JP2005201798A - 到来方位測定システム及び到来方位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い角度分解能で到来信号の到来方位を測定できる到来方向測定システム及び方法を提供する。
【解決手段】センサアレイ１０の方向ベクトルを保持する方向ベクトル保持手段１２と、センサアレイで外部からの到来信号を受信して得られた受信信号と方向ベクトル保持手段で保持されている方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第１方位測定演算部１３と、算出された到来信号の到来方位の前後の所定範囲内の方向ベクトルを所定の補間多項式で補間することにより、方向ベクトル保持手段で保持されている方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを作成する補間多項式作成部１４と、受信信号と補間多項式生成部で作成された補間方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第２方位測定演算部１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、到来信号の到来方位を測定する到来方位測定システム及び到来方位測定方法に関し、特に到来方位の測定精度を向上させる技術に関する。

従来、例えば複数のアンテナを配列して成るセンサアレイの方向ベクトルを用いて到来信号の到来方位を測定する到来方位測定アルゴリズムが知られている。この到来方位測定アルゴリズムで使用される方向ベクトルは、通常、到来方位測定システムのキャリブレーションの段階で測定することにより得られる。このような到来方位測定アルゴリズムにおいては、方位測定における角度分解能はセンサアレイの方向ベクトルの角度分解能に依存する。このため、方位測定において高い角度分解能を得るためには、狭い角度間隔の方向ベクトルを用いて方位測定の演算を行う必要がある。

なお、関連する技術としては、直線状に受波器センサを配置した直線アレイにより、複数ビームを形成し、到来信号の到来方位を測定する場合に、方位の曖昧さが残らない信号到来方位算出方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３４４５４８号公報

上述した従来の到来方位測定アルゴリズムでは、高い角度分解能を得るために狭い角度間隔で方位測定の演算を行うためには、狭い角度間隔の方向ベクトルを保持していなければならない。保持すべき方向ベクトルの量は、角度間隔が狭くなるに連れて増大する。

しかしながら、保持できる方向ベクトルの量には制限があるため、到来信号の到来方位の角度分解能にも限界が生じる。従って、現状では、限られた角度分解能の範囲内で到来信号の到来方位を測定している。従って、更に狭い角度分解能で到来信号の到来方位を測定できる技術の開発が望まれている。

本発明は、上記要請に応えるためになされたものであり、高い角度分解能で到来信号の到来方位を測定できる到来方向測定システム及び到来方向測定方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る信号の到来方位測定システムは、複数のセンサが配列されたセンサアレイと、センサアレイの方向ベクトルを保持する方向ベクトル保持手段と、センサアレイで外部からの到来信号を受信することにより得られた受信信号と方向ベクトル保持手段からの方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第１方位測定演算部と、方向ベクトル保持手段からの方向ベクトルであって、第１方位測定演算部で算出された到来信号の到来方位の前後の所定範囲内の方向ベクトルを所定の補間多項式で補間することにより、方向ベクトル保持手段に保持されている方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを作成する補間多項式作成部と、センサアレイからの受信信号と補間多項式生成部で作成された補間方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第２方位測定演算部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る信号の到来方位測定方は、複数のセンサが配列されたセンサアレイで外部からの到来信号を受信することにより得られた受信信号と保持されているセンサアレイの方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第１到来方位演算ステップと、保持されているセンサアレイの方向ベクトルであって、第１到来方位演算ステップで算出された到来信号の到来方位の前後の所定範囲内の方向ベクトルを所定の補間多項式で補間することにより、保持されている方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを作成する補間方向ベクトル作成ステップと、センサアレイからの受信信号と補間方向ベクトル作成ステップで作成された補間方向ベクトルとに基づき到来信号の到来方位を算出する第２到来方位演算ステップとを備えたことを特徴とする。

本発明に係る到来方位測定システムによれば、保持している方向ベクトルに基づいて到来信号の到来方位を算出し、算出された到来方位の前後の所定範囲の方向ベクトルに対して補間多項式を用いて補間方向ベクトルを求め、その補間方向ベクトルを用いた演算により方位測定を行なうようにしたので、保持している方向ベクトルの角度分解能に依存しないで、高い角度分解能で到来信号の到来方位を測定できる
また、本発明に係る信号の到来方位測定方法によれば、上記到来方位測定システムと同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例に係る信号の到来方位測定システム及び到来方位測定方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る到来方位測定システムの構成を示すブロック図である。この到来方位測定システムは、センサアレイ１０、信号受信部１１、方向ベクトル記憶部１２、第１方位測定演算部１３、補間多項式作成部１４及び第２方位測定演算部１５から構成されている。

センサアレイ１０は、例えばセンサとしての複数のアンテナが配列されて構成されている。センサアレイ１０は、外部からの到来信号を受信することにより得られた信号を信号受信部１１に送る。

信号受信部１１は、センサアレイ１０から送られてくる信号に増幅等の処理を施し、受信信号として第１方位測定演算部１３及び第２方位測定演算部１５に送る。

方向ベクトル記憶部１２は、本発明の方向ベクトル保持手段に対応し、当該到来方位測定システムのキャリブレーションの段階で、センサアレイ１０の方向ベクトルを１度の角度間隔（方位方向の角度間隔）で測定することにより得られた３６０個の方向ベクトルを記憶している。この方向ベクトル記憶部１２に記憶されている方向ベクトルは第１方位測定演算部１３に送られるとともに、その一部（詳細後述）は補間多項式作成部１４に送られる。

第１方位測定演算部１３は、センサアレイ１０から信号受信部１１を介して受け取った受信信号と、方向ベクトル記憶部１２から受け取った方向ベクトルとに基づき１回目の方位測定演算を行い、到来信号の到来方位を算出する。この第１方位測定演算部１３で算出された到来信号の到来方位を表す信号は、補間多項式作成部１４に送られる。

補間多項式作成部１４は、第１方位測定演算部１３で算出された到来方位の前後の所定範囲の方位ベクトル、例えば到来方位の−１度〜＋１度の範囲内の方向ベクトルを方向ベクトル記憶部１２から読み出し、読み出した方向ベクトルに基づいて方位角θを変数とした２次の補間多項式を作成する。そして、作成された補間多項式を用いて方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを算出し、第２方位測定演算部１５に送る。

第２方位測定演算部１５は、センサアレイ１０から信号受信部１１を介して受け取った受信信号と、補間多項式作成部１４から受け取った補間方向ベクトルとに基づき２回目の方位測定演算を行い、到来信号の到来方位を高い角度分解能で算出する。この第２方位測定演算部１５で算出された結果が、最終的な到来信号の到来方位として出力される。

次に、このように構成された本発明の実施例に係る信号の到来方位測定システムの動作を説明する。なお、この実施例では、到来方位測定アルゴリズムとして、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法が使用されるものとして説明する。

まず、この実施例で到来方位測定アルゴリズムとして使用されるＭＵＳＩＣ法について説明する。ＭＵＳＩＣ法は、相関行列の固有値と固有ベクトルを用いて到来信号の到来方向を推定する方法の１つである。

図１に示すように、素子（センサ）間隔ｄのＭ素子等間隔リニアアレイで構成されるセンサアレイ１０に平面波がＫ波到来していて、各到来波の信号波形と方位角とがそれぞれＦ_ｋ（ｔ）、θ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）と表されるとき、各素子における各到来波の位相応答を表す方向ベクトルａ（θ_ｋ）は、下記式（１）で与えられる。

ここで、上添字Ｔは転置を表す。

よって、入力ベクトルＸ（ｔ）は、下記式（２）〜式（４）で表される。

上記式（２）において、Ｎ（ｔ）は熱雑音ベクトルであり、その成分は平均が０で分散（電力）がσ^２の独立な複素ガウス過程である。このとき、素子間の相関特性を表す相関行列は、下記式（５）及び式（６）で与えられる。

ここで、上添字Ｈは複素共役転置を表す。到来波が互いに無相関であれば信号相関行列ＳのランクはＫとなる。また、方向行列ＡもランクはＫである。従って、この場合の相関行列ＲxxはランクＫの非負定値エルミート行列となる。この行列の固有値λ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｍ）は実数となり、下記式（７）の関係を有する。

従って、相関行列の固有値を求め、熱雑音電力σ^２より大きい固有値の数から到来波数Ｋを推定することができる。

また、固有値λ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｍ）に対応する固有ベクトルをｅ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｍ）とすると、Ｍ次元のエルミート空間の正規直交基底ベクトルとして扱われる。この空間は、信号空間ｓｐａｎ｛ｅ_１，・・・ｅ_Ｋ｝と雑音空間ｓｐａｎ｛ｅ_Ｋ＋１，・・・ｅ_Ｍ｝の２つの部分空間に分けることができ、信号空間と雑音空間は互いに直交補空間の関係にある。ｓｐａｎ｛ｅ_１，・・・ｅ_Ｋ｝は、ベクトルｅ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｍ）で張られる空間とする。また、信号空間は方向ベクトルを用いてｓｐａｎ｛ａ（θ_１），・・・ａ（θ_Ｋ）｝と表すことができる。従って、熱雑音電力に等しい固有値に対応する固有ベクトルは全て到来波の方向ベクトルと直交することになる。そこで、下記式（８）及び式（９）のような評価関数を定義する。

Ｐ_ＭＵはＭＵＳＩＣスペクトラムと呼ばれ、方位角θに対するスペクトラムのＫ個のピークが到来方向θ_ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）となる。なお、式（７）からも分かるように、熱雑音電力に等しい最小固有値が少なくとも１つ必要なため、センサアレイの素子数はＭ≧Ｋ＋１が必要条件になる。

次に、本発明の実施例に係る到来方位測定システムの動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、センサアレイ１０により到来信号の受信が行われる（ステップＳ１０）。即ち、外部からの到来信号を受信したセンサアレイ１０からの信号が信号受信部１１において増幅等されて、受信信号として第１方位測定演算部１３及び第２方位測定演算部１５に送られる。

次に、センサアレイ１０で受信した信号の共分散行列（相関行列）が作成される（ステップＳ１１）。即ち、第１方位測定演算部１３は、ステップＳ１０において信号受信部１１から得られた受信信号に基づいて共分散行列を作成する。

次に、共分散行列の固有値解析が行われる（ステップＳ１２）。即ち、第１方位測定演算部１３は、ステップＳ１１で作成された共分散行列の固有値解析を行い、雑音空間の固有ベクトルが算出される（ステップＳ１３）。即ち、第１方位測定演算部１３は、ステップＳ１２における解析結果に基づいて、式（９）に示す雑音空間の固有ベクトルＥ_Ｎを算出する。

次に、ＭＵＳＩＣスペクトラムの計算が行われる（ステップＳ１４）。具体的には、第１方位測定演算部１３は、方向ベクトル記憶部１２に記憶されている１度間隔の方向ベクトルａ（θ_ｋ）とステップＳ１３で算出された雑音空間の固有ベクトルＥ_Ｎとを入力し、上述した式（８）に従って演算を実行することによりＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵを計算する。これにより、例えば図３に示すような、０≦θ＜３６０について１度間隔でのスペクトラム値が得られる。

次に、ピークサーチが行われる（ステップＳ１５）。即ち、第１方位測定演算部１３は、ステップＳ１４で計算されたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵのスペクトル値をサーチし、極大値（最大値）を有するスペクトル値に対応する方位角θを到来信号の到来方位角φと決定する。この段階では、到来方位の角度分解能は、方向ベクトルの角度分解能に等しい。従って、実際の到来方位（スペクトル値の極大値）は方位角θ_１とθ_２との間に存在するが、この段階では、方位角θ_２が到来信号の到来方位角φと決定されることになる。

次に、方向ベクトルの補間多項式が作成される（ステップＳ１６）。具体的には、補間多項式作成部１４は、到来方位角φ−１（＝θ_１）度、到来方位角φ度及び到来方位角φ＋１（＝θ２）度の3点の方向ベクトルを用いて、2次の補間多項式を作成する。なお、方向ベクトルは複素数で記述されるので、補間多項式は実部、虚部それぞれで必要となる。

ｉ番目のセンサアレイの方向ベクトルの2次の補間多項式は、下記式（１０）のように表わすことができる。

式（１０）の右辺の第１項が実部の補間多項式、第２項が虚部の補間多項式となり、この補間多項式で処理対象とされる範囲は、到来方位角φ−１度〜到来方位角φ＋１度となる。

上記式（１０）を式（９）に代入すると、下記式（１１）が得られる。

次に、ＭＵＳＩＣスペクトラムの計算が行われる（ステップＳ１７）。具体的には、第２方位測定演算部１５は、上述した式（１１）に従ってＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵを計算する。式（１１）は方位角θを変数とした関数であり、この式（１１）を用いて到来方位角φ−１度〜到来方位角φ＋１度の範囲内でＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵが計算される。この式（１１）による計算は、式（１０）に従って作成された、１度間隔の方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルａ（θ_ｋ）とステップＳ１３で算出された雑音空間の固有ベクトルＥ_Ｎに基づいてＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵを計算することと等価である。

次に、ピークサーチが行われる（ステップＳ１８）。即ち、第２方位測定演算部１５は、ステップＳ１７で計算されたＭＵＳＩＣスペクトラムＰ_ＭＵのスペクトル値をサーチし、極大値（最大値）を有するスペクトル値に対応する方位角θを到来信号の到来方位角φ’と決定する。この段階では、１度間隔の方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方位ベクトルの角度間隔が到来方位の角度分解能となる。従って、実際の到来方位に近い角度が到来方位角φ’と決定される。この決定された到来方位角φ’が、測定された到来信号の到来方位として出力される（ステップＳ１９）。

以上説明したように、本発明の実施例に係る信号の到来方位測定システム及び到来方位測定方法によれば、保持している１度間隔の方向ベクトルで到来信号の到来方位を粗くサーチした後に、補間多項式を用いて作成された、１度間隔より狭い間隔の補間方向ベクトルで到来信号の到来方位を細かくサーチするように構成したので、高い角度分解能で到来信号の到来方位を測定できる。また、補間方向ベクトルの間隔を適宜定めることにより、方位角の角度分解能に制限がなく、無限の分解能を持つ方位測定を実現することができる。

なお、上述した実施例に係る信号の到来方位測定システムでは、方向ベクトル記憶部１２は、１度間隔の方向ベクトルを記憶するように構成したが、方向ベクトルの角度間隔は１度に限らず、任意である。方向ベクトル記憶部１２で保持する方向ベクトルの角度間隔が狭いほど補間多項式の精度が向上するため、方位測定の精度は向上する。

また、第１方位測定演算部１３及び第２方位測定演算部１５は、ＭＵＳＩＣ法という到来方位測定アルゴリズムを用いて信号の到来方位を算出ように構成したが、到来方位測定アルゴリズムはＭＵＳＩＣ法に限らず、方向ベクトルを用いて到来信号の到来方位を測定する他の到来方位測定アルゴリズムを用いることもできる。

更に、補間多項式作成部１４では、第１方位測定演算部１３で算出された到来方位の方向ベクトル、到来方位の１度前の方向ベクトル及び到来方位の１度後ろの方向ベクトルの３点に基づき２次の補間多項式を用いて補間方向ベクトルを算出するように構成したが、例えば到来方位の方向ベクトル、到来方位の１度前の方向ベクトル、到来方位の２度前の方向ベクトル、到来方位の１度後ろの方向ベクトル及び到来方位の２度後ろの方向ベクトルの５点に基づき４次の補間多項式を用いて補間方向ベクトルを算出するように構成することもできる。あるいは、更に多次の補間多項式を用いて方向ベクトルを算出するように構成することもできる。この構成によれば、補間多項式の次数が上がるほど、補間多項式の精度が向上するため、方位測定の精度は向上する。

本発明は、発射した電波を反射するターゲットの位置を捕捉するレーダ装置などに適用可能である。

本発明の実施例に係る到来方位測定システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る信号の到来方位測定システムの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例１に係る信号の到来方位測定システムの動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１０ センサアレイ
１１ 信号受信部
１２ 方向ベクトル記憶部（方向ベクトル保持手段）
１３ 第１方位測定演算部
１４ 補間多項式作成部
１５ 第２方位測定演算部

Claims (4)

1. 複数のセンサが配列されたセンサアレイと、
   前記センサアレイの方向ベクトルを保持する方向ベクトル保持手段と、
   前記センサアレイで外部からの到来信号を受信することにより得られた受信信号と前記方向ベクトル保持手段からの方向ベクトルとに基づき前記到来信号の到来方位を算出する第１方位測定演算部と、
   前記方向ベクトル保持手段からの方向ベクトルであって、前記第１方位測定演算部で算出された前記到来信号の到来方位の前後の所定範囲内の方向ベクトルを所定の補間多項式で補間することにより、前記方向ベクトル保持手段に保持されている方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを作成する補間多項式作成部と、
   前記センサアレイからの受信信号と前記補間多項式生成部で作成された補間方向ベクトルとに基づき前記到来信号の到来方位を算出する第２方位測定演算部と
   を備えたことを特徴とする到来方位測定システム。
2. 前記第１方位測定演算部及び前記第２方位測定演算部は、ＭＵＳＩＣ法を用いて前記センサアレイで受信された到来信号の到来方位を算出することを特徴とする請求項１記載の到来方位測定システム。
3. 前記補間多項式作成部は、前記第１方位測定演算部で算出された前記到来信号の到来方位に対応する方向ベクトルと、該方向ベクトルの少なくとも前後２つの方向ベクトルとに基づく多次の補間多項式により補間方向ベクトルを作成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の到来方位測定システム。
4. 複数のセンサが配列されたセンサアレイで外部からの到来信号を受信することにより得られた受信信号と保持されているセンサアレイの方向ベクトルとに基づき前記到来信号の到来方位を算出する第１到来方位演算ステップと、
   前記保持されているセンサアレイの方向ベクトルであって、前記第１到来方位演算ステップで算出された到来信号の到来方位の前後の所定範囲内の方向ベクトルを所定の補間多項式で補間することにより、前記保持されている方向ベクトルより狭い角度間隔を有する補間方向ベクトルを作成する補間方向ベクトル作成ステップと、
   前記センサアレイからの受信信号と前記補間方向ベクトル作成ステップで作成された補間方向ベクトルとに基づき前記到来信号の到来方位を算出する第２到来方位演算ステップと
   を備えたことを特徴とする信号の到来方位測定方法。
   
   

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