DE112018007575T5

DE112018007575T5 - Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung und Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung

Info

Publication number: DE112018007575T5
Application number: DE112018007575.3T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Oshima; Yuichi GODA; Nobuhiro Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2019215790A1; CN112136057B; JPWO2019215790A1; JP6821091B2; CN112136057A; US20210199757A1; US11754671B2

Abstract

Eine Untergruppen-Raummittelungseinheit (102) führt eine räumliche Mittelung von Korrelationsmatrizen durch, indem sie ein empfangenes Signal einer Gruppenantenne (101) in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen teilt und diese Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen berechnet. Eine Eigenwert-Expansionseinheit (103) führt nach der räumlichen Mittelung eine Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen durch. Eine Wellenanzahl-Schätzeinheit (104) schätzt eine Eingangswellenanzahl durch Integration von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit (103) erhalten werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung zum Empfangen von Signalen wie Funkwellen, Licht und Schallwellen, die von mehreren Sendequellen abgestrahlt werden, und zum Schätzen der Anzahl der Sendequellen (Eingangswellenanzahl), und eine Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung zum Schätzen der Eingangsanzahl und einer Eingangsrichtung.
Stand der Technik
In einem fahrzeugmontierten Radar zur Kollisionsvermeidung, zum autonomen Fahren oder ähnlichem werden die von einer Sendeantenne abgestrahlten Funkwellen, die auf ein Ziel wie ein vorausfahrendes Fahrzeug, eine Person oder ein Hindernis treffen und von diesen reflektiert werden, gemischt und erreichen eine Vielzahl von Empfangsantennen.
Im fahrzeugmontierten Radar wird als Sendesignal im Allgemeinen ein FMCW-System (Frequency Modulated Continuous Wave), ein Fast-Chirp-System oder ähnliches verwendet. In diesen Systemen hat eine Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung im Allgemeinen eine Konfiguration zum Schätzen von Eingangsrichtungen von Funkwellenquellen durch Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), nachdem empfangene Signale, die die Empfangsantennen erreichen, mit dem Sendesignal gemischt wurden, um ein Beatspektrum zu erhalten, Durchführen einer Detektionsverarbeitung auf diesem Spektrum, um Spitzenwerte zu detektieren, und Durchführen einer Eingangsrichtungs-Schätzverarbeitung auf diesen Spitzenwerten der Vielzahl von Antennen.
Wenn in einer solchen Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung die relativen Abstände und relativen Geschwindigkeiten der Funkwellenquellen größer als die Auflösung der FFT sind, können die Funkwellenquellen auf dem Beatspektrum getrennt und geschätzt werden. Wenn jedoch die relativen Abstände und Relativgeschwindigkeiten kleiner als die Auflösung der FFT sind, werden die Signale dieser Funkwellenquellen als ein Spitzenwert in die Verarbeitung der Eingangsrichtung-Schätzung eingegeben. In diesem Fall sind die Signale der jeweiligen Funkwellenquellen hoch miteinander korreliert.
Als Verfahren zur Trennung hochkorrelierter Signale und zur Schätzung der Eingangsrichtungen gibt es ein raummittelndes hochauflösendes Eingangsverfahren-Schätzverfahren, bei dem ein hochauflösendes Eingangsrichtung-Schätzverfahren (Subraumverfahren wie z.B. MUltiple Signal Classification (MUSIC), oder Schätzung von Signalparametern mittels der Technik der rotierenden Invarianz (ESPRIT)) angewendet wird, nachdem eine Array-Antenne durch Kombination mehrerer Subarrays mit ähnlichen Formen gebildet wurde und eine räumliche Mittelung unter diesen Subarrays durchgeführt wurde (siehe z.B. Nichtpatentliteratur 1). Bei diesem Verfahren wird die Eigenwerterweiterung an einer Subarray-Korrelationsmatrix durchgeführt, die einer räumlichen Mittelung unterzogen wird, und die Anzahl der eingehenden Wellen wird aus einer Verteilung der Eigenwerte der Subarray-Korrelationsmatrix geschätzt. Dann wird nach der Trennung in einen Signal-Unterraum, der Eigenvektoren umfasst, die den Eigenwerten der geschätzten eintreffenden Welle entsprechen, und einen Rausch-Unterraum, der Eigenvektoren umfasst, die anderen Eigenwerten entsprechen, das hochauflösende Eingangsverfahren-Schätzverfahren angewendet.
Zitatliste
Nichtpatentliteratur
Nichtpatentliteratur 1: Hiroyoshi Yamada, „Fundamental and practical aspects of high-resolution incoming wave estimation method“ 33rd Design Analysis Workshop on Antennas and Propagation, 2006
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Eine herkömmliche Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung wird wie oben beschrieben ausgebildet, und es wird eine räumliche Mittelwertbildung durchgeführt, wobei die Korrelation zwischen mehreren Wellen unterdrückt wird und im Idealfall die Eigenwerte der Unterfeld-Korrelationsmatrix die Rauscheigenwerte, die der Rauschleistung entsprechen, um den Betrag der Eingangswellenanzahl überholen und die Eingangswellenanzahl geschätzt werden kann. Dieser Korrelationsunterdrückungseffekt unterscheidet sich jedoch je nach Extraktionsverfahren der Unteranordnungen mit ähnlicher Form, den Eingangsrichtungen und ähnlichem, und es hat sich das Problem ergeben, dass eine genaue Schätzung der Eingangswellenanzahl schwierig ist.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebe Aufgabe zu lösen, und ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung bereitzustellen, die die Eingangswellenanzahl sehr genau schätzen kann.
Lösung der Aufgabe
Eine Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Elementantennen umfasst und zum Empfangen eines Signals dient, das von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlt wird; eine Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer durch die Untergruppen-Raummittelungseinheit erhaltenen räumlichen Mittelung; und eine Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung schätzt die Eingangswellenanzahl durch Integration der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit erhalten werden. Dadurch ist es möglich, die Eingangswellenanzahl mit hoher Genauigkeit zu schätzen.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4A bis 4C sind erläuternde Diagramme eines Untergruppen-Divisionsverfahrens der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein erläuterndes Diagramm bezüglich der Integration der Eigenwerte der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8A und 8B sind erläuternde Diagramme, die Beispiele für die Untergruppen-Einteilung einer zweiten Untergruppen-Raummittelungseinheit der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform illustrieren.
9 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Azimuthwinkel θ und einen Elevationswinkel Φ veranschaulicht.
12 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer ersten Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es ist zu beachten, dass in den folgenden Ausführungsformen eine Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung und eine Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung beschrieben werden, wobei von einer Anwendung auf ein fahrzeugmontiertes Radar hauptsächlich zum Zwecke der Kollisionsvermeidung oder des autonomen Fahrens ausgegangen wird; die vorliegende Anmeldung kann jedoch nicht nur auf fahrzeugmontierte Radare, sondern auch auf Flugzeugüberwachungsradar und Wetterradar angewendet werden. Darüber hinaus kann sie auf Empfangsvorrichtungen, wie z.B. eine Störfunkwellenempfangsvorrichtung und eine Satellitenkommunikationsvorrichtung, angewendet werden.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Die in 1 dargestellte Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung umfasst eine Gruppenantenne 101, eine Untergruppen-Raummittelungseinheit 102, eine Eigenwerterweiterungseinheit 103 und eine Wellenanzahl-Schätzeinheit 104.
Die Gruppenantenne 101 ist eine Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Elementantennen umfasst und die Funktion hat, ein Signal von einer Funkwellenquelle zu empfangen. Es ist zu beachten, dass, wie in einer vierten Ausführungsform beschrieben, ein empfangenes Signal der Gruppenantenne 101 einer Signalverstärkung, einer Frequenzumwandlung (oder einer Mischung mit einem Sendesignal), einer Bandbegrenzung und einer A/D-Umwandlung unterzogen wird, wodurch es in ein digitales Signal umgewandelt wird. Im fahrzeugmontierten Radar wird im Allgemeinen ein empfangenes Signal mit einem Sendesignal gemischt, in ein Beatsignal mit niedriger Beatfrequenz konvertiert und dann einer Bandbegrenzung und A/D-Wandlung unterzogen. Als Sendesignal wird hier eine Wellenform mit linearer Frequenzmodulation (Chirp-Modulation) angenommen, bei der die Frequenz proportional zur Zeit ansteigt; zusätzlich gibt es jedoch z.B. eine Wellenform mit gepulster Modulation, eine Wellenform mit Phasencodemodulation, bei der sich die Phase mit der Zeit ändert, und eine Wellenform mit Frequenzmodulation, bei der sich die Frequenz eines CW-Signals, das eine kontinuierliche Welle ist, mit der Zeit ändert.
Die Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 ist eine Funktionseinheit zur Durchführung der räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen des empfangenen Signals der Gruppenantenne 101 in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen. Die Eigenwert-Expansionseinheit 103 ist eine Funktionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion der Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 erhalten wird. Die Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 ist eine Funktionseinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integration der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit 103 erhalten wurden.
2 ist ein Konfigurationsdiagramm der Hardware, das die Einheiten von der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 bis zur Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 in der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung umfasst. Die dargestellte Hardware umfasst eine CPU 1, einen Speicher 2, ein Eingangs- und Ausgangs-I/F 3, einen Speicher 4 und einen Bus 5. Die CPU 1 ist eine Recheneinheit zur Ausführung von Programmen, die den Einheiten von der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 bis zur Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 entsprechen, um diese Funktionseinheiten zu implementieren. Der Speicher 2 ist eine Speichereinheit wie z.B. ein RAM zur Speicherung verschiedener Daten und zur Bildung eines Arbeitsbereichs der CPU 1. Das Eingangs- und Ausgangs-I/F 3 ist eine Schnittstelle zur Eingabe des von der Gruppenantenne 101 empfangenen Signals und zur Ausgabe der von der Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 geschätzten Wellenanzahl. Der Speicher 4 ist eine Speichereinheit zum Speichern der Programme, die den Einheiten von der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 bis zur Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 entsprechen. Der Bus 5 ist ein Kommunikationspfad zur Verbindung dieser Einheiten, der CPU 1 mit dem Speicher 4, miteinander.
Als nächstes wird die Funktionsweise der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung einer ersten Ausführungsform anhand eines Flussdiagramms in 3 beschrieben.
Die Gruppenantenne 101 empfängt das Signal von der Funkwellenquelle durch die Vielzahl der Elementantennen und gibt das Signal als digitales Signal aus (Schritt ST101). Als nächstes führt die Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 die räumliche Mittelwertbildung von Korrelationsmatrizen des empfangenen Signals durch, indem sie das empfangene Signal der Gruppenantenne 101 für jede der mehreren Untergruppen mit unterschiedlichen Formen teilt (Schritt ST102). 4 ist ein erläuterndes Diagramm eines Verfahrens zur Teilung einer Untergruppe. In 4 wird angenommen, dass die Gruppenantenne 101 eine zweidimensionale Gruppe ist, die 4 × 4 = 16 Elementantennen umfasst.
Es wird davon ausgegangen, dass es mehrere Untergruppen einschließlich Zwei-Element-Antennen von der Gruppenantenne 101 umfasst. In diesem Fall ist es möglich, insgesamt N = 15 verschiedene Untergruppen zu extrahieren, wie in b1 bis b15 von 4A dargestellt. Beim Fokussieren auf eine dieser Untergruppen, z.B. b1, erhält man M = 12 ähnliche Untergruppen, wie in 4B dargestellt, so dass die räumliche Mittelwertbildung 12-mal auf b1 durchgeführt werden kann. Eine Korrelationsmatrix nach der räumlichen Mittelung in der n-ten Untergruppe kann durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden. Es ist zu beachten, dass, wenn man sich auf b2 fokussiert, die Verarbeitung der räumlichen Mittelung acht Mal durchgeführt werden kann, wie in 4C dargestellt. $R \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix} : = \frac{1}{M^{(n)}} \sum_{m = 1}^{M^{(n)}} x^{(n, m)} {(x^{(n, m)})}^{H} (n = 1,2,..., N)$
$x^{(n, m)} : = [\begin{matrix} x_{k} (n, m) \\ x_{I} (n, m) \end{matrix}]$
Dabei stellt ein hochgestelltes (n) einen Index der mehreren verschiedenen Untergruppen dar, ein hochgestelltes (m) stellt einen Index der ähnlichen Untergruppen für jede Untergruppe dar, x^(n, m) stellt einen empfangenen Signalvektor der m-ten ähnlichen Untergruppe in der n-ten Untergruppe dar, k^(n, m) und l^(n, m) stellen Indizes der Elementantennen dar, die die Untergruppe bilden, und M^(n) stellt die Anzahl der räumlichen Mittelung (die Anzahl ähnlicher Untergruppen) in der n-ten Untergruppe dar. Die Hermitianische Transponierung eines Vektors x wird durch x^H dargestellt.
Um eine weitere Korrelationsunterdrückung durchzuführen, kann eine Korrelationsmatrix nach verbesserter räumlicher Mittelung erhalten werden, in der z.B. die in Nichtpatentliteratur 1 beschriebene Vorwärts/Rückwärts-Mittelung (F/B-Mittelung) auf die Korrelationsmatrix nach der räumlichen Mittelung angewendet wird, wie in der folgenden Gleichung (3) angegeben. $\bar{R} \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix} : = \frac{1}{2} (R \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix} + J {(R \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix})}^{*} J)$
Hier stellt x^(*) ein komplexes Konjugat von x dar, und J ist eine Austauschmatrix, die durch die folgende Gleichung (4) dargestellt wird. $J : = [\begin{matrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{matrix}]$
Um den Umfang der Berechnung zu reduzieren, kann außerdem eine unitäre Transformation wie in der folgenden Gleichung (5) angegeben durchgeführt werden, um die Korrelationsmatrix einer reellen Zahl zu erstellen. $\bar{R} \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix} : = R e {Q^{H} R \begin{matrix} (n) \\ x x \end{matrix}}$
Hier stellt Re{x} einen Realteil von x dar, und Q stellt eine einheitliche Transformationsmatrix dar, die durch die folgende Gleichung (6) dargestellt wird. $Q : = [\begin{matrix} 1 & j \\ 1 & - j \end{matrix}]$
Durch die Durchführung der oben beschriebenen unitären Transformation ist der Korrelationsunterdrückungseffekt ähnlich wie bei der F/B-Mittelung, und ein komplexes Signal kann in ein reelles Signal konvertiert werden, so dass der Vorteil besteht, dass der Umfang der Berechnung der Eigenwerterweiterung verringert werden kann. Es ist zu beachten, dass zur Durchführung dieser F/B-Mittelung und Einheitstransformation die Untergruppe punktsymmetrisch sein muss.
Die Eigenwert-Expansionseinheit 103 führt die Eigenwert-Expansion der Korrelationsmatrix Rxx^(bar)^(n) durch, die durch die Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 (Schritt ST103) erhalten wurde. Die Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 führt die Schätzung der Wellenanzahl durch, indem sie die von der Eigenwert-Expansionseinheit 103 erhaltenen Eigenwerte integriert (Schritt ST104), und gibt die erhaltene Wellenanzahl aus (Schritt ST105).
Wie in der Nichtpatentliteratur 1 beschrieben, hängt der Korrelationsunterdrückungseffekt durch räumliche Mittelung im Fall von zwei Zielen von der Anzahl der räumlichen Mittelung M^(n) und einem Elementintervall Δd in der Untergruppe ab und nimmt mit zunehmender Zunahme einer Winkeldifferenz zwischen den beiden Zielen ab, während er wie eine Sinusfunktion oszilliert. Das heißt, der Korrelationsunterdrückungseffekt unterscheidet sich in Abhängigkeit von der Form einer Untergruppe n und den Winkeln der beiden Ziele, und als Folge davon ändern sich die berechneten Eigenwerte stark. Da der Zielwinkel vor der Verarbeitung unbekannt ist, ist die optimale Form der Untergruppe unbekannt. Daher wird erwogen, die Eingangswellenanzahl genau abzuschätzen, indem man alle Eigenwerte der mehreren N verschiedenen Untergruppen erhält und diese Eigenwerte integriert. 5 zeigt ein erläuterndes Diagramm bezüglich der Integration der Eigenwerte.
In 5 wird ein Eigenwert der n-ten Untergruppe durch λk^(n) (k = 1, 2) dargestellt. Da der Einfachheit halber die Anzahl der Elemente in der Untergruppe zwei beträgt, erhält man nach der Eigenwertexpansion der Korrelationsmatrix zwei Eigenwerte. Als Mittel zur Integration der Eigenwerte in der Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 wird davon ausgegangen, dass alle Eigenwerte von N Untergruppen gemittelt werden, wie in der folgenden Gleichung (7) angegeben. $\tilde{λ} \begin{matrix} (n) \\ k \end{matrix} : = \sum_{n - 1}^{N} w^{(n)} λ \begin{matrix} (n) \\ k \end{matrix} (k = 1,2)$
Hier ist w^(n) ein Gewicht und kann z.B. wie in der folgenden Gleichung (8) gesetzt werden. $w^{(n)} : = \frac{\sqrt{M^{(n)}}}{\sum_{n = 1}^{N} \sqrt{M^{(n)}}}$
Wenn das Rauschen zwischen den Elementantennen unkorreliert ist, ist der Rauschunterdrückungseffekt proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Zeiten der räumlichen Mittelung M^(n), so dass der Rauschunterdrückungseffekt umso größer ist, je größer die Anzahl der Zeiten der räumlichen Mittelung ist. Durch Mittelung der Eigenwerte durch Anwendung einer größeren Gewichtung mit zunehmender Anzahl der räumlichen Mittelung M^(n) wird ein Eigenwert mit geringerem Rauschverminderungseffekt geringer gewichtet, und der Beitrag des Eigenwerts kann verringert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Eigenwerte, die eine geringe Anzahl von Malen der räumlichen Mittelung aufweisen, einfach zu entfernen und eine Mittelung durchzuführen.
Für den so berechneten Eigenwert λk^(tilde)^(n) wird ein bestimmter Schwellenwert festgelegt, und die Eingangswellenanzahl kann mit dem den Schwellenwert überschreitenden Eigenwert als Signal bestimmt werden. Was den Schwellenwert betrifft, so kann für den minimalen Eigenwert (zweiter Eigenwert) ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eingestellt werden, das nach der Zielerfassung äquivalent ist. Dies liegt daran, dass der minimale Eigenwert der Rauschleistung entspricht und der Eigenwert des Ziels der Signalleistung + Rauschleistung entspricht, wenn es sich um ein Ziel handelt und die Anzahl der Elemente der Untergruppe zwei beträgt. Darüber hinaus kann eine Konfiguration gebildet werden, bei der der Schwellenwert durch arithmetische Mittelung und geometrische Mittelung der Eigenwerte festgelegt wird. Alternativ kann die Eingangswellenanzahl in Übereinstimmung mit einem Informationskriterium wie Akaike Information Criteria (AIC) oder Minimum Description Length (MDL) bestimmt werden.
Im obigen Beispiel wurde davon ausgegangen, dass eine gewichtete Mittelung der Eigenwerte der mehreren verschiedenen Untergruppen durchgeführt wird; durch die Durchführung der Mittelung wird jedoch der Eigenwert der Untergruppe mit hoher Korrelationsunterdrückung durch die Untergruppe mit niedriger Korrelationsunterdrückung beeinflusst, und es tritt ein Fall auf, in dem keine ausreichende Korrelationsunterdrückung durchgeführt werden kann. Daher wird, wie in der folgenden Gleichung (9) angegeben, ein Verhältnis zwischen dem ersten Eigenwert und dem zweiten Eigenwert für alle Untergruppen n erhalten und der Mindestwert α_(1, 2) des Verhältnisses berechnet. $α_{1,2} : = min_{n} \frac{λ \begin{matrix} (n) \\ 1 \end{matrix}}{λ \begin{matrix} (n) \\ 2 \end{matrix}} (n = 1,2..., N)$
Hier stellt min (n) die Minimierung für die Untergruppe n dar. α_(1, 2) wird mit einem bestimmten Schwellenwert α_th(1, 2) verglichen, und es kann bestimmt werden, dass die Eingangswellenanzahl eins ist, wenn α_(1, 2) kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, und dass die Eingangswellenanzahl zwei oder mehr ist, wenn α_(1, 2) größer oder gleich dem Schwellenwert ist. Es wurde ein Fall beschrieben, in dem die Anzahl der Elemente der Untergruppe zwei beträgt; wenn jedoch die Anzahl der Elemente der Untergruppe drei oder mehr beträgt, wird α_(2, 3) wie in der folgenden Gleichung (10) angegeben in ähnlicher Weise berechnet und mit einem Schwellenwert α_th(2, 3) verglichen, wobei geschätzt werden kann, dass die Eingangswellenanzahl zwei beträgt, wenn α_(2, 3) größer oder gleich dem Schwellenwert ist, und die Eingangswellenanzahl drei beträgt, wenn α_(2, 3) kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist. $α_{2,3} : = min_{n} \frac{λ \begin{matrix} (n) \\ 2 \end{matrix}}{λ \begin{matrix} (n) \\ 3 \end{matrix}} (n = 1,2..., N)$
Es ist vorstellbar, dass die Schwellenwerte α_(1, 2) und α_th(2, 3) z.B. auf einen Wert gesetzt werden, der dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zum Zeitpunkt der Zieldetektion ähnlich ist. Wie in 5 dargestellt, ist, wenn die Eingangswellenanzahl eins ist, ein Eigenwert λ1 die Zielsignalleistung Ps1 + Rauschleistung σN und ein Eigenwert λ2 die Rauschleistung σN, so dass ein Verhältnis zwischen λ1 und λ2 idealerweise dem SNR entspricht. Selbst wenn die Eingangswellenanzahl zwei beträgt, ist idealerweise ein Verhältnis zwischen dem zweiten Eigenwert und dem dritten Eigenwert das SNR-Äquivalent, so dass es möglich ist, einen Schwellenwert festzulegen, der dem SNR für α_th(2, 3) entspricht. Selbst wenn die Anzahl der Elemente einer Untergruppe vier oder mehr beträgt, ist es möglich, auf ähnliche Weise ein Verhältnis zwischen den Eigenwerten und den festgelegten Schwellenwerten zu berechnen. Darüber hinaus können diese Schwellenwerte durch numerische Simulation oder Experimente im Voraus festgelegt werden.
Es ist zu beachten, dass durch Ersetzen des Nenners und des Zählers des Verhältnisses der obigen Gleichungen (9) und (10) zueinander der maximale Wert des Verhältnisses zwischen dem ersten Eigenwert und dem zweiten Eigenwert erhalten wird und der maximale Wert mit dem Schwellenwert verglichen werden kann.
Wie oben beschrieben, entsprechend der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der ersten Ausführungsform, umfasst die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung: eine Gruppenantenne, umfassend eine Vielzahl von Elementantennen und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit verschiedenen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit verschiedenen Formen; eine Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wird; und eine Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird, so dass es möglich ist, die Eingangswellenanzahl mit hoher Genauigkeit zu schätzen, ohne von dem Winkel der anzupeilenden Funkwellenquelle und der Form der Untergruppe abhängig zu sein.
Darüber hinaus schätzt die Wellenanzahl-Schätzeinheit gemäß der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der ersten Ausführungsform die Wellenanzahl aus einer Eigenwertverteilung nach gewichteter Mittelung der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, so dass es möglich ist, die Eingangswellenanzahl mit höherer Genauigkeit zu schätzen.
Darüber hinaus schätzt die Wellenanzahl-Schätzeinheit gemäß der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der ersten Ausführungsform die Wellenanzahl, indem sie für die jeweiligen Elementantennen Verhältnisse der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen erhält und dann die Verhältnisse für jede der Untergruppen vergleicht und einen Minimal- oder Maximalwert mit einem Schwellenwert vergleicht, so dass es möglich ist, die Eingangswellenanzahl mit höherer Genauigkeit zu schätzen.
Zweite Ausführungsform.
In der ersten Ausführungsform wird eine räumliche Mittelwertbildung der Korrelationsmatrizen bezüglich der Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen durchgeführt und alle Eigenwerte der Korrelationsmatrizen nach der räumlichen Mittelwertbildung integriert, wodurch die Wellenanzahl geschätzt wird, so dass bei einer großen Anzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen die diesem Betrag entsprechende Eigenwertausdehnung erforderlich ist, was den Umfang der Berechnung erheblich erhöhen kann. Daher werden in einer zweiten Ausführungsform eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit bereitgestellt, und wenn die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Wellenanzahl einen Schwellenwert überschreitet, werden die räumliche Mittelung und die Eigenwert-Expansion unter Verwendung einer anderen Untergruppe mit einer größeren Anzahl von Elementen in der Untergruppe als in der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit durchgeführt, und die Wellenanzahl-Schätzung wird erneut durchgeführt.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst eine Gruppenantenne 201, eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 202, eine erste Eigenwert-Expansionseinheit 203, eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 204, eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 205 und eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 206, eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit 207 und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208.
Die Gruppenantenne 201 hat eine ähnliche Konfiguration wie die Gruppenantenne 101 der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus sind die Grundkonfigurationen der Einheiten von der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 bis zur ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 denen der Einheiten von der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 bis zur Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 der ersten Ausführungsform ähnlich; die Anzahl der Elemente in einer Untergruppe ist jedoch auf zwei oder drei festgelegt. Die Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 205 ist eine funktionelle Einheit zur Bestimmung, ob eine Eingangswellenanzahl, die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 geschätzt wird, einen festgelegten Schwellenwert überschreitet oder nicht. Die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 ist eine Funktionseinheit zur Durchführung der räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Division in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als Untergruppen geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 202, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Bestimmungseinheit 205 überschreitet. Die zweite Eigenwert-Expansionseinheit 207 ist eine Funktionseinheit zur Durchführung der Eigenwert-Expansion der Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppe der Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 erhalten werden. Die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 ist eine Funktionseinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integration der Eigenwerte mehrerer Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit 207 erhalten wurden.
Das heißt, in der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der zweiten Ausführungsform setzt die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 die Anzahl der Elemente pro Untergruppe auf zwei oder drei, um den Rechenaufwand zu verringern. Wenn in diesem Fall die Eingangswellenanzahl die Anzahl der Elemente in einer Untergruppe überschreitet, kann keine genaue Schätzung der Wellenanzahl durchgeführt werden. Daher werden die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 und die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 bereitgestellt, und wenn die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 geschätzte Wellenanzahl den Schwellenwert überschreitet, werden die räumliche Mittelung und die Eigenwert-Expansion unter Verwendung einer anderen Untergruppe mit einer größeren Anzahl von Elementen in der Untergruppe als in der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 durchgeführt, und die Wellenanzahl-Schätzung wird erneut durchgeführt. Mit einer solchen Konfiguration kann, wenn die Wellenanzahl kleiner als die Anzahl der Elemente in der Untergruppe der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 ist, eine genaue Wellenanzahl-Schätzung durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 durchgeführt werden, und wenn die Wellenanzahl größer als die Anzahl der Elemente in der Untergruppe ist, kann die Wellenanzahl-Schätzung durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 durchgeführt werden.
Der Effekt der zweiten Ausführungsform ist groß, wenn die Anzahl der Schätzung der Wellenanzahl groß ist und die tatsächliche Eingangswellenanzahl zwei oder drei oder weniger beträgt. Wenn beispielsweise die Wellenanzahl-Schätzung 100 Mal durchgeführt wird, wenn die Eingangswellenanzahl eines von 50 Malen beträgt, wird die Wellenanzahl-Schätzung 50 Mal von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 durchgeführt, und für die restlichen 50 Mal wird die Wellenanzahl-Schätzung von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 durchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, den Berechnungsaufwand für die Verarbeitung der gesamten Wellenanzahl-Schätzung im Vergleich zu einem Fall zu reduzieren, bei dem alle 100 Mal die Wellenanzahl-Schätzung von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 durchgeführt wird. Dies liegt daran, dass der Umfang der Berechnung der Eigenwertausdehnung den Umfang der Berechnung während der Wellenanzahlschätzung dominiert.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm aus 7 beschrieben.
In Schritt ST201 empfängt die Gruppenantenne 201 das Signal von der Funkwellenquelle, ähnlich wie in Schritt ST101. Als nächstes führt die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 die Verarbeitung eines Falls durch, bei dem die Anzahl der Elemente in einer Untergruppe bei der Verarbeitung der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 der ersten Ausführungsform (Schritt ST202) auf zwei oder drei gesetzt wird. Infolgedessen führt die erste Eigenwert-Expansionseinheit 203 eine Eigenwert-Expansion der Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach der durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 erhaltenen räumlichen Mittelung durch (Schritt ST203), und die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 führt eine Wellenanzahl-Schätzung durch Integration der durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit 203 erhaltenen Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen durch (Schritt ST204). Das heißt, die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 führt die Verarbeitung eines Falls durch, bei dem die Anzahl der Elemente in einer Untergruppe zwei oder drei in der Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 der ersten Ausführungsform beträgt.
In der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 205 wird die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 geschätzte Wellenanzahl vorab mit einem festgelegten Schwellenwert verglichen, und wenn die Wellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist (Schritt ST205-JA), wird die geschätzte Wellenanzahl so ausgegeben, wie sie ist (Schritt ST206), und wenn die Wellenanzahl den Schwellenwert überschreitet (Schritt ST205-NEIN), fährt die Verarbeitung mit der Verarbeitung durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 (Schritt ST207) fort. Es ist vorstellbar, dass M1 für den Schwellenwert für diese Wellenanzahl-Bestimmung festgelegt wird, z.B. wenn M1 die Anzahl der Elemente in der Untergruppe in der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 ist. Dies liegt daran, dass, wie oben beschrieben, die Anzahl der Eigenwerte eine Grenze der Wellenanzahl ist, die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 geschätzt wird, so dass die Eingangswellenanzahl, die M1 überschreitet, nicht genau geschätzt werden kann.
Die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 führt die räumliche Mittelung mit einer Untergruppe durch, die aus einer größeren Anzahl von Elementen besteht als die Anzahl der Elemente in der Untergruppe der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 (Schritt ST207). Es kann eine Konfiguration gebildet werden, in der die räumliche Mittelwertbildung aus der Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen ähnlich der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 202 durchgeführt wird, oder es kann eine Konfiguration gebildet werden, in der die Mittelwertbildung auf Untergruppen mit der gleichen Form durchgeführt wird. Die 8A und 8B veranschaulichen Beispiele für die Untergruppe von Untergruppen in der zweiten Untergruppen-Raummittelungseinheit 206. In diesem Beispiel wird die räumliche Mittelwertbildung auf einer Untergruppe mit 4 Elementen durchgeführt. 8A zeigt ein Beispiel für vier Elemente in horizontaler Richtung der Zeichnung, und 8B zeigt ein Beispiel für vier Elemente in vertikaler Richtung der Zeichnung. Es können zwei Untergruppen extrahiert werden, die jeweils sechs Mal eine räumliche Mittelwertbildung durchführen können. Darüber hinaus können, ähnlich wie bei der Untergruppe der Untergruppen-Raummittelungseinheit 102 der ersten Ausführungsform, Vorwärts/Rückwärts-Mittelung und einheitliche Transformation durchgeführt werden.
Die zweite Eigenwert-Expansionseinheit 207 führt eine Eigenwert-Expansion der Korrelationsmatrizen durch, die von der zweiten Untergruppe der räumlichen Mittelungseinheit 206 gemittelt wurden (Schritt ST208). Die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 führt die Wellenanzahl-Schätzung auf der Grundlage der von der zweiten Eigenwert-Expansionseinheit 207 berechneten Eigenwerte durch (Schritt ST209). Das Verfahren zur Wellenanzahl-Schätzung ähnelt dem Verfahren der Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 der ersten Ausführungsform, weshalb hier auf eine Beschreibung verzichtet wird. Die von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 geschätzte Wellenanzahl wird schließlich als Wellenanzahl ausgegeben (Schritt ST206).
Wie oben beschrieben, wird in der zweiten Ausführungsform die Wellenanzahl durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 204 geschätzt, wenn die tatsächliche Eingangswellenanzahl klein ist, und die Wellenanzahl durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 geschätzt, wenn die Eingangswellenanzahl groß ist, wodurch es möglich ist, den Rechenaufwand der gesamten Verarbeitung der Wellenanzahl-Schätzung zu reduzieren.
Wie oben beschrieben, umfassen die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtungen der zweiten Ausführungsform, wie oben beschrieben, die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtungen der zweiten Ausführungsform: eine Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Elementantennen umfasst und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit verschiedenen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit verschiedenen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wird; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Eingangswellenanzahl einen eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Teilung in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit geteilten Untergruppen, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten werden; und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der ankommenden Wellenanzahl durch Integration von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden, wobei die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte ankommende Wellenanzahl ausgegeben wird, wenn die ankommende Wellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert bei der Bestimmung in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit ist, so dass es möglich ist, den Umfang der Berechnung der gesamten Verarbeitung der Wellenanzahl-Schätzung zu reduzieren.
Dritte Ausführungsform.
Eine dritte Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung zum Schätzen einer Eingangsrichtung zusätzlich zu einer Eingangswellenanzahl.
9 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform darstellt.
Die dargestellte Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung umfasst eine Gruppenantenne 301, eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 302, eine erste Eigenwert-Expansionseinheit 303, eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 304, eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 305 und eine erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 306, eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 307, eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit 308, eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 309 und eine zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 310.
Hier sind die Einheiten von der Gruppenantenne 301 bis zur Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 305 ähnlich wie die Einheiten von der Gruppenantenne 201 bis zur Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 205 der zweiten Ausführungsform. Weiterhin sind die Einheiten von der Untergruppen-Raummittelungseinheit 307 der zweiten Untergruppe bis zur zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 309 ähnlich den Einheiten von der zweiten Untergruppen-Raummittelungseinheit 206 bis zur zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 208 der zweiten Ausführungsform. Daher wird hier für diese Komponenten auf eine Beschreibung verzichtet.
Die erste Eingangsrichtungsschätzeinheit 306 ist eine Funktionseinheit zur Schätzung der Eingangsrichtung unter Verwendung eines Wellenanzahl-Schätzergebnisses der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 304. Darüber hinaus ist die zweite Eingangsrichtungsschätzeinheit 310 eine Funktionseinheit zur Schätzung der Eingangsrichtung unter Verwendung eines Wellenanzahl-Schätzergebnisses der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit 309.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform anhand eines Flussdiagramms aus 10 beschrieben. Hier sind die Schritte ST301 bis ST305 ähnlich wie die Schritte ST201 bis ST205 der zweiten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung hier ausgelassen wird. Wenn in Schritt ST305 die Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 305 feststellt, dass die Wellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist (Schritt ST305-YES), schätzt die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 306 die Eingangsrichtung unter Verwendung des von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 304 erhaltenen Wellenanzahl-Schätzergebnisses (Schritt ST306). Wenn die Eingangsrichtung durch die erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 306 geschätzt wird, werden dieser Eingangsrichtungs-Schätzwert und der durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 304 erhaltene Wellenanzahl-Schätzwert beide ausgegeben (Schritt ST307) .
Beim Betrieb der ersten
Eingangsrichtungsschätzeinheit 306 wird zunächst davon ausgegangen, dass ein Azimuthwinkel θ unter Verwendung von Untergruppen geschätzt wird, die in Richtung der X-Achse angeordnet sind. 11 veranschaulicht den Azimutwinkel θ und einen Elevationswinkel Φ. Darüber hinaus ist 12 ein Flussdiagramm, das den Betrieb der ersten Schätzeinheit für die Eingangsrichtung 306 veranschaulicht.
Wenn die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit 304 geschätzte Eingangswellenanzahl eins ist, kann die erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 306 die Eingangsrichtung wie in den folgenden Gleichungen (11) und (12) angegeben aus Eigenvektoren schätzen, die von der ersten Eigenwert-Expansionseinheit 303 erhalten wurden. Wenn die Elemente eines Eigenvektors, die dem maximalen Eigenwert der n-ten Untergruppe entsprechen, el^(n) und e2^(n) sind, kann eine Eingangsrichtung θ^(n), die der n-ten Untergruppe entspricht, wie folgt geschätzt werden. $θ^{(n)} : = {sin}^{- 1} (\frac{λ}{2 π d \begin{matrix} ^{(n)} \\ x \end{matrix}} ω^{^{(n)}}) (n = 1,2, \dots, N)$
Hier, $\begin{array}{l} ω^{^{(n)}} : = arg (\frac{e \begin{matrix} ^{(n)} \\ 2 \end{matrix}}{e \begin{matrix} ^{(n)} \\ 1 \end{matrix}}) (n = 1,2, \cdot \cdot \cdot, N) \\ e^{^{(n)}} : = {[e \begin{matrix} ^{(n)} \\ 1 \end{matrix} e \begin{matrix} ^{(n)} \\ 2 \end{matrix}]}^{T} \end{array}$
wobei λ eine Wellenlänge eines Übertragungssignals darstellt, dx^(n) ein Elementintervall der n-ten Untergruppe darstellt, arg(x) die Berechnung eines Phasenwinkels von x darstellt und x^T die Transponierung einer Matrix und eines Vektors darstellt.
Wenn das Elementintervall d^(n) kleiner oder gleich λ/2 ist, ist bekanntlich das geschätzte θ^(n) im Bereich von ±90° ohne Mehrdeutigkeit und die Eingangsrichtung wird korrekt geschätzt. Wenn d^(n) jedoch größer oder gleich λ/2 ist, hat θ^(n) eine Unsicherheit, die als Winkelmehrdeutigkeit bezeichnet wird. Wenn andererseits das Elementintervall d^(n) lang ist, wird die Schätzgenauigkeit der Eingangsrichtung verbessert. Daher wird, wie in Schritt ST321 von BILD 12 angegeben, davon ausgegangen, dass die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit ohne Mehrdeutigkeit geschätzt werden kann, indem von einem Schätzwert für die Eingangsrichtung θ^(1) ausgegangen wird, der aus einem Eigenvektor der (n = 1)-ten Untergruppe mit dem kürzesten Elementintervall erhalten wird, und die Winkelmehrdeutigkeit allmählich aufgehoben wird. Hier wird angenommen, dass d^(1) kleiner oder gleich λ/2 ist. Als nächstes wird angenommen, dass ein Elementintervall d^(2) der zweiten Untergruppe größer oder gleich λ/2 ist. In diesem Fall hat ein aus dem Eigenvektor erhaltener Phasenwinkel Φ^(n) eine Unsicherheit von einem ganzzahligen Vielfachen von 2π. Daher wird eine Vielzahl von Schätzwerten für die Eingangsrichtung unter Berücksichtigung der Unsicherheit von 2n erstellt, wie in der folgenden Gleichung (13) angegeben. $θ^{(2 k)} {:=sin}^{- 1} (\frac{λ}{2 π d^{(2)}} (2 πκ+ ω^{(2)})) (k = 1,2, \cdot \cdot \cdot, k)$
In der obigen Gleichung kann K beispielsweise als eine ganze Zahl größer oder gleich d^(2)/d^(1) definiert werden. Unter θ^(2, k), das auf diese Weise erhalten wird, erhält man einen Wert, der θ^(1) am nächsten kommt, wodurch die Mehrdeutigkeit beseitigt wird, und man kann einen Schätzwert für die eingehende Richtung θ^(2) erhalten, der genau geschätzt wird. Durch Wiederholung der obigen Verarbeitung für die Vielzahl von Untergruppen kann eine hochgenaue Schätzung der Eingangsrichtung erreicht werden.
Ein Elevationswinkel Φ kann auch, wie in der folgenden Gleichung (14) angegeben, durch Verwendung von Arrays in der y-Richtung erhalten werden. $ϕ^{(n)} : = {cos}^{- 1} (\frac{λ}{2 π d \begin{matrix} (n) \\ y \end{matrix}} ω^{(n)}) (n = 1,2, \cdot \cdot \cdot, N)$
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Winkelmehrdeutigkeit ähnlich wie beim Betrieb des Azimutwinkels θ auch für den Elevationswinkel Φ zu beseitigen.
Es wird angenommen, dass die erste Schätzeinheit für die Eingangsrichtung 306 die oben beschriebene Verarbeitung an Untergruppen der Untergruppen n = 1, ... N durchführt und Schätzwerte für die Eingangsrichtung erhält. Die Genauigkeit kann weiter verbessert werden, indem die erhaltene Eingangsrichtungsschätzung θ^(n) wie in der folgenden Gleichung (15) angegeben gemittelt wird (Schritt ST322 in 12). $θ_{a v e} : = \frac{\sum_{n = 1}^{N}^{a^{(n)} θ^{(n)}}}{\sum_{n = 1}^{N} a^{(n)}}$
Dabei ist a^(n) ein Gewicht und kann z.B. wie in der folgenden Gleichung (16) angegeben definiert werden. $a^{(n)} : = \frac{d^{(n)} \sqrt{M^{(n)}}}{d^{(1)} \sqrt{M^{(1)}}}$
Dies liegt daran, dass bekannt ist, dass die Schätzgenauigkeit der eingehenden Richtung umgekehrt proportional zum Elementintervall d^(n) und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Malen der räumlichen Mittelung M^(n) der Korrelationsmatrix ist (siehe z.B. Nichtpatentliteratur 1).
Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann die erste eingehende Richtungsschätzeinheit 306 den Schätzwert für die eingehende Richtung ohne Winkelmehrdeutigkeit genau ermitteln.
Wenn im Flussdiagramm von 10 die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert bei der Bestimmung durch die Bestimmungseinheit 305 (Schritt ST305-NO) überschreitet, wird die Verarbeitung der Schritte ST308 bis ST311 durchgeführt. Hier sind die Schritte ST308 bis ST310 ähnlich wie die Schritte ST207 bis ST209 der zweiten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung weggelassen wird. Als nächstes schätzt die zweite Eigenwert-Expansionseinheit 310 die Eingangsrichtung durch ein Unterraumverfahren (hochauflösendes Verfahren zur Schätzung der Eingangsrichtung) wie MUSIC oder ESPRIT unter Verwendung der Eigenvektoren, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit 308 und die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 309 erhalten wurden (Schritt ST311). Diese Verarbeitung wird z.B. auch in H. Krim, M. Viberg, „Two Decades of Array Signal Processing Research" IEEE Signal Processing Magazine, Bd. 13, Nr. 4, S. 67-94, Juli 1996, beschrieben, weshalb die Beschreibung hier unterbleibt.
Wenn der Schätzwert für die Eingangsrichtung durch die zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 310 in Schritt ST311 erhalten wird, wird der Schätzwert für die Eingangsrichtung zusammen mit dem Schätzwert für die Wellenanzahl durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 309, die in Schritt ST310 (Schritt ST307) erhalten wurde, ausgegeben.
Es ist zu beachten, dass im obigen Beispiel die Eingangsrichtung unter Verwendung des Eingangsanzahl-Schätzergebnisses der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung der zweiten Ausführungsform geschätzt wird; die Eingangsrichtung kann jedoch unter Verwendung des Eingangsanzahl-Schätzergebnisses der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung der ersten Ausführungsform geschätzt werden.
Wie oben beschrieben, umfasst die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform gemäß der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung: eine Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Elementantennen umfasst und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit verschiedenen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit verschiedenen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurde; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Eingangswellenanzahl einen eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangsrichtung unter Verwendung eines Schätzwertes der Eingangswellenanzahl, der durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wurde, wenn die Eingangswellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit ist; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Teilung in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die Untergruppen geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurden; eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; und eine zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangsrichtung durch ein hochauflösendes Eingangsrichtungs-Schätzverfahren auf der Grundlage eines Schätzwertes der Eingangswellenanzahl, der durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wird, so dass es möglich ist, die Eingangswellenanzahl und die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit zu schätzen, und es möglich ist, den Umfang der Berechnung der gesamten Verarbeitung der Eingangswellenanzahl und der Eingangsrichtungs-Schätzung zu reduzieren.
Außerdem schätzt die erste Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform die Eingangsrichtung auf der Grundlage eines Eigenvektors, der von der ersten Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird, so dass es möglich ist, die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit zu schätzen.
Darüber hinaus schätzt die zweite Eingangsrichtung-Schätzeinheit gemäß der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform die Eingangsrichtung unter Verwendung eines Eigenvektors, der von der zweiten Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird, und eines Eigenvektors, der von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wird, und unter Anwendung des hochauflösenden Eingangsrichtung-Schätzverfahrens, so dass es möglich ist, die Eingangsrichtung mit höherer Genauigkeit zu schätzen.
Darüber hinaus schätzt die erste Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzeinheit gemäß der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform die Eingangsrichtung der Reihe nach aus einer der Untergruppen mit einem kurzen Elementabstand auf der Grundlage eines von der ersten Eigenwert-Expansionseinheit erhaltenen Eigenvektors, beseitigt die Winkelmehrdeutigkeit einer der Untergruppen mit einem langen Elementabstand unter Verwendung der geschätzten Eingangsrichtung und schätzt schließlich die Eingangsrichtung, so dass es möglich ist, die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit ohne Winkelmehrdeutigkeit zu schätzen.
Darüber hinaus schätzt die erste Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der dritten Ausführungsform die Eingangsrichtungen aus den Eigenvektoren der mehreren Untergruppen auf der Grundlage der von der ersten Eigenwert-Expansionseinheit erhaltenen Eigenvektoren und gewichtet die Schätzwerte dieser Eingangsrichtungen mit der Anzahl der räumlichen Mittelung und einem Elementintervall und führt dann eine Mittelung durch, um einen endgültigen Schätzwert für die Eingangsrichtung zu erhalten, so dass es möglich ist, die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit ohne Winkelmehrdeutigkeit zu schätzen.
Vierte Ausführungsform.
Die vierte Ausführungsform ist ein Beispiel für eine Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung beim Betrieb als Radar. Hier wird ein fahrzeugmontiertes Radar als Beispiel beschrieben; die Vorrichtung ist jedoch auch auf andere Radare anwendbar. 13 stellt eine Konfiguration der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der vierten Ausführungsform dar.
Die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung ist in 13 dargestellt. 13 umfasst eine Gruppenantenne 401, eine Frequenzumwandlungseinheit 402, eine Berechnungseinheit für das Beatspektrum 403, eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 404, eine erste Eigenwert-Expansionseinheit 405, eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 406, eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit 407, eine erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 408, eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit 409, eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit 410, eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit 411, eine zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit 412, eine Sendeantenne 413 und eine Referenzsignal-Erzeugungseinheit 414. Hier haben die Einheiten von der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 404 bis zur zweiten Eingangsrichtungsschätzungseinheit 412 ähnliche Konfigurationen wie die Einheiten von der ersten Untergruppen-Raummittelungseinheit 302 bis zur zweiten Eingangsrichtungsschätzungseinheit 310 der dritten Ausführungsform, und ihre Beschreibung wird daher hier weggelassen.
Die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 414 ist eine Funktionseinheit zur Erzeugung eines linear frequenzmodulierten Signals oder eines Impulssignals als Referenzsignal. Die Sendeantenne 413 ist eine Antenne zur Abstrahlung des von der Referenzsignalerzeugungseinheit 414 erzeugten Referenzsignals in die Luft. Die Frequenzumwandlungseinheit 402 ist eine Funktionseinheit zum Erhalten eines Beatsignals durch Mischen des von der Referenzsignalerzeugungseinheit 414 erzeugten Referenzsignals mit einem von der Gruppenantenne 401 empfangenen Signal. Die Beatspektrums-Berechnungseinheit 403 ist eine Funktionseinheit zum Erhalten eines Beatspektrums durch Ausführen einer Fourier-Transformation an dem von der Frequenzumsetzungseinheit 402 erhaltenen Beatsignal.
Als nächstes wird die Funktionsweise der Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung der vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 14 beschrieben.
Die Referenzsignal-Erzeugungseinheit 414 erzeugt als Referenzsignal ein Chirp-Signal (lineare Frequenzmodulation) oder ein gepulstes Chirp-Signal, das nach Durchlaufen eines Filters und eines Verstärkers (nicht abgebildet) an die Sendeantenne 413 gesendet wird (Schritt ST401). Die Sendeantenne 413 strahlt das von der Referenzsignal-Erzeugungseinheit 414 gesendete Referenzsignal als Funkwelle in eine Zielrichtung ab (Schritt ST402). Die Gruppenantenne 401 empfängt das Referenzsignal, das auf ein Ziel trifft und reflektiert wird, und führt die Verarbeitung wie Verstärkung und Bandbegrenzung durch (Schritt ST403). Die Frequenzkonvertierungseinheit 402 erhält das Beatsignal durch Mischen des von der Referenzsignalerzeugungseinheit 414 erzeugten Referenzsignals mit dem von der Gruppenantenne 401 empfangenen Signal (Schritt ST404). Die Einheit zur Berechnung des Beatspektrums 403 erhält das Beatspektrum durch Ausführen einer Fourier-Transformation des Beatsignals (Schritt ST405).
Die Verarbeitung von Schritt ST405 durch die Beatspektrum-Berechnungseinheit 403 wird beschrieben. Im Falle des FMCW-Radars wird das von der Frequenzumwandlungseinheit 402 erhaltene Beatsignal für jede Empfangsantenne oder jede Untergruppe einer FFT unterzogen und mit einem im Voraus festgelegten Rauschschwellenwert verglichen. Alternativ wird eine CFAR-Verarbeitung (Constant False Alarm Rate) durchgeführt, um einen Spitzenwert des Zielsignals zu detektieren. Ein komplexes Signal aus einer Vielzahl der für jede Antenne oder jede Untergruppe detektierten Spitzenwerte wird an die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 404 gesendet. Es kann eine Konfiguration gebildet werden, bei der ein Wert, der die Leistung des Spitzenwertes eines Zielkandidaten mit der Leistung um den Spitzenwert herum vergleicht, zu diesem Zeitpunkt der Detektion als SNR berechnet wird.
Wenn das Referenzsignal ein gepulstes Chirp-Signal (auch Fast Chirp genannt) ist, wird ein zweidimensionales Array von Beatsignalen innerhalb einer Impulswiederholungsperiode (Fast time) und zwischen Impulswiederholungsperioden (Slow time) konstruiert, und die FFT wird sowohl in der Richtung Fast time als auch in der Richtung Slow time durchgeführt, wodurch ein zweidimensionales (relative Geschwindigkeit und Entfernung) Beatspektrum erhalten wird. Eine ähnliche Verarbeitung wie bei FMCW wird in zwei Dimensionen erweitert und auf das erhaltene Beatspektrum angewendet, wodurch eine Vielzahl von Spitzenwerten des Zielsignals erhalten wird. Die anschließende Verarbeitung ist ähnlich wie bei der oben beschriebenen FMCW.
Die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit 404 führt die räumliche Mittelwertbildung durch, indem sie das von der Beatspektrum-Berechnungseinheit 403 erhaltene Beatspektrum verwendet, die Gruppenantenne 401 in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen teilt und Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen berechnet (Schritt ST406). Die erste Eigenwert-Expansionseinheit 405 führt eine Eigenwert-Expansion durch (Schritt ST407), und die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 406 führt eine Wellenanzahl-Schätzung durch Integration der erhaltenen Eigenwerte durch (Schritt ST408). Hier kann die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit 406 so ausgelegt werden, dass sie den Schwellenwert α_th in der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Wellenanzahl-Schätzeinheit 104 auf der Grundlage des detektierten SNR, das von der Beatspektrum-Berechnungseinheit 403 erhalten wurde, einstellt. Es ist zum Beispiel möglich, einen Wert des SNR zum Zeitpunkt der Detektion als α_th so einzustellen, wie er ist. Die nachfolgenden Schritte ST409 bis ST415 sind ähnlich wie die Schritte ST305 bis ST311 in der dritten Ausführungsform, weshalb hier auf eine Beschreibung verzichtet wird.
Wie oben beschrieben, umfasst die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung der vierten Ausführungsform die Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung: eine Referenzsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines linear frequenzmodulierten Signals oder eines Impulssignals als Referenzsignal; eine Sendeantenne zum Abstrahlen des Referenzsignals in die Luft; eine Gruppenantenne, die eine Vielzahl von Elementantennen umfasst und zum Empfangen eines Signals dient, das aus dem von der Sendeantenne abgestrahlten und von einer auszurichtenden Funkwellenquelle reflektierten Referenzsignal erhalten wird; eine Frequenzumsetzungseinheit zum Erhalten eines Beatsignals durch Mischen des Referenzsignals mit dem von der Gruppenantenne empfangenen Signal; eine Beatspektrum-Berechnungseinheit zum Erhalten eines Beatspektrums durch Ausführen einer Fourier-Transformation an dem von der Frequenzumsetzungseinheit erhaltenen Beatsignal; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung unter Verwendung des Beatspektrums, durch Unterteilen der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und durch Berechnen von Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten werden; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten werden; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Wellenanzahl einen gesetzten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine erste Eingangswellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangsrichtung, wenn die Wellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit nicht überschreitet; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Division in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die Untergruppen, geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit, wenn die Wellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurden; eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; und eine zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangsrichtung durch ein hochauflösendes Verfahren auf der Grundlage der Eingangswellenanzahl, die durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wurde, so dass es möglich ist, die Eingangswellenanzahl und die Eingangsrichtung mit hoher Genauigkeit zu schätzen, selbst wenn man als Radar arbeitet.
Es ist zu beachten, dass in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel für die Anwendung auf das fahrzeugmontierte Radar zum Zwecke der Kollisionsvermeidung oder des autonomen Fahrens beschrieben wurde; die Ausführungsformen können jedoch nicht nur auf fahrzeugmontierte Radargeräte, sondern auch auf Flugzeugüberwachungsradargeräte und Wetterradargeräte angewendet werden. Darüber hinaus kann es auf Empfangsvorrichtungen wie z.B. eine störende Funkwellenempfangsvorrichtung und eine Satellitenkommunikationsvorrichtung angewendet werden.
Bei der Erfindung der vorliegenden Anmeldung ist im Rahmen des Erfindungsumfangs eine freie Kombination der Ausführungsformen, eine Modifikation einer beliebigen Komponente der Ausführungsformen oder das Weglassen einer beliebigen Komponente in den Ausführungsformen möglich.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, betrifft die Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Konfiguration zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Ausführung einer Eigenwertausdehnung auf eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach Durchführung einer räumlichen Mittelung und Integration der Eigenwerte der jeweils erhaltenen Untergruppen und ist zur Verwendung in fahrzeugmontierten Radars, Flugzeugüberwachungsradars und Wetterradars geeignet.
Bezugszeichenliste

101, 201, 301, 401: Gruppenantenne,
102: Untergruppen-Raummittelungseinheit,
103: Eigenwert-Expansionseinheit,
104: Wellenanzahl-Schätzeinheit,
202, 302, 404: erste Untergruppen-Raummittelungseinheit,
203, 303, 405: erste Eigenwert-Expansionseinheit,
204, 304, 406: erste Wellenanzahl-Schätzeinheit,
205, 305, 407: Wellenanzahl-Bestimmungseinheit,
206, 307, 409: zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit,
207, 308, 410: zweite Eigenwert-Expansionseinheit,
208, 309, 411: zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit,
306, 408: erste Eingangswellenanzahl-Schätzeinheit,
310, 412: zweite Eingangswellenanzahl-Schätzeinheit,
402: Frequenzkonvertierungseinheit,
403: Beatspektrum-Berechnungseinheit,
413: Sendeantenne,
414: Referenzsignal-Erzeugungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Krim, M. Viberg, „Two Decades of Array Signal Processing Research“ IEEE Signal Processing Magazine, Bd. 13, Nr. 4, S. 67-94 [0068]

Claims

Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung, umfassend: eine Gruppenantenne, umfassend eine Vielzahl von Elementantennen und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach räumlicher Mittelung, die durch die Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurde; und eine Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integration von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die Eigenwert-Expansionseinheit erhalten werden.
Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenanzahl-Schätzeinheit die Wellenanzahl aus einer Eigenwertverteilung nach gewichteter Mittelwertbildung der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen schätzt.
Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenanzahl-Schätzeinheit die Wellenanzahl schätzt, indem sie für die jeweiligen Elementantennen Verhältnisse der Eigenwerte für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen erhält und dann die Verhältnisse für jede der Untergruppen vergleicht und einen Minimal- oder Maximalwert mit einem Schwellenwert vergleicht.
Eingangswellenanzahl-Schätzvorrichtung, umfassend: eine Gruppenantenne, umfassend eine Vielzahl von Elementantennen und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurde; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Eingangswellenanzahl einen eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Teilung in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die Untergruppen geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurden; und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten werden, wobei die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Eingangswellenanzahl wird ausgegeben, wenn die Eingangswellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert bei der Bestimmung in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit ist.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung, umfassend: eine Gruppenantenne, umfassend eine Vielzahl von Elementantennen und zum Empfangen eines von einer auszurichtenden Funkwellenquelle abgestrahlten Signals; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Teilen eines empfangenen Signals der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und Berechnen dieser Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen nach einer räumlichen Mittelung, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurde; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Eingangswellenanzahl einen eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangsrichtung unter Verwendung eines Schätzwertes der Eingangswellenanzahl, der durch die erste Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wird, wenn die Eingangswellenanzahl kleiner oder gleich dem Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit ist; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Teilung in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die Untergruppen geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurden; eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integration von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangsrichtung durch ein hochauflösendes Verfahren zur Schätzung der Eingangsrichtung auf der Grundlage eines Schätzwertes der Eingangswellenanzahl, der von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wurde.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit die Eingangsrichtung auf der Basis eines Eigenvektors schätzt, der durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zweite Eingangsrichtungs-Schätzeinheit die Eingangsrichtung unter Verwendung eines Eigenvektors, der durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird, und eines Eigenvektors, der durch die zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit erhalten wird, und unter Anwendung des hochauflösenden Eingangsrichtungs-Schätzverfahrens schätzt.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit die Eingangsrichtung in der Reihenfolge von einer der Untergruppen mit einem kurzen Elementintervall auf der Basis eines Eigenvektors schätzt, der durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wird, die Winkelmehrdeutigkeit einer der Untergruppen mit einem langen Elementintervall unter Verwendung der geschätzten Eingangsrichtung beseitigt und schließlich die Eingangsrichtung schätzt.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtungs-Schätzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit Eingangsrichtungen aus Eigenvektoren der Vielzahl von Untergruppen auf der Basis der Eigenvektoren schätzt, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden, und geschätzte Werte dieser Eingangsrichtungen durch eine Anzahl von Malen der räumlichen Mittelung und ein Elementintervall gewichtet, und dann eine Mittelung durchführt, um einen endgültigen Eingangsrichtungs-Schätzwert zu erhalten.
Eingangswellenanzahl-Eingangsrichtung-Schätzvorrichtung, umfassend: eine Referenzsignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines linear frequenzmodulierten Signals oder eines Impulssignals als Referenzsignal; eine Sendeantenne zum Abstrahlen des Referenzsignals in die Luft; eine Gruppenantenne, umfassend eine Vielzahl von Elementantennen und zum Empfangen eines Signals, das aus dem von der Sendeantenne abgestrahlten und von einer auszurichtenden Funkwellenquelle reflektierten Referenzsignal erhalten wird; eine Frequenzkonvertierungseinheit zum Erhalten eines Beatsignals durch Mischen des Referenzsignals mit dem von der Gruppenantenne empfangenen Signal; eine Beatspektrums-Berechnungseinheit zum Erhalten eines Beatspektrums durch Ausführen einer Fourier-Transformation an dem durch die Frequenzumsetzungseinheit erhaltenen Beatsignal; eine erste Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung unter Verwendung des Beatspektrums, durch Unterteilen der Gruppenantenne in eine Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen und durch Berechnen von Korrelationsmatrizen für die jeweiligen Untergruppen mit unterschiedlichen Formen; eine erste Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten werden; eine erste Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangswellenanzahl durch Integrieren von Eigenwerten für die jeweilige Vielzahl von Untergruppen mit unterschiedlichen Formen, die durch die erste Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; eine Wellenanzahl-Bestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die von der ersten Wellenanzahl-Schätzeinheit geschätzte Wellenanzahl einen festgelegten Schwellenwert überschreitet oder nicht; eine erste Eingangsrichtungs-Schätzeinheit zum Schätzen einer Eingangsrichtung, wenn die Eingangswellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit nicht überschreitet; eine zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit zum Durchführen einer räumlichen Mittelung von Korrelationsmatrizen durch Durchführen einer Teilung in Untergruppen mit einer größeren Anzahl von Elementen als die Untergruppen geteilt durch die erste Untergruppen-Raummittelungseinheit, wenn die Wellenanzahl den Schwellenwert in der Wellenanzahl-Bestimmungseinheit überschreitet; eine zweite Eigenwert-Expansionseinheit zum Durchführen einer Eigenwert-Expansion von Korrelationsmatrizen, die durch die zweite Untergruppen-Raummittelungseinheit erhalten wurden; eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangswellenanzahl durch Integration von Eigenwerten der Vielzahl von Untergruppen, die durch die zweite Eigenwert-Expansionseinheit erhalten wurden; und eine zweite Wellenanzahl-Schätzeinheit zum Schätzen der Eingangsrichtung durch ein hochauflösendes Verfahren auf der Grundlage der von der zweiten Wellenanzahl-Schätzeinheit erhaltenen Eingangswellenanzahl.