This paper studies the spectral estimation problem of estimating the locations of a fixed number of point sources given multiple snapshots of Fourier measurements collected by a uniform array of sensors. We prove novel non-asymptotic stability bounds for MUSIC and ESPRIT as a function of the noise standard deviation, number of snapshots, source amplitudes, and support. Our most general result is a perturbation bound of the signal space in terms of the minimum singular value of Fourier matrices. When the point sources are located in several separated clumps, we provide an explicit upper bound of the noise-space correlation perturbation error in MUSIC and the support error in ESPRIT in terms of a Super-Resolution Factor (SRF). The upper bound for ESPRIT is then compared with a new Cram\'er-Rao lower bound for the clumps model. As a result, we show that ESPRIT is comparable to that of the optimal unbiased estimator(s) in terms of the dependence on noise, number of snapshots and SRF. As a byproduct of our analysis, we discover several fundamental differences between the single-snapshot and multi-snapshot problems. Our theory is validated by numerical experiments.


翻译:本文研究估计固定点源位置的光谱估计问题,其依据是统一传感器阵列所收集的Fourier测量的多片片断。我们证明MUSIC和ESPRIT的新型非非表面稳定性界限是噪音标准偏差、快照数量、源振幅和支持的函数。我们最普遍的结果是信号空间以Fourier矩阵最低单值的干扰。当点源位于几个分离的块状体中时,我们提供了MUSIC的噪音-空间相关扰动误差和ESPRIT的超分辨率元素支持误差的明显上限。然后,ESPRIT的上限值与新的Cram\'er-Rao更低的螺旋模型连接值相比较。结果,我们表明,ESPRIT与最佳的公正估计器在噪音、相片数和SRF的依赖度方面相当。作为我们分析的副产品,我们通过模拟实验发现了我们数个基本差异。

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