JP5192463B2 - Signal processing device - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナの受信信号から到来波のパワーを推定する信号処理装置に関する。   The present invention relates to a signal processing apparatus that estimates the power of an incoming wave from a received signal of an antenna.

従来、車載用のレーダ装置であって、レーダ波を発射し、その反射波を受信して、受信信号を解析することにより、物標(前方車両等)までの距離や、物標と自車との相対速度、物標方位を推定するレーダ装置が知られている。   Conventionally, it is an on-vehicle radar device that emits radar waves, receives the reflected waves, and analyzes the received signals, thereby analyzing the distance to the target (the vehicle ahead), the target and the own vehicle There are known radar devices that estimate the relative speed and target direction.

この種のレーダ装置では、送信波に対する反射波の遅延量から物標までの距離を推定すると共に、送信波に対する反射波のドップラシフト量から、物標と自車との相対速度を推定する。   In this type of radar apparatus, the distance to the target is estimated from the delay amount of the reflected wave with respect to the transmitted wave, and the relative speed between the target and the vehicle is estimated from the Doppler shift amount of the reflected wave with respect to the transmitted wave.

また、物標方位については、アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する反射波に、到来方向に応じた位相差が生じることを利用して推定する。複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを用いて物標方位を推定する方法としては、MUSIC法やESPRIT法が知られている。   The target direction is estimated by utilizing the fact that a phase difference corresponding to the direction of arrival is generated in the reflected wave received by each antenna element of the array antenna. As a method for estimating a target direction using an array antenna including a plurality of antenna elements, a MUSIC method and an ESPRIT method are known.

ここで、MUSIC法について概要を説明する。前提として、アレーアンテナは、K個のアンテナ素子が並列配置されてなるリニアアレーアンテナであるものとする(図1参照)。   Here, an outline of the MUSIC method will be described. It is assumed that the array antenna is a linear array antenna in which K antenna elements are arranged in parallel (see FIG. 1).

まず、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号から、式(1)に示す受信ベクトルXを構成する。次に、この受信ベクトルXを用いて、式(2)に示す上記受信信号についてのK行K列の自己相関行列Rxxを生成する。   First, a reception vector X shown in Expression (1) is formed from the reception signals of the respective antenna elements constituting the array antenna. Next, using this received vector X, an autocorrelation matrix Rxx of K rows and K columns for the received signal shown in Expression (2) is generated.

Figure 0005192463
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上式において、Tは、ベクトル転置を示し、Hは、複素共役転置を示す。また、受信ベクトルX(i)の要素xk(i)は、k(但し、k=1,…,K)番目のアンテナ素子の受信信号の時刻iでの値である。また、Lは、サンプル数である。本例では、各アンテナ素子の受信信号に関し、L個のサンプルを用いて期待値を採り、自己相関行列Rxxを生成している。 In the above equation, T represents a vector transpose and H represents a complex conjugate transpose. The element x k (i) of the reception vector X (i) is a value at the time i of the reception signal of the k (where k = 1,..., K) -th antenna element. L is the number of samples. In this example, regarding the received signal of each antenna element, an expected value is taken using L samples, and an autocorrelation matrix Rxx is generated.

自己相関行列Rxxの生成後には、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK(但し、λ1≧λ2≧…λK)及び固有ベクトルe1,…,eKを算出し、熱雑音電力に対応する閾値λthより大きい固有値の数から到来波数Mを推定する。 After generation of the auto-correlation matrix Rxx, the eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., λ K (where, λ 1 ≧ λ 2 ≧ ... λ K) and eigenvectors e 1, ..., calculates e K, the thermal noise The number of incoming waves M is estimated from the number of eigenvalues larger than the threshold value λ th corresponding to the power.

そして、熱雑音電力以下となる(K−M)個の固有値λM+1,…,λKに対応した固有ベクトルeM+1,…,eKを列とした雑音部分空間行列ENと、方位θに対するアレーアンテナの複素応答、即ち、アレー応答ベクトルa(θ)とから、下式の評価関数PMU(θ)で表されるMUSICスペクトルを求める。 Then, the thermal noise power below (K-M) eigenvalues lambda M + 1, ..., eigenvectors e M + 1 corresponding to the lambda K, ..., and a noise subspace matrix E N that was column e K, From the complex response of the array antenna with respect to the azimuth θ, that is, the array response vector a (θ), a MUSIC spectrum expressed by the following evaluation function P MU (θ) is obtained.

Figure 0005192463
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評価関数PMU(θ)で表されるMUSICスペクトルは、方位θが到来波の到来方向と一致すると、aH(θ)EN≒0となり発散して、鋭いピークが立つため、到来波の方位θ1,…,θM、即ち、反射波を発生させた物標の方位は、MUSICスペクトルのピーク(ヌルポイント)を抽出することにより求めることができる。 MUSIC spectrum represented by the evaluation function P MU (θ), when the azimuth theta matches the incoming direction of the incoming wave, diverges next a H (θ) E N ≒ 0, to stand sharp peaks, the incoming waves The azimuth θ 1 ,..., Θ M , that is, the azimuth of the target that generated the reflected wave can be obtained by extracting the peak (null point) of the MUSIC spectrum.

但し、MUSICスペクトルによってピークを抽出するだけでは、抽出したピークに、反射波に起因するピークの他、雑音に起因するピークが含まれる可能性がある。
このため、物標の方位推定に当たっては、MUSICスペクトルにてピーク値が最大の方位から、到来波数M分の方位θ1,…,θMを抽出して、これらの方位θ1,…,θMをパワー推定対象に設定し、パワー推定対象の各方位θ1,…,θMのパワーP(θ1),…,P(θM)を求める。
However, if only the peak is extracted by the MUSIC spectrum, the extracted peak may include a peak due to noise in addition to a peak due to the reflected wave.
For this reason, in estimating the azimuth of the target, the azimuths θ 1 ,..., Θ M corresponding to the number of incoming waves M are extracted from the azimuth having the maximum peak value in the MUSIC spectrum, and these azimuths θ 1 ,. M is set to power estimation target, each orientation theta 1 of the power estimation target, ..., power P of theta M (theta 1), ..., determine the P (theta M).

そして、パワー推定対象の各方位θ1,…,θMの内、パワーが閾値Pth以上の方位を、物標の方位であると推定する。雑音成分に対応する方位は、当然のことながらパワーが低い。従って、パワーが閾値Pth以上の方位を、物標方位であると推定することにより、雑音を原因とする物標方位の誤推定を抑えるのである。 Then, among the azimuths θ 1 ,..., Θ M of the power estimation target, it is estimated that the azimuth whose power is the threshold value P th or more is the azimuth of the target. The direction corresponding to the noise component is naturally low in power. Therefore, it is possible to suppress erroneous estimation of the target direction due to noise by estimating that the direction whose power is equal to or greater than the threshold value P th is the target direction.

パワー(受信電力)の推定は、次のように行う。まず、パワー推定対象の各方位θ1,…,θMに対応するアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)により、アレー応答行列Vを生成する。 The power (reception power) is estimated as follows. First, each orientation theta 1 of the power estimation target, ..., array response vector a corresponding to θ M (θ 1), ... , by a (theta M), to produce an array response matrix V.

Figure 0005192463
Figure 0005192463

そして、このアレー応答行列Vを用いて、次式で表される行列Sを算出する(例えば、特許文献1参照)。   Then, using this array response matrix V, a matrix S represented by the following equation is calculated (for example, see Patent Document 1).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

尚、上式における行列Iは、単位行列であり、σ2は、熱雑音電力である。熱雑音電力σ2については、真値不明のため、閾値λthで代用したり、閾値λth以下の固有値の平均で代用したりする。 Note that the matrix I in the above equation is a unit matrix, and σ 2 is the thermal noise power. Since the true value of the thermal noise power σ 2 is unknown, the threshold value λ th is substituted, or the average of eigenvalues below the threshold value λ th is substituted.

このように行列Sを算出すれば、行列Sの第m対角成分から方位θmのパワーP(θm)を得ることができる(但し、m=1,…,M)。 If the matrix S is calculated in this way, the power P (θ m ) in the azimuth θ m can be obtained from the m-th diagonal component of the matrix S (where m = 1,..., M).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

従来では、このようにして、各方位についてのパワーを求め、パワーが閾値Pth以上の方位を、物標の方位に推定している。 Conventionally, the power for each azimuth is obtained in this way, and the azimuth whose power is greater than or equal to the threshold P th is estimated as the azimuth of the target.

特開2007−147554号公報JP 2007-147554 A

しかしながら、従来技術では、行列Sの算出にK2オーダの演算(乗算)が必要で、アンテナ素子数Kを増やしてレーダ装置の性能を向上させようとすると、パワーの推定に係る演算量が急激に増加するといった問題があった。 However, in the prior art, calculation (multiplication) of the order of K 2 is required for calculating the matrix S, and if the number of antenna elements K is increased to improve the performance of the radar apparatus, the amount of calculation related to power estimation increases rapidly. There was a problem of increasing.

上述したように、自己相関行列Rxxは、アンテナ素子数Kに対応したK行K列の行列であるので、当然のことながら行列{Rxx−σ2I}は、K行K列の行列である。一方、アレー応答行列Vは、K行M列の行列であるので、行列{(VHV)-1H}は、M行K列の行列である。従って、行列(VHV)-1H(Rxx−σ2I)の算出には、要素毎にK回の乗算が必要あり、要素数M×Kに応じて、合計M×K2回の乗算が必要となるのである。 As described above, since the autocorrelation matrix Rxx is a matrix of K rows and K columns corresponding to the number K of antenna elements, the matrix {Rxx−σ 2 I} is naturally a matrix of K rows and K columns. . On the other hand, since the array response matrix V is a matrix of K rows and M columns, the matrix {(V H V) −1 V H } is a matrix of M rows and K columns. Therefore, the calculation of the matrix (V H V) −1 V H (Rxx−σ 2 I) requires K multiplications for each element, and a total of M × K 2 times according to the number of elements M × K. The multiplication of is required.

尚、演算量を抑制する技術としては、アレー応答ベクトル間の内積a(θp)・a(θq)が、方位差が小さい程大きくなり、方位差が大きい程小さくなる性質を利用して、演算量を抑制するもの(特許文献1参照)が従来知られている。 As a technique for suppressing the amount of calculation, the inner product a (θ p ) · a (θ q ) between array response vectors increases as the azimuth difference decreases, and decreases as the azimuth difference increases. A device that suppresses the amount of calculation (see Patent Document 1) is conventionally known.

即ち、パワーを推定すべき到来波の方位θmに対応したアレー応答ベクトルa(θm)、及び、方位θmに近接する到来波の方位θm1,θm2,…,θmdに対応したアレー応答ベクトルa(θm1),a(θm2),…,a(θmd)を用いて、近接方位アレー応答行列Vmを、式 That is, the array response vector corresponding to the azimuth theta m arriving waves to be estimated power a (θ m), and the orientation theta orientation of the incoming waves close to m θ m1, θ m2, ... , corresponding to theta md Using the array response vectors a (θ m1 ), a (θ m2 ),..., A (θ md ), the proximity azimuth array response matrix V m is expressed as

Figure 0005192463
Figure 0005192463

により定義し、この近接方位アレー応答行列Vmにより、方位θmから到来した到来波のパワーP(θm)を、式 By using this close azimuth array response matrix V m , the power P (θ m ) of the incoming wave arriving from the azimuth θ m is expressed by the following equation.

Figure 0005192463
Figure 0005192463

で表される行列Smの第1行第1列の要素値Sm[1,1]から推定して、演算量を抑制するのである。
しかしながら、このような手法を採用しても、アンテナ素子数Kを増やせば、パワーの推定に係る演算量は、K2オーダで増加する。
Is estimated from the element value S m [1, 1] of the first row and the first column of the matrix S m represented by:
However, even if such a method is adopted, if the number K of antenna elements is increased, the amount of calculation related to power estimation increases on the K 2 order.

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、パワーの推定に際して、効率的な演算を行うことにより、アンテナ素子数Kの増加による演算量の増加を抑制することを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to suppress an increase in calculation amount due to an increase in the number K of antenna elements by performing an efficient calculation when estimating power.

上記目的を達成するためになされた本発明の信号処理装置は、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、アレーアンテナが受信した到来波のパワーを推定する信号処理装置であって、相関行列生成手段と、展開手段と、分析手段と、パワー推定手段と、を備えるものである。   The signal processing device of the present invention made to achieve the above object is a signal processing device for estimating the power of an incoming wave received by an array antenna based on the received signal of each antenna element constituting the array antenna, Correlation matrix generation means, expansion means, analysis means, and power estimation means are provided.

相関行列生成手段は、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、当該受信信号についての自己相関行列Rxxを生成する。一方、展開手段は、相関行列生成手段により生成された上記自己相関行列Rxxを展開して、自己相関行列Rxxの固有値及び固有ベクトルを算出する。   The correlation matrix generating means generates an autocorrelation matrix Rxx for the received signal based on the received signal of each antenna element constituting the array antenna. On the other hand, the expansion means expands the autocorrelation matrix Rxx generated by the correlation matrix generation means, and calculates eigenvalues and eigenvectors of the autocorrelation matrix Rxx.

また、分析手段は、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eK群から、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを抽出し、パワー推定手段は、自己相関行列Rxxと、予め指定された各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルと、に基づき、これら各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する。 The analysis means, the eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., lambda K and eigenvectors e 1, ..., from e K group, the eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., lambda M and eigenvectors e 1, ..., e extracting M, power estimating means, and auto-correlation matrix Rxx, each arrival direction theta 1 previously designated, ..., based on, an array response vectors theta M, respective arrival direction theta 1, ..., theta M the power of the incoming wave coming from the P (θ 1), ..., to estimate the P (θ M).

具体的に、パワー推定手段は、雑音空間の固有ベクトルeM+1,…,eKと各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)の直交関係を利用することで、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eKの内、上記信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを選択的に用いて、自己相関行列Rxxを近似し、上記信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMからなる当該自己相関行列Rxxの近似行列Rxx’に、各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)を作用させることにより、各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する。 Specifically, power estimating means, eigenvectors e M + 1 of the noise space, ..., e K and the arrival direction θ 1, ..., θ M of the array response vector a (θ 1), ..., a (θ M) by using an orthogonal relationship, the eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., lambda K and eigenvectors e 1, ..., among the e K eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., lambda M and eigenvectors e 1 , ..., using e M selectively, by approximating the autocorrelation matrix Rxx, the eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., lambda M and eigenvectors e 1, ..., approximation of the autocorrelation matrix Rxx consisting e M matrix Rxx ', the arrival direction θ 1, ..., θ M of the array response vector a (θ 1), ..., by the action of a (θ M), the arrival direction θ 1, ..., coming from theta M power P of the incoming wave (θ 1), ..., to estimate the P (θ M).

詳述すれば、パワー推定手段は、各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定するに際し、パワー推定対象の方位θ1,…,θMに対応したアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)を列とするアレー応答行列Vを生成すると共に、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eKの内、雑音空間を除く上記信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを用いて、自己相関行列Rxxを、行列Rxx’ If specifically, power estimating means, the arrival direction theta 1, ..., power P of the incoming wave coming from θ M (θ 1), ... , upon estimating the P (theta M), the orientation of the power estimation target An array response matrix V having array response vectors a (θ 1 ),..., a (θ M ) corresponding to θ 1 ,..., θ M as columns, and eigenvalues λ 1 ,. lambda K and eigenvectors e 1, ..., among the e K, the eigenvalues lambda 1 of the signal space with the exception of noise space, ..., λ M and eigenvectors e 1, ..., using e M, the autocorrelation matrix Rxx, matrix Rxx '

Figure 0005192463
Figure 0005192463

により近似し、式   Approximated by

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従う行列S’の対角成分を算出することにより、パワー推定対象の方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する。
但し、ΛSは、信号空間の固有値λ1,…,λMを対角成分に持つ対角行列ΛS=diag(λ1,…,λM)であり、ESは、信号空間の固有ベクトルe1,…,eMを列とする信号部分空間行列ES=[e1,…,eM]であり、上付き文字Hは、複素共役転置である。
By calculating the diagonal elements of the matrix S 'according to the orientation theta 1 of the power estimation target, ..., theta power of the incoming wave coming from M P (θ 1), ... , to estimate P (θ M).
Where Λ S is a diagonal matrix Λ S = diag (λ 1 ,..., Λ M ) having eigenvalues λ 1 ,..., Λ M of the signal space as diagonal components, and E S is an eigenvector of the signal space. e 1, ..., signal subspace matrix E S = [e 1, ... , e M] to column e M is superscript H is a complex conjugate transpose.

更に付言すれば、上記パワー推定手段は、対角行列ΛSを挟む行列{(VHV)-1HS}又は[ES HV(VHV)-1}を算出し、この算出結果に基づき、{(VHV)-1H(ESΛSS H)V(VHV)-1}を算出する構成にする構成にすることができる。 In addition, the power estimation means calculates a matrix {(V H V) −1 V H E S } or [E S H V (V H V) −1 } sandwiching the diagonal matrix Λ S , Based on this calculation result, it is possible to adopt a configuration in which {(V H V) −1 V H (E S Λ S E S H ) V (V H V) −1 } is calculated.

即ち、パワー推定手段は、式   That is, the power estimation means

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従う行列Wの要素の値を算出すると共に、式   Calculate the values of the elements of the matrix W according to

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従う行列Wnの対角要素の値を算出し、これらの算出結果を用いて、上記行列S’の対角成分を算出し、パワー推定対象の方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する構成にすることができる。 Calculates the value of the diagonal elements of the matrix W n in accordance with, by using these calculation results arrival to calculate the diagonal elements of the matrix S ', the orientation theta 1 of the power estimation target, which ..., arriving from theta M The wave power P (θ 1 ),..., P (θ M ) can be estimated.

アレー応答行列を、式(5)に示すように、V=[a(θ1),…,a(θM)]とする場合には、式 When the array response matrix is V = [a (θ 1 ),..., A (θ M )] as shown in equation (5), the equation

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従って、各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定することができる(但し、w[m,j]は、行列Wにおける第m行第j列の要素の値を表し、wn[m]は、行列Wnにおける第m行第m列の要素の値を表す。)。 Accordingly the arrival direction theta 1, ..., power P of the incoming wave coming from θ M (θ 1), ... , can be estimated P (θ M) (where, w [m, j] is the matrix The value of the element in the m-th row and the j-th column in W is represented, and w n [m] represents the value of the element in the m-th row and the m-th column in the matrix W n .)

このように構成された本発明の信号処理装置によれば、自己相関行列Rxxを展開(所謂スペクトル展開)し、当該展開後の自己相関行列Rxxに対してアレー応答ベクトルを作用させて、各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定すると共に、この際には、雑音空間の固有ベクトルeM+1,…,eKと各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)の直交関係を利用することで、雑音空間の各固有ベクトルeM+1,…,eKとアレー応答ベクトルとの乗算に係る演算を省略するので、パワーP(θ1),…,P(θM)の推定に係る演算量を抑制することができる。 According to the signal processing apparatus of the present invention configured as described above, the autocorrelation matrix Rxx is expanded (so-called spectrum expansion), and an array response vector is applied to the expanded autocorrelation matrix Rxx, so that each arrival Estimating the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) of the incoming waves coming from the directions θ 1 ,..., Θ M , and in this case, eigenvectors e M + 1 ,. By using the orthogonal relationship between K and the array response vectors a (θ 1 ),..., A (θ M ) of the arrival directions θ 1 ,..., Θ M , each eigenvector e M + 1 ,. Since the calculation related to the multiplication of e K and the array response vector is omitted, the amount of calculation related to the estimation of the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) can be suppressed.

尚、本発明の信号処理装置によれば、自己相関行列Rxxを展開して、固有値及び固有ベクトルを算出する必要があるが、この種の信号処理装置を用いるレーダ装置では、到来波の方位推定のために、固有値及び固有ベクトルを算出する必要があるので、自己相関行列Rxxの展開によって、特別に演算量が増大するといった問題は生じない。   According to the signal processing apparatus of the present invention, it is necessary to calculate the eigenvalue and eigenvector by expanding the autocorrelation matrix Rxx. In a radar apparatus using this type of signal processing apparatus, the direction estimation of the incoming wave is performed. Therefore, since it is necessary to calculate eigenvalues and eigenvectors, there is no problem that the amount of calculation increases due to the expansion of the autocorrelation matrix Rxx.

従って、本発明によれば、パワーの推定に際して効率的な演算を行うことができ、アンテナ素子数Kの増加による演算量の増加の程度を、従来よりも抑制することができる。
この点について詳述する。自己相関行列Rxxは、固有値及び固有ベクトルにより展開(スペクトル展開)すると、次式で表現することができる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to perform an efficient calculation when estimating the power, and it is possible to suppress an increase in the amount of calculation due to an increase in the number K of antenna elements, compared to the conventional case.
This point will be described in detail. When the autocorrelation matrix Rxx is expanded (spectrum expansion) by eigenvalues and eigenvectors, it can be expressed by the following equation.

Figure 0005192463
Figure 0005192463

但し、ΛNは、対角行列ΛSと同様、雑音空間の固有値λM+1,…,λKを対角成分に持つ対角行列ΛN=diag(λM+1,…,λK)であり、ENは、雑音空間の固有ベクトルeM+1,…,eKを列とする雑音部分空間行列EN=[eM+1,…,eK]である。 However, lambda N, like the diagonal matrix lambda S, the eigenvalues lambda M + 1 of the noise space, ..., lambda K pairs diagonal matrix with the diagonal elements Λ N = diag (λ M + 1, ..., λ K ), and, E N is the eigenvector e M + 1 of the noise space, ..., the noise subspace matrix E N = [e M + 1 , ..., e K] to column e K is.

一方、パワーP(θ1),…,P(θM)は、次式 On the other hand, power P (θ 1 ),..., P (θ M )

Figure 0005192463
Figure 0005192463

で表わされる行列Sの対角成分により求めることができる。
ここで、上記直交関係を利用すると、VHNは、理論上ゼロであり、観測による誤差を考慮しても、近似的にゼロとみなすことができる。従って、直交関係を利用すれば、式(17)における第3式第2項{(VHV)-1H(ENΛNN H)V(VHV)-1}はゼロに近似することができる。よって、式(12)に従って行列S’の対角成分を求めることで、近似的にパワーを求めることができ、これによって、式(17)における第3式第2項の演算を省略することができて、パワーの推定に係る演算量を抑えることができるのである。
It can obtain | require by the diagonal component of the matrix S represented by these.
Here, when the orthogonal relationship is used, V H E N is theoretically zero, and can be approximately regarded as zero even when an error due to observation is taken into consideration. Therefore, if the orthogonal relationship is used, the second term {(V H V) −1 V H (E N Λ N E N H ) V (V H V) −1 } in the equation (17) is zero. Can be approximated. Therefore, by obtaining the diagonal component of the matrix S ′ according to the equation (12), the power can be obtained approximately, thereby omitting the calculation of the second term of the third equation in the equation (17). Thus, the amount of calculation related to power estimation can be suppressed.

また、行列ΛSが対角成分以外の要素がゼロの対角行列である点に着目して、式(13)に示す上述の行列Wを算出すると、行列(WΛSH)の対角成分は、例えば、アレー応答行列V=[a(θ1),…,a(θM)]とした場合、式(15)の第1項に示す演算式にて算出することができ、従来手法よりも、大幅に演算量を抑制することができる。 Focusing on the fact that the matrix Λ S is a diagonal matrix in which elements other than the diagonal component are zero, the above-described matrix W shown in Expression (13) is calculated, and the diagonal of the matrix (WΛ S W H ) is calculated. For example, when the array response matrix V = [a (θ 1 ),..., A (θ M )], the component can be calculated by the arithmetic expression shown in the first term of Expression (15). Compared to the technique, the amount of calculation can be greatly reduced.

即ち、従来のように、スペクトル展開せずにパワーを求める場合には、行列{(VHV)-1H}に行列Rxxを作用させて、行列{(VHV)-1HRxx}を算出する際、M×K2回の乗算が必要となり、行列{(VHV)-1HRxx}に、行列{V(VHV)-1}を作用させて、行列{(VHV)-1HRxxV(VHV)-1}を算出する際に、K×M2回の乗算が必要になる。 That is, as in the prior art, when the power is obtained without spectral expansion, the matrix Rxx is applied to the matrix {(V H V) −1 V H }, and the matrix {(V H V) −1 V H is obtained. When calculating Rxx}, M × K two multiplications are required, and the matrix {V (V H V) −1 } is applied to the matrix {(V H V) −1 V H Rxx} to obtain the matrix In calculating {(V H V) −1 V H RxxV (V H V) −1 }, K × M 2 multiplications are required.

一方、行列Wの算出については、行列{(VHV)-1H}が、M行K列の行列であり、行列ESがK行M列の行列であるので、K×M2回の乗算で済み、行列{(VHV)-1HRxxV(VHV)-1}の対角成分に相当する式(15)第1項を算出する際においても、乗算は2×M2回で済む。 On the other hand, for the calculation of the matrix W, since the matrix {(V H V) −1 V H } is a matrix of M rows and K columns, and the matrix E S is a matrix of K rows and M columns, K × M 2 In the calculation of the first term of the equation (15) corresponding to the diagonal component of the matrix {(V H V) −1 V H RxxV (V H V) −1 }, the multiplication is 2 × M Only 2 times.

そして、Mは、到来波数に対応し、アンテナ素子数Kを増やして装置性能を向上させるに際しては、何ら考慮する必要がなく、上限値は、使用環境によって定まる。
従って、本発明の信号処理装置によれば、アンテナ素子数Kを増やして装置性能を向上させるのに際しては、アンテナ素子数Kの1乗のオーダで演算量が増加する程度で、従来技術のように、演算量がアンテナ素子数Kの2乗のオーダで増加することはなく、従来技術よりも、パワーの算出に際して、効率的な演算を行うことができ、アンテナ素子数Kの増加による演算量の増加を抑制することができるのである。
Then, M corresponds to the number of incoming waves, and when the number of antenna elements K is increased to improve the device performance, no consideration is required, and the upper limit value is determined by the use environment.
Therefore, according to the signal processing apparatus of the present invention, when the number of antenna elements K is increased to improve the apparatus performance, the amount of calculation increases to the order of the power of the number of antenna elements K to the first power. In addition, the calculation amount does not increase in the order of the square of the number K of antenna elements, and more efficient calculation can be performed when calculating the power than the conventional technique, and the calculation amount due to the increase in the number K of antenna elements. It is possible to suppress the increase of.

尚、このような本発明の手法は、近接方位アレー応答行列Vmを用いる信号処理装置にも適用することができる。パワーを推定すべき到来波の方位θm(m=1,…,M)毎に、近接方位アレー応答行列Vmを生成し、この近接方位アレー応答行列Vmにより、方位θmから到来した到来波のパワーP(θm)を、式 Note that such a method of the present invention can also be applied to a signal processing apparatus that uses the proximity azimuth array response matrix V m . Orientation theta m arriving waves to be estimated power (m = 1, ..., M ) for each, to generate a proximity azimuth array response matrix V m, this closest orientation array response matrix V m, arriving from the direction theta m The power P (θ m ) of the incoming wave is

Figure 0005192463
Figure 0005192463

で表される行列Smの第1行第1列の要素値Sm[1,1]から推定するといった具合である。
近接方位アレー応答行列Vmを用いるのは、パワーの推定に係る演算量を抑制するためであるが、近接方位アレー応答行列Vmを用いる信号処理装置に、本発明の手法を適用すれば、パワーの推定に係る演算量を、一層抑制することができる。
It is estimated from the element value S m [1,1] of the first row and the first column of the matrix S m represented by:
To use a proximity azimuth array response matrix V m is in order to suppress the arithmetic quantity relating to the estimation of the power, the signal processing apparatus using near azimuth array response matrix V m, by applying the technique of the present invention, The amount of calculation related to power estimation can be further suppressed.

また、本発明は、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、アレーアンテナが受信した到来波のパワーを推定して、レーダ波が物標に反射して生じた到来波の方位である物標の方位を推定する信号処理装置に適用することができる。   Also, the present invention estimates the power of the incoming wave received by the array antenna based on the received signal of each antenna element constituting the array antenna, and uses the direction of the incoming wave generated by the reflection of the radar wave on the target. The present invention can be applied to a signal processing device that estimates the azimuth of a certain target.

この場合、分析手段は、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eK群を、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMと、雑音空間の固有値λM*1,…,λK及び固有ベクトルeM+1,…,eKと、に分離して、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを抽出すると共に、これら固有ベクトルe1,…,eK群に基づき、到来波の到来方位θ1,…,θMを推定する構成にすることができる。 In this case, analysis means, the eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., lambda K and eigenvectors e 1, ..., a e K group, the eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., lambda M and eigenvectors e 1, ..., and e M, the eigenvalues λ M * 1 of the noise space, ..., λ K and eigenvectors e M + 1, ..., is separated into, and e K, the eigenvalues λ 1 of the signal space, ..., λ M and eigenvectors e 1 , ..., extracts the e M, these eigenvectors e 1, ..., based on the e K group, arrival direction theta 1 of the incoming waves, ..., can be configured to estimate the theta M.

また、パワー推定手段は、自己相関行列Rxxと、分析手段により推定された各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルと、に基づき、上述した手法で、分析手段により推定された各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する構成にすることができる。 Further, the power estimation means uses the above-described method based on the autocorrelation matrix Rxx and the array response vectors of the respective arrival directions θ 1 ,..., Θ M estimated by the analysis means. arrival direction θ 1, ..., θ power of the incoming wave coming from M P (θ 1), ... , can be configured to estimate P (θ M).

この他、信号処理装置は、パワー推定手段により推定されたパワーP(θ1),…,P(θM)に基づき、各到来方位θ1,…,θMの内、パワーが閾値以上の方位を、物標の方位と推定する物標方位推定手段を備えた構成にすることができる。 In addition, the signal processing device, the power P (θ 1) which is estimated by the power estimator, ..., based on P (θ M), the arrival direction theta 1, ..., among theta M, the power is equal to or larger than the threshold It is possible to employ a configuration provided with target direction estimation means for estimating the direction as the direction of the target.

このように信号処理装置を構成すれば、パワーの推定に際して、効率的な演算を行うことができ、物標方位を、少ない演算量で精度よく推定することができる。
尚、本発明の手法は、MUSIC法又はESPRIT法により各到来波の到来方位θ1,…,θMを推定する信号処理装置に適用することが可能である。即ち、上述の信号処理装置において、分析手段は、MUSIC法又はESPRIT法により各到来波の到来方位θ1,…,θMを推定する構成にすることができる。
If the signal processing device is configured in this way, efficient calculation can be performed in estimating the power, and the target direction can be accurately estimated with a small amount of calculation.
The method of the present invention can be applied to a signal processing apparatus that estimates the arrival directions θ 1 ,..., Θ M of each incoming wave by the MUSIC method or ESPRIT method. That is, in the above-described signal processing apparatus, the analysis means can be configured to estimate the arrival directions θ 1 ,..., Θ M of each incoming wave by the MUSIC method or the ESPRIT method.

レーダ装置1の構成を表すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration of a radar apparatus 1. FIG. レーダ波の送信信号Ss及び受信信号Srを示したグラフ(上段)及びビート信号BTを示したグラフ(下段)である。It is the graph (upper stage) which showed the transmission signal Ss and the received signal Sr of the radar wave, and the graph (lower stage) which showed the beat signal BT. 物標方位とMUSICスペクトルとの対応関係を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the correspondence of a target direction and a MUSIC spectrum. 信号処理部30が実行する物標方位推定処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the target azimuth | direction estimation process which the signal processing part 30 performs. 信号処理部30が実行するパワー推定処理を表すフローチャートである。3 is a flowchart showing power estimation processing executed by a signal processing unit 30. 変形例のパワー推定処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the power estimation process of a modification.

以下に本発明の実施例について、図面と共に説明する。
図1は、車載用レーダ装置1の構成を表すブロック図であり、図2は、レーダ波の送信信号Ss及び受信信号Srを示したグラフ(上段)及びビート信号BTを示したグラフ(下段)である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the on-vehicle radar device 1. FIG. 2 is a graph showing the transmission signal Ss and the reception signal Sr of the radar wave (upper stage) and a graph showing the beat signal BT (lower stage). It is.

本実施例のレーダ装置1は、所謂FMCW方式のレーダ装置であり、周波数が時間に対して直線的に漸次増減するミリ波帯の高周波信号を生成する発振器11と、発振器11が生成する高周波信号を増幅する増幅器13と、増幅器13の出力を送信信号Ssとローカル信号Lとに電力分配する分配器15と、送信信号Ss(図2上段参照)に応じたレーダ波を放射する送信アンテナ17と、物標(前方車両等)により反射されたレーダ波(反射波)を受信するK個のアンテナ素子からなる受信アンテナ19と、を備える。   The radar apparatus 1 according to the present embodiment is a so-called FMCW radar apparatus. The oscillator 11 generates a high-frequency signal in the millimeter wave band whose frequency gradually increases and decreases linearly with respect to time, and the high-frequency signal generated by the oscillator 11. An amplifier 13, a distributor 15 that distributes the output of the amplifier 13 to the transmission signal Ss and the local signal L, and a transmission antenna 17 that radiates a radar wave corresponding to the transmission signal Ss (see the upper part of FIG. 2). And a receiving antenna 19 composed of K antenna elements that receive radar waves (reflected waves) reflected by a target (such as a vehicle ahead).

また、このレーダ装置1は、受信アンテナ19を構成するアンテナ素子のいずれかを順次選択し、選択されたアンテナ素子からの受信信号Srを後段に供給する受信スイッチ21と、受信スイッチ21から供給される受信信号Srを増幅する増幅器23と、増幅器23にて増幅された受信信号Sr及びローカル信号Lを混合して、ビート信号BTを生成(図2下段参照)するミキサ25と、ミキサ25が生成したビート信号BTから不要な信号成分を除去するフィルタ27と、フィルタ27の出力をサンプリングし、ディジタルデータに変換するA/D変換器29と、マイクロコンピュータを中心に構成される信号処理部30と、を備える。   The radar apparatus 1 sequentially selects one of the antenna elements constituting the reception antenna 19, and receives the reception signal Sr from the selected antenna element to the subsequent stage, and is supplied from the reception switch 21. Amplifier 23 for amplifying received signal Sr, mixer 25 for generating beat signal BT (see the lower part of FIG. 2) by mixing received signal Sr and local signal L amplified by amplifier 23, and generated by mixer 25 A filter 27 that removes unnecessary signal components from the beat signal BT, an A / D converter 29 that samples the output of the filter 27 and converts it into digital data, and a signal processing unit 30 that includes a microcomputer. .

信号処理部30は、発振器11の起動/停止等を制御すると共に、マイクロコンピュータでのプログラム実行により、A/D変換器29から入力されるビート信号BTのサンプリングデータを用いた信号処理や、当該信号処理により得られる物標の位置・相対速度・方位等の情報を車間制御ECU40に送信する処理を行う。   The signal processing unit 30 controls the start / stop of the oscillator 11 and the like, and performs signal processing using sampling data of the beat signal BT input from the A / D converter 29 by executing a program in the microcomputer, Processing for transmitting information such as the position, relative speed, and direction of the target obtained by signal processing to the inter-vehicle control ECU 40 is performed.

また、受信アンテナ19は、K個のアンテナ素子が一列に配置されたリニアアレーアンテナとして構成されている。以下では、K個のアンテナ素子の夫々を番号付けして、第iアンテナ素子(i=1,2,…,K)と表現する。   The receiving antenna 19 is configured as a linear array antenna in which K antenna elements are arranged in a line. In the following, each of the K antenna elements is numbered and expressed as the i-th antenna element (i = 1, 2,..., K).

このように構成された本実施例のレーダ装置1では、信号処理部30からの指令に従って発振器11が起動する。そして、当該起動により発振器11が生成した高周波信号は、増幅器13にて増幅された後、分配器15に入力され、分配器15によって電力分配される。これにより、レーダ装置1では、送信信号Ss及びローカル信号Lが生成され、送信信号Ssは、送信アンテナ17を介し、レーダ波として送出される。   In the radar apparatus 1 according to the present embodiment configured as described above, the oscillator 11 is started according to a command from the signal processing unit 30. Then, the high frequency signal generated by the oscillator 11 by the activation is amplified by the amplifier 13, input to the distributor 15, and power is distributed by the distributor 15. Thereby, in the radar apparatus 1, the transmission signal Ss and the local signal L are generated, and the transmission signal Ss is transmitted as a radar wave via the transmission antenna 17.

一方、送信アンテナ17から送出され物標に反射して戻ってきたレーダ波(反射波)は、受信アンテナ19を構成する各アンテナ素子にて受信される。そして、各アンテナ素子からは、受信スイッチ21に向けて、その受信信号Srが出力される。   On the other hand, the radar wave (reflected wave) transmitted from the transmission antenna 17 and reflected back to the target is received by each antenna element constituting the reception antenna 19. Each antenna element outputs a reception signal Sr toward the reception switch 21.

また、受信スイッチ21からは、受信スイッチ21によって選択された第iアンテナ素子(i=1,…,K)の受信信号Srのみが増幅器23に出力され、増幅器23で増幅された受信信号は、ミキサ25に供給される。   Further, only the reception signal Sr of the i-th antenna element (i = 1,..., K) selected by the reception switch 21 is output from the reception switch 21 to the amplifier 23, and the reception signal amplified by the amplifier 23 is It is supplied to the mixer 25.

ミキサ25では、受信信号Srに分配器15からのローカル信号Lが混合されて、信号Sr,Ssの差の周波数成分であるビート信号BTが生成される。このビート信号BTは、フィルタ27にて不要な信号成分が除去された後、A/D変換器29にてサンプリングされ、ディジタルデータとして信号処理部30に取り込まれる。   In the mixer 25, the local signal L from the distributor 15 is mixed with the received signal Sr, and a beat signal BT that is a frequency component of the difference between the signals Sr and Ss is generated. The beat signal BT is sampled by the A / D converter 29 after unnecessary signal components are removed by the filter 27 and taken into the signal processing unit 30 as digital data.

但し、受信スイッチ21は、レーダ波の一変調周期の間に、全てのアンテナ素子AN_1〜AN_Kを所定回ずつ選択するように、切り替えられる。そして、A/D変換器29は、この切替タイミングに同期してサンプリングを行う。   However, the reception switch 21 is switched so as to select all the antenna elements AN_1 to AN_K predetermined times during one modulation period of the radar wave. The A / D converter 29 performs sampling in synchronization with this switching timing.

また、信号処理部30は、プログラムの実行によって、上記ビート信号のサンプリングデータを解析することにより、周知の手法で、レーダ波の反射波についての発生元である物標(前方車両)までの距離や、自車両に対する物標の相対速度を推定する。   In addition, the signal processing unit 30 analyzes the sampling data of the beat signal by executing a program, thereby using a well-known method to measure the distance to the target (vehicle ahead) that is the source of the reflected wave of the radar wave. Also, the relative speed of the target with respect to the host vehicle is estimated.

送信信号Ssに基づくレーダ波を送信アンテナ17が送信したことに起因して、受信アンテナ19が、反射波を受信すると、受信信号Srは、図2上段に点線で示すように、レーダ波が物標との間を往復するのに要した時間、即ち、物標までの距離に応じた時間Tr分遅延し、物標との相対速度に応じた周波数fd分ドップラシフトする。本実施例のレーダ装置は、ビート信号BTに含まれるこのような時間Tr及び周波数fdの情報から、物標までの距離や物標との相対速度を推定する。   When the reception antenna 19 receives the reflected wave due to the transmission antenna 17 transmitting the radar wave based on the transmission signal Ss, the received signal Sr is not reflected by the radar wave as shown by the dotted line in the upper part of FIG. The time required for reciprocating between the target, that is, the time Tr corresponding to the distance to the target is delayed, and the Doppler shift is performed by the frequency fd corresponding to the relative speed with the target. The radar apparatus according to the present embodiment estimates the distance to the target and the relative speed with respect to the target from such information of the time Tr and the frequency fd included in the beat signal BT.

また、信号処理部30は、プログラムの実行によって、自車両進行方向(アンテナ方向)を基準とした物標の方位を推定する。方位推定の手法としては、ESPRIT法やMUSIC法が知られているが、例えば、MUSIC法によれば、図3(a)に示すように自車両前方に、先行車両が存在する場合、A/D変換器29から得られたビート信号BTのサンプリングデータに基づき、MUSICスペクトルを算出すると、MUSICスペクトルにおいて、図3(b)に示すように、先行車両に対応する方位に鋭いピークが立つ。本実施例では、このようなMUSICスペクトルのピークを抽出し、レーダ波の反射波と思われる到来波の到来方位θ1,…,θMを推定する。 Further, the signal processing unit 30 estimates the azimuth of the target with reference to the traveling direction of the host vehicle (antenna direction) by executing the program. ESPRIT and MUSIC methods are known as azimuth estimation methods. For example, according to the MUSIC method, when a preceding vehicle is present in front of the host vehicle as shown in FIG. When the MUSIC spectrum is calculated based on the sampling data of the beat signal BT obtained from the D converter 29, a sharp peak appears in the direction corresponding to the preceding vehicle in the MUSIC spectrum, as shown in FIG. In the present embodiment, such a peak of the MUSIC spectrum is extracted, and the arrival directions θ 1 ,..., Θ M of the incoming waves that are considered to be the reflected waves of the radar waves are estimated.

但し、雑音により、物標がない方位に対してもMUSICスペクトルにピークが現れる場合がある。このため、本実施例では、各方位θ1,…,θMから到来する到来波のパワーを推定することにより、パワーが閾値Pth以上の到来波を、レーダ波の反射波とみなし、当該反射波に対応する方位を、物標方位であると推定する。尚、図3は、物標方位とMUSICスペクトルとの対応関係を示した説明図である。 However, due to noise, a peak may appear in the MUSIC spectrum even for an orientation without a target. For this reason, in this embodiment, by estimating the power of the incoming wave arriving from each of the directions θ 1 ,..., Θ M , the incoming wave having the power equal to or higher than the threshold P th is regarded as a reflected wave of the radar wave. The direction corresponding to the reflected wave is estimated to be the target direction. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the correspondence between the target orientation and the MUSIC spectrum.

この点について詳述すると、本実施例では、信号処理部30にて、図4に示す物標方位推定処理を実行することにより、物標方位の推定を行う。図4は、信号処理部30が実行する物標方位推定処理を表すフローチャートである。   This point will be described in detail. In the present embodiment, the target direction is estimated by executing the target direction estimation process shown in FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the target direction estimation process executed by the signal processing unit 30.

物標方位推定処理を開始すると、信号処理部30は、A/D変換器29にてサンプリングされたビート信号BT(サンプリングデータ)に基づき、式(1)(2)に従って、自己相関行列Rxxを生成する(S110)。   When the target azimuth estimation process is started, the signal processing unit 30 calculates the autocorrelation matrix Rxx according to the equations (1) and (2) based on the beat signal BT (sampling data) sampled by the A / D converter 29. Generate (S110).

但し、受信ベクトルX(i)の要素xk(i)(但し、k=1,…,K)の値は、ビート信号BTのサンプリングデータから特定したk番目アンテナ素子の受信信号Srの時刻iでの値である。 However, the value of the element x k (i) (where k = 1,..., K) of the reception vector X (i) is the time i of the reception signal Sr of the k-th antenna element identified from the sampling data of the beat signal BT. The value at.

そして、自己相関行列Rxxの生成後には、自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK(但し、λ1≧λ2≧…λK)、及び、各固有値λ1,…,λKに対応した固有ベクトルe1,…,eKを算出する(S120)。但し、固有ベクトルe1,…,eKについては、ei・ej=δijを満足するように導出する。尚、δijは、クロネッカーのデルタである。 Then, after generation of the auto-correlation matrix Rxx, the eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., lambda K (where, λ 1 ≧ λ 2 ≧ ... λ K), and each eigenvalue lambda 1, ..., a lambda K Corresponding eigenvectors e 1 ,..., E K are calculated (S120). However, eigenvectors e 1 ,..., E K are derived so as to satisfy e i · e j = δ ij . Note that δ ij is the Kronecker delta.

S120での固有値及び固有ベクトルの算出後には、熱雑音電力に対応する予め定められた閾値λthより大きい固有値の数から到来波数Mを推定する(S130)。即ち、到来波数Mを、閾値λthより大きい固有値の数に推定する。 After calculation of the eigenvalues and eigenvectors in S120, estimating the number of incoming waves M from the number of predetermined threshold lambda th larger eigenvalues corresponding to the thermal noise power (S130). That is, the arrival wave number M is estimated to be the number of eigenvalues larger than the threshold λth .

また、到来波数Mを推定し終えると、上記閾値λthより大きい固有値λ1,…,λMに対応する固有ベクトルe1,…,eMを用いて、当該固有ベクトルe1,…,eMを列とする信号部分空間行列Esを生成すると共に、上記閾値λth以下の固有値λM+1,…,λKに対応する固有ベクトルeM+1,…,eKを用いて、当該固有ベクトルeM+1,…,eKを列とする雑音部分空間行列ENを生成する(S140)。 Further, after finishing to estimate the number of incoming waves M, the threshold value lambda th larger eigenvalues lambda 1, ..., eigenvectors e 1 corresponding to lambda M, ..., using e M, the eigenvectors e 1, ..., a e M to generate a signal subspace matrix E s to the column, the threshold value lambda th following eigenvalue lambda M + 1, ..., eigenvectors e M + 1 corresponding to the lambda K, ..., using e K, the eigenvectors e A noise subspace matrix E N having M + 1 ,..., E K as columns is generated (S140).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

その後、受信アンテナ19の構成から定まるアレー応答ベクトルa(θ)と、雑音部分空間行列ENとに基づき、式(3)に示す評価関数PMU(θ)に従うMUSICスペクトルを算出する(S150)。 Thereafter, based on the array response vector a (θ) determined from the configuration of the receiving antenna 19 and the noise subspace matrix E N , a MUSIC spectrum is calculated according to the evaluation function P MU (θ) shown in Expression (3) (S150). .

そして、上記算出したMUSICスペクトルに基づき、当該MUSICスペクトルにてピーク値(値PMU(θ))が最大の方位から、ピーク値の大きい順に、到来波数M分の方位θ1,…,θMを抽出し、これらM個の方位θ1,…,θMを、到来波の到来方位(以下、単に到来波方位と表現する。)に推定する(S160)。 Then, based on the calculated MUSIC spectrum, the direction θ 1 ,..., Θ M corresponding to the number of incoming waves M in descending order of the peak value from the direction in which the peak value (value P MU (θ)) is maximum in the MUSIC spectrum. , And the M azimuths θ 1 ,..., Θ M are estimated as arrival directions of incoming waves (hereinafter simply referred to as incoming wave directions) (S160).

この後には、パワー推定処理を実行する(S170)。図5は、信号処理部30が実行するパワー推定処理を表すフローチャートである。
図5に示すパワー推定処理を開始すると、信号処理部30は、式(5)に従うアレー応答行列V=[a(θ1),…,a(θM)]を生成し(S171)、このアレー応答行列Vを用いて、行列(VHV)-1を算出する(S173)。
After this, power estimation processing is executed (S170). FIG. 5 is a flowchart showing power estimation processing executed by the signal processing unit 30.
When the power estimation process shown in FIG. 5 is started, the signal processing unit 30 generates an array response matrix V = [a (θ 1 ),..., A (θ M )] according to the equation (5) (S171). A matrix (V H V) −1 is calculated using the array response matrix V (S173).

この後には、次式に従う行列Wを算出する(S175)。   Thereafter, a matrix W according to the following equation is calculated (S175).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

更には、次式に従う行列Wnを算出する(S177)。 Further, a matrix W n according to the following equation is calculated (S177).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

但し、Iは、単位行列であり、σ2は、熱雑音電力である。σ2については真値不明であるため、例えば、閾値λthにより代用する。また、S177では、行列Wnの対角要素の値wn[i](i=1,…,M)を算出すれば足り、行列Wnの全要素の値を算出する必要はない。以下では、行列Wnの第i行第i列の要素値を、wn[i]と表現し、行列Wの第i行第j列の要素値を、w[i,j]と表現する。 Where I is a unit matrix and σ 2 is thermal noise power. Since the true value of σ 2 is unknown, for example, the threshold value λ th is used instead. Further, in S177, the value w n diagonal elements of the matrix W n [i] (i = 1, ..., M) enough be calculated, it is not necessary to calculate the values of all elements of the matrix W n. In the following, the element value of the i-th row and i-th column of the matrix W n is expressed as w n [i], and the element value of the i-th row and j-th column of the matrix W is expressed as w [i, j]. .

S177での処理を終えると、信号処理部30は、S179に移行し、次式   When the processing in S177 is finished, the signal processing unit 30 proceeds to S179, where

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従い、各到来波方位θm(m=1,…,M)のパワーP(θm)を算出(推定)する。このようにして、パワー推定処理では、上記推定した各到来波方位θ1,…,θMのパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する。 Accordingly, the power P (θ m ) of each incoming wave azimuth θ m (m = 1,..., M) is calculated (estimated). In this way, in the power estimation process, the estimated each incoming wave direction theta 1 and, ..., theta M power P (θ 1), ..., to estimate P (θ M).

当該パワー推定処理を終えると、信号処理部30は、S180に移行し、予め設定されたパワーについての閾値Pthと、各到来波方位のパワーP(θ1),…,P(θM)とを比較して、到来波方位θ1,…,θMの中から、パワーが閾値Pth以上の方位を、物標の方位であると推定する。そして、パワーが閾値Pth以上の方位の情報を、物標方位の情報として、当該物標の位置・相対速度の情報と共に、車両制御ECU40に送信する。その後、当該物標方位推定処理を終了する。 When the power estimation process is completed, the signal processing unit 30 proceeds to S180, and the threshold value P th for the preset power and the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) of each incoming wave direction. compared bets, arrival wave azimuth theta 1, ..., from the theta M, power over the azimuth threshold P th, is estimated to be azimuth of the target. Then, information on the direction in which the power is greater than or equal to the threshold value P th is transmitted to the vehicle control ECU 40 as information on the target direction along with information on the position and relative speed of the target. Thereafter, the target direction estimation process is terminated.

ここで、従来装置におけるパワーの算出方法と、本実施例のレーダ装置1におけるパワーの算出方法と、についてまとめる。
受信アンテナ19が受信した到来波のパワー(受信電力)は、周知のように、式
Here, the power calculation method in the conventional apparatus and the power calculation method in the radar apparatus 1 of the present embodiment will be summarized.
As is well known, the power (reception power) of the incoming wave received by the reception antenna 19 is expressed by the equation

Figure 0005192463
Figure 0005192463

の対角成分から算出することができる。即ち、各到来波方位θm(m=1,…,M)のパワーP(θm)は、行列Sの第m行m列の要素値により推定することができる。
しかしながら、この行列Sを素直に演算すると、行列{(VHV)-1H}に行列Rxxを作用させて、行列{(VHV)-1HRxx}を算出する際、M×K2回の乗算が必要となり、行列{(VHV)-1HRxx}に、行列{V(VHV)-1}を作用させて、行列{(VHV)-1HRxxV(VHV)-1}を算出する際に、K×M2回の乗算が必要になる。
It is possible to calculate from the diagonal component. That is, the power P (θ m ) of each incoming wave azimuth θ m (m = 1,..., M) can be estimated from the element values in the m-th row and m-th column of the matrix S.
However, when calculating the gracefully calculating the matrix S, the matrix {(V H V) -1 V H} by the action of matrix Rxx into the matrix {(V H V) -1 V H Rxx}, M × K 2 multiplications are required, the matrix {(V H V) -1 V H Rxx}, by the action of the matrix {V (V H V) -1 }, the matrix {(V H V) -1 In calculating V H RxxV (V H V) −1 }, K × M 2 multiplications are required.

従って、アンテナ素子数Kを増やして、レーダ装置1の性能を向上させようとすると、パワーの推定に係る演算量がK2オーダで急激に増加することになる。
一方、到来波数M及び到来波方位の推定の際には、自己相関行列Rxxを展開して、自己相関行列Rxxの固有値及び固有ベクトルを算出する必要がある。また、雑音空間の固有ベクトルeM+1,…,eKと到来波方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)との間には、直交関係がある。本実施例では、これらの点を利用して、パワー推定に係る演算量を抑制するようにしている。
Therefore, if the number of antenna elements K is increased to improve the performance of the radar apparatus 1, the amount of calculation related to power estimation increases rapidly in the K 2 order.
On the other hand, when estimating the arrival wave number M and the arrival wave direction, it is necessary to expand the autocorrelation matrix Rxx and calculate the eigenvalues and eigenvectors of the autocorrelation matrix Rxx. Further, eigenvectors e M + 1 of the noise space, ..., e K and arrival wave azimuth θ 1, ..., θ M of the array response vector a (θ 1), ..., between a (θ M) is orthogonal There is a relationship. In this embodiment, these points are used to suppress the amount of calculation related to power estimation.

上述の直交関係を利用すると、VHNは、観測による誤差を考慮しても、近似的にゼロとみなすことができる。
また、自己相関行列Rxxは、スペクトル展開すると、次式
When the orthogonal relationship described above is used, V H E N can be regarded as approximately zero even when an error due to observation is taken into consideration.
In addition, the autocorrelation matrix Rxx is expressed as

Figure 0005192463
Figure 0005192463

で表現することができる。尚、ΛSは、信号空間の固有値λ1,…,λMを対角成分に持つ対角行列ΛS=diag(λ1,…,λM)であり、ΛNは、対角行列ΛSと同様、雑音空間の固有値λM+1,…,λKを対角成分に持つ対角行列ΛN=diag(λM+1,…,λK)である。 Can be expressed as Λ S is a diagonal matrix Λ S = diag (λ 1 ,..., Λ M ) having eigenvalues λ 1 ,..., Λ M of the signal space as diagonal components, and Λ N is a diagonal matrix Λ as with S, the eigenvalues lambda M + 1 of the noise space, ..., lambda diagonal matrix having K a diagonal elements Λ N = diag (λ M + 1, ..., λ K) is.

ここで、各到来波方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)は、式(26)に示す行列Sの対角成分から算出できることから、VHNを、近似的にゼロとみなすと、自己相関行列Rxxは、次式 Here, the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) of the incoming waves arriving from the respective incoming wave azimuths θ 1 ,..., Θ M are calculated from the diagonal components of the matrix S shown in Expression (26). Therefore, if V H E N is regarded as approximately zero, the autocorrelation matrix Rxx is given by

Figure 0005192463
Figure 0005192463

により近似することができ、行列Sは、式   The matrix S can be approximated by

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従う行列S’に近似することができる。
このような原理を利用して、本実施例では、自己相関行列Rxxを、行列Rxx’で近似し、行列S’の対角成分を算出することで、各到来波方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を、少ない演算量で推定するようにしているのである。
Can be approximated to a matrix S ′.
Using this principle, in this embodiment, the autocorrelation matrix Rxx is approximated by the matrix Rxx ′, and the diagonal components of the matrix S ′ are calculated, so that each incoming wave azimuth θ 1 ,. power P of the incoming wave coming from M (θ 1), ..., with each other to such a P (θ M), estimated with a small amount of calculation.

このように、自己相関行列Rxx及び行列Sを、行列Rxx’及び行列S’に近似した場合には、雑音空間の各固有ベクトルeM+1,…,eKに係る演算を省略することができる。また、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMからなる近似行列Rxx’を、展開したままにして、本実施例のように、対角行列ΛSを挟む行列部分を先に演算すると、対角行列ΛSにおいて対角成分以外の要素がゼロであることを利用して、大幅に行列S’の演算量を抑制することができ、パワーP(θ1),…,P(θM)の推定に係る演算量を抑制することができるのである。 As described above, when the autocorrelation matrix Rxx and the matrix S are approximated to the matrix Rxx ′ and the matrix S ′, the operations related to the eigenvectors e M + 1 ,..., E K in the noise space can be omitted. . Further, the approximate matrix Rxx ′ composed of the eigenvalues λ 1 ,..., Λ M and the eigenvectors e 1 ,..., E M of the signal space is left unfolded, and the diagonal matrix Λ S is sandwiched as in this embodiment. If the matrix portion is calculated first, the amount of calculation of the matrix S ′ can be significantly suppressed by utilizing the fact that elements other than the diagonal component in the diagonal matrix Λ S are zero, and the power P (θ 1 ),..., P (θ M ) can be reduced in the amount of computation.

式(25)で導出されるパワーP(θm)は、行列S’の第m行第m列の要素値に対応するが、例えば、式(25)の第1項の算出に必要な演算量は、次のようになる。
即ち、従来装置において、式(25)の第1項に対応する行列{(VHV)-1HRxxV(VHV)-1}の要素の値を算出するためには、行列{(VHV)-1H}に行列Rxxを作用させて、行列{(VHV)-1HRxx}を算出する動作に、M×K2回の乗算が必要となり、行列{(VHV)-1HRxx}に、行列{V(VHV)-1}を作用させて、行列{(VHV)-1HRxxV(VHV)-1}を算出する際に、K×M2回の乗算が必要である。
The power P (θ m ) derived by the equation (25) corresponds to the element value of the m-th row and the m-th column of the matrix S ′. For example, an operation necessary for calculating the first term of the equation (25) The amount is as follows.
That is, in the conventional apparatus, in order to calculate the values of the elements of the matrix {(V H V) −1 V H RxxV (V H V) −1 } corresponding to the first term of the equation (25), the matrix { and (V H V) -1 V H } by the action of matrix Rxx to, the operation of calculating the matrix {(V H V) -1 V H Rxx}, requires multiplication of M × K 2 times, matrix { The matrix {V (V H V) -1 } is applied to (V H V) −1 V H Rxx}, and the matrix {(V H V) −1 V H RxxV (V H V) −1 } is obtained. When calculating, K × M 2 multiplications are required.

これに対し、本実施例では、行列{(VHV)-1H}に行列Esを作用させて、行列Wを算出する際の乗算回数が、K×M2回で済む。また、この行列Wの要素値を用いて式(25)の第1項を算出する際には、式(25)から理解できるように、方位θm毎に、2×M回で済み、全方位θ1,…,θMの乗算回数を積算しても、2×M2回で済む。また、行列(VHV)-1や行列{(VHV)-1H}の算出に、K2オーダの演算は必要ない。 On the other hand, in this embodiment, the number of multiplications for calculating the matrix W by applying the matrix E s to the matrix {(V H V) −1 V H } is only K × M 2 times. Further, when calculating the first term of the equation (25) using the element values of the matrix W, as can be understood from the equation (25), 2 × M times are required for each azimuth θ m , Even if the multiplications of the orientations θ 1 ,..., Θ M are integrated, only 2 × M 2 is required. Further, calculation of the K 2 order is not necessary for calculating the matrix (V H V) −1 and the matrix {(V H V) −1 V H }.

そして、Mの上限値は、使用環境によって定まるので、アンテナ素子数Kを増やしてレーダ装置1の性能を向上させることを前提とした場合、Mについては、固定値とみなすことができる。   Since the upper limit value of M is determined depending on the use environment, when it is assumed that the number of antenna elements K is increased to improve the performance of the radar apparatus 1, M can be regarded as a fixed value.

従って、アンテナ素子数Kを増やしてレーダ装置1の性能を向上させる場合には、従来装置では、K2オーダで演算量が増加するのに対し、本実施例では、演算量の増加がK1オーダで済み、結果として、本実施例によれば、パワーの推定に際し、効率的な演算を行うことができ、アンテナ素子数Kの増加による演算量の増加を抑制することができるのである。 Therefore, when the performance of the radar apparatus 1 is improved by increasing the number K of antenna elements, the calculation amount increases in the order of K 2 in the conventional apparatus, whereas in this embodiment, the increase in the calculation amount is K 1. As a result, according to the present embodiment, efficient calculation can be performed in the power estimation, and an increase in calculation amount due to an increase in the number K of antenna elements can be suppressed.

尚、アンテナ素子数がK個のアレーアンテナを用いた方位推定及びパワー推定では、到来波数(K−1)以下でなければ、そもそも適切な推定を行うことができないことから、前提として、到来波数Mは、最大で(K−1)である。   Note that in azimuth estimation and power estimation using an array antenna with K antenna elements, since it is not possible to perform appropriate estimation unless the number of incoming waves is (K-1) or less, the number of incoming waves is assumed as a premise. M is (K-1) at the maximum.

また、従来手法に対する本実施例の手法による乗算回数の減少量Δは、従来手法の乗算回数がK2M+KM2であり、本実施例の手法の乗算回数がKM2+2M2であるので、Δ=(K2M+KM2)−(KM2+2M2)=K2M−2M2となる。 Further, the amount of decrease Δ in the number of multiplications by the method of the present embodiment relative to the conventional method is Δ 2 because the number of multiplications of the conventional method is K 2 M + KM 2 and the number of multiplications of the method of the present embodiment is KM 2 + 2M 2. = (K 2 M + KM 2 ) − (KM 2 + 2M 2 ) = K 2 M−2M 2 .

従って、到来波数がM=1であるとき、減少量ΔはΔ=K2−2となり、到来波数がM=K−1であるとき、減少量ΔはΔ=(K−1){(K−1)2+1}となる。
この他、減少量Δは、Δ=K2M−2M2=−2(M−K2/4)2+K4/8となるため、式の上では、到来波数MがK2/4であるとき最大となるが、K≧2では、K2/4≧K−1であるため、実質、到来波数M=K−1であるとき、減少量Δが最大となる。
Therefore, when the number of incoming waves is M = 1, the amount of decrease Δ is Δ = K 2 −2 and when the number of incoming waves is M = K−1, the amount of decrease Δ is Δ = (K−1) {(K -1) 2 +1}.
In addition, the decrease amount delta, since the Δ = K 2 M-2M 2 = -2 (M-K 2/4) 2 + K 4/8, on expression, the number of incoming waves M is in K 2/4 Although the maximum one time, the K ≧ 2, for a K 2/4 ≧ K-1 , substantially, when an incoming wave M = K-1, reduction Δ becomes maximum.

従って、本実施例の手法によれば、乗算回数は最低Δ=K2−2分減少させることができ、最大で、Δ=(K−1){(K−1)2+1}分減少させることができる。
ところで、本実施例の手法は、式(5)に示すアレー応答行列Vに代えて、式(8)に示す近接方位アレー応答行列Vmを用いて、各到来波方位θ1,…,θMのパワーP(θ1),…,P(θM)を推定するレーダ装置にも適用することができる。
Therefore, according to the method of the present embodiment, the number of multiplications can be reduced by at least Δ = K 2 −2 and the maximum can be reduced by Δ = (K−1) {(K−1) 2 +1}. be able to.
By the way, the technique of the present embodiment uses the near azimuth array response matrix V m shown in the equation (8) instead of the array response matrix V shown in the equation (5), and each incoming wave azimuth θ 1 ,. The present invention can also be applied to a radar apparatus that estimates M power P (θ 1 ),..., P (θ M ).

以下では、上記手法を、近接方位アレー応答行列Vmを用いるレーダ装置に適用した例を、変形例として説明する。但し、変形例のレーダ装置は、S170で実行するパワー推定処理の内容が上述した実施例のレーダ装置1と異なる程度であるため、以下では、変形例のパワー推定処理についてのみ選択的に説明する。 Hereinafter, the above technique, an example applied to a radar apparatus using near azimuth array response matrix V m, is described as a modification. However, since the radar apparatus according to the modified example is different from the radar apparatus 1 according to the above-described embodiment in the content of the power estimation process executed in S170, only the power estimation process according to the modified example will be selectively described below. .

図6は、変形例のレーダ装置の信号処理部30が実行するパワー推定処理を表すフローチャートである。
変形例のパワー推定処理を開始すると、信号処理部30は、S160で推定した到来波方位θ1,…,θMのいずれか一つを、パワー推定対象方位θm(m=1,…,M)に設定し(S210)、パワー推定対象方位θmに対応する近接方位アレー応答行列Vmを生成する(S220)。
FIG. 6 is a flowchart illustrating power estimation processing executed by the signal processing unit 30 of the radar apparatus according to the modification.
When the power estimation process of the modified example is started, the signal processing unit 30 uses any one of the incoming wave azimuths θ 1 ,..., Θ M estimated in S160 as the power estimation target direction θ m (m = 1,. set M) (S210), generates a closest orientation array response matrix V m corresponding to the power estimation target azimuth θ m (S220).

具体的には、パワー推定対象方位θmに対応するアレー応答ベクトルa(θm)を第1列とした行列であって、到来波方位θ1,…,θMの内、所定条件を満足する「パワー推定対象方位θmに近接する方位」θm1,θm2,…,θmdに対応したアレー応答ベクトルa(θm1),a(θm2),…,a(θmd)を第2列以降に配置した式(8)で表される近接方位アレー応答行列Vmを、生成する。 Specifically, a matrix of array response vector a (θ m) and a first column corresponding to the power estimation target orientation theta m, arrival wave azimuth theta 1, ..., among theta M, satisfy a predetermined condition to "orientation close to the power estimation target orientation theta m" θ m1, θ m2, ..., θ md the array response vector a corresponding (θ m1), a (θ m2), ..., a a a (theta md) A near azimuth array response matrix V m represented by Expression (8) arranged in the second and subsequent columns is generated.

尚、所定条件を満足する「パワー推定対象方位θmに近接する方位」θm1,θm2,…,θmdについては、特許文献1にも記載されているように、パワー推定対象方位θmに近接する方位から順に所定個dの方位に定めることもできるし、パワー推定対象方位θmとの差が上限値Δθ以内の方位に定めることもできる。 Incidentally, "the orientation close to the power estimation target orientation theta m" theta m1 satisfying a predetermined condition, theta m @ 2, ..., for the theta md, as described in Patent Document 1, the power estimation target orientation theta m It is also possible to determine a predetermined number d in order from the azimuth in the vicinity, or to determine the difference from the power estimation target azimuth θ m within the upper limit Δθ.

S220での処理を終えると、信号処理部30は、この近接方位アレー応答行列Vmを用いて、行列(Vm Hm-1を算出し(S230)、この算出結果を用いて、次式に従う行列W(m)を算出する(S240)。 When the processing in S220 is completed, the signal processing unit 30 calculates a matrix (V m H V m ) −1 using the proximity azimuth array response matrix V m (S230), and uses the calculation result, A matrix W (m) according to the following equation is calculated (S240).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

更には、次式に従う行列Wn(m)を算出する(S250)。 Further, a matrix W n (m) according to the following equation is calculated (S250).

Figure 0005192463
Figure 0005192463

但し、Iは、単位行列であり、σ2は、熱雑音電力である。σ2については真値不明であるため、例えば、閾値λthにより代用する。S250では、S177での処理と同様、行列Wn(m)の第1行第1列の要素値wn(m)[1]を算出すれば足り、行列Wn(m)の全要素の値を算出する必要はない。以下では、行列Wn(m)の第i行第i列の要素値を、wn(m)[i]と表現し、行列W(m)の第i行第j列の要素値を、w(m)[i,j]と表現する。 Where I is a unit matrix and σ 2 is thermal noise power. Since the true value of σ 2 is unknown, for example, the threshold value λ th is used instead. In S250, similar to the processing in S177, sufficient be calculated matrix W n first row element value in the first row of (m) w n (m) [1], of all the elements of the matrix W n (m) There is no need to calculate a value. In the following, the element value of the i-th row and i-th column of the matrix W n (m) is expressed as w n (m) [i], and the element value of the i-th row and j-th column of the matrix W (m) is expressed as Expressed as w (m) [i, j].

この処理を終えると、信号処理部30は、S260に移行し、次式   When this processing is finished, the signal processing unit 30 proceeds to S260, and the following equation

Figure 0005192463
Figure 0005192463

に従って、パワー推定対象方位θmのパワーP(θm)を算出(推定)する。
このようにしてパワーP(θm)を算出すると、信号処理部30は、S270に移行し、到来波方位θ1,…,θMの全てを、パワー推定対象方位θmに設定して、パワーP(θ1),…,P(θM)を算出したか否かを判断し、算出していないと判断すると(S270でNo)、S210に移行し、到来波方位θ1,…,θMの内、パワーを算出していない未処理の到来波方位を、新たなパワー推定対象方位θmに設定し、S220以降の処理を実行する。
Accordingly, the power P (θ m ) of the power estimation target direction θ m is calculated (estimated).
After calculating the power P (θ m ) in this way, the signal processing unit 30 proceeds to S270, sets all of the incoming wave azimuths θ 1 ,..., Θ M as the power estimation target azimuth θ m , power P (θ 1), ..., and determines whether the calculated P (θ M), if it is determined that not calculated (no in S270), the process proceeds to S210, arrival wave azimuth θ 1, ..., Of θ M , an unprocessed incoming wave azimuth for which power is not calculated is set as a new power estimation target azimuth θ m, and the processes after S220 are executed.

そして、各到来波方位θ1,…,θMに対応するパワーP(θ1),…,P(θM)の全てを算出(推定)し終えると、S270で肯定判断して、当該パワー推定処理を終了する。
このようにパワーP(θ1),…,P(θM)を算出する変形例のレーダ装置においても、上述した実施例のレーダ装置1と同様の原理により、パワー推定に係る演算量を、K1オーダに抑えることができて、アンテナ素子数Kの増加により、急激にパワー推定に係る演算量が増加するのを抑えることができる。
When all of the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) corresponding to the arriving wave azimuths θ 1 ,..., Θ M have been calculated (estimated), an affirmative determination is made in S270 and the power The estimation process ends.
In the modified radar apparatus for calculating the powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) in this way, the calculation amount related to the power estimation is calculated based on the same principle as that of the radar apparatus 1 of the above-described embodiment. It can be suppressed to K 1 order, and an increase in the amount of calculation related to power estimation due to an increase in the number K of antenna elements can be suppressed.

以上、変形例を含む本発明の実施例について説明したが、これらの実施例と「特許請求の範囲」との対応関係は、次の通りである。即ち、相関行列生成手段は、信号処理部30が実行するS110の処理により実現され、展開手段は、S120の処理により実現され、分析手段は、S130〜S160の処理により実現され、パワー推定手段は、S170の処理により実現され、物標方位推定手段は、信号処理部30が実行するS180の処理により実現されている。   As mentioned above, although the Example of this invention including a modification was described, the correspondence of these Examples and "Claims" is as follows. That is, the correlation matrix generating means is realized by the processing of S110 executed by the signal processing unit 30, the expanding means is realized by the processing of S120, the analyzing means is realized by the processing of S130 to S160, and the power estimating means is The target direction estimating means is realized by the processing of S180 executed by the signal processing unit 30.

また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。例えば、上記実施例では、MUSIC法を用いて、到来波方位θ1,…,θMを推定したが、到来波方位θ1,…,θMは、ESPRIT法により推定されてもよい。具体的には、S150,S160での処理を、ESPRIT法による到来波方位θ1,…,θMの推定処理に置き換えてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can take various forms. For example, in the above embodiment, the arrival wave azimuths θ 1 ,..., Θ M are estimated using the MUSIC method, but the arrival wave azimuths θ 1 ,..., Θ M may be estimated by the ESPRIT method. Specifically, the processing at S150 and S160 may be replaced with the estimation processing of arrival wave azimuths θ 1 ,..., Θ M by the ESPRIT method. Even if it does in this way, the effect similar to the said Example can be acquired.

1…レーダ装置、11…発振器、13,23…増幅器、15…分配器、17…送信アンテナ、19…受信アンテナ、21…受信スイッチ、25…ミキサ、27…フィルタ、29…A/D変換器、30…信号処理部、40…車間制御ECU DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Radar apparatus, 11 ... Oscillator, 13, 23 ... Amplifier, 15 ... Distributor, 17 ... Transmitting antenna, 19 ... Receiving antenna, 21 ... Reception switch, 25 ... Mixer, 27 ... Filter, 29 ... A / D converter 30 ... Signal processing unit, 40 ... Vehicle distance control ECU

Claims (5)

アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、前記アレーアンテナが受信した到来波のパワーを推定する信号処理装置であって、
前記アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、当該受信信号についての自己相関行列Rxxを生成する相関行列生成手段と、
前記相関行列生成手段により生成された自己相関行列Rxxを展開して、当該自己相関行列Rxxの固有値及び固有ベクトルを算出する展開手段と、
前記自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eK群から、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを抽出する分析手段と、
前記自己相関行列Rxxと、予め指定された各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルと、に基づき、前記各到来方位θ1,…,θMから到来した前記到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定するパワー推定手段と、
を備え、
前記パワー推定手段は、前記各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定するに際し、
パワー推定対象の方位θ1,…,θMに対応したアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)を列とするアレー応答行列Vを生成すると共に、
雑音空間の固有ベクトルeM+1,…,eKと各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルa(θ1),…,a(θM)の直交関係を利用することで、前記自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eKの内、前記分析手段により抽出された雑音空間を除く信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを選択的に用いて、前記自己相関行列Rxxを、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMからなる行列Rxx’
Figure 0005192463
により近似し(但し、ΛSは、信号空間の固有値λ1,…,λMを対角成分に持つ対角行列ΛS=diag(λ1,…,λM)であり、ESは、信号空間の固有ベクトルe1,…,eMを列とする信号部分空間行列ES=[e1,…,eM]であり、上付き文字Hは、複素共役転置である。)、この近似行列Rxx’を用いた式
Figure 0005192463
に従う行列S’(但し、Iは、単位行列であり、σ2は、熱雑音電力である。)の対角成分を算出することにより、前記パワー推定対象の方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定すること
を特徴とする信号処理装置。
A signal processing device that estimates the power of an incoming wave received by the array antenna, based on a reception signal of each antenna element constituting the array antenna,
Correlation matrix generating means for generating an autocorrelation matrix Rxx for the received signal based on the received signal of each antenna element constituting the array antenna;
Expansion means for expanding the autocorrelation matrix Rxx generated by the correlation matrix generation means and calculating eigenvalues and eigenvectors of the autocorrelation matrix Rxx;
Eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., lambda K and eigenvectors e 1, ..., from e K group, the eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., lambda M and eigenvectors e 1, ..., analyzed to extract e M Means,
The autocorrelation matrix Rxx, each arrival direction theta 1 previously designated, ..., theta and the array response vector of M, on the basis of said respective arrival direction theta 1, ..., the power of the incoming wave coming from theta M P Power estimation means for estimating (θ 1 ),..., P (θ M );
With
Upon the power estimation means, wherein each arrival direction theta 1, ..., power P of the incoming wave coming from θ M (θ 1), ... , to estimate P (theta M),
Orientation theta 1 of the power estimation target, ..., θ M to the array response vector a corresponding (θ 1), ..., and generates an array response matrix V to columns a (θ M),
Eigenvectors e M + 1 of the noise space, ..., e K and the arrival direction θ 1, ..., θ M of the array response vector a (θ 1), ..., by using the orthogonal relationship of a (θ M), eigenvalues lambda 1 of the autocorrelation matrix Rxx, ..., λ K and eigenvectors e 1, ..., among the e K, the eigenvalues lambda 1 of the signal space with the exception of noise space extracted by said analyzing means, ..., λ M and eigenvectors e 1, ..., by selectively using e M, the autocorrelation matrix Rxx, the eigenvalues lambda 1 of the signal space, ..., λ M and eigenvectors e 1, ..., consisting of e M matrix Rxx '
Figure 0005192463
(Where Λ S is a diagonal matrix Λ S = diag (λ 1 ,..., Λ M ) having eigenvalues λ 1 ,..., Λ M of the signal space as diagonal components, and E S is The signal subspace matrix E S = [e 1 ,..., E M ] with the eigenvectors e 1 ,..., E M of the signal space as columns, and the superscript H is a complex conjugate transpose). Formula using matrix Rxx '
Figure 0005192463
From the azimuth θ 1 ,..., Θ M of the power estimation target, by calculating the diagonal component of the matrix S ′ (where I is a unit matrix and σ 2 is thermal noise power) A signal processing apparatus characterized by estimating powers P (θ 1 ),..., P (θ M ) of incoming waves.
前記パワー推定手段は、式
Figure 0005192463
に従う行列Wの要素の値を算出すると共に、式
Figure 0005192463
に従う行列Wnの対角要素の値を算出し、
これらの算出結果を用いて、前記行列S’の対角成分を算出し、前記パワー推定対象の方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定すること
を特徴とする請求項1記載の信号処理装置。
The power estimation means has the formula
Figure 0005192463
Calculate the values of the elements of the matrix W according to
Figure 0005192463
Calculate the value of the diagonal element of the matrix W n according to
Using these calculation results, the matrix to calculate the diagonal elements of S ', the power estimation target azimuth theta 1, ..., the power of the incoming wave coming from θ M P (θ 1), ..., P ( The signal processing apparatus according to claim 1, wherein θ M ) is estimated.
前記パワー推定手段は、
前記アレー応答行列Vを、V=[a(θ1),…,a(θM)]として、式
Figure 0005192463
に従い、前記各到来方位θ1,…,θMから到来した到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定すること(但し、w[m,j]は、行列Wにおける第m行第j列の要素の値を表し、wn[m]は、行列Wnにおける第m行第m列の要素の値を表す。)
を特徴とする請求項2記載の信号処理装置。
The power estimation means includes
Assuming that the array response matrix V is V = [a (θ 1 ),..., A (θ M )], the equation
Figure 0005192463
According, each arrival direction theta 1, ..., power P of the incoming wave coming from θ M (θ 1), ... , to estimate P (θ M) (where, w [m, j] is the matrix W Represents the value of the element in the m-th row and j-th column, and w n [m] represents the value of the element in the m-th row and m-th column in the matrix W n .)
The signal processing apparatus according to claim 2.
アレーアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号に基づき、前記アレーアンテナが受信した到来波のパワーを推定して、レーダ波が物標に反射して生じた到来波の方位である前記物標の方位を推定する請求項1〜請求項3のいずれかに記載の信号処理装置であって、
前記分析手段は、前記自己相関行列Rxxの固有値λ1,…,λK及び固有ベクトルe1,…,eK群を、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMと、雑音空間の固有値λM*1,…,λK及び固有ベクトルeM+1,…,eKと、に分離して、信号空間の固有値λ1,…,λM及び固有ベクトルe1,…,eMを抽出すると共に、これら固有ベクトルe1,…,eK群に基づき、到来波の到来方位θ1,…,θMを推定する構成にされ、
前記パワー推定手段は、前記自己相関行列Rxxと、前記分析手段により推定された各到来方位θ1,…,θMのアレー応答ベクトルと、に基づき、前記分析手段により推定された各到来方位θ1,…,θMから到来した前記到来波のパワーP(θ1),…,P(θM)を推定する構成にされ、
更に、当該信号処理装置は、
前記パワー推定手段により推定された前記パワーP(θ1),…,P(θM)に基づき、前記各到来方位θ1,…,θMの内、パワーが閾値以上の方位を、前記物標の方位と推定する物標方位推定手段
を備えることを特徴とする信号処理装置。
Based on the received signal of each antenna element that constitutes the array antenna, the power of the incoming wave received by the array antenna is estimated, and the direction of the incoming wave that is the direction of the incoming wave that is generated when the radar wave is reflected on the target. The signal processing device according to any one of claims 1 to 3, wherein the direction is estimated.
The analyzing means uses eigenvalues λ 1 ,..., Λ K and eigenvectors e 1 ,..., E K of the autocorrelation matrix Rxx, eigenvalues λ 1 ,..., Λ M and eigenvectors e 1 ,. and M, the eigenvalues λ M * 1 of the noise space, ..., λ K and eigenvectors e M + 1, ..., is separated into, and e K, the eigenvalues λ 1 of the signal space, ..., λ M and eigenvectors e 1, ... extracts the e M, these eigenvectors e 1, ..., based on the e K group, arrival direction theta 1 of the incoming waves, ..., is in the configuration of estimating the theta M,
The power estimation unit is configured to determine each arrival direction θ estimated by the analysis unit based on the autocorrelation matrix Rxx and the array response vector of each arrival direction θ 1 ,..., Θ M estimated by the analysis unit. 1, ..., power P of the incoming wave coming from theta M (theta 1), ..., is in the configuration of estimating P (theta M),
Furthermore, the signal processing device
Wherein said estimated by power estimating unit power P (θ 1), ..., based on P (θ M), each arrival direction theta 1, ..., among theta M, the power is equal to or larger than the threshold azimuth, the product A signal processing apparatus comprising target direction estimation means for estimating a target direction.
前記分析手段は、MUSIC法又はESPRIT法により前記到来波の到来方位θ1,…,θMを推定することを特徴とする請求項4記載の信号処理装置。 5. The signal processing apparatus according to claim 4, wherein the analysis unit estimates arrival directions θ 1 ,..., Θ M of the incoming wave by a MUSIC method or an ESPRIT method.
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