JP2002107440A - Method and device for detecting direction - Google Patents

Method and device for detecting direction

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JP2002107440A
JP2002107440A JP2000299393A JP2000299393A JP2002107440A JP 2002107440 A JP2002107440 A JP 2002107440A JP 2000299393 A JP2000299393 A JP 2000299393A JP 2000299393 A JP2000299393 A JP 2000299393A JP 2002107440 A JP2002107440 A JP 2002107440A
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Japan
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detecting
signal
received
arriving
wave
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JP2000299393A
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Japanese (ja)
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Atsumichi Araki
純道 荒木
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Rikogaku Shinkokai
Original Assignee
Rikogaku Shinkokai
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direction detecting method and a direction detecting device capable of accurately detecting the arrival direction of an arrival wave with excellent resolution even if a spatial spreading is generated in the arrival wave. SOLUTION: This is a method for detecting the arrival direction of signal by receiving one or more signals arriving from any direction with an array antenna, and detecting the arrival direction of each received signal. This method uses a function or an equation including steering vector a (θ0-jΔθ) using the center θ0 in the arrival direction of each received signal and the spreading Δθin the arrival direction, and computes the function or the equation on the basis of the signal received by each element of the array antenna so as to obtain the center θ0 and the spreading Δθ of the arrival direction of each signal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに異なる方向
から到来する複数の波をアレーアンテナで受信して各々
の波の到来方向を検出するために用いる方向検出方法及
び方向検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a direction detecting method and a direction detecting apparatus for receiving a plurality of waves arriving from mutually different directions by an array antenna and detecting the direction of arrival of each wave.

【0002】[0002]

【従来の技術】互いに異なる方向から到来する波をアレ
ーアンテナで受信して各々の波の到来方向を検出するた
めの方法としては、従来より「MUSIC」と呼ばれる
アルゴリズム(R. O. Schmidt, “Multiple Emitter Lo
cation and Signal ParameterEstimation”,IEEE Tran
s, Antenna, Propagat.,AP-34, No.3, pp.276-280, Ma
r. 1986.)や、「ESPRIT」と呼ばれるアルゴリズ
ム(R. Roy, T. Kailath,“ESPRIT-Estimation of Sign
al Parameters via Rotational Invariance Technique
s”,IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processin
g, ASSP-37, No.7,pp.984-995, July 1989.)が知られ
ている。
2. Description of the Related Art As a method for receiving waves arriving from different directions by an array antenna and detecting the direction of arrival of each wave, an algorithm conventionally called "MUSIC" (RO Schmidt, "Multiple Emitter Lo
cation and Signal Parameter Estimation ”, IEEE Tran
s, Antenna, Propagat., AP-34, No.3, pp.276-280, Ma
r. 1986.) and an algorithm called “ESPRIT” (R. Roy, T. Kailath, “ESPRIT-Estimation of Sign
al Parameters via Rotational Invariance Technique
s ”, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processin
g, ASSP-37, No. 7, pp. 984-995, July 1989.).

【0003】これらのアルゴリズムは、フーリエ変換を
用いる方法やビーム走査を用いる方法に比べて優れた分
解能及び精度を実現することができるため、方向探知装
置に広く用いられている。
[0003] These algorithms are widely used in direction finding devices because they can achieve better resolution and accuracy than methods using Fourier transform and methods using beam scanning.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
「MUSIC」や「ESPRIT」のアルゴリズムは、
アレーアンテナに到来する波が平面波である場合を想定
したモデルに基づいている。このため、基本的に、広が
りを持った波が到来する場合にはその到来方向を推定す
ることができない。
However, the conventional "MUSIC" and "ESPRIT" algorithms are
It is based on a model that assumes that the wave arriving at the array antenna is a plane wave. Therefore, basically, when a wave having a spread arrives, its arrival direction cannot be estimated.

【0005】例えば、移動体通信の環境において移動局
から放射された電波が基地局のアンテナに入射する場合
を想定すると、移動局から放射された電波は移動局の周
辺に存在する建物などの障害物の影響を受けて散乱して
から基地局に入射する。この場合、基地局に入射する到
来波は空間的な広がりを持って到来すると考えた方が妥
当である。すなわち、実際の到来波の到来方向は、移動
局の方向だけでなく移動局の方向の近傍の様々な方向か
ら到来すると考えることができる。
For example, assuming that radio waves radiated from a mobile station are incident on an antenna of a base station in a mobile communication environment, radio waves radiated from the mobile station may cause obstacles such as buildings existing around the mobile station. After being scattered under the influence of an object, the light enters the base station. In this case, it is more appropriate to consider that the incoming wave entering the base station arrives with a spatial spread. That is, it can be considered that the actual arrival direction of the incoming wave comes from not only the direction of the mobile station but also various directions near the direction of the mobile station.

【0006】ここで、d個の移動局のそれぞれから信号
(狭帯域信号)Si(t)(但し、i=1,2,・・・,
d)が到来する場合に、直線上に間隔dxで等間隔に並
べられたm個の素子からなるアレーアンテナを用いて受
信する場合を想定する。この場合、アレーアンテナの受
信出力を表す出力ベクトルy(t)は次式で表される。
Here, a signal (narrowband signal) S i (t) (where i = 1, 2,...) From each of the d mobile stations.
d) if arrives, a case of receiving by using an array antenna of m elements which are arranged at equal intervals on a straight line at intervals d x. In this case, an output vector y (t) representing the reception output of the array antenna is represented by the following equation.

【数1】 例えば、移動局と基地局との間が見通せる空間である場
合のように、基地局のアレーアンテナに入射する到来波
に空間的な広がりが現れない場合には、前記第(1)式の
空間応答viは次式で表される。
(Equation 1) For example, when the incoming wave incident on the array antenna of the base station does not show a spatial spread, as in the case where the space between the mobile station and the base station can be seen through, the space of the formula (1) is used. response v i is expressed by the following equation.

【数2】 ここで、θiはi番目の移動局からの信号の到来方向で
あり、アレーアンテナに垂直な方向からの角度を表す。
また、a(θi)はθiの方向に相当する要素であり、操方
ベクトルと呼ばれる。操方ベクトルa(θi)は次式で表
される。
(Equation 2) Here, θ i is the arrival direction of the signal from the i-th mobile station, and represents an angle from a direction perpendicular to the array antenna.
A (θ i ) is an element corresponding to the direction of θ i and is called a maneuver vector. The steering vector a (θ i ) is represented by the following equation.

【数3】 前記第(3)式における隣接項間の位相差(exp(-jkdxsi
n(θi)))は、到来角θiに対するモードと呼ばれてい
る。前記「MUSIC」及び「ESPRIT」のアルゴ
リズムでは、このモードを求めることによって到来角を
推定する。
(Equation 3) In the equation (3), the phase difference between adjacent terms (exp (-jkd x si
n (θ i ))) is called a mode for the angle of arrival θ i . In the “MUSIC” and “ESPRIT” algorithms, the arrival angle is estimated by obtaining this mode.

【0007】しかしながら、前述のように基地局のアレ
ーアンテナに入射する到来波に空間的な広がりが生じる
環境においては、上記のモードで空間応答を表すことは
できない。すなわち、到来波に空間的な広がりが生じて
いる場合には、従来の「MUSIC」や「ESPRI
T」のアルゴリズムを利用して到来波の到来方向を推定
することができない。
However, as described above, in an environment in which an incoming wave incident on an array antenna of a base station is spatially spread, the above-described mode cannot express a spatial response. That is, when the incoming wave has a spatial spread, the conventional "MUSIC" or "ESPRI"
The direction of arrival of an incoming wave cannot be estimated using the algorithm of "T".

【0008】本発明は、到来波に空間的な広がりが生じ
ている場合であっても優れた分解能及び精度で到来方向
の検出が可能な方向検出方法及び方向検出装置を提供す
ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a direction detecting method and a direction detecting apparatus capable of detecting an incoming direction with excellent resolution and accuracy even when an incoming wave has a spatial spread. I do.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】請求項1は、任意の方向
からそれぞれ到来する1つ又は複数の信号をアレーアン
テナで受信し、受信した各々の信号が到来する方向を検
出する方向検出方法であって、受信された各々の信号の
到来方向の中心θo及び到来方向の広がりΔθを変数と
する操方ベクトルa(θo−jΔθ)を含む関数もしくは
方程式を用い、前記アレーアンテナの各々の素子で受信
された信号に基づいて前記関数もしくは方程式を計算
し、各々の信号の到来方向の中心θo及び広がりΔθを
求めることを特徴とする。
A first aspect of the present invention is a direction detecting method for receiving one or a plurality of signals arriving from arbitrary directions by an array antenna and detecting a direction in which each of the received signals arrives. Then, using a function or equation including a maneuvering vector a (θo-jΔθ) with the center of the arrival direction θo and the spread of the arrival direction Δθ of each of the received signals as variables, using each element of the array antenna The above function or equation is calculated based on the received signals, and the center θo and the spread Δθ of the arrival direction of each signal are obtained.

【0010】波の空間広がりを表すモードとして、漏れ
波が知られている(R. E. Collin,F. J. Zucker,“Ante
nna Theory Part 2”,Chapter 20, McGraw-Hill, 196
9.)。この漏れ波モードは、一般に位相回転と減衰モー
ドとを用いて次式で表される。
A leaky wave is known as a mode representing the spatial spread of a wave (RE Collin, FJ Zucker, “Ante
nna Theory Part 2 ”, Chapter 20, McGraw-Hill, 196
9.). This leaky wave mode is generally expressed by the following equation using a phase rotation and an attenuation mode.

【数4】 この漏れ波モードは、x軸上に密に並べられたアレーア
ンテナの放射パターンと同じと考えることができる。こ
のアレーアンテナの放射パターンR(θ)は次式で表され
る。
(Equation 4) This leaky wave mode can be considered to be the same as the radiation pattern of an array antenna densely arranged on the x-axis. The radiation pattern R (θ) of this array antenna is expressed by the following equation.

【数5】 また、減衰量αが1よりも遙かに小さい場合を想定する
と、放射パターンのピーク(中心)の方向θo及びその
広がり幅2Δθ(ピーク点からの減衰が3dB以内の範
囲の角度)は次式で表される。
(Equation 5) Further, assuming that the attenuation amount α is much smaller than 1, the direction θo of the peak (center) of the radiation pattern and its spread width 2Δθ (the angle within a range where the attenuation from the peak point is within 3 dB) are expressed by the following equations. It is represented by

【数6】 これらの変数(θo,Δθ)を用いることにより、前記
第(4)式の漏れ波モードは次式で表すことができる。
(Equation 6) By using these variables (θo, Δθ), the leaky wave mode of the above equation (4) can be expressed by the following equation.

【数7】 上記第(8)式の右辺は、中心の方向がθoで3dB広がり
幅が2Δθである到来波のモードを表す。従って、空間
的な広がりを持ったi番目の到来波の空間応答viは次
式で表すことができる。
(Equation 7) The right side of the above equation (8) represents the mode of the arriving wave whose center direction is θo and whose 3dB spread width is 2Δθ. Therefore, spatial response v i of i-th arrival wave having a spatial extent it can be expressed by the following equation.

【数8】 すなわち、複素数で表される到来波の角度に相当するモ
ードを求めることにより、各到来波の到来方向の中心θ
o及び3dB広がり幅2Δθを求めることができる。そ
こで、請求項1においては、θo及びΔθを変数とする
操方ベクトルa(θo−jΔθ)を含む関数もしくは方程
式を用い、アレーアンテナの各々の素子で受信された信
号に基づいて前記関数もしくは方程式を計算する。従っ
て、各々の到来波の到来方向の中心θo及び広がりΔθ
を高精度で求めることができる。
(Equation 8) That is, by finding a mode corresponding to the angle of the incoming wave represented by a complex number, the center θ of the arrival direction of each incoming wave is obtained.
o and 3 dB spread width 2Δθ can be obtained. Therefore, in claim 1, a function or an equation including a steering vector a (θo−jΔθ) having θo and Δθ as variables is used, and the function or the equation is calculated based on a signal received by each element of the array antenna. Is calculated. Therefore, the center θo and the spread Δθ of the arrival direction of each arriving wave
Can be obtained with high accuracy.

【0011】請求項2は、任意の方向からそれぞれ到来
する1つ又は複数の信号をアレーアンテナで受信し、受
信した各々の信号が到来する方向を検出する方向検出装
置であって、前記アレーアンテナの各々の素子で受信さ
れた受信波を一定の時間間隔でそれぞれサンプリングし
て所定数の信号値を第1の行列として取得するサンプリ
ング手段と、前記第1の行列から共分散行列を作成する
共分散行列作成手段と、前記共分散行列作成手段の作成
した共分散行列を分解して複数の固有値及び固有ベクト
ルを抽出する固有値分解手段と、前記固有値分解手段が
抽出した固有値に基づいて前記アレーアンテナに到来し
ている信号の数を検出する信号数検出手段と、信号の到
来方向の中心θo及び到来方向の広がりΔθを変数とす
る操方ベクトルa(θo−jΔθ)及び固有ベクトルの雑
音成分Enを要素として含む関数と、前記受信波の雑音
成分の固有ベクトルとを用いて、前記関数を最大化する
ために必要なθo及びΔθを求める方向計算手段とを設
けたことを特徴とする。
A second aspect of the present invention is a direction detecting apparatus for receiving one or a plurality of signals arriving from arbitrary directions by an array antenna and detecting a direction in which each of the received signals arrives, Sampling means for sampling the reception waves received by the respective elements at predetermined time intervals to obtain a predetermined number of signal values as a first matrix, and a sampling means for forming a covariance matrix from the first matrix. A variance matrix creation unit, an eigenvalue decomposition unit that extracts a plurality of eigenvalues and eigenvectors by decomposing the covariance matrix created by the covariance matrix creation unit, and the array antenna based on the eigenvalues extracted by the eigenvalue decomposition unit. Signal number detecting means for detecting the number of arriving signals, and a maneuvering vector a (θo jΔθ) and a direction calculation means for obtaining θo and Δθ necessary to maximize the function by using a function including the noise component En of the eigenvector as an element and the eigenvector of the noise component of the received wave. It is characterized by the following.

【0012】請求項2の方向計算手段は、θo及びΔθ
を変数とする操方ベクトルa(θo−jΔθ)及び固有ベ
クトルの雑音成分Enを要素として含む関数と、受信波
の雑音成分の固有ベクトルとを用いて、前記関数を最小
化するために必要なθo及びΔθを求める。すなわち、
前記第(9)式の操方ベクトルa(θo−jΔθ)を用いて従
来の「MUSIC」アルゴリズムを変形したアルゴリズ
ムを用いることにより、広がりを有する到来波の方向θ
o及び広がり幅2Δθを高精度で求めることができる。
According to a second aspect of the present invention, the direction calculating means comprises θo and Δθ
Is used to minimize the function by using a function including the maneuvering vector a (θo-jΔθ) and the eigenvector noise component En as elements and the eigenvector of the received wave noise component as variables. Find Δθ. That is,
By using an algorithm obtained by modifying the conventional “MUSIC” algorithm using the maneuvering vector a (θo−jΔθ) of the equation (9), the direction of the arriving wave
o and the spread width 2Δθ can be obtained with high accuracy.

【0013】なお、固有値分解手段の抽出する固有値は
到来波のそれぞれの成分に対応する。また、それぞれの
固有値について固有ベクトルが求められる。固有ベクト
ルは、受信信号からそれぞれの到来波の成分を取り出す
ために利用される重みベクトルである。請求項3は、請
求項2の方向検出装置において、前記θo及びΔθのそ
れぞれの変化に応じた前記関数の値の変化を二次元空間
上に表示するスペクトラム描画手段を前記方向計算手段
として設けたことを特徴とする。
The eigenvalues extracted by the eigenvalue decomposition means correspond to each component of the incoming wave. In addition, an eigenvector is obtained for each eigenvalue. The eigenvector is a weight vector used for extracting each arriving wave component from the received signal. According to a third aspect of the present invention, in the direction detecting apparatus of the second aspect, spectrum drawing means for displaying a change in the value of the function according to each change of the θo and Δθ in a two-dimensional space is provided as the direction calculation means. It is characterized by the following.

【0014】請求項3においては、スペクトラム描画手
段によって表示される関数の値の変化を参照することに
より、関数の値が極小になる位置を視覚的に調べ、到来
波の方向θo及び広がり2Δθを検出することができ
る。請求項4は、任意の方向からそれぞれ到来する1つ
又は複数の信号をアレーアンテナで受信し、受信した各
々の信号が到来する方向を検出する方向検出装置であっ
て、前記アレーアンテナの各々の素子で受信された受信
波を一定の時間間隔でそれぞれサンプリングして所定数
の信号値を第1の行列として取得するサンプリング手段
と、前記第1の行列から共分散行列を作成する共分散行
列作成手段と、前記共分散行列作成手段の作成した共分
散行列を分解して複数の固有値及び固有ベクトルを抽出
する固有値分解手段と、前記固有値分解手段が抽出した
固有値に基づいて前記アレーアンテナに到来している信
号の数を検出する信号数検出手段と、信号の到来方向の
中心θo及び到来方向の広がりΔθを変数とする操方ベ
クトルa(θo−jΔθ)を要素として含む方程式と、前
記受信波の信号成分の固有ベクトルとを用いて各到来波
のモードに対応するθo及びΔθを求める方向計算手段
とを設けたことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, by referring to a change in the value of the function displayed by the spectrum drawing means, a position where the value of the function is minimized is visually examined to determine the direction θo and the spread 2Δθ of the arriving wave. Can be detected. Claim 4 is a direction detecting device that receives one or a plurality of signals respectively arriving from arbitrary directions by an array antenna and detects a direction in which each received signal arrives, wherein each of the array antennas Sampling means for sampling the reception waves received by the elements at predetermined time intervals to obtain a predetermined number of signal values as a first matrix, and covariance matrix creation for creating a covariance matrix from the first matrix Means, eigenvalue decomposition means for decomposing the covariance matrix created by the covariance matrix creation means to extract a plurality of eigenvalues and eigenvectors, and arriving at the array antenna based on the eigenvalues extracted by the eigenvalue decomposition means. Signal number detecting means for detecting the number of signals present, and a maneuvering vector a (θo-jΔθ) having the center of the arrival direction of the signal θo and the spread of the arrival direction Δθ as variables And a direction calculating means for calculating θo and Δθ corresponding to each arriving wave mode using an equation including the following equation and the eigenvector of the signal component of the received wave.

【0015】請求項4の方向計算手段は、θo及びΔθ
を変数とする操方ベクトルa(θo−jΔθ)を要素とし
て含む方程式と、受信波の信号成分の固有ベクトルとを
用いて各到来波のモードに対応するθo及びΔθを求め
る。すなわち、前記第(9)式の操方ベクトルa(θo−j
Δθ)を用いて従来の「ESPRIT」アルゴリズムを
変形したアルゴリズムを用いることにより、広がりを有
する到来波の方向θo及び広がり幅2Δθを高精度で求
めることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, the direction calculating means includes θo and Δθ
And θθ corresponding to the mode of each arriving wave are obtained by using an equation including the maneuvering vector a (θo-jΔθ) as an element and the eigenvector of the signal component of the received wave. That is, the maneuvering vector a (θo-j)
By using an algorithm obtained by modifying the conventional “ESPRIT” algorithm using (Δθ), the direction θo and the spread width 2Δθ of the arriving wave having spread can be obtained with high accuracy.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)本発明の方
向検出方法及び方向検出装置の1つの実施の形態につい
て、図1〜図3を参照して説明する。この形態は請求項
1〜請求項3に対応する。図1はこの形態の方向検出装
置の構成を示すブロック図である。図2は送信局と受信
局との位置関係の例を示す平面図である。図3は二次元
MUSICスペクトラムの描画例を示すグラフである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) One embodiment of a direction detecting method and a direction detecting apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment corresponds to claims 1 to 3. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the direction detection device of this embodiment. FIG. 2 is a plan view showing an example of the positional relationship between the transmitting station and the receiving station. FIG. 3 is a graph showing a drawing example of a two-dimensional MUSIC spectrum.

【0017】この形態では、請求項2のサンプリング手
段,共分散行列作成手段,固有値分解手段,信号数検出
手段及び方向計算手段は、それぞれ受信回路21,共分
散行列作成部31,固有値分解処理部32,波数推定処
理部33及び二次元MUSICスペクトラム描画部34
に対応する。また、請求項3のスペクトラム描画手段は
二次元MUSICスペクトラム描画部34に対応する。
In this embodiment, the sampling means, the covariance matrix creation means, the eigenvalue decomposition means, the signal number detection means and the direction calculation means of the second aspect are respectively a receiving circuit 21, a covariance matrix creation section 31, and an eigenvalue decomposition processing section. 32, wave number estimation processing unit 33 and two-dimensional MUSIC spectrum drawing unit 34
Corresponding to The spectrum drawing means of claim 3 corresponds to the two-dimensional MUSIC spectrum drawing unit 34.

【0018】この形態では、例えば図2に示すような状
況で到来波の方向を検出する場合を想定している。図2
は、基地局が1つ又は複数の移動局からの電波を受信す
る場合を表している。都市空間のようなマルチパス環境
においては、移動局から放射される電波には周囲の建物
などの障害物で反射や散乱が生じる。このため、移動局
から放射される電波は互いに異なる経路を通って基地局
に到達する。従って、基地局から移動局を見た場合、到
来波の方向には図2のような広がりが生じる。θoは到
来波の方向の中心の角度を表し、2Δθは到来波の方向
の広がり幅の角度を表している。
In this embodiment, it is assumed that the direction of an incoming wave is detected in the situation shown in FIG. 2, for example. FIG.
Represents a case where the base station receives radio waves from one or a plurality of mobile stations. In a multipath environment such as an urban space, radio waves radiated from a mobile station are reflected or scattered by obstacles such as surrounding buildings. Therefore, the radio waves radiated from the mobile station reach the base station through different routes. Therefore, when the mobile station is viewed from the base station, the direction of the incoming wave spreads as shown in FIG. θo represents the angle of the center of the direction of the incoming wave, and 2Δθ represents the angle of the spread width in the direction of the incoming wave.

【0019】図1に示す方向検出装置は、例えば図2に
示す基地局において複数の移動局のそれぞれから到来す
る電波のそれぞれの到来方向θo及び広がり幅2Δθを
検出するために用いることができる。なお、従来の「M
USIC」や「ESPRIT」のアルゴリズムでは、図
2のように広がりを持った波が到来することを想定して
いないので、これらのアルゴリズムをそのまま利用して
も到来波の方向を正確に推定することはできない。
The direction detecting device shown in FIG. 1 can be used, for example, in the base station shown in FIG. 2 to detect the arrival direction θo and the spread width 2Δθ of radio waves arriving from each of a plurality of mobile stations. Note that the conventional "M
The USIC and ESPRIT algorithms do not assume that waves with a spread as shown in Fig. 2 will arrive, so it is necessary to accurately estimate the direction of the incoming wave even if these algorithms are used as they are. Can not.

【0020】この形態では、「MUSIC」アルゴリズ
ムを改良した方法を用いて、広がりを持った波が到来す
る場合に、それぞれの波の到来方向θo及び広がり幅2
Δθを高精度で検出できるようにしてある。図1を参照
すると、この方向検出装置はアレーアンテナ10,受信
回路21,信号処理回路30,表示装置41及びプリン
タ42を備えている。アレーアンテナ10は、1つの軸
方向に沿って一定の間隔dxで等間隔に1列に配置され
たm個のアンテナ素子11で構成されている。
In this embodiment, when a spread wave arrives using a method improved from the “MUSIC” algorithm, the arrival direction θo and spread width 2 of each wave are obtained.
Δθ can be detected with high accuracy. Referring to FIG. 1, the direction detecting device includes an array antenna 10, a receiving circuit 21, a signal processing circuit 30, a display device 41, and a printer 42. Array antenna 10 is composed of one of m that along the axial direction are arranged in a row at equal intervals at regular intervals d x of the antenna element 11.

【0021】受信回路21は、アンテナ素子11の数と
同じ数だけ設けてある。それぞれの受信回路21は、そ
れぞれの入力に接続されたアンテナ素子11が受信した
信号の受信処理を行うとともに、一定の時間間隔(T
秒)でサンプリング及びA/D変換を行い、複素振幅を
持つディジタル信号を出力する。受信回路21が出力す
るディジタル信号の出力ベクトルy(qT)は次式で表され
る。
The same number of receiving circuits 21 as the number of antenna elements 11 are provided. Each of the receiving circuits 21 performs a receiving process of a signal received by the antenna element 11 connected to each of the inputs, and performs a predetermined time interval (T
(Seconds), sampling and A / D conversion are performed, and a digital signal having a complex amplitude is output. The output vector y (qT) of the digital signal output from the receiving circuit 21 is represented by the following equation.

【数9】 この出力ベクトルy(qT)は、T秒間隔で順次にサンプリ
ングされた値である。また、アンテナ素子11の素子番
号と出力ベクトルy(qT)の要素番号とが対応している。
また、ここでは互いに異なる方向から到来するd個の到
来波が、それぞれviの空間応答(i=1,・・・,
d)及びsi(t)の複素振幅をもって到来している場合を
想定している。
(Equation 9) The output vector y (qT) is a value sequentially sampled at intervals of T seconds. The element number of the antenna element 11 corresponds to the element number of the output vector y (qT).
Further, where d number of incoming waves arriving from different directions, the spatial response of each v i (i = 1, ··· ,
It is assumed that the signal arrives with the complex amplitudes of d) and s i (t).

【0022】共分散行列作成部31は、受信回路21の
出力に得られる出力ベクトルy(qT)からN個のスナップ
ショットを取り出し、それの共分散行列Rを作成する。
共分散行列Rは次式で表される。
The covariance matrix creation unit 31 extracts N snapshots from the output vector y (qT) obtained at the output of the receiving circuit 21, and creates a covariance matrix R thereof.
The covariance matrix R is represented by the following equation.

【数10】 固有値分解処理部32は、共分散行列作成部31から出
力される共分散行列Rを入力し、それを各々の受信信号
成分などに相当する複数の固有値に分解する。実際に
は、アンテナ素子11の数と等しいm個の固有値λi
求められる(i=1,・・・,m)。
(Equation 10) The eigenvalue decomposition processing unit 32 receives the covariance matrix R output from the covariance matrix creation unit 31, and decomposes the covariance matrix R into a plurality of eigenvalues corresponding to the respective received signal components. In practice, m eigenvalues λ i equal to the number of antenna elements 11 are obtained (i = 1,..., M).

【0023】また、それぞれの固有値に対応する固有ベ
クトルeiを求める(i=1,・・・,m)。固有ベク
トルは、受信信号から複数の信号成分のそれぞれを取り
出すために用いられる重みベクトルである。固有値λi
については、漸近的に次式の関係が成り立つものとす
る。
Further, an eigenvector e i corresponding to each eigenvalue is obtained (i = 1,..., M). The eigenvector is a weight vector used to extract each of the plurality of signal components from the received signal. Eigenvalue λ i
It is assumed that the following relationship holds asymptotically.

【数11】 すなわち、固有値λiはd個の到来波のそれぞれに対応
する信号成分(λ1,・・・,λd)と雑音成分
(λd+1,・・・,λm)とに分けられる。それぞれの信
号成分は大きさが互いに異なる。また、全ての信号成分
は雑音成分と比べて遙かに大きい。
[Equation 11] That is, the eigenvalue λ i is divided into signal components (λ 1 ,..., Λ d ) and noise components (λ d + 1 ,..., Λ m ) corresponding to each of the d arriving waves. Each signal component has a different magnitude from each other. All signal components are much larger than noise components.

【0024】同様に、固有ベクトルeiについても、d
個の到来波の信号成分に対応する直交基底Es(=[e
1,・・・,ed])と雑音成分に対応する直交基底En
(=[ed+1,・・・,em])とに分けられる。これら
は次のような特徴を持つ。漸近的に信号成分に相当する
直交基底Esは、次式で示されるようにd個の空間応答
からなる行列V(=[v1,・・・,vd])の線形結合
に一致する。
Similarly, for the eigenvector e i , d
Orthogonal bases Es (= [e
1 ,..., Ed ]) and the orthogonal basis En corresponding to the noise components
(= [E d + 1, ···, e m]) is divided into a. These have the following features. The orthogonal basis Es asymptotically corresponding to the signal component matches a linear combination of a matrix V (= [v 1 ,..., V d ]) composed of d spatial responses as shown by the following equation.

【数12】 また、空間応答vは操方ベクトル「a(θo−jΔ
θ)」で近似されるので、基底Esの直交補空間である
Enは操方ベクトル「a(θo−jΔθ)」と近似的に
直交することになる。更に、雑音成分に相当する固有値
(λd+1,・・・,λm)は共分散行列Rの雑音成分に相
当する直交空間への射影であるため、漸近的に雑音電力
に等しい。
(Equation 12) In addition, the spatial response v is calculated using the manipulation vector “a (θo−jΔ
θ) ”, En, which is the orthogonal complement space of the basis Es, is approximately orthogonal to the steering vector“ a (θo−jΔθ) ”. Further, the eigenvalue (λ d + 1 ,..., Λ m ) corresponding to the noise component is asymptotically equal to the noise power because it is a projection onto the orthogonal space corresponding to the noise component of the covariance matrix R.

【0025】図1の固有値分解処理部32は、得られた
固有値(λ1,・・・,λm)を波数推定処理部33に与
え、固有ベクトル(e1,・・・,em)を二次元MUS
ICスペクトラム描画部34に与える。波数推定処理部
33は、固有値分解処理部32から入力された固有値の
分布状態を調べて到来波数dを推定する。すなわち、前
記第(12)式の関係に基づき、雑音電力に比べて遙かに大
きい値をもつ固有値の数を到来波数として推定する。波
数推定処理部33は、推定した到来波数dを二次元MU
SICスペクトラム描画部34に与える。
The eigenvalue decomposition processing unit 32 of FIG. 1, the obtained eigenvalues (λ 1, ···, λ m ) gives the wave number estimation processing unit 33, the eigenvectors (e 1, ···, e m ) a 2D MUS
This is given to the IC spectrum drawing section 34. The wave number estimation processing unit 33 checks the distribution state of the eigenvalues input from the eigenvalue decomposition processing unit 32 and estimates the number of incoming waves d. That is, the number of eigenvalues having a value much larger than the noise power is estimated as the number of arriving waves based on the relationship of the above equation (12). The wave number estimation processing unit 33 converts the estimated number of incoming waves d into a two-dimensional MU
This is given to the SIC spectrum drawing unit 34.

【0026】二次元MUSICスペクトラム描画部34
は、固有値分解処理部32から入力される固有ベクトル
(e1,・・・,em)及び波数推定処理部33から入力
される到来波数dとに基づいて、それぞれの到来波の到
来方向の中心方向θo及びその広がり幅2Δθを求め
る。到来波の到来方向を求める方法としては、従来の
「MUSIC」アルゴリズムのように雑音成分に相当す
る直交基底を用いる方法と、従来の「ESPRIT」ア
ルゴリズムのように信号成分に相当する直交基底を用い
る方法とが考えられる。ここでは、「MUSIC」アル
ゴリズムを改良した方法を用いて到来波の到来方向の中
心方向θo及びその広がり幅2Δθを求める。
Two-dimensional MUSIC spectrum drawing section 34
Is based on the eigenvectors (e 1 ,..., E m ) input from the eigenvalue decomposition processing unit 32 and the number of incoming waves d input from the wave number estimation processing unit 33. The direction θo and its spread width 2Δθ are determined. As a method for obtaining the arrival direction of an incoming wave, a method using an orthogonal base corresponding to a noise component like the conventional "MUSIC" algorithm and a method using an orthogonal base corresponding to the signal component like the conventional "ESPRIT" algorithm are used. Method. Here, the central direction θo of the arrival direction of the arriving wave and its spread width 2Δθ are obtained by using a method improved from the “MUSIC” algorithm.

【0027】θo及びΔθを変数とする二次元のMUS
ICスペクトラムの関数P(θo,Δθ)は次式で表され
る。
Two-dimensional MUS with θo and Δθ as variables
The function P (θo, Δθ) of the IC spectrum is expressed by the following equation.

【数13】 第(14)式においては、θo及びΔθを変数とする操方ベ
クトル「a(θo−jΔθ)」及び雑音成分に相当する
直交基底Enを用いて二次元のMUSICスペクトラム
を求めるので、広がりを有する到来波を推定することが
できる。
(Equation 13) In equation (14), the two-dimensional MUSIC spectrum is obtained using the maneuvering vector “a (θo−jΔθ)” using θo and Δθ as variables and the orthogonal basis En corresponding to the noise component. An incoming wave can be estimated.

【0028】実際には、二次元MUSICスペクトラム
描画部34は前記第(14)式の二次元MUSICスペクト
ラムを、例えば図3に示すような形態で平面上に可視的
なグラフとして描画する。このグラフは、表示装置41
又はプリンタ42に出力される。二次元MUSICスペ
クトラム描画部34は、変数であるθo及びΔθをそれ
ぞれ微少量ずつ変化させながら関数P(θo,Δθ)の値
を計算することにより、図3のようなグラフを描画する
ことができる。
Actually, the two-dimensional MUSIC spectrum drawing section 34 draws the two-dimensional MUSIC spectrum of the above formula (14) as a visible graph on a plane in a form as shown in FIG. 3, for example. This graph is displayed on the display device 41.
Alternatively, it is output to the printer 42. The two-dimensional MUSIC spectrum drawing unit 34 can draw a graph as shown in FIG. 3 by calculating the value of the function P (θo, Δθ) while changing the variables θo and Δθ little by little. .

【0029】図3に示すように、二次元MUSICスペ
クトラムには、実際の到来波に相当する位置で鋭いピー
クが現れる。このピーク位置から、図3に示すように到
来波の到来方向の中心θomin及び広がり幅Δθminを求
めることができる。二次元MUSICスペクトラム描画
部34は、実際にはd個の到来波のそれぞれに対応する
d個のピークを含む二次元MUSICスペクトラムを描
画する。従って、各々のピーク位置からそれぞれの到来
波の到来方向及び広がり幅を求めることができる。
As shown in FIG. 3, a sharp peak appears in the two-dimensional MUSIC spectrum at a position corresponding to an actual arriving wave. From this peak position, the center θomin and the spread width Δθmin of the arrival direction of the incoming wave can be obtained as shown in FIG. The two-dimensional MUSIC spectrum drawing unit 34 actually draws a two-dimensional MUSIC spectrum including d peaks corresponding to each of d arrival waves. Therefore, the arrival direction and spread width of each arriving wave can be obtained from each peak position.

【0030】なお、この形態では描画された二次元MU
SICスペクトラムに基づいて到来波の到来方向の中心
θomin及び広がり幅Δθminを求める場合について説明
したが、例えば多項式の根を探索するなどの方法を用い
れば、関数P(θo,Δθ)のビーク位置を計算で直接求
めることも可能である。
In this embodiment, the drawn two-dimensional MU
The case where the center θomin and the spread width Δθmin of the arrival direction of the arriving wave are obtained based on the SIC spectrum has been described. However, if a method such as searching for the root of a polynomial is used, the beak position of the function P (θo, Δθ) can be obtained. It is also possible to obtain it directly by calculation.

【0031】(第2の実施の形態)本発明の方向検出方
法及び方向検出装置のもう1つの実施の形態について、
図4を参照して説明する。この形態は請求項4に対応す
る。図4はこの形態の方向検出装置の構成を示すブロッ
ク図である。この形態は第1の実施の形態の変形例であ
る。図4において、図1と対応する要素は同一の符号を
付けて示してある。
(Second Embodiment) Another embodiment of the direction detecting method and the direction detecting apparatus according to the present invention will be described.
This will be described with reference to FIG. This embodiment corresponds to claim 4. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the direction detection device of this embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. 4, elements corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

【0032】図4に示す方向検出装置は、二次元MUS
ICスペクトラム描画部34の代わりにESPRIT計
算処理部35を設けた以外は図1の装置と同じ構成にな
っている。同一の部分については、以下の説明を省略す
る。ESPRIT計算処理部35は、d個の到来波に対
応するモードを直接的に求めるために次の第(15)式で表
される方程式を利用する。
The direction detecting device shown in FIG.
It has the same configuration as the apparatus of FIG. 1 except that an ESPRIT calculation processing unit 35 is provided instead of the IC spectrum drawing unit 34. For the same parts, the following description is omitted. The ESPRIT calculation processing unit 35 uses an equation expressed by the following equation (15) in order to directly obtain a mode corresponding to d arriving waves.

【数14】 但し、第(15)式のAは第(13)式に示されるd個の操方ベ
クトルからなる行列である。である。また、J1及びJ2
は、それぞれ行列Aの第1:(m-1)行及び第2:m行を
選択するための(m−1)×m次の行列である。また、Φ
はd個の到来波に対するモードを対角項に有する行列で
ある。行列Φを求めることにより、到来波の到来方向の
中心θo及び広がり幅2Δθを求めることができる。
[Equation 14] Here, A in Expression (15) is a matrix composed of d manipulation vectors shown in Expression (13). It is. Also, J 1 and J 2
Is a (m−1) × m order matrix for selecting the first 1: (m−1) and second: m rows of the matrix A, respectively. Also, Φ
Is a matrix having the modes for d arriving waves in the diagonal terms. By obtaining the matrix Φ, the center θo and the spread width 2Δθ of the arrival direction of the incoming wave can be obtained.

【0033】実際には、ESPRIT計算処理部35は
行列Aの代わりに信号成分に相当する前述の基底Esを
用いる。前記第(13)式の特徴に基づき、漸近的かつ近似
的に次の第(17)式が成り立つ。第(17)式のΨは、第(18)
式で表されるd次元の行列である。この行列Ψの構成の
特徴により、Ψの固有値はd個の到来波のモードに一致
する。
In practice, the ESPRIT calculation processing unit 35 uses the aforementioned basis Es corresponding to the signal component instead of the matrix A. Based on the characteristics of the above equation (13), the following equation (17) holds asymptotically and approximately. Ψ in equation (17) is
It is a d-dimensional matrix represented by the equation. Due to the characteristics of the configuration of the matrix Ψ, the eigenvalues of Ψ match the modes of the d arriving waves.

【数15】 ESPRIT計算処理部35は次のように計算処理を行
う。まず、第(17)式の方程式を解くことにより行列Ψを
求める。次に、行列Ψの固有値を求めて、d個の到来波
に対するモードを計算する。最後に、上記第(19)式及び
第(20)式を用いて到来波の到来方向の中心θo及び広が
り幅2Δθを求める。但し、記号Re及びImは、それ
ぞれ実部及び虚部を表す。
(Equation 15) The ESPRIT calculation processing unit 35 performs the calculation processing as follows. First, the matrix Ψ is obtained by solving the equation (17). Next, the mode for the d arriving waves is calculated by obtaining the eigenvalue of the matrix Ψ. Finally, the center θo and the spread width 2Δθ of the arriving direction of the arriving wave are obtained using the above equations (19) and (20). Here, the symbols Re and Im represent a real part and an imaginary part, respectively.

【0034】なお、従来の「ESPRIT」アルゴリズ
ムでは到来波に対応するモードの位相情報のみを用いて
到来方向の推定を行っていたため、空間的な広がりを有
する到来波の推定を行うことはできなかった。ESPR
IT計算処理部35では、位相情報に加えて振幅情報を
用いて推定を行うので、空間的な広がりを有する到来波
の到来方向及び広がり幅を推定することができる。
In the conventional "ESPRIT" algorithm, since the direction of arrival is estimated using only the phase information of the mode corresponding to the incoming wave, it is not possible to estimate the incoming wave having a spatial spread. Was. ESPR
Since the IT calculation processing unit 35 performs the estimation using the amplitude information in addition to the phase information, it is possible to estimate the arrival direction and the spread width of the arriving wave having a spatial spread.

【0035】なお、前述の第1の実施の形態及び第2の
実施の形態では基本的な方向検出装置のみについて説明
したが、本発明の方向検出方法及び方向検出装置は様々
な装置に応用することができる。例えば、伝搬特性計測
装置,移動無線装置,ワイヤレス通信装置,レーダ装
置,ソナー装置,医用画像装置,音響インテンシティ計
測装置などへの応用が可能である。
Although only the basic direction detecting device has been described in the first and second embodiments, the direction detecting method and the direction detecting device of the present invention are applied to various devices. be able to. For example, the present invention can be applied to a propagation characteristic measuring device, a mobile radio device, a wireless communication device, a radar device, a sonar device, a medical imaging device, a sound intensity measuring device, and the like.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方向検出
方法及び方向検出装置によれば、到来方向の広がりを有
する波が到来する場合であっても、アレーアンテナで受
信された時系列の信号に基づいて各到来波の到来方向の
中心及び広がり幅を測定することが可能である。
As described above, according to the direction detecting method and the direction detecting apparatus of the present invention, even if a wave having a spread in the direction of arrival arrives, the time series of the time series received by the array antenna can be obtained. It is possible to measure the center and the spread width of each incoming wave in the direction of arrival based on the signal.

【0037】従って、例えば移動体通信に本発明を適用
すれば、基地局において複数の到来波のそれぞれの環境
を的確に把握することができるので、通信品質の改善に
役立つ。
Therefore, when the present invention is applied to, for example, mobile communication, the environment of each of a plurality of arriving waves can be accurately grasped at the base station, which is useful for improving communication quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施の形態の方向検出装置の構成を示す
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a direction detection device according to a first embodiment.

【図2】送信局と受信局との位置関係の例を示す平面図
である。
FIG. 2 is a plan view showing an example of a positional relationship between a transmitting station and a receiving station.

【図3】二次元MUSICスペクトラムの描画例を示す
グラフである。
FIG. 3 is a graph showing a drawing example of a two-dimensional MUSIC spectrum.

【図4】第2の実施の形態の方向検出装置の構成を示す
ブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a direction detection device according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 アレーアンテナ 11 アンテナ素子 21 受信回路 30 信号処理回路 31 共分散行列作成部 32 固有値分解処理部 33 波数推定処理部 34 二次元MUSICスペクトラム描画部 35 ESPRIT計算処理部 41 表示装置 42 プリンタ Reference Signs List 10 array antenna 11 antenna element 21 receiving circuit 30 signal processing circuit 31 covariance matrix creating unit 32 eigenvalue decomposition processing unit 33 wave number estimation processing unit 34 two-dimensional MUSIC spectrum drawing unit 35 ESPRIT calculation processing unit 41 display device 42 printer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 任意の方向からそれぞれ到来する1つ又
は複数の信号をアレーアンテナで受信し、受信した各々
の信号が到来する方向を検出する方向検出方法であっ
て、 受信された各々の信号の到来方向の中心θo及び到来方
向の広がりΔθを変数とする操方ベクトルa(θo−jΔ
θ)を含む関数もしくは方程式を用い、 前記アレーアンテナの各々の素子で受信された信号に基
づいて前記関数もしくは方程式を計算し、各々の信号の
到来方向の中心θo及び広がりΔθを求めることを特徴
とする方向検出方法。
1. A direction detecting method for receiving one or a plurality of signals respectively arriving from arbitrary directions by an array antenna and detecting a direction in which each received signal arrives, comprising: The maneuvering vector a (θo−jΔ) having the center of arrival direction θo and the spread of the arrival direction Δθ as variables
θ), and calculating the function or equation based on the signals received by each element of the array antenna to obtain the center θo and the spread Δθ of the arrival direction of each signal. Direction detection method.
【請求項2】 任意の方向からそれぞれ到来する1つ又
は複数の信号をアレーアンテナで受信し、受信した各々
の信号が到来する方向を検出する方向検出装置であっ
て、 前記アレーアンテナの各々の素子で受信された受信波を
一定の時間間隔でそれぞれサンプリングして所定数の信
号値を第1の行列として取得するサンプリング手段と、 前記第1の行列から共分散行列を作成する共分散行列作
成手段と、 前記共分散行列作成手段の作成した共分散行列を分解し
て複数の固有値及び固有ベクトルを抽出する固有値分解
手段と、 前記固有値分解手段が抽出した固有値に基づいて前記ア
レーアンテナに到来している信号の数を検出する信号数
検出手段と、 信号の到来方向の中心θo及び到来方向の広がりΔθを
変数とする操方ベクトルa(θo−jΔθ)及び固有ベク
トルの雑音成分Enを要素として含む関数と、前記受信
波の雑音成分の固有ベクトルとを用いて、前記関数を最
大化するために必要なθo及びΔθを求める方向計算手
段とを設けたことを特徴とする方向検出装置。
2. A direction detecting device for receiving one or a plurality of signals respectively arriving from arbitrary directions by an array antenna and detecting a direction in which each of the received signals arrives, wherein each of the array antennas Sampling means for sampling the received waves received by the elements at predetermined time intervals to obtain a predetermined number of signal values as a first matrix; and creating a covariance matrix for creating a covariance matrix from the first matrix Means, eigenvalue decomposition means for decomposing the covariance matrix created by the covariance matrix creation means and extracting a plurality of eigenvalues and eigenvectors, and arriving at the array antenna based on the eigenvalues extracted by the eigenvalue decomposition means Signal number detecting means for detecting the number of signals present, a steering vector a (θo-jΔθ) and a center θo of the arrival direction of the signal and a spread Δθ of the arrival direction as variables. And a direction calculating means for obtaining θo and Δθ necessary for maximizing the function using a function including the noise component En of the received wave as an element and the eigenvector of the noise component of the received wave. Characteristic direction detection device.
【請求項3】 請求項2の方向検出装置において、前記
θo及びΔθのそれぞれの変化に応じた前記関数の値の
変化を二次元空間上に表示するスペクトラム描画手段を
前記方向計算手段として設けたことを特徴とする方向検
出装置。
3. The direction detecting device according to claim 2, wherein a spectrum drawing means for displaying a change in the value of the function according to each change of the θo and Δθ in a two-dimensional space is provided as the direction calculation means. A direction detection device characterized by the above-mentioned.
【請求項4】 任意の方向からそれぞれ到来する1つ又
は複数の信号をアレーアンテナで受信し、受信した各々
の信号が到来する方向を検出する方向検出装置であっ
て、 前記アレーアンテナの各々の素子で受信された受信波を
一定の時間間隔でそれぞれサンプリングして所定数の信
号値を第1の行列として取得するサンプリング手段と、 前記第1の行列から共分散行列を作成する共分散行列作
成手段と、 前記共分散行列作成手段の作成した共分散行列を分解し
て複数の固有値及び固有ベクトルを抽出する固有値分解
手段と、 前記固有値分解手段が抽出した固有値に基づいて前記ア
レーアンテナに到来している信号の数を検出する信号数
検出手段と、 信号の到来方向の中心θo及び到来方向の広がりΔθを
変数とする操方ベクトルa(θo−jΔθ)を要素として
含む方程式と、前記受信波の信号成分の固有ベクトルと
を用いて各到来波のモードに対応するθo及びΔθを求
める方向計算手段とを設けたことを特徴とする方向検出
装置。
4. A direction detecting device for receiving one or a plurality of signals arriving from arbitrary directions by an array antenna and detecting a direction in which each of the received signals arrives, wherein each of the array antennas Sampling means for sampling the received waves received by the elements at predetermined time intervals to obtain a predetermined number of signal values as a first matrix; and creating a covariance matrix for creating a covariance matrix from the first matrix Means, eigenvalue decomposition means for decomposing the covariance matrix created by the covariance matrix creation means and extracting a plurality of eigenvalues and eigenvectors, and arriving at the array antenna based on the eigenvalues extracted by the eigenvalue decomposition means Signal number detecting means for detecting the number of signals present, and a maneuvering vector a (θo-jΔθ) having the center of the arrival direction of the signal θo and the spread of the arrival direction Δθ as variables. A direction detecting device, comprising: a direction calculating unit that obtains θo and Δθ corresponding to each arriving wave mode using an equation included as an element and an eigenvector of the signal component of the received wave.
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