Near-field positioning for coprime arrays

Coprime arrays of antennas have a higher number of degrees of freedom compared to uniform linear arrays and a larger aperture for a given number of elements, that give coprime arrays a higher accuracy in Direction of Arrival (DoA) estimation, and a higher resolution with closely spaced sources. The higher aperture increases the electromagnetic near-field region of the space around the array, creating the need for ad-hoc models and algorithms that account for the curved wavefronts impinging on the array. In this work, a variation of the Multiple Classification of Signals (MUSIC) algorithm aimed at estimating DoA and distance of sources in the near-field of the array is proposed and investigated. This method works for the case where there are less sources to be identified than array elements. Cramér Rao bound (CRB) for DoA and distance estimation is derived for this setting. Simulation results show that this method achieves the CRB resulting in an increased accuracy compared to the ULA and in the possibility of accurately locating sources in the near-field by estimating both their DoAs and distances from the array. In addition to that, the proposed method is more straightforward and less computationally complex than difference-coarray domain methods.

Gli array coprimi di antenne hanno un numero di gradi di libertà maggiore rispetto agli array lineari uniformi e un'apertura maggiore a parità di numero di elementi, che permettono agli array coprimi di avere una precisione migliore nella stima della direzione di arrivo dei segnali, e una risoluzione più elevata per sorgenti ravvicinate tra loro. L'apertura maggiore aumenta le dimensioni della regione di campo vicino in prossimità dell'array, rendendo necessari modelli e algoritmi appositi che tengano conto dei fronti d'onda curvi ricevuti dall'array. In questo lavoro, una variazione dell'algoritmo MUSIC (Multiple classification of signals) finalizzata alla stima della direzione di arrivo e della distanza delle sorgenti è illustrata. Questo metodo stima la posizione di un numero di sorgenti inferiore al numero di elementi dell'array. Il limite inferiore di Cramér-Rao (CRB) è derivato per la stima della direzione di arrivo e della distanza delle sorgenti in questo scenario. Dai risultati delle simulazioni su elaboratore si evince come questo metodo ottenga un errore quadratico medio equivalente al CRB e inferiore a quello ottenuto da un array lineare uniforme con ugual numero di elementi sia per la stima della direzione di arrivo che della distanza, permettendo una stima accurata della posizione delle sorgenti nel campo vicino dell'array. Il metodo proposto è computazionalmente più semplice rispetto ad altri metodi che effettuano la stima della direzione di arrivo nel dominio del difference-coarray.