CN112136057B - 到达波数推定装置及到达波数到达方向推定装置 - Google Patents

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Abstract

子阵列空间平均部(102)将阵列天线(101)的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均。特征值展开部(103)对空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开。波数推定部(104)通过对由特征值展开部(103)求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数。

Description

到达波数推定装置及到达波数到达方向推定装置
技术领域
本发明涉及接收从多个发送源放射出的电波、光、声波等信号并推定发送源的数目(到达波数)的到达波数推定装置、以及推定到达波数和到达方向的到达波数到达方向推定装置。
背景技术
在以防止碰撞或自动驾驶等为目的的车载搭载型雷达中，从发送天线放射出的电波碰上前方的车辆、人、障碍物等目标物，从它们反射出的电波混在一起并到达多个接收天线。
在车载搭载型雷达中，作为发送信号，一般使用FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave：调频连续波)方式或者快速线性频率调制(Fast Chirp)方式等。在这些方式中，作为到达波数到达方向推定装置，一般构成为在用发送信号对到达接收天线的接收信号进行混合之后，进行FFT(Fast Fourier Transform：快速傅里叶变换)处理，得到差拍频谱，在该频谱上进行检测处理，检测峰值，并对多个天线的这些峰值进行到达方向推定处理，来推定电波源的到达方向。
在这种到达波数到达方向推定装置中，当彼此的电波源的相对距离和相对速度大于FFT的分辨率时，可以在差拍频谱上进行分离并推定。然而，当彼此的电波源的相对距离和相对速度小于FFT的分辨率时，来自这些电波源的信号作为一个峰值被输入至到达方向推定处理。在这种情况下，各电波源的信号彼此是高相关的。
作为分离高相关的信号来推定到达方向的方法，存在空间平均型的高分辨率到达方向推定法(例如，参照非专利文献1)，该空间平均型的高分辨率到达方向推定法是将多个相似形的子阵列组合而构成阵列天线，在这些子阵列间进行空间平均后，应用高分辨率到达方向推定法(MUSIC(MUltiple Signal Classification：多信号分类)、ESPRIT(Estimation Signal Parameters via Rotational Invariance Technique：基于旋转不变性技术的信号参数推定)等部分空间法)。在该方法中，对进行了空间平均的子阵列相关矩阵进行特征值展开，并根据该特征值的分布推定到达波数。然后，在分离为由与推定出的到达波的特征值相当的特征向量所构成的信号部分空间以及由与除此以外的特征值相当的特征向量所构成的噪声部分空间之后，应用高分辨率到达方向推定法。
现有技术文献
[非专利文献]
[非专利文献1]
山田宽喜，“高分辨率到达波推定法的基础与实际”，第33次天线传播的设计分析研讨会，2006
发明内容
发明所要解决的技术问题
现有的到达波数到达方向推定装置如上所述那样构成，通过进行空间平均来抑制多个波之间的相关性，理想情况下，子阵列相关矩阵的特征值比相当于噪声功率的噪声特征值突出相当于到达波数的量，可以推定到达波数。然而，其相关抑制的效果根据相似形子阵列的提取方法、到达方向等而不同，存在难以准确地推定到达波数的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能高精度地推定到达波数的到达波数推定装置。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的到达波数推定装置包括：阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；子阵列空间平均部，该子阵列空间平均部将阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；特征值展开部，该特征值展开部对由子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；以及波数推定部，该波数推定部通过对由特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数。
发明效果
本发明的到达波数推定装置通过对由特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数。由此，能高精度地推定到达波数。
附图说明
图1是本发明实施方式1所涉及的到达波数推定装置结构图。
图2是本发明实施方式1所涉及的到达波数推定装置的硬件结构图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的到达波数推定装置的动作的流程图。
图4A～4C是本发明实施方式1所涉及的到达波数推定装置的子阵列分割过程的说明图。
图5是关于本发明实施方式1所涉及的到达波数推定装置的特征值的整合的说明图。
图6是本发明实施方式2所涉及的到达波数推定装置的结构图。
图7是表示本发明实施方式2所涉及的到达波数推定装置的动作的流程图。
图8A和图8B是表示实施方式2所涉及的到达波数推定装置的第二子阵列空间平均部的子阵列分割例的说明图。
图9是本发明实施方式3所涉及的到达波数到达方向推定装置的结构图。
图10是表示本发明实施方式3所涉及的到达波数到达方向推定装置的动作的流程图。
图11是表示方位角θ和仰角Φ的说明图。
图12是表示本发明实施方式3所涉及的到达波数到达方向推定装置的第一到达方向推定部的动作的流程图。
图13是本发明实施方式4所涉及的到达波数到达方向推定装置的结构图。
图14是表示本发明实施方式4所涉及的到达波数到达方向推定装置的动作的流程图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。
另外，在下面的实施方式中，主要假设应用于以防止碰撞或自动驾驶等为目的的车载搭载型雷达来说明到达波数推定装置和到达波数到达方向推定装置，但是本发明不仅可以应用于车载搭载型雷达，还可以应用于飞机监视雷达、气象雷达。此外，还可以应用于干扰电波接收装置、卫星通信用装置等接收装置。
实施方式1
图1是本实施方式所涉及的到达波数推定装置的结构图。
图1所示的到达波数推定装置包括阵列天线101、子阵列空间平均部102、特征值展开部103和波数推定部104。
阵列天线101是包括多个单元天线的阵列天线，具有接收来自电波源的信号的功能。另外，阵列天线101的接收信号如实施方式4中所说明的那样，进行信号放大、频率转换(或者与发送信号的混合)、频带限制、A/D转换，以转换为数字信号。车载搭载型雷达中，一般构成为接收信号与发送信号进行混合，转换成具有较低差拍频率(beat frequency)的差拍信号，然后进行频带限制和A/D转换。作为发送信号，这里假设是频率与时间成比例地增加的线性频率调制(chirp modulation)波形，但除此以外也存在例如脉冲状的调制波形、相位随时间一起变化的相位编码调制波形、以及作为连续波的CW信号的频率随时间一起变化的频率调制波形等。
子阵列空间平均部102是如下功能部：将阵列天线101的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均。特征值展开部103是如下功能部：对由子阵列空间平均部102求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开。波数推定部104是如下功能部：通过对由特征值展开部103求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数。
图2是构成到达波数推定装置中的子阵列空间平均部102～波数推定部104的硬件结构图。图示的硬件包括CPU1、存储器2、输入输出I/F3、储存器4和总线5。CPU1是执行与子阵列空间平均部102～波数推定部104相对应的程序并实现这些功能部的运算部。存储器2是存储各种数据并构成CPU1的工作区域的RAM等存储部。输入输出I/F3是用于输入来自阵列天线101的接收信号并输出由波数推定部104推定出的波数的接口。储存器4是用于存储与子阵列空间平均部102～波数推定部104相对应的程序的存储部。总线5是用于将这些CPU1～储存器4相互连接的通信路径。
接着，使用图3的流程图对实施方式1的到达波数推定装置的动作进行说明。
阵列天线101利用多个单元天线接收来自电波源的信号，并将其作为数字信号输出(步骤ST101)。接着，子阵列空间平均部102将阵列天线101的接收信号按照多个不同形状的子阵列进行分割，并进行接收信号相关矩阵的空间平均处理(步骤ST102)。图4是子阵列分割过程的说明图。在图4中，假设阵列天线101是由4×4＝16个单元的天线形成的二维阵列。
考虑从阵列天线101提取由两个单元的天线形成的多个子阵列。在这种情况下，如图4A中的b1～b15所示，可以提取总共N＝15个不同的子阵列。在着眼于其中的一个子阵列、例如b1的情况下，如图4B所示，由于可以获得M＝12个相似形的子阵列，所以可以对b1进行12次空间平均处理。第n个子阵列中的空间平均后的相关矩阵可以表示为如下式(1)、(2)所示那样。
另外，在着眼于b2的情况下，如图4C所示，可以执行8次空间平均处理。
Figure GDA0002755789200000061
Figure GDA0002755789200000062
此处，上标(n)表示多个不同子阵列的索引，上标(m)表示各子阵列的相似形的子阵列的索引，x＾(n，m)表示第n个子阵列中的第m个相似形子阵列的接收信号向量，k＾(n，m)和l＾(n，m)表示构成子阵列的单元天线的索引，M＾(n)表示第n子阵列中的空间平均次数(相似形的子阵列的数目)。x＾H表示向量x的厄米特转置。
为了进行进一步的相关抑制，如下式(3)所示，例如可以获得对空间平均后相关矩阵实施了非专利文献1所示的前向(Forward)/后向(Backward)平均(F/B平均)的改良型空间平均后的相关矩阵。
Figure GDA0002755789200000063
此处，x＾(＊)表示x的复共轭，J是由下式(4)表示的交换矩阵。
Figure GDA0002755789200000064
此外，为了减少运算量，可以实施下式(5)所示的酉变换，以将相关矩阵变为实数。
Figure GDA0002755789200000071
此处，Re{x}表示x的实部，Q表示由下式(6)表示的酉变换矩阵。
Figure GDA0002755789200000072
如上所述，通过执行酉变换，相关抑制效果与F/B平均值相同，并且，由于可以将复信号转换为实信号，因此具有可以减少特征值展开的运算量的优点。另外，为了进行上述F/B平均和酉变换，子阵列需要是点对称的。
特征值展开部103中，对由子阵列空间平均部102获得的相关矩阵Rxx＾(bar)＾(n)进行特征值展开(步骤ST103)。波数推定部104对由特征值展开部103求出的特征值进行整合，进行波数推定(步骤ST104)，并输出所求出的波数(步骤ST105)。
如非专利文献1所记载的那样，基于两个目标的情况下的空间平均的相关抑制效果依赖于空间平均次数M＾(n)、子阵列内的单元间隔Δd，随着两个目标的角度差的增大，以Sinc函数的方式振动并减少。即，相关抑制效果依赖于子阵列n的形状、两个目标的角度而不同，其结果是，计算出的特征值大幅变化。由于目标角度在处理前是未知的，所以最佳子阵列形状是未知的。因此，求出多个不同的N个子阵列的所有特征值，并将其整合以准确地推定到达波数。在图5中示出关于该特征值的整合的说明图。
在图5中，第n个子阵列的特征值表示为λk＾(n)(k＝1、2)。由于子阵列内的单元数设为两个单元以便于说明，因此可以求出相关矩阵的特征值展开后的两个特征值。作为波数推定部104中的特征值的整合方法，考虑如下式(7)所示那样，对N个子阵列上的所有特征值进行平均。
Figure GDA0002755789200000073
这里，w＾(n)是权重，例如，可以如下式(8)所示那样进行设定。
Figure GDA0002755789200000074
如果在单元天线之间噪声不相关，则降噪效果与空间平均次数M＾(n)的平方根成正比，因此空间平均次数越大，降噪效果越大。因此，空间平均次数M＾(n)越大赋予越大的权重来对特征值进行平均，由此能对降噪效果较小的特征值应用较小的权重，可以减小该特征值的贡献。此外，也可以简单地去除空间平均次数较小的特征值，并对其进行平均。
对于以这种方式计算出的特征值λk＾(波浪号)＾(n)，设置某一阈值并将超过阈值的特征值作为信号，从而可以确定到达波数。阈值可以设定为相对于最小特征值(第二特征值)相当于目标检测后的SNR(Signal to Noise Ratio：信噪比)。当1目标、子阵列元件数为2时，最小特征值相当于噪声功率，目标的特征值相当于信号功率+噪声功率。此外，可以构成为进行特征值的相加平均、相乘平均来设定阈值。或者，也可以根据AIC(AkaikeInformation Criteria：赤池信息标准)、MDL(Minimum Description Length：最小描述长度)等信息量基准来确定到达波数。
在上述示例中，考虑了对多个不同子阵列的特征值进行加权平均，但是由于进行平均操作，具有高相关抑制效果的子阵列的特征值受到具有低相关抑制效果的子阵列的影响，存在不能发挥出充分的相关抑制效果的情况。因而，如下式(9)所示，对于所有子阵列n，求出第一特征值和第二特征值的比值，并计算该比值的最小值α_(1，2)。
Figure GDA0002755789200000081
此处，min_(n)表示针对子阵列n进行最小化。将α_(1，2)与某一阈值α_th(1，2)进行比较，当α_(1，2)为阈值以下时，到达波数为1，当α_(1，2)为阈值以上时，可以判断为2个波以上。虽然已经说明了子阵列的单元数为2的情况，但是当子阵列单元数为3以上时，也同样地如下式(10)所示那样计算α_(2，3)，并将其与阈值α_th(2，3)进行比较，并能在为阈值以上时推定为到达波数为2个波，在为阈值以下时推定为到达波数为3个波。
Figure GDA0002755789200000091
阈值α_th(1，2)、α_th(2，3)例如可以考虑设定为与目标检测时的SNR(Signal toNoise Ratio：信噪比)相同程度的值。如图5所示，当到达波数为1时，特征值λ1为目标信号功率Ps1+噪声功率σN，特征值λ2为噪声功率σN，因此λ1与λ2的比值理想上相当于SNR。即使当到达波数为2个波时，由于理想上第二特征值与第三特征值的比值相当于SNR，因此对于α_th(2，3)，也可以设定相当于SNR的阈值。即使在子阵列单元数为4以上时，也可以同样地计算特征值之比并设定阈值。另外，这些阈值也可以通过数值仿真或事先实验等来设定。
另外，通过将上述式(9)和式(10)之比的分母和分子进行替换，从而可以求出第一特征值与第二特征值之比的最大值，并可以将该最大值与阈值进行比较。
如以上说明的那样，根据实施方式1的到达波数推定装置，其包括：阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；子阵列空间平均部，该子阵列空间平均部将阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；特征值展开部，该特征值展开部对由子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；以及波数推定部，该波数推定部通过对由特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数，因此，可以高精度地推定到达波数，而不依赖于作为目标的电波源的角度、子阵列的形状。
此外，根据实施方式1的到达波数推定装置，波数推定部根据对多个不同形状的子阵列各自的特征值进行加权平均后得到的特征值分布来推定波数，因此可以更高精度地推定到达波数。
此外，根据实施方式1的到达波数推定装置，波数推定部求出多个不同形状的子阵列各自的特征值在每个单元天线间的比值，之后针对每个子阵列比较这些比值，将最小或最大的值与阈值进行比较来推定波数，因此可以更高精度地推定到达波数。
实施方式2
在实施方式1中，构成为进行与多个不同形状的子阵列相关的相关矩阵的空间平均，对空间平均之后的相关矩阵的所有特征值进行整合，由此来推定波数，因此，在存在多个不同形状的子阵列的情况下，需要对应量的特征值展开，因而有时运算量大幅增加。因此，在实施方式2中，设置第二子阵列空间平均部和第二波数推定部，在由第一波数推定部推定出的波数超过了阈值时，使用子阵列内单元数多于第一子阵列空间平均部的另一子阵列来进行空间平均和特征值展开，并再次进行波数推定。
图6是实施方式2的到达波数推定装置的结构图。实施方式2的到达波数推定装置包括阵列天线201、第一子阵列空间平均部202、第一特征值展开部203、第一波数推定部204、波数判定部205、第二子阵列空间平均部206、第二特征值展开部207及第二波数推定部208。
阵列天线201与实施方式1的阵列天线101的结构相同。此外，第一子阵列空间平均部202～第一波数推定部204的基本结构与实施方式1的子阵列空间平均部102～波数推定部104的基本结构相同，但是1个子阵列内的单元数被设定为2或3。波数判定部205是判定由第一波数推定部204推定出的到达波数是否超过了所设定的阈值的功能部。第二子阵列空间平均部206是如下功能部：在波数判定部205中到达波数超过了阈值时，分割为单元数比由第一子阵列空间平均部202分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均。第二特征值展开部207是进行由第二子阵列空间平均部206求出的相关矩阵的特征值展开的功能部。第二波数推定部208是通过对由第二特征值展开部207求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数的功能部。
即，在实施方式2的到达波数推定装置中，第一子阵列空间平均部202将每1个子阵列的单元数设定为2或3，以减少运算量。在这种情况下，当到达波数相对于1个子阵列内的单元数增加时，无法进行准确的波数推定。因此，设置第二子阵列空间平均部206和第二波数推定部208，在由第一波数推定部204推定出的波数超过了阈值时，通过使用子阵列内单元数多于第一子阵列空间平均部202的另一子阵列来进行空间平均和特征值展开，并再次进行波数推定。通过设为这种结构，在波数少于第一子阵列空间平均部202的子阵列内的单元数时，可以利用第一波数推定部204进行更为准确的波数推定，此外，在波数多于子阵列内的单元数时，可以利用第二波数推定部208来进行波数推定。
当进行波数推定的次数较多、且实际的到达波数为2或3以下时，实施方式2的效果变大。例如，在进行100次的波数推定的情况下，在一半的50次中到达波数为1时，50次利用第一波数推定部204来进行波数推定，剩余的50次是利用第二波数推定部208来进行波数推定。因此，与利用第二波数推定部208进行所有100次的波数推定的情况相比，也可以减少整个波数推定处理的运算量。这是由于在波数推定时的运算量中，特征值展开的运算量占主导地位。
以下，使用图7的流程图对实施方式2的到达波数推定装置的动作进行说明。
在步骤ST201中，与步骤ST101同样地，阵列天线201接收来自电波源的信号。接着，在第一子阵列空间平均部202中，在实施方式1的子阵列空间平均部102的处理中，进行将1个子阵列内的单元数设定为2或3时的处理(步骤ST202)。由此，第一特征值展开部203对由第一子阵列空间平均部202求出的空间平均之后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开(步骤ST203)，第一波数推定部204通过对由第一特征值展开部203求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来进行波数推定(步骤ST204)。即，第一波数推定部204在实施方式1的波数推定部104中，进行1个子阵列内的单元数为2或3时的处理。
波数判定部205中，将由第一波数推定部204推定出的波数与预先设定的阈值进行比较，若为阈值以下(步骤ST205-是)，则原样输出推定出的波数(步骤ST206)，若超过阈值(步骤ST205-否)，则转移至第二子阵列空间平均部206的处理(步骤ST207)。对于该波数判定的阈值，例如，假设第一子阵列空间平均部202中的子阵列内单元数为M1，并将M1设定为阈值。如上所述，这是因为对于由第一波数推定单元204推定的波数，特征值的数目是极限，因此无法准确地推定超过M1的到达波数。
在第二子阵列空间平均部206中，利用由比第一子阵列空间平均部202的子阵列内单元数要大的单元数形成的子阵列来进行空间平均(步骤ST207)。与第一子阵列空间平均部202同样地，可以构成为进行多个不同形状的子阵列的空间平均，也可以构成为进行一个形状的子阵列的平均。图8A和图8B示出了第二子阵列空间平均部206中的子阵列分割的示例。在该示例中，对4个单元的子阵列进行空间平均。图8A是图中横向上的4个单元的示例，图8B是图中纵向上的4个单元的示例。可以提取两个子阵列形状，并且可以分别进行6次空间平均。另外，与实施方式1的子阵列空间平均部102同样地，也可以进行前向(Forward)/后向(Backward)平均、酉变换。
第二特征值展开部207中，进行由第二子阵列空间平均部206进行平均得到的相关矩阵的特征值展开(步骤ST208)。第二波数推定部208中，基于由第二特征值展开部207计算出的特征值来进行波数推定(步骤ST209)。波数推定的方法与实施方式1的波数推定部104相同，因此省略这里的说明。将由第二波数推定部208推定出的波数作为最终波数来输出(步骤ST206)。
由此，在实施方式2中，构成为当实际到达波数较少时，利用第一波数推定部204推定波数，当实际到达波数较多时，利用第二波数推定部208推定波数，从而可以减少波数推定的整个处理的运算量。
如以上说明的那样，根据实施方式2的到达波数推定装置，其包括：阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部将阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由第一子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；波数判定部，该波数判定部判定由第一波数推定部推定出的到达波数是否超过了设定的阈值；第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在波数判定部中到达波数超过了阈值时，分割为单元数比由第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；以及第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数，在波数判定部的判定中，当到达波数为阈值以下时，输出由第一波数推定部推定出的到达波数，因此，可以减少波数推定的整个处理的运算量。
实施方式3
实施方式3是在到达波数的基础上还推定到达方向的到达波数到达方向推定装置的示例。
图9是表示实施方式3的到达波数到达方向推定装置的结构图。
图示的到达波数到达方向推定装置包括阵列天线301、第一子阵列空间平均部302、第一特征值展开部303、第一波数推定部304、波数判定部305、第一到达方向推定部306、第二子阵列空间平均部307、第二特征值展开部308、第二波数推定部309及第二到达方向推定部310。
这里，阵列天线301～波数判定部305与实施方式2的阵列天线201～波数判定部205相同。此外，第二子阵列空间平均部307～第二波数推定部309与实施方式2的第二子阵列空间平均部206～第二波数推定部208相同。因此，对于这些结构省略此处的说明。
第一到达方向推定部306是利用第一波数推定部304的波数推定结果来推定到达方向的功能部。此外，第二到达方向推定部310是利用第二波数推定部309的波数推定结果来推定到达方向的功能部。
以下，使用图10的流程图对实施方式3的到达波数到达方向推定装置的动作进行说明。这里，步骤ST301～步骤ST305与实施方式2的步骤ST201～步骤ST205相同，因此省略此处的说明。在步骤ST305中，当波数判定部305判定为阈值以下时(步骤ST305-是)，第一到达方向推定部306利用由第一波数推定部304获得的波数推定结果来推定到达方向(步骤ST306)。此外，当由第一到达方向推定部306推定到达方向时，将该到达方向推定值和由第一波数推定部304获得的波数推定值一起输出(步骤ST307)。
作为第一到达方向推定部306的动作，首先，考虑利用在x轴方向上排列的子阵列来推定方位角θ。图11中示出方位角θ和仰角Φ。此外，图12是表示第一到达方向推定部306的动作的流程图。
当由第一波数推定部304推定的波数为1时，第一到达方向推定部306可以根据由第一特征值展开部303获得的特征向量，如式(11)和式(12)所示那样地推定到达方向。假设与第n个子阵列的最大特征值相对应的特征向量的元素为e1＾(n)和e2＾(n)，则可以如下那样地推定与第n个子阵列相对应的到达方向θ＾(n)。
Figure GDA0002755789200000141
这里，为
Figure GDA0002755789200000151
，λ表示发送信号的波长，dx＾(n)表示第n个子阵列的单元间隔，arg(x)表示计算x的相位角，x＾T表示矩阵和向量的转置。
众所周知，当单元间隔d＾(n)为λ/2以下时，推定出的θ＾(n)在±90°范围内没有模糊，从而可以正确地推定到来方向。然而，当d＾(n)为λ/2以上时，存在被称为角度模糊的不确定性。另一方面，当单元间隔d＾(n)较长时，到达方向的推定精度提高。因此，如图12中的步骤ST321所示，考虑通过从单元间隔最短的第n＝1个子阵列的特征向量求出的到达方向推定值θ＾(1)开始逐渐消除角度模糊，从而无模糊且高精度地推定到达方向。这里，设d＾(1)为λ/2以下。接下来设第2个子阵列的单元间隔d＾(2)为λ/2以上。在这种情况下，从特征向量求出的相位角Φ＾(n)产生2π的整数倍的不确定性。因此，如下式(13)所示，通过考虑2π的不确定性来准备多个到达方向推定值。
Figure GDA0002755789200000152
上式中的K可以定义为例如d＾(2)/d＾(1)以上的整数。在这样求出的θ＾(2、k)中求出最接近θ＾(1)的值，从而可以去除模糊，获得高精度地求出的到达方向推定值θ＾(2)。通过对多个子阵列重复以上处理，从而可以实现高精度地推定到达方向。
仰角Φ也可以通过利用y方向上的阵列，如以下的式(14)所示那样来求出。
Figure GDA0002755789200000153
通过采用这样的构成，可以与方位角θ的操作同样地去除仰角Φ的角度模糊。
第一到达方向推定部306通过对子阵列n＝1、……N的阵列进行上述处理来获得到达方向推定值。如下式(15)所示，通过对所获得的到达方向推定值θ＾(n)进行平均(图12中的步骤ST322)，从而可以进一步提高精度。
Figure GDA0002755789200000161
这里，a＾(n)是权重，例如，可以如下式(16)所示那样来确定。
Figure GDA0002755789200000162
这是因为已知到达方向推定精度与单元间隔d＾(n)成反比、与相关矩阵的空间平均次数M＾(n)的平方根成反比(例如参照非专利文献1)。
通过采用这样的结构，第一到达方向推定部306能够高精度地求出到达方向推定值，而没有角度模糊。
在图10的流程图中，在波数判定部305的判定中到达波数超过阈值时(步骤ST305－否)，进行从步骤ST308～步骤ST311的处理。这里，步骤ST308～步骤ST310与实施方式2的步骤ST207～步骤ST209相同，因此省略其说明。接着，第二到达方向推定部310利用由第二特征值展开部308和第二波数推定部309求出的特征向量，通过MUSIC、ESPRIT等部分空间法(高分辨率到达方向推定法)来推定到达方向(步骤ST311)。对于该处理，例如在文献：H.Krim，M.Viberg，“Two Decades of Array Signal Processing Research(阵列信号处理研究二十年)”，IEEE Signal Processing Magazine(IEEE信号处理杂志)，vol.13，no.4，pp.67-94，July(7月)1996中也进行了记载，因此省略此处的说明。
若在步骤ST311中获得由第二到达方向推定部310得到的到达方向推定值，则将其与在步骤ST310中获得的由第二波数推定部309得到的波数推定值一起输出(步骤ST307)。
另外，在上述示例中，构成为利用实施方式2的到达波数推定装置的到达波数推定结果来推定到达方向，但也可以构成为利用实施方式1的到达波数推定装置的到达波数推定结果来推定到达方向。
如以上说明的那样，根据实施方式3的到达波数到达方向推定装置，其包括：阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部将阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由第一子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；波数判定部，该波数判定部判定由第一波数推定部推定出的到达波数是否超过了设定的阈值；第一到达方向推定部，该第一到达方向推定部在波数判定部中到达波数为阈值以下时，利用由第一波数推定部求出的到达波数的推定值来推定到达方向；第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在波数判定部中到达波数超过了阈值时，分割为单元数比由第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数；以及第二到达方向推定部，该第二到达方向推定部基于由第二波数推定部求出的到达波数的推定值，利用高分辨率到达方向推定法来推定到达方向，因此，可以高精度地推定到达波数和到达方向，并且可以减少到达波数和到达方向推定的整个处理的运算量。
此外，根据实施方式3的到达波数到达方向推定装置，第一到达方向推定部基于由第一特征值展开部求出的特征向量来推定到达方向，因此可以高精度地推定到达方向。
此外，根据实施方式3的到达波数到达方向推定装置，第二到达方向推定部利用由第二特征值展开部求出的特征向量和由第二波数推定部求出的特征向量，应用高分辨率到达方向推定法来推定到达方向，因此可以更高精度地推定到达方向。
此外，根据实施方式3的到达波数到达方向推定装置，第一到达方向推定部基于由第一特征值展开部求出的特征向量，从单元间隔较短的子阵列起依次推定到达方向，并且利用推定出的到达方向来去除单元间隔较长的子阵列的角度模糊，最终推定到达方向，因此可以无角度模糊且高精度地推定到达方向。
此外，根据实施方式3的到达波数到达方向推定装置，第一到达方向推定部基于由第一特征值展开部求出的特征向量，根据多个子阵列的特征向量推定到达方向，以空间平均次数和单元间隔对这些到达方向推定值进行加权之后进行平均，来自获得最终的到达方向推定值，因此可以无角度模糊且高精度地推定到达方向。
实施方式4
实施方式4是作为雷达进行动作时的到达波数到达方向推定装置的示例。这里以车载搭载型雷达为例进行说明，但也适用于其它雷达。图13中示出实施方式4的到达波数到达方向推定装置的结构。
图13所示的到达波数到达方向推定装置包括阵列天线401、频率转换部402、差拍频谱计算部403、第一子阵列空间平均部404、第一特征值展开部405、第一波数推定部406、波数判定部407、第一到达方向推定部408、第二子阵列空间平均部409、第二特征值展开部410、第二波数推定部411、第二到达方向推定部412、发送天线413及基准信号产生部414。此处，第一子阵列空间平均部404～第二到达方向推定部412与实施方式3的第一子阵列空间平均部302～第二到达方向推定部310的结构相同，因此，省略此处的说明。
基准信号产生部414是生成线性频率调制信号或脉冲信号以作为基准信号的功能部。发送天线413是将由基准信号产生部414产生的基准信号放射到空中的天线。频率转换部402是将由基准信号产生部414产生的基准信号和由阵列天线401接收的信号进行混合而获得差拍信号的功能部。差拍频谱计算部403是通过对由频率转换部402获得的差拍信号进行傅里叶变换来获得差拍频谱的功能部。
接着，使用图14的流程图对实施方式4的到达波数到达方向推定装置的动作进行说明。
基准信号产生部414生成线性调频(线性频率调制)信号或脉冲化的线性调频信号以作为基准信号，并在通过未图示的滤波器和放大器后发送到发送天线413(步骤ST401)。发送天线413将从基准信号产生部414发送来的基准信号作为电波沿目标方向放射(步骤ST402)。阵列天线401接收撞击目标而反射的基准信号，并进行放大和频带限制等处理(步骤ST403)。频率转换部402中，将由基准信号产生部414产生的基准信号和从阵列天线401发送来的接收信号进行混合而获得差拍信号(步骤ST404)。差拍频谱计算部403进行差拍信号的傅里叶变换，以获得差拍频谱(步骤ST405)。
对差拍频谱计算部403所进行的步骤ST405的处理进行说明。在FMCW雷达的情况下，对由频率转换部402获得的每个接收天线或每个子阵列的差拍信号进行FFT，并将其与预先设定的噪声阈值进行比较。或者进行CFAR(Constant False Alarm Rate：恒虚警率)处理，以检测目标信号峰值。将由每个天线或每个子阵列检测到的多个峰值的复信号发送到第一子阵列空间平均部404。此时，可以构成为将目标候补的峰值的功率与峰值周围的功率进行比较，并将比较得到的值作为检测时的SNR来计算。
当基准信号是脉冲化的线性调频信号(也称为Fast Chirp)时，通过对差拍信号构建脉冲重复周期内(Fast time)和脉冲重复周期间(Slow time)的二维阵列，并在Fasttime方向和Slow time方向上分别进行FFT，从而获得二维(相对速度和距离)的差拍频谱。通过对所获得的差拍频谱在二维上扩张并进行与FMCW同样的处理，从而获得多个目标信号的峰值。之后的处理与上述FMCW的情况相同。
第一子阵列空间平均部404利用由差拍频谱计算部403获得的差拍频谱，将阵列天线401分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并进行空间平均(步骤ST406)。第一特征值展开部405进行特征值展开(步骤ST407)，第一波数推定部406对所求出的特征值进行整合并推定波数(步骤ST408)。此处，第一波数推定部406可以构成为基于由差拍频谱计算部403求出的检测SNR，来设定实施方式1所示的波数推定部104中的阈值α_th。例如，检测时的SNR的值可以按原样设为α_th。之后的步骤ST409～ST415与实施方式3中的步骤ST305～ST311相同，因此省略此处的说明。
如以上说明的那样，根据实施方式4的到达波数到达方向推定装置，其包括：基准信号产生部，该基准信号产生部生成线性频率调制信号或脉冲信号以作为基准信号；发送天线，该发送天线向空中放射基准信号；阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从发送天线放射出的基准信号反射到作为目标的电波源后的信号；频率转换部，该频率转换部将基准信号和由阵列天线接收到的信号进行混合以获得差拍信号；差拍频谱计算部，该差拍频谱计算部通过对由频率转换部获得的差拍信号进行傅里叶变换来获得差拍频谱；第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部利用差拍频谱，将阵列天线分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并进行空间平均；第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由第一子阵列空间平均部求出的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；波数判定部，该波数判定部判定由第一波数推定部推定处的波数是否超过了设定的阈值；第一到达方向推定部，该第一到达方向推定部在波数判定部中波数未超过阈值时，推定到达方向；第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在波数判定部中波数超过了所述阈值时，分割为单元数比由第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数；以及第二到达方向推定部，该第二到达方向推定部基于由第二波数推定部求出的到达波数，利用高分辨率方法来推定到达方向，因此，在作为雷达进行动作时，也可以高精度地推定到达波数和到达方向。
另外，在上述各实施方式中，说明了适用于以防止碰撞或自动驾驶等为目的的车载搭载型雷达的示例，但不仅可以应用于车载搭载型雷达，还可以应用于飞机监视雷达、气象雷达。此外，还可以应用于干扰电波接收装置、卫星通信用装置等接收装置。
本发明申请可以在该发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或在各实施方式中省略任意的构成要素。
工业上的实用性
如以上那样，本发明所涉及的到达波数推定装置构成为对多个不同形状的子阵列进行空间平均，之后进行特征值展开，并将所求出的各子阵列的特征值进行整合来推定到达波数，其适用于车载搭载型雷达、飞机监视雷达、气象雷达。
标号说明
101，201，301，401 阵列天线、
102 子阵列空间平均部、
103 特征值展开部、
104 波数推定部、
202，302，404 第一子阵列空间平均部、
203，303，405 第一特征值展开部、
204，304，406 第一波数推定部、
205，305，407 波数判定部、
206，307，409 第二子阵列空间平均部、
207，308，410 第二特征值展开部、
208，309，411 第二波数推定部、
306，408 第一到达方向推定部、
310，412 第二到达方向推定部、
402 频率转换部、
403 差拍频谱计算部、
413 发送天线、
414 基准信号产生部。

Claims (10)

1.一种到达波数推定装置，其特征在于，包括：
阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；
子阵列空间平均部，该子阵列空间平均部将所述阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；
特征值展开部，该特征值展开部对由所述子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；以及
波数推定部，该波数推定部通过对由所述特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数。
2.如权利要求1所述的到达波数推定装置，其特征在于，
所述波数推定部根据对多个不同形状的子阵列各自的特征值进行加权平均之后的特征值分布来推定波数。
3.如权利要求1所述的到达波数推定装置，其特征在于，
所述波数推定部求出多个不同形状的子阵列各自的特征值在每个单元天线间的比值，之后针对每个子阵列比较这些比值，将最小或最大的值与阈值进行比较来推定波数。
4.一种到达波数推定装置，其特征在于，包括：
阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；
第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部将所述阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；
第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由所述第一子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；
第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由所述第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；
波数判定部，该波数判定部判定由所述第一波数推定部推定出的到达波数是否超过了设定的阈值；
第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在所述波数判定部中到达波数超过了所述阈值时，分割为单元数比由所述第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；
第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由所述第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；以及
第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由所述第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数，
在所述波数判定部的判定中到达波数为所述阈值以下时，输出由所述第一波数推定部推定出的到达波数。
5.一种到达波数到达方向推定装置，其特征在于，包括：
阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从作为目标的电波源放射出的信号；
第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部将所述阵列天线的接收信号分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并对这些相关矩阵进行空间平均；
第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由所述第一子阵列空间平均部求出的空间平均后的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；
第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由所述第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；
波数判定部，该波数判定部判定由所述第一波数推定部推定出的到达波数是否超过了设定的阈值；
第一到达方向推定部，该第一到达方向推定部在所述波数判定部中到达波数为所述阈值以下时，利用由所述第一波数推定部求出的到达波数的推定值来推定到达方向；
第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在所述波数判定部中到达波数超过了所述阈值时，分割为单元数比由所述第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；
第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由所述第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；
第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由所述第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数；以及
第二到达方向推定部，该第二到达方向推定部基于由所述第二波数推定部求出的到达波数的推定值，利用高分辨率到达方向推定法来推定到达方向。
6.如权利要求5所述的到达波数到达方向推定装置，其特征在于，
所述第一到达方向推定部基于由所述第一特征值展开部求出的特征向量来推定到达方向。
7.如权利要求5所述的到达波数到达方向推定装置，其特征在于，
所述第二到达方向推定部利用由所述第二特征值展开部求出的特征向量和由所述第二波数推定部求出的特征向量，应用高分辨率到达方向推定法来推定到达方向。
8.如权利要求5所述的到达波数到达方向推定装置，其特征在于，
所述第一到达方向推定部基于由所述第一特征值展开部求出的特征向量，从单元间隔较短的子阵列起依次推定到达方向，并利用推定出的到达方向来去除单元间隔较长的子阵列的角度模糊，最终推定到达方向。
9.如权利要求5所述的到达波数到达方向推定装置，其特征在于，
所述第一到达方向推定部基于由所述第一特征值展开部求出的特征向量，根据多个子阵列的特征向量推定到达方向，以空间平均次数和单元间隔对这些到达方向推定值进行加权之后进行平均来获得最终的到达方向推定值。
10.一种到达波数到达方向推定装置，其特征在于，包括：
基准信号产生部，该基准信号产生部生成线性频率调制信号或脉冲信号以作为基准信号；
发送天线，该发送天线向空中放射所述基准信号；
阵列天线，该阵列天线具有多个单元天线，接收从所述发送天线放射出的基准信号反射到作为目标的电波源后的信号；
频率转换部，该频率转换部将所述基准信号和由所述阵列天线接收到的信号进行混合以获得差拍信号；
差拍频谱计算部，该差拍频谱计算部通过对由所述频率转换部获得的差拍信号进行傅里叶变换来获得差拍频谱；
第一子阵列空间平均部，该第一子阵列空间平均部利用所述差拍频谱，将所述阵列天线分割为多个不同形状的子阵列，计算不同形状的每个子阵列的相关矩阵，并进行空间平均；
第一特征值展开部，该第一特征值展开部对由所述第一子阵列空间平均部求出的多个不同形状的子阵列各自的相关矩阵进行特征值展开；
第一波数推定部，该第一波数推定部通过对由所述第一特征值展开部求出的多个不同形状的子阵列各自的特征值进行整合来推定到达波数；
波数判定部，该波数判定部判定由所述第一波数推定部推定出的波数是否超过了设定的阈值；
第一到达方向推定部，该第一到达方向推定部在所述波数判定部中波数未超过所述阈值时，推定到达方向；
第二子阵列空间平均部，该第二子阵列空间平均部在所述波数判定部中波数超过了所述阈值时，分割为单元数比由所述第一子阵列空间平均部分割出的子阵列要多的子阵列来进行相关矩阵的空间平均；
第二特征值展开部，该第二特征值展开部进行由所述第二子阵列空间平均部求出的相关矩阵的特征值展开；
第二波数推定部，该第二波数推定部通过对由所述第二特征值展开部求出的多个子阵列的特征值进行整合来推定到达波数；以及
第二到达方向推定部，该第二到达方向推定部基于由所述第二波数推定部求出的到达波数，利用高分辨率方法来推定到达方向。
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