JP2005049123A - 信号処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】演算器15は、複数のアンテナ3−1〜3−nからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求める。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のセンサを配置することにより信号の到来方向を測定する方位測定装置、および、同時に存在する複数の信号を分離する信号分離装置に適応可能な信号処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、複数のセンサを配列することで同時に複数信号の方位測定を行う方位測定装置や、信号分離を行う信号分離装置においては、同時に存在する信号数を決定する必要性がある。
【0003】
この信号数の決定方法としては、統計的手法であるMDL(Minimum Description Length)やAIC(Akaike’s Information Criteria)が代表的であるが、雑音がセンサ間で無相関であることが理論的な前提条件となっている。また、信号数はセンサ数より少ないことが条件である。これらの手法による到来波の波数推定は非特許文献1に記載されている。
【0004】
【非特許文献1】
IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING, VOL. ASSP−33, N0. 2, APRIL 1985
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したMDLやAICは、雑音がセンサ間で相関性があると、信号数を正しく決定できない。これは理論上の前提が満足されないことによるものである。
【0006】
センサに飛来する外来雑音について、そのレベル(強度)が装置の内部雑音以下であれば、各センサ系統における雑音は内部雑音(すなわち熱雑音)が優勢になり無相関となる。
【0007】
しかし、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においては、雑音はセンサ間で相関性を持つ状態となる。
【0008】
この状態では、MDLやAICの手法は適用できないため、方位測定や信号分離を正確に行うことができない。
【0009】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる信号処理装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、複数のセンサを配列し、各センサからの観測信号に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与える信号処理装置であって、前記複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求める固有値算出手段と、求めた固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出する抽出手段と、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定する閾値決定手段と、前記センサ数と等しい個数の固有値の中で前記閾値を超える固有値の数を信号数として求める信号数算出手段とを有することを要旨とする。
【0011】
請求項2記載の発明は、上記課題を解決するため、前記閾値決定手段に用いる所定の定数は、前記複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することを要旨とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1を参照して、本発明の一実施の形態に係る到来方向推定可能数および信号分離可能数の判定方法を適用可能なセンサアレイシステムについて説明する。このセンサアレイシステムには、指向性を有するアンテナあるいは無指向性のアンテナからなるセンサアレイを複数配列しており、それぞれのアンテナは空間的に離れた位置に設置されている。また、このセンサアレイシステムには、図1で図示されていない、入射された到来信号を処理するための演算部が含まれている。
【0013】
図1では、例えば4個のアンテナで3個の到来信号を受信した場合を図示している。第1〜第4アンテナ3−1〜3−4は、本発明の複数のセンサに対応する。これら第1〜第4アンテナ3−1〜3−4としては、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、パラボラアンテナ、八木アンテナといった指向性を有しないアンテナまたは指向性を有するアンテナが用いられる。第1〜第4アンテナ3−1〜3−4を設置する間隔や高さは任意である。
【0014】
第1アンテナ1は、空中からの複数の入射信号(電波)S1〜S3を受信し、これらが混合された混合信号を後述するサンプリング部13−1に送る。同様に、第2〜第4アンテナ3−2〜3−4は、空中からの複数の入射信号S1〜S3を受信し、これらが混合された混合信号をサンプリング部13−2〜13−4にそれぞれ送る。
【0015】
ここで、各センサ(n個)アレイに同時に複数の信号(m個)が入射した場合、各センサで観測され帯域制限された観測信号(時系列データ)XL, … ,n(t)は、センサの配置と特性で決まる方向性ベクトル(n行×m列)A=[a(θ1),…,a(θm)]、m個の到来信号S1, … ,m(t)、各センサの雑音N1, … ,n(t)から、式(1)に示すように、
【数1】
となる。
【0016】
ところで、周知のMUSIC法を採用して、センサアレイに入射する到来信号S1, … ,m(t)の到来方向を推定する場合、例えば推定可能な最大数としてセンサ数より1つ少ない到来信号の数までの到来方向を推定することができる。
【0017】
また、センサアレイに入射された複数の到来信号S1, … ,m(t)は一旦センサアレイで混合信号X1, … ,n(t)となって受信されており、周知のブラインド信号分離法を採用して、この混合信号から個々の到来信号を分離する場合、分離可能な最大数としてセンサ数と同じ数までの到来信号を分離することができる。
【0018】
上述したMUSIC法は、センサアレイのメインローブに関する方向性ベクトルAに相当する行列と直交関係にある雑音固有ベクトルからなる行列を求め、その行列とステアリングベクトルとの相関量に基づいて、センサアレイに入射する到来信号の到来方位を求めるものである。
【0019】
ここで、観測信号X(t)の共分散行列Rxxを求めると、
【数2】
となる。
【0020】
さらに、この共分散行列Rxxの固有値を求めると、
【数3】
となる。なお、σ2は雑音電力である。
【0021】
ここで、まず、各アンテナ3−1〜3−nからの観測信号X(t)に対して、固有値λの解析を行ない、図4に示すように、アンテナ数nと等しいn個の固有値(λ1,λ2,・・・λn)を求める。
【0022】
次いで、この固有値(λ1,λ2,・・・λn)の中で最も小さい最小固有値λminを抽出する。
【0023】
次いで、運用パラメータとして予めROMに記憶しておいた閾値の設定に用いる閾値設定用定数rをRAMに読み出しておく。なお、閾値設定用定数rは、信号が存在しない状態において、すなわち雑音のみの状態において、最大固有値λmaxと最小固有値λminの比rを求めることにより決めることができる。すなわち、
【数4】
r=λmax/λmin (4)
となり、通常、rは例えば10以下の数値となる。
【0024】
この比rは、アンテナの配置や信号の周波数により異なるため、実際にアンテナを配置した状態においてデータを取得する必要がある。
【0025】
次いで、この最小固有値λminに閾値設定用定数rを乗じて閾値λref(r×λmin)を決定する。
【0026】
次いで、n個の固有値(λ1,λ2,・・・λn)分布の内、閾値λrefを超える固有値の数mを信号数mを求める。
【0027】
次に、図2を参照して、本発明の一実施の形態に係る演算装置の内部構成について説明する。
【0028】
サンプリング部13−1〜13−nは、何れも図示を省略するが、局部発振器、中間周波数変換器、発振器及びA/D変換器から構成されている。
【0029】
局部発振器は、受信した高周波を中間周波数に変換するために必要な発振周波数の信号を生成する。中間周波数変換器は、第1〜第4アンテナ3−1〜3−nからの受信周波数帯の高周波を増幅し、上記局部発振器からの信号と混合し、それらの和又は差の周波数を作ることにより中間周波数の信号に変換して更に増幅する。この増幅された中間周波数の信号はA/D変換器に供給される。
【0030】
発振器は、アナログ信号をサンプリングするためのサンプリングクロックを生成する。A/D変換器は、発振器からのサンプリングクロックを用いて、中間周波数変換器からのアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。このA/D変換器で変換されたデジタル信号は、演算器15に供給される。
【0031】
演算器15は、演算プログラムを記憶するROM、演算データを記憶するRAM、ROMに記憶されている演算プログラムに従って演算するCPUから構成されている。演算器15は、サンプリング部13−1〜13−nの供給するデジタル信号や、ユーザが入力したセンサアレイに関する方向ベクトルAを入力する。RAMは入力されたデータあるいはCPUの演算結果をCPUからの制御に応じて記憶または読み出す。CPUは入力されたデータを読み込むと共に、入力されたデータあるいはRAMに格納されているデータに基づいて演算を行い、RAMに記録するとともに出力する。
【0032】
方位測定処理器17は、複数のアンテナからの観測信号と演算器15からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向を測定する。信号分離処理器19は、複数のアンテナからの観測信号と演算器15からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号を分離する。
【0033】
次に、図3に示すフローチャートを参照して、本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の動作を説明する。なお、図3に示すフローチャートは、上述した演算器15に設けられたROMに演算プログラムとして記憶されている。
【0034】
各アンテナ3−1〜3−nから出力された観測信号X(t)は、サンプリング部13−1〜13−nにより時間的に同時にデジタル変換され、演算器15に出力される。
【0035】
まず、ステップS10では、演算器15は、デジタル変換された各アンテナ3−1〜3−nからの観測信号X(t)に対して、固有値λの解析が行われる。
【0036】
次いで、ステップS20では、アンテナ数nと等しいn個の固有値(λ1,λ2,・・・λn)を求める。
【0037】
次いで、ステップS30では、この固有値(λ1,λ2,・・・λn)の中で最も小さい最小固有値λminを抽出する。
【0038】
次いで、ステップS40では、運用パラメータとして予めROMに記憶しておいた閾値の設定に用いる閾値設定用定数rをRAMに読み出しておく。なお、閾値設定用定数rは、信号が存在しない状態において、すなわち雑音のみの状態において、最大固有値λmaxと最小固有値λminの比rを求めることにより決めることができる。すなわち、
【数5】
r=λmax/λmin (5)
となり、通常、rは例えば10以下の数値となる。
【0039】
この比rは、アンテナの配置や信号の周波数により異なるため、実際にアンテナを配置した状態においてデータを取得する必要がある。
【0040】
次いで、ステップS50では、この最小固有値λminに閾値設定用定数rを乗じて閾値λref(r×λmin)を決定する。
【0041】
次いで、ステップS60では、n個の固有値(λ1,λ2,・・・λn)分布の内、閾値λrefを超える固有値の数mを信号数mと決定し、求めた信号数mを方位測定処理器17および信号分離処理器19に出力する。
【0042】
この結果、方位測定処理器17は、複数のアンテナからの観測信号と演算器15からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向を測定することができる。また、信号分離処理器19は、複数のアンテナからの観測信号と演算器15からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号を分離することができる。
【0043】
このように、複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に閾値設定用定数rを乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求めておくことで、複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与えることができる。
【0044】
この結果、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる
また、閾値設定用定数rは、複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することで、正確に閾値を決定することができる。
【0045】
【発明の効果】
請求項1記載の本発明によれば、複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求めておくことで、複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与えることができる。
【0046】
この結果、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる
請求項2記載の本発明によれば、所定の定数は、複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することで、正確に閾値を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係るアンテナと入射原信号の関係を説明するための図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の内部構成を示す図である。
【図3】本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図4】アンテナ数nと等しいn個の固有値(λ1,λ2,・・・λn)を示す図である。
【符号の説明】
1 センサアレイシステム
3 アンテナ
11 信号処理装置
13 サンプリング部
15 演算器
17 方位測定器
19 信号分離処理器
Claims (2)
- 複数のセンサを配列し、各センサからの観測信号に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与える信号処理装置であって、
前記複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求める固有値算出手段と、
求めた固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出する抽出手段と、
この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定する閾値決定手段と、
前記センサ数と等しい個数の固有値の中で前記閾値を超える固有値の数を信号数として求める信号数算出手段とを有することを特徴とする信号処理装置。 - 前記閾値決定手段に用いる所定の定数は、
前記複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003203691A JP2005049123A (ja) | 2003-07-30 | 2003-07-30 | 信号処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003203691A JP2005049123A (ja) | 2003-07-30 | 2003-07-30 | 信号処理装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2005049123A true JP2005049123A (ja) | 2005-02-24 |
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ID=34262955
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003203691A Abandoned JP2005049123A (ja) | 2003-07-30 | 2003-07-30 | 信号処理装置 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005049123A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007064941A (ja) * | 2005-09-02 | 2007-03-15 | Kddi Corp | 電波到来方向推定装置、電波到来方向推定プログラム、および記録媒体 |
JP2007309846A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Mitsubishi Electric Corp | 電波到来方向探知装置 |
JP2007309847A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Mitsubishi Electric Corp | 到来波数推定装置 |
JP2009168545A (ja) * | 2008-01-15 | 2009-07-30 | Mitsubishi Electric Corp | 信号処理装置 |
EP2508911A1 (en) | 2011-04-04 | 2012-10-10 | Fujitsu Ten Limited | Calculation device for radar apparatus, calculation method and program for calculation method |
-
2003
- 2003-07-30 JP JP2003203691A patent/JP2005049123A/ja not_active Abandoned
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007064941A (ja) * | 2005-09-02 | 2007-03-15 | Kddi Corp | 電波到来方向推定装置、電波到来方向推定プログラム、および記録媒体 |
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JP2007309847A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Mitsubishi Electric Corp | 到来波数推定装置 |
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EP2508911A1 (en) | 2011-04-04 | 2012-10-10 | Fujitsu Ten Limited | Calculation device for radar apparatus, calculation method and program for calculation method |
US9075130B2 (en) | 2011-04-04 | 2015-07-07 | Fujitsu Ten Limited | Calculation device for radar apparatus, radar apparatus, and calculation method and program for radar apparatus |
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