JP2010096575A

JP2010096575A - 信号波到来角度測定装置

Info

Publication number: JP2010096575A
Application number: JP2008266274A
Authority: JP
Inventors: Masa Mitsumoto; 雅三本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: US8130147B2; JP4794613B2; US20100090900A1

Abstract

【課題】ＥＳＰＲＩＴ測角処理における誤った測角結果を排除できる信号波到来角度測定装置を提供する。
【解決手段】観測対象の信号波を電気信号に変換するセンサ群２で変換された電気信号から信号波の角度測定に必要な観測データベクトルを生成する観測データベクトル生成部３と、観測データベクトル生成部３により生成される観測データベクトルから信号波の到来角度を算出するＥＳＰＲＩＴ測角処理部４と、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４におけるＥＳＰＲＩＴ測角処理の測角処理過程データから到来する信号波の到来角度以外の情報を推定する到来信号波推定部５と、到来信号波推定部５の推定結果に基づいてＥＳＰＲＩＴ測角処理部が算出する到来角度の測角結果の正誤を判断して、誤った測角結果を排除する正誤判断部６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、観測対象である信号波の到来角度を測定（以下、測角と表現する場合あり）する信号波到来角度測定装置に関するものである。

到来する信号波に対し、空間的に異なる位置に設置された複数のセンサ（例えば、信号波が電波であればアンテナ）があれば、信号波の到来角度は測定できる。
特に、各センサにおける受信データについて、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotation Invariance Techniques ）測角処理を行うなら、比較的小さな演算負荷で、高分解能に信号波の到来角度を測定することができる。
なお、ＥＳＰＲＩＴ測角処理については、下記の非特許文献１あるいは非特許文献２に詳しく述べらているので、説明は省略する。
R. Roy and t. Kailath : "ESPRIT - Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques," IEEE Trans., vol.ASSP-37, pp984-995(July 1989) 菊間信良「アダプティブアンテナ技術」オーム社(2003.10)

従来技術には次のような課題がある。
非特許文献１、２に開示されているＥＳＰＲＩＴ測角処理では、図４(a)に示すように、「使用する全てのセンサ（例えば、センサ♯Ａおよびセンサ♯Ｂ）において、信号波の到来角度に対する振幅や位相の受信特性が等しい」という理想状態（あるいは理想に近い状態）が前提となっている。
しかし、現実には図４(b)に示すように、信号波の到来角度に対する各センサ（センサ♯Ａおよびセンサ♯Ｂ）の振幅や位相の受信特性には差が存在する。
この特性差によって受信データが理想状態から外れることになり、測角処理結果に悪影響が現れる。

ＥＳＰＲＩＴ測角処理では、到来する信号波の数を推定（詳細は後述）した後、その数に依存した処理が行われて測角結果が算出される。
ところが、信号波の到来角度に対する各センサの振幅や位相の受信特性差が存在すると、受信データが理想状態と異なるため、到来する信号波の数の推定を誤る場合がある。
このとき、信号波の数に依存して算出される測角結果にも誤りが生じてしまう、という問題点があった。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、到来する信号波について、到来角度情報の他に更に別の情報（例えば、アレー応答ベクトルや電力等の情報）を推定し、その推定した別の情報に基づいて測角結果の正誤判断をすることにより、誤った測角結果を排除できる信号波到来角度測定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る信号波到来角度測定装置は、観測対象の信号波を電気信号に変換するセンサ群と、上記センサ群で変換された電気信号から上記信号波の角度測定に必要な観測データベクトルを生成する観測データベクトル生成部と、上記観測データベクトル生成部が生成する観測データベクトルからＥＳＰＲＩＴ測角処理により上記信号波の到来角度を算出するＥＳＰＲＩＴ測角処理部と、上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部におけるＥＳＰＲＩＴ測角処理の測角処理過程データから到来する上記信号波の到来角度以外の情報を推定する到来信号波推定部と、上記到来信号波推定部の推定結果に基づいて上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が算出する上記到来角度の測角結果の正誤を判断して、誤った測角結果を排除する正誤判断部とを備えるものである。

この発明に係る信号波到来角度測定装置によれば、到来する信号波の到来角度情報に加え、更に、到来する信号波の別の情報（到来角度情報以外の別の情報）を推定して、その推定した別の情報に基づいて測角結果の正誤判断をすることにより、誤った測角結果を排除できる。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施の形態例について説明する。
なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による角度測定装置の構成を示すブロック図である。
図１において、１は制御部、２はセンサ群、３は観測データベクトル生成部、４はＥＳＰＲＩＴ測角処理部、５は到来信号波推定部、５０は到来信号波のアレー応答ベクトル推定部、５１は到来信号波の電力推定部、６は正誤判断部である。

制御部１は、例えば、専用のロジック回路あるいは汎用のＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＣＰＵ（Central Processing Unit）内のプログラムで構成されており、各構成要素の動作タイミングなど制御する。
ここで、「各構成要素」とは、観測データベクトル生成部３（観測データベクトル生成部３の後述する送信信号発生部３０、切替えスイッチ３３、Ａ／Ｄ変換器３７、周波数分析部３８、ターゲットスペクトル抽出部）、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４、到来信号波のアレー応答ベクトル推定部５０、到来信号波の電力推定部５１、正誤判断部６などである。

センサ群２は、空間的に異なる位置に配置された観測対象（表示なし）の信号波に応じた複数のセンサ（２−１、２−２、・・・２−ｎ）から成り、平面波として到来する信号波を電気信号に変換する。
例えば、信号波が電波であれば、センサはアンテナとなる。
このアンテナは、ホーンや導波管スロット、パッチ（マイクロストリップ）などの形式のうち、サイズやコストの面から適したものを選ぶ。
なお、各センサ（アンテナ）の空間位置は任意であるが、ここでは各センサは同一直線上で等間隔に配置されているとする。

センサ群２の各センサで電気信号に変換された信号波は、観測データベクトル生成部３に入力される。
例えば、ＦＭＣＷ（ Frequency Modulated Continuous Wave ）方式のレーダで使用される場合、観測データベクトル生成部３は、図２に示すように、送信信号発生部３０と、分配回路３１と、送信アンテナ３２と、切替えスイッチ３３と、ミキサ３４と、アンプ３５と、フィルタ３６と、Ａ／Ｄ（ Analog to Digital ）変換器３７と、周波数分析部３８と、ターゲットスペクトル抽出部３９などから成る。
送信信号発生部３０は、制御部１の制御により必要な送信信号を発生させ、分配回路３１は、送信信号発生部３０が発生する送信信号を送信アンテナ３２とミキサ３４へ分配して出力し、送信アンテナ３２から放射された送信電波がターゲット(図示せず)に照射され、その一部が反射してセンサ群２に到来する。

前述した通り、センサ群２は到来した電波を電気信号に変換して出力する。
切替えスイッチ３３はセンサ群２の全センサと繋がっており、制御部１により順次切替えられ、全センサからの電気信号を順次出力する。
なお、切替えスイッチを設けずに、ミキサ３４、アンプ３５、フィルタ３６、Ａ／Ｄ変換器３７をセンサの数ぶん併設してもよい。
即ち、センサ群２がｎ個のセンサを有している場合、ｎ個のセンサのそれぞれに対応させて、ミキサ３４、アンプ３５、フィルタ３６およびＡ／Ｄ変換器３７をｎ個ずつ設けてもよい。
ミキサ３４は、送信信号と到来信号波をミキシングしたビート信号を出力する。
ＦＭＣＷ方式のレーダでは、ターゲットまでの距離と相対速度に依存してビート信号の周波数が変化する。

ミキサ３４から出力するビート信号は、アンプ３５で増幅され、フィルタ３６で必要とされる周波数のみ濾波され、Ａ／Ｄ変換器３７で制御部１の制御によりデジタル信号に変換される。
周波数分析部３８は、制御部１の制御によりビート信号（Ａ／Ｄ変換器３７でデジタル信号に変換されたビート信号）を入力して、その周波数スペクトル（複素数）を出力する。
ターゲットスペクトル抽出部３９は、例えば、周波数分析部３８から出力する周波数スペクトルの電力波形に基づき電力が極大となる周波数のスペクトル（複素数）をターゲットスペクトルとして抽出する。
このターゲットスペクトルをセンサ群２の各センサごとに得たものが観測データベクトルとされる。
なお、周波数分析部３８およびターゲットスペクトル抽出部３９は、全ての部分を専用ロジック回路または汎用のＤＳＰやＣＰＵ内のプログラムで構成してもよいし、一部を専用ロジック回路とし、残りを汎用のＤＳＰやＣＰＵ内のプログラムで構成してもよい。

ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４は観測データベクトルを入力して、次の手順で測角結果を出力する。
以下では、変数において、ベクトルには｛｝、行列には［］の括弧をつけて表記する。
まず、Ｋ個のセンサから得られた観測データベクトル｛Ｘ(t)｝について、下記の式（１）より相関行列［Ｒｘｘ］を求める。
このとき、例えば、観測時刻が異なるなどの「複数Ｍ個の観測データベクトル｛Ｘ(t)ｎ｝（ｎ＝１〜Ｍ）」を得て、各観測データベクトルから求めた相関行列を全て加算（複素加算する。

ただし、hrm｛Ｘ(t)ｎ｝は｛Ｘ(t)ｎ｝の共役転置を表す。
また、いわゆる空間平均法や、改良空間平均法により、相関行列［Ｒｘｘ］を変形してもよい。

得られた相関行列［Ｒｘｘ］に対して、いわゆる固有問題を解き、固有値と対応する固有ベクトルを求める。
即ち、
［Γ］：対角要素が固有値γｉ（ｉ＝１〜Ｋ）である対角行列
［Ｅ］：列方向の要素が固有ベクトルである行列
として、
［Ｒｘｘ］［Ｅ］＝［Ｅ］［Γ］ ……… （２）
の関係が成立する［Ｅ］と［Γ］を算出する。
なお、固有値問題の解法は一般に知られている通り複数存在するので、演算負荷や精度などを指標に選ぶ。

算出された各固有値γｉ（ｉ＝１〜Ｋ）の大きさを比較あるいは参照して、センサ群２に到来する信号波の数を推定する。
例えば、最小の固有値に予め設定した係数を乗じてこれをしきい値とし、この値より大きな固有値の数を到来信号波数としてもよいし、また、固有値とは独立に予め設定したしきい値と比較して、この値より大きな固有値の数を到来信号波数としてもよい。
以下では、到来信号波数をＬ個とする。

次に、到来信号波数と同じ数の固有ベクトルを対応する固有値が大きい順に抽出して、信号部分空間［Ｅｓ］（Ｋ行Ｌ列）とする。
信号部分空間［Ｅｓ］から、ＥＳＰＲＩＴ測角処理の原理に基づき、２つの行列［Ｅ１ｓ］、［Ｅ２ｓ］を生成する。
具体的には、
［Ｅ１ｓ］は、［Ｅｓ］のうち、１行目からＫ−１行目までを抽出したもの、
［Ｅ２ｓ］は、［Ｅｓ］のうち、２行目からＫ行目までを抽出したもの
である。

この２つの行列［Ｅ１ｓ］、［Ｅ２ｓ］に関する次式で表される最小２乗問題を、ＬＳ（ Least Squares ）法やＴＬＳ（Total Least Squares ）法などで解き、解［Ψ］を得る。
［Ｅ１ｓ］［Ψ］＝［Ｅ２ｓ］ ……… （３）
最小２乗問題の解［Ψ］に関して、いわゆる固有値問題を解き、固有値と対応する固有ベクトルを求める。
即ち、
［Φ］：対角要素が固有値φｊ（ｊ＝１〜Ｋ）である対角行列
inv［Ｔ］：列方向の要素が固有ベクトルである行列
として、
［Ψ］（inv［Ｔ］）＝（inv［Ｔ］）［Φ］ ……… （４）
の関係が成立する inv［Ｔ］と［Φ］を算出する。
ただし、inv［Ｔ］は［Ｔ］の逆行列を表す。

このとき、固有値は到来信号波数と同数であり、各固有値が一対一で各到来信号波に対応する。
各固有値φｊ（ｊ＝１〜Ｋ）から、各到来信号波の角度を求める。
一般に、固有値φｊは複素数であり、その複素偏角（位相）量がζｊであれば、次式により到来角度θｊが得られる。

到来信号波推定部５は、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４から測角処理過程で得られるデータを入力して、到来信号波の到来角度以外の情報を推定する。
なお、「到来角度以外の情報」とは、例えば、後述するアレー応答ベクトルや電力などの情報である。

到来信号波のアレー応答ベクトル推定部５０は、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４から信号部分空間［Ｅｓ］と最小２乗問題の解の固有ベクトル inv［Ｔ］を入力し、各到来信号波に対応するアレー応答ベクトル［Ａ］を求める。
［Ａ］＝［Ｅｓ］（inv［Ｔ］） ……… （６）

到来信号波の電力推定部５１は、相関行列［Ｒｘｘ］の固有値［Γ］のうち大きい方からＬ個（到来信号波数と同数）である［Γｓ］と最小２乗問題の解［Ψ］の固有ベクトル inv［Ｔ］を入力し、各到来信号波に対応する電力を推定する。
［Ｐ］：対角要素が各到来信号波の電力ｐｙ（ｙ＝１〜Ｋ）である対角行列
として、雑音の影響が極めて小さいと仮定し、
［Ｐ］＝［Ｔ］［Γｓ］（hrm［Ｔ］） ……… （７）
により算出する。ただし、hrm［Ｔ］は［Ｔ］の共役転置行列を表す。

正誤判断部６は、各到来信号波に対応する角度と、アレー応答ベクトルと、電力を入力する。
ここで、センサ群２のセンサの数と同じ数であるアレー応答ベクトルの各ベクトル要素（図中○印で示す）は、原理的には、図３(a)のように複素平面上で同一の円に乗る。
しかし、センサごとの到来角度に対する振幅や位相の特性差の影響により、相関行列の固有値に大きな誤差が重畳し、到来信号波数を誤った場合、実際の到来信号波数とは異なる状態でＥＳＰＲＩＴ測角処理が行われる。

このとき、処理結果から求める到来信号波のアレー応答ベクトルが正常に得られず、図３(b)のように、ベクトル要素は複素平面上で同一の円には乗らなくなる。
そこで、アレー応答ベクトルの各ベクトル要素に関して、大きさ（複素平面上での半径に相当）を算出し、それが既定範囲内、例えば、図３(c)のようにα−ε〜α＋ε、であれば正しい結果とし、図３(d)のように既定範囲外になる要素がある場合は、各センサごとの到来角度に対する振幅や位相の特性差の影響を受け正しくない可能性が高いとして、結果（即ち、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４による到来信号波の測角結果）を排除する。

また、各センサごとの到来角度に対する振幅や位相の特性差の影響により、相関行列の固有値に大きな誤差が重畳し、到来信号波数を誤った場合、実際の到来信号波数とは異なる状態でＥＳＰＲＩＴ測角処理が行われることになり、処理結果から求める到来信号波の電力は正常に推定されない。
この結果、例えば、実際には到来信号波が１波の状態であるにも関わらず、到来信号波が２波の状態であると誤った場合、推定した２つの信号波において電力値の差が極端（数百倍など）に大きくなる。
そこで、複数の到来信号波があると推定された場合、各到来信号波の電力推定結果を比較して、極端に小さい電力推定結果である場合は、「各センサごとの到来角度に対する振幅や位相の特性差の影響を受け、正しくない可能性が高い」として、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４による到来信号波の測角結果を排除する。

なお、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４、到来信号波のアレー応答ベクトル推定部５０、到来信号波の電力推定部５１、正誤判断部６は、全ての構成部を専用ロジック回路または汎用のＤＳＰやＣＰＵ内のプログラムで構成してもよいし、一部を専用ロジック回路とし、残りを汎用のＤＳＰやＣＰＵ内のプログラムで構成してもよい。

以上説明したように、本実施の形態による信号波到来角度測定装置は、観測対象の信号波を電気信号に変換するセンサ群２と、センサ群２で変換された電気信号から信号波の角度測定に必要な観測データベクトルを生成する観測データベクトル生成部３と、観測データベクトル生成部３が生成する観測データベクトルからＥＳＰＲＩＴ測角処理により信号波の到来角度を算出するＥＳＰＲＩＴ測角処理部４と、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４におけるＥＳＰＲＩＴ測角処理の測角処理過程データから到来する信号波の到来角度以外の情報を推定する到来信号波推定部５と、到来信号波推定部５の推定結果に基づいてＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が算出する到来角度の測角結果の正誤を判断して、誤った測角結果を排除する正誤判断部６とを備えている。
従って、本実施の形態による信号波到来角度測定装置によれば、到来する信号波の到来角度情報に加え、更に、到来する信号波の別の情報（到来角度情報以外の情報）を推定し、その推定した別の情報に基づいてＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が算出する測角結果の正誤判断をすることにより、誤った測角結果を排除できる。

また、本実施の形態による信号波到来角度測定装置の到来信号波推定部５は、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が信号波の到来角度を算出する過程から到来信号のアレー応答ベクトルを推定する到来信号波のアレー応答ベクトル推定部５０を備え、正誤判断部６は、アレー応答ベクトル推定部５０が推定するアレー応答ベクトル推定結果から測角結果の正誤を判断する。

また、本実施の形態による信号波到来角度測定装置の到来信号波推定部５は、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が信号波の到来角度を算出する過程から到来信号の電力を推定する到来信号波の電力推定部５１を備え、正誤判断部６は、電力推定部５１が推定する電力推定結果から測角結果の正誤を判断する。

また、本実施の形態による信号波到来角度測定装置の到来信号波推定部５は、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が信号波の到来角度を算出する過程から到来信号のアレー応答ベクトルを推定する到来信号波のアレー応答ベクトル推定部５０およびＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が信号波の到来角度を算出する過程から到来信号の電力を推定する到来信号波の電力推定部５１を備え、正誤判断部６は、アレー応答ベクトル推定部５０が推定するアレー応答ベクトル推定結果および電力推定部５１が推定する電力推定結果から測角結果の正誤を判断する。
即ち、正誤判断部６は、アレー応答ベクトル推定部５０が推定するアレー応答ベクトル推定結果および電力推定部５１が推定する電力推定結果の両方に基づいてＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が算出する測角結果の正誤を判断するので、ＥＳＰＲＩＴ測角処理部４が算出する測角結果の正誤をより精度よく判断でき、誤った測角結果を確実に排除できる。

この発明は、到来する信号波の誤った測角結果を排除できる信号波到来角度測定装置の実現に有用である。

実施の形態１に係る角度測定装置の構成を示すブロック図である。実施の形１態に係る角度測定装置における観測データベクトル生成部の構成例を示す図である。実施の形態１におけるアレー応答ベクトルの説明図である。一般的な複数センサの振幅特性の説明図である。

符号の説明

１制御部２センサ群
３観測データベクトル生成部４ＥＳＰＲＩＴ測角処理部
５到来信号波推定部
５０到来信号波のアレー応答ベクトル推定部
５１到来信号波の電力推定部
６正誤判断部

Claims

観測対象の信号波を電気信号に変換するセンサ群と、
上記センサ群で変換された電気信号から上記信号波の角度測定に必要な観測データベクトルを生成する観測データベクトル生成部と、
上記観測データベクトル生成部が生成する観測データベクトルからＥＳＰＲＩＴ測角処理により上記信号波の到来角度を算出するＥＳＰＲＩＴ測角処理部と、
上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部におけるＥＳＰＲＩＴ測角処理の測角処理過程データから到来する上記信号波の到来角度以外の情報を推定する到来信号波推定部と、
上記到来信号波推定部の推定結果に基づいて上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が算出する上記到来角度の測角結果の正誤を判断して、誤った測角結果を排除する正誤判断部とを備えることを特徴とする信号波到来角度測定装置。
上記到来信号波推定部は、上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が上記信号波の到来角度を算出する過程から到来信号のアレー応答ベクトルを推定する到来信号波のアレー応答ベクトル推定部を備え、
上記正誤判断部は、上記アレー応答ベクトル推定部が推定するアレー応答ベクトル推定結果から上記測角結果の正誤を判断することを特徴とする請求項１に記載の信号波到来角度測定装置。
上記到来信号波推定部は、上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が上記信号波の到来角度を算出する過程から到来信号の電力を推定する到来信号波の電力推定部を備え、
上記正誤判断部は、上記電力推定部が推定する電力推定結果から上記測角結果の正誤を判断することを特徴とする請求項１に記載の信号波到来角度測定装置。
上記到来信号波推定部は、上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が上記信号波の到来角度を算出する過程から到来信号のアレー応答ベクトルを推定する到来信号波のアレー応答ベクトル推定部および上記ＥＳＰＲＩＴ測角処理部が上記信号波の到来角度を算出する過程から到来信号の電力を推定する到来信号波の電力推定部を備え、
上記正誤判断部は、上記アレー応答ベクトル推定部が推定するアレー応答ベクトル推定結果および上記電力推定部が推定する電力推定結果から上記測角結果の正誤を判断することを特徴とする請求項１に記載の信号波到来角度測定装置。