وقتیکه از الگوریتم MUSIC استفاده میکنند، نیاز دارند؛ بنابراین در کاربردهای واقعی انجام آن دشوار است. در مقایسه با الگوریتم طیفی MUSIC ،روش Root_Music عملکرد بهتری با کاهش پیچیدگی محاسبات دارد؛ که میتواند فقط در آرایه خطی یکنواخت - ULA - یا آرایه خطی نایکنواخت که آرایههای آن به شبکه یکنواخت محدود هستند، قابلاستفاده باشد. 7]و[ 8
در سالهای اخیر، بعضی روشهای معمولی در DOA ، مانند ML ،MUSIC ،ESPRIT ، زمان ویژگیهای سیگنال را نادیده میگرفتند. در ادامه، با کاربردهای وسیع از پردازش سیگنال آرایه ، یک سیگنال با دیگر سیگنالها در موقعیتهای زیادی مانند حوزه ارتباطات تداخل پیدا میکنند. از اینرو در زمان پردازش مسئله فاصله، باید این مسئله را در حوزه زمان در همان زمان در نظر گرفته شود. برای استفاده از اطلاعات مفید سیگنال دو بعد فاصله و زمان به صورت همزمان مورد نیاز است. یک بعد اضافی برای دوباره پرکردن کمبود اطلاعات حوزه فاصله، یعنی استفاده از دو بعد برای پردازش آرایه سیگنال و کاهش محدودیت ساختار آرایه و بهبود قابلیت محاسبات در خصوص مقاومت در برابر نویز میباشد.
همهی این روشها بهطور اساسی در مرحله تئوری و شبیهسازی آزمایشگاهی مانده است که بهدور از کاربردهای واقعی استدر. حال حاضر، تداخل عمدتاً در برآورد DOA استفاده میشود. در انواع برآورد DOA که براساس برآورد طیف فاصلهای هستند، روش MUSIC تفکیک بالا، مقدار متوسط محاسبات و ... بهتر و کاربرد وسیع در ساختار آرایه دارد. در پردازشهای عملی مهندسی افراد اغلب روش را در مطالعات آزمایشگاهی انتخاب میکنند و بنابراین، تعداد زیادی از دستگاههای سختافزاری را توسعه دادند. بر این اساس، نتایج قطعی در فرآیند عملی حاصلشده است. در این مقاله به بررسی روشهای MUSIC و CAPON جهت استفاده در جهتیابی اهداف در سونار های فعال در زیر آب در شرایط کار این سونارها پرداخته شده است.
این روشها از نظر دقت در جهت یابی اهداف و همچنین سرعت انجام محاسبات و اجرای الگوریتم مورد مقایسه قرار گرفتهاند. برای مقایسه این روشها فرکانسهای مختلفی که به طور معمول در سونارها مورد استفاده قرار میگیرند استفاده گردیده است و فاصله سنسورها را در چند حالت مختلف در نظر گرفته و کارایی الگوریتمها را بررسی و مقایسه نمودهایم . در ادامه مقاله در بخش دوم این روشها معرفی شدهاند و توضیح داده شدهاند. در بخش سوم مقاله الگوریتمها در نرمافزار متلب پیاده سازی گردیدهاند و نتایج آنها ارائه گردیده و با هم مقایسه گردیده اند. و در نهایت در بخش چهارم با توجه به نتایج آزمایشات انجام شده نتیجهگیری انجام گرفته است
.2 معرفی و آنالیز روش ها
1-2 روش CAPON
این روش که به آن MVDR1 نیز می گویند ، الگوریتم با درجه تفکیک بالای شناخته شده ای است که عملکرد آن هنوز مورد بررسی و مطالعه قرار دارد.2]و5و[6 لازم به ذکر است که این روش به هنگامی که فقط یک سیگنال موجود باشد خوب عمل می کند، اما اگر بیش از یک سیگنال موجود باشد توان خروجی آرایه از سیگنال های نامطلوب در دیگر جهات نیز متأثرخواهد شد.[1] MVDR برای محاسبه ی بردار وزن نیاز به آگاهی از جهت تداخل را ندارد بلکه فقط به جهت سیگنال مطلوب احتیاج دارد. بردار وزن MVDR قابل محاسبه است. انتخاب هر عامل و حداقل مقدار انرژی خروجی ، به قدرت کل استفاده کننده در برد پوشش داده شده با ادامه دادن پاسخ سیگنال در جهت وابسته است.
این الگوریتم اعوجاج سیگنال برای عبور از تشکیل دهنده ی پرتو را محدود می کند بنابراین، قدرت سیگنال و جهت منبع انرژی برابر است. کمینه سازی پردازش، نویز را کاهش می دهد و تداخل و نویز ناهمبسته را بیان می کند.[1] و در جهت مورد نظر ، واریانس - توان متوسط - سیگنال خروجی را در هنگام عبور سیگنال های دریافتی ، بدون هیچ اعوجاجی”شیفت فازی صفر و بهره واحد“می نیمم می شود.
