USE OF SIMILARITY METRICS IN ROBUST TIME DELAY ESTIMATION
ВИКОРИСТАННЯ МЕТРИК ПОДІБНОСТІ ПРИ СТІЙКОМУ ОЦІНЮВАННІ ЗАТРИМКИ ЧАСУ
Сторінки: 224-230. Номер: №2, 2023 (319) 
Автори:
OLIINYK VIACHESLAV
National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”
https://orcid.org/0000-0002-0914-8664
e-mail: v.o.oliinyk@khai.edu
LUKIN VOLODYMYR
National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”
https://orcid.org/0000-0002-1443-9685
e-mail: v.lukin@khai.edu
ОЛІЙНИК ВЯЧЕСЛАВ, ЛУКІН ВОЛОДИМИР
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2023-319-1-224-230
Розширена анотація англійською мовою
This paper addresses the task of time delay and direction of arrival estimation for a source of the wideband signal using two sensors with fixed displacement. The peculiarity of the task statement is that a limited time of signal observation is supposed and additive noise is assumed non-Gaussian with a heavy-tail distribution. This leads to a high probability of abnormal estimates for the conventional signal processing method based on cross-correlation. To decrease this probability, it is proposed to reformulate the task of cross-correlation processing to the task of similarity estimation between two data arrays. This allows using different similarity metrics, particularly those that have less sensitivity to outliers in data (impulse noise), and, thus, provide better robustness for non-Gaussian environments typical for several applications of time delay estimation. More than ten different similarity metrics are considered for the model of the symmetric α-stable distribution describing noise properties. It is shown that some metrics including cosine distance, Hellinger, and some others are able to provide sufficiently better accuracy of time delay estimation both in the sense of less RMSE of normal estimates and probability of abnormal estimates for typical values of α and a wide range of γ values for symmetric α-stable distribution.
Кеуwords: time delay estimation, similarity metrics, robustness.
Анотація українською мовою
У цій статті розглядається задача визначення часу затримки та напрямку приходу випромінювання від джерела широкосмугового сигналу за допомогою двох датчиків із фіксованою відстанню між ними. Особливістю постановки завдання є те, що вводяться припущення про обмеженого часу спостереження сигналу, а адитивний шум припускається негаусовим та таким, що має розподілом із важким хвостом. Це призводить до високої ймовірності аномальних оцінок для традиційного методу обробки сигналу на основі взаємної кореляції. Щоб зменшити цю ймовірність, пропонується переформулювати задачу взаємно-кореляційної обробки як задачу оцінки подібності між двома масивами даних. Це дозволяє використовувати різні метрики подібності, зокрема, ті, які мають меншу чутливість до викидів у даних (імпульсного шуму) і, таким чином, забезпечують кращу стійкість для негаусових середовищ, які є типовими для кількох застосувань оцінки часової затримки. Для моделі симетричного α-стабільного розподілу, що описує властивості шуму, розглянуто більше десяти різних метрик подібності. Показано, що деякі метрики, включаючи косинусну відстань, відстань Хеллінгера та деякі інші, здатні забезпечити суттєво кращу точність оцінки часової затримки як у сенсі меншого середнього квадратичного значення нормальних оцінок, так і ймовірності аномальних оцінок для типових значень α та широкого діапазону значень γ для симетричного α-стабільного розподілу.
Ключові слова: оцінка часової затримки, метрики подібності, стійкість.
