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MD-DOA: A Model-Based Deep Learning DOA Estimation Architecture

计算机科学 深度学习 建筑 人工智能 估计 语音识别 模式识别(心理学) 工程类 地理 考古 系统工程
作者
Xiaoxuan Xu,Qinghua Huang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:24 (12): 20240-20253 被引量:36
标识
DOI:10.1109/jsen.2024.3396337
摘要

Direction of arrival (DOA) estimation is widely used in the field of array signal processing. The model-based algorithms rely on domain knowledge and assumptions, facing limitations in estimating coherent sources and running on few snapshots etc. In contrast, deep learning approaches can learn from data, offering a promising alternative for DOA estimation. In this paper, a novel end-to-end model-based deep learning DOA estimation architecture (MD-DOA) is proposed to estimate the DOAs of multiple narrowband signals captured by a uniform linear array. Specifically, the multi-branch convolutional recurrent neural network with a residual link (MBCR2net) is developed to extract multi-scale features and learn correlation in received temporal signals. Subsequently, the weighted noise subspace network (WNSnet) is proposed to learn a more representative noise subspace from the one obtained by eigenvalue decomposition (EVD), developing the more precise subspace division. The matrix reshape process (MRP) then generates the pseudo covariance matrix (PCM) and captures the correlation in the weighted noise subspace. Notably, EVD and MRP are the model-based modules to preserve the interpretability. Finally, the PCM-based DOA-finding network (PDFnet) estimates the desired DOAs. MD-DOA integrates the model-based and data-driven advantages. It inherits the overall framework of the subspace-based methods while using the network to augment the covariance matrix estimation, subspace division and peak-finding process. Our proposed architecture can operate successfully in the presence of array mismatch, low signal-to-noise ratios (SNRs), and few snapshots. It is also applicable to real-world measurements and demonstrates superior performance compared with other existing algorithms in this field.
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