JP2011203229A

JP2011203229A - 到来角推定装置

Info

Publication number: JP2011203229A
Application number: JP2010073706A
Authority: JP
Inventors: Tazuko Tomioka; 多寿子富岡; Kenji Shinoda; 賢司篠田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】非常にＳＮＲが低い入力信号の場合であっても高い精度で到来角の推定ができる
到来角検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】到来角検出装置１には、予め運用状況に対応した予想波数が設定されている
。仮定波数決定部４は、検出された指針値に基づいて仮定波数を決定する。仮定波数決定
部４は、検出された指針値が第１の閾値より指針値が高い場合、すなわち、より良好な受
信状態である場合には、予想波数を第1の仮定波数として決定する。また、検出された指
針値が第１の閾値より低く、第２の閾値より高い場合には、予想される波の到来角、信号
対雑音比の分布に応じて、仮定波数を予想波数以下、１以上である第２の仮定波数とし、
指針値が第２の閾値を下回る場合には、第２の仮定波数より１以上大きい数を仮定波数と
して決定する。到来角計算部５は、入力された仮定波数を用いて到来角推定を行い、推定
結果を推定到来角として出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、到来角推定装置に関する。

アレイアンテナを利用し、受信信号の相関行列を用いて、複数波の到来角を推定する技
術が提案されている。有名な方式には、例えばＭＵＳＩＣ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｉｇｎ
ａｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）がある。その他に最尤推定法による推定方式も提
案されている。殆どの技術は、推定を行う際の到来波数は既知である必要がある。そのた
め、到来波数が不明な場合は、ＭＤＬ（ＭｉｎｉｍｕｍＤｉｓｃｒｉｐｔｉｏｎＬｅ
ｎｇｔｈ）やＡＩＣ（ＡｋａｉｋｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｒｉｔｅｒｉａ）とい
った到来波数推定法を用いて予め到来波数を検出してから、到来角推定を行う。

到来波数が既知ではなく、さらに、このような方法が適用できない場合には、到来して
いると予想される波の数より大きい波数を仮定波数として推定を進める。しかし、一般に
正しい波数で推定を行う方が正確な推定が可能であるといわれているため、一度大きめの
仮定波数で推定を行った後に、推定結果の角度を利用してそれぞれの到来波のパワーを計
算し、有意なパワーを持つ波の数を数えて改めて仮定波数として再度到来角推定を行うと
いった方法がとられる（例えば、非特許文献１参照。）。

山田「高分解能到来波推定法の基礎と実際」アンテナ・伝搬における設計・解析手法ワークショップ（第３３回）、ｐ．９２、電子情報通信学会、２００６年

非常にＳＮＲ（信号対雑音比）の低い信号から到来角推定を行う必要があり、このよう
な場合でもより高い精度で到来角の推定が可能となる仮定波数設定を行う必要が有る。

そこで、本発明は非常にＳＮＲが低い入力信号の場合であっても高い精度で到来角の推
定ができる到来角検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１記載の到来角検出装置は、アレイ型センサ受信信号の
相関行列に基づいて複数の到来波の到来角を検出する到来角検出装置であって、予め運用
状況に応じて予想される波数を予想波数として設定する予想波数設定手段と、到来波の受
信状態を示す指針値を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された指針値に対
して、第１の閾値とより劣化した受信状態に対応する第２の閾値を設ける閾値設定手段と
、前記検出手段によって検出された指針値に基づいて仮定波数を決定する仮定波数決定手
段と、前記仮定波数決定手段によって決定された仮定波数に基づいて到来角の推定を行う
到来角推定手段と、前記到来角推定手段によって推定された到来角に基づいて到来角を検
出する到来角検出手段と、を有し、前記仮定波数決定手段は、指針値が第１の閾値以上の
場合は、前記予想波数を第１の仮定波数とし、指針値が第１の閾値未満、かつ第２の閾値
超過の場合は、１以上かつ前記予想波数以下を第２の仮定波数とし、指針値が第２の閾値
以下の場合は、前記第２の仮定波数に１以上を加えた数を第３の仮定波数とすることを特
徴とする。

本発明によれば、非常に低いＳＮＲの到来波に対し到来角推定を行う場合でも、より高
い精度での到来角推定が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る到来角検出装置の構成を示す構成図。最尤推定法の一種であるＭＯＤＥ（ＭｅｔｈｏｄｏｆＤｉｒｅｃｔｉｏｎＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ）法と呼ばれる到来角推定法を用いて推定を行った結果のＲＭＳＥを示す図。推定角を仮定波数毎にヒストグラムにした図。アンテナ数１０、アンテナ間隔０．５波長、−１５度と＋１５度から相関が全くない信号が低いＳＮＲで入力した場合の到来角推定結果ＲＭＳＥを示す図。図３と同じ条件においてＭＵＳＩＣで推定を行ったシミュレーションの結果を示す図。図１の指針値検出部の構成を具体的に示した図。図６の構成に対応する到来角検出装置が行う処理のフローチャート。図２を計算した際のＭＤＬで波数推定を行った結果の分布を示す図。図４を計算した際の到来波数推定結果を示す図。本発明の実施の形態２に係る到来角検出装置１の構成を示す図。本発明の実施の形態３に係る到来角検出装置１の構成を示す図。図１１の構成に対応する到来角検出装置が行う処理のフローチャート。本発明の実施の形態４に係る到来角検出装置１の構成を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る到来角検出装置１の構成を示す図である。図示しな
いアレイアンテナで受信された信号は増幅器、周波数変換器などからなる図示しないアナ
ログ部を介して、アンテナ毎にそれぞれベースバンド信号に変換され、図示しないアナロ
グ・デジタル変換器によってデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号は、受
信信号として到来角検出装置１に入力される。

到来角検出装置１は、受信信号から受信状態を示す指針値を指針値検出部２において検
出する。閾値判定部３は、指針値検出部２において検出された指針値を予め設定された２
つの閾値と比較する。２つの閾値は、より良い受信状態を示す第１の閾値と、それより劣
化した受信状態を示す第２の閾値である。

到来角検出装置１には、予め運用状況に対応した予想される波数（以下、予想波数とす
る）が設定されている。仮定波数決定部４は、検出された指針値に基づいて仮定波数を決
定する。仮定波数決定部４は、検出された指針値が第１の閾値より指針値が高い場合、す
なわち、より良好な受信状態である場合には、予想波数を仮定波数（以下、この仮定波数
を第１の仮定波数とする。）として決定する。また、検出された指針値が第１の閾値より
低く、第２の閾値より高い場合には、予想される波の到来角、信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓ
ｉｇｎａｌＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）の分布に応じて、仮定波数を予想波数以下、１以
上とし（以下、この仮定波数を第２の仮定波数とする。）、指針値が第２の閾値を下回る
場合には、第２の仮定波数より１以上大きい数を仮定波数（以下、この仮定波数を第３の
仮定波数とする。）として決定する。

到来角計算部５は、入力された仮定波数を用いて到来角推定を行い、推定結果を推定到
来角として出力する。

次に、各種シミュレーション結果を用いてこの現象について説明する。

図２に最尤推定法の一種であるＭＯＤＥ（ＭｅｔｈｏｄｏｆＤｉｒｅｃｔｉｏｎ
Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）法と呼ばれる到来角推定法を用いて推定を行った結果のＲＭＳＥ
（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒ：二乗推定誤差平均の平方根）を示す
。アンテナ数４、アンテナ素子間隔２波長であり、相関係数０．８６の２波が０．６度差
で−３．５度近傍から入力している場合のＲＭＳＥの一例である。

受信信号として５０００スナップショットを利用しているが、横軸は５０００スナップ
ショットを積分したと仮定した場合のＳＮＲであり、１スナップショットでのＳＮＲは横
軸の値−１０×ｌｏｇ_１０（５０００）＝横軸の値−３７ｄＢであって、０に近い領域で
は非常に低い。

以下、ＳＮＲは全スナップショット積分後の値である。推定の際に利用する相関行列は
、アンテナ毎に５０００スナップショットのデータをフーリエ変換し、２つの所望波が存
在する近辺の８ビンを抽出して、逆フーリエ変換したものから相関行列を生成した。ＲＭ
ＳＥは試行２０００回での値である。なお、２波の位相関係は任意となるように乱数で決
定した。

２波の相関係数が高く、かつ、角度差が小さく、また、アンテナ数が少ないため、入力
した２波は殆どの場合、到来角検出装置には１波にしか見えない。しかし、入力された波
数は２波であるため、予想波数は２波である。そこで、仮定波数を１波とした場合と、仮
定波数を２波とした場合についてシミュレーションを行った。

仮定波数が１波の場合には、推定角は１つ出力される。仮定波数が２波の場合には、推
定角は２つ出力され、出力された推定角から相関行列によってパワーを計算し、推定角を
パワーの順にソートした。ＳＮＲ１５ｄＢ以下では１波仮定のＲＭＳＥが２波仮定第１波
のＲＭＳＥより大きくなっていることが分かる。一方、２波仮定第２波のＲＭＳＥはかな
りＳＮＲが大きくなるまで下がらない。さらに、７５ｄＢを超えるような非常に大きいＳ
ＮＲでは、２波仮定のＲＭＳＥが１波仮定のＲＭＳＥを下回る。

ＳＮＲ１０ｄＢの近辺で２波の位相差がほぼ１８０度に近い、非常に検出状況の悪い条
件で、同様の推定を行った結果の推定角を仮定波数毎にヒストグラムにしたものを図３に
示す。図３（ａ）は仮定波数が１波、図３（ｂ）は仮定波数が２波の場合の推定結果のヒ
ストグラムである。図３（ａ）では、入力波が存在する−３．５度近傍にピークがある他
は周辺に漫然と広がったヒストグラムとなっている。一方、図３（ｂ）は−３．５度近傍
と１０度近傍の２つのピークに分かれている。

仮定波数が２波の場合の推定結果をそれぞれの推定毎に結果をパワーでソートした場合
の、２波の内、パワーの大きい方のみのヒストグラムが図３（ｃ）、パワーの小さい方の
みのヒストグラムが図３（ｄ）である。図３（ｃ）では−３．５度近傍に推定結果が集ま
っており、図３（ｄ）は１０度近傍に推定結果が集まっている。

これは、推定に用いたアンテナの素子間隔は２波長であり、視野角が±１４．５度であ
るので、−３．５度近傍に対して１０度近傍はちょうど視野角の反対側に相当しているた
めである。すなわち、この条件で、このように低いＳＮＲでは、実質的に検出可能な波数
は１であるが、仮定波数を２とすることにより、雑音成分による推定結果が、実際に信号
がいる角度とは最も離れた角度に集められたためと推測される。

図２、図３に用いた方式は最尤推定法であり、最尤推定法は、「得られた相関行列にど
のような角度の入射波を当てはめれば尤もよく合うか」という基準で角度推定を行う方式
である。実際、波数が１波あるかどうか分からない程度にＳＮＲが低い状況では、仮定波
数を１波とすれば、雑音と信号が混在したような信号があるとして角度を推定するが、そ
のような状況でも２波あるとして、推定を行わせれば、パワーのありそうな角度とそれ以
外を分けた結果を出せるものと推測される。

なお、十分に大きいＳＮＲで２波仮定の結果が良くなるのは、従来知られた通りの現象
である。ＳＮＲが１５ｄＢから７５ｄＢの間では、２波の角度差が小さくかつ相関が高い
ために事実上１波とみなせ、仮定波数を１波（以下、この場合を１波仮定とする。）とし
て仮定した場合の方が性能は良くなるが、十分に大きいＳＮＲでは、２波が２波と見える
ため、仮定波数を２波（以下、この場合を２波仮定とする。）として仮定した方が性能は
良くなる。また、１波仮定では、２波の中間の値を結果として出力するため、ＲＭＳＥが
一定値（０．６度の半分である０．３度）より下がらなくなる。

なお、図２の条件では、２波の角度差が小さく、相関係数が高く、かつ、アンテナ数が
少ないため非常に大きいＳＮＲまで２波を２波と認識できなくなっている。この条件で、
ＳＮＲを受信状態の指針値とする場合、第１の閾値を７５ｄＢ、第２の閾値を１５ｄＢと
すればよい。ただし、２波の角度差がより大きい場合は、より低いＳＮＲで２波を分解で
きるようになる。また、第２の閾値もより下がる。

上記の例では事実上、入力された波数が１波の場合であるが、本実施の形態によれば、
より多い波数の場合であっても、第２の閾値以下では、その受信状態で検出可能な波数（
つまり、第２の仮定波数）より仮定波数を大きくすることによって、同様の効果を得るこ
とができる。

その例として、アンテナ数１０、アンテナ間隔０．５波長、−１５度と＋１５度から相
関が全くない信号が低いＳＮＲで入力した場合の到来角推定結果ＲＭＳＥを図４（ａ）に
示す。入力される波数が２波の場合であるため、２波仮定の場合、及び仮定波数が３波で
ある場合（以下、この場合を３波仮定とする）の場合について到来角推定を行った。

ＳＮＲが１０ｄＢを下回る領域では、３波仮定の結果の方が良好なＲＭＳＥが得られて
いることがわかる。ただし、３波仮定の推定結果のうち、最もパワーが低い３波目は雑音
であるので、非常に大きいＲＭＳＥで推移している。

なお、この例では、ＳＮＲが大きくなれば２波仮定も３波仮定も大差の無いＲＭＳＥと
なっている。これは、図２の条件と異なり２波がどのようなＳＮＲでも明確に区別可能で
あって、図２のような事実上１波に見えるといったことが起こらないためである。しかし
、厳密には一定以上のＳＮＲでは２波仮定の方がよい結果が得られる。

図４（ｂ）は２波仮定と３波仮定の場合のＲＭＳＥの差の符号を第１波と第２波のそれ
ぞれについてプロットしたものである。２波仮定のＲＭＳＥが３波仮定の場合のＲＭＳＥ
と比較して大きければ＋１、小さければ−１としてプロットしている。ＳＮＲ１０ｄＢ近
傍までは、２波仮定の方がＲＭＳＥが大きい、すなわち、推定結果の誤差が大きくなって
いるが、それ以上のＳＮＲでは、２波仮定の方が一貫してＲＭＳＥが小さくなっており、
正しい入力波数に近い仮定波数とすることにより、より良い推定結果が得られていること
がわかる。なお、この場合では、第２の閾値は１０ｄＢとし、第２の仮定波数を第１の閾
値以上で用いる第１の仮定波数と同じとして、第１の閾値は事実上設けないとすればよい
。

第２の仮定波数と第１の仮定波数を異なった値として効果がある場合は、図２のように
、複数の信号が比較的近い角度で入力されており、ＳＮＲが低くなると事実上の波の数が
減るように見える場合である。図４のようにそうでない場合には、第２の仮定波数と第１
の仮定波数は同じで良く、第１の閾値は事実上意味をなさない。もちろん、便宜上設定し
ても良い。

なお、角度が近く相関が高い複数波のグループが、離れた角度で複数あるような場合で
あって、それぞれのグループ毎に入力パワーが異なっている場合には、第１、第２の閾値
をグループ毎に適用すればよい。ただし、いずれかの波またはグループが既に第２の閾値
を下回っている状況で、他の波またはグループが第２の閾値を下回っても、余計に足す仮
定波数をさらに１つ増やす必要は無い。第２の閾値を下回っている波またはグループ全部
で１つあれば十分である。もちろん、アンテナ数に余裕があれば、２つ以上増やしても良
いが、効果は望めない。グループ毎に適用して意味があるのは特に第１の閾値である。

なお、それぞれの閾値は、到来角検出装置が利用される状況に応じて、シミュレーショ
ンなどを行って、それぞれ設計すればよい。

また、上述したような、第２の閾値以下で仮定波数を増やすことによって検出精度が改
善する原理は最尤推定法特有である。ＭＵＳＩＣのような部分空間法では、図３に示した
特徴は現れない。しかし、本実施の形態を適用することで検出精度が改善することが無い
訳ではない。

図５に図３と同じ条件においてＭＵＳＩＣで推定を行ったシミュレーションの結果を示
す。なお、ＭＵＳＩＣは最尤推定法とは異なり相関の大きい信号を分解して検出する能力
を持たないため、予め相関行列に空間平均化を施し、信号同士の相関を打ち消してから推
定を行った。空間平均化に１アンテナを費やしたため、実効的なアンテナ数は４ではなく
、３である。図５（ａ）乃至図５（ｄ）のヒストグラムはそれぞれ図３で付された番号と
対応している。

図５（ａ）では図３と同様に−３．５度近傍のピークの他が漫然と広がった推定角が得
られている。しかし、図３と異なり図５（ｂ）は２山には分かれず図５（ａ）と同様に−
３．５度近傍のピーク以外は漫然と広がったものとなっている。図５（ｃ）と図５（ｄ）
は２波仮定の場合のそれぞれの波のヒストグラムであるが、図３と異なり、こちらはパワ
ーでソートはせず、−３．５度に近いものと、それ以外に分けている。図示しないが、パ
ワーでソートした場合、第１波のヒストグラムはほぼ図５（ａ）と同様の形、第２波のヒ
ストグラムは全角度に渡ってほぼ均等に分布するようなヒストグラムとなり、パワーでソ
ートする限りにおいては２波仮定してもあまりメリットはない。

これは、ＭＵＳＩＣが最尤推定法でないためである。しかし、図５（ｃ）、図５（ｄ）
に示すように、予想される角度に近い順でソートすることによって第１波のヒストグラム
はほぼ−３．５度近傍の一山に収束させることができる。これは、複数の結果が得られれ
ば、実際の角度に近いものが含まれる確率が上がるという程度のものである。しかし、到
来角推定を時系列で時々刻々と進めるような場合には、直近の結果からおおよその角度の
予想ができており、大抵の運用において、到来波の角度が瞬時に変わったりしないので、
おおよその角度予想が付いている場合には、最尤推定法以外の方法でも、本実施の形態の
方法を適用することによってより良い推定結果を得ることができる。

図６は、図１の指針値検出部の構成を具体的に示した図である。以上の説明で述べたよ
うに、指針値として最も簡易なものはＳＮＲである。ＳＮＲは、例えば、システムの雑音
量を予め測定しておき、受信信号のパワーを雑音量と比較し、場合によっては、前処理と
してフーリエ変換を施して、信号のスペクトルピークを検出することによって求めるとよ
い。

図７は、図６の構成に対応する到来角検出装置が行う処理のフローチャートである。角
度が近く相関係数の高い複数波が似たようなパワーで入力されている状況に対応するもの
である。

まず、受信信号を入力データとして取得する（Ｓｔ１）。入力データからＳＮＲを検出
し（Ｓｔ２）、ＳＮＲが第１の閾値を超えていれば（Ｓｔ３のＹｅｓ）、仮定波数を予想
波数とする（Ｓｔ７）。ＳＮＲが第２の閾値より低ければ（Ｓｔ３のＮｏ、Ｓｔ４のＹｅ
ｓ）、仮定波数を２とする（Ｓｔ８）。それ以外の場合、すなわち、ＳＮＲが第２の閾値
と第１の閾値の間の場合は（Ｓｔ３のＮｏ、Ｓｔ４のＮｏ）、仮定波数を１とする（Ｓｔ
５）。このように仮定波数を用いて到来角を計算し出力する（Ｓｔ６）。

前述のように、各閾値をそれぞれの波または波のグループに対して適用しても良いが、
第２の閾値を下回った場合に付与する仮定波数の増分は全体で１つあれば十分なので、特
に角度の近い相関波が無いような場合には、最もＳＮＲの低い波のＳＮＲを指針値として
用いると良い。

指針値としては、例えば、受信信号から生成した相関行列の固有値を用いることが可能
である。アレイアンテナによる受信信号の相関行列の固有ベクトルと固有値は、複数の受
信波と雑音からなる受信信号によって形成される（擬似的な）空間の軸とその軸の重みに
相当する。固有値は、そのものではないが、そこに含まれる受信波のパワーと強い相関が
あり、より強いパワーの波はより大きい固有値を持つ軸の一つとして現れる。従って、固
有値を、ＳＮＲの替わりの指針として用いることが可能である。

更に指針値として、到来波数の推定結果を用いることも可能である。その場合、図１の
指針値検出部２では到来波数の推定が行われる。

図８は、図２を計算した際にＭＤＬで波数推定を行った結果の分布である。第２の閾値
を下回り２波仮定で推定を進めた方が結果の精度が上がる領域では、０波判定率が上昇し
ていることがわかる。図９は、同様に図４を計算した際の到来波数推定結果であるが、こ
れも図８と同様の結果となっている。

従って、到来波数の推定結果を指針値として用い、０波判定が出た場合、あるいは０波
判定が出がちな状態を、第２の閾値を下回ったと判断し、仮定波数を１以上増やすと良い
。

波数推定結果の利用法はいくつかある。波数推定方式の種類によるが、通常のＭＤＬや
ＡＩＣのような、波数推定に到来波の角度を必要としない方式では、図１の指針値検出部
１で到来波数推定を行えばよい。第１の閾値、第２の閾値を波数推定値とし、第２の閾値
は推定結果の波数が０であることとすればよい。第１の閾値は、予想波数や角度の分布に
よって異なる。

前述したように第１の閾値が実際には必要がない場合もある。図８のような状況では、
第１の閾値は、それ以下なら推定波数が１であり、それ以上なら推定波数が２であること
である。図９の場合は、１波判定が殆ど起こらないため、第１の閾値は事実上設けず、第
２の仮定波数と第１の仮定波数を同じにして、２波判定が出たら、第１の仮定波数または
第２の仮定波数、すなわち、２波仮定で進めるとするとよい。

受信信号のパワーが低い状態ではＳＮＲの検出は難しいことが多いため、波数判定を利
用することで、より明確な閾値適用が可能となる。なお、図８、図９のように、パワーの
近い波ばかりが入力するとは限らない。パワーの強い波と低い波が混在するような場合に
は、ＳＮＲを指針として用いる場合のように、パワーの低い波に対して閾値を適用すれば
よい。その場合は、全体の波数の予想される数を予め把握しておき、波数推定結果から１
波が確実に１波と判定されるようなパワーの強い波の数を除いて、残りの波数を指針値と
して用いればよい。

なお、以上の波数推定では、到来角推定を行うのと同じ時刻の受信信号、すなわち、同
じ相関行列を用いた結果を利用した。波数推定では大抵の場合、受信信号の相関行列や固
有値解析の結果を利用する。到来角検出装置は、波数推定で生成した相関行列や固有値、
固有ベクトルを到来角推定でも共用するようにするとよい。

到来波数の推定結果の他の利用法としては、波数判定確率を用いる方法もある。すなわ
ち、到来角推定を行うその相関行列の波数推定結果のみでなく、過去の波数推定結果も利
用する。受信信号は時間と共に変化はするものの、連続的に受信している限りにおいては
、相関行列を生成する度にＳＮＲや角度が著しく異なることは通常無いためである。直近
のＮ回の推定結果から波数推定値毎の確率、すなわち、Ｎ回の内、何回が０波判定、１波
判定、２波判定・・・、であったかを波数判定値ごとに集計し、それを確率の形に直して
、指針値とする。

（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と同一構成につ
いては同一の符号を付し重複する説明は省略する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る到来角検出装置１の構成を示す図である。到来
角検出装置１に入力された受信信号は、２分岐されて到来波数推定部７と到来角計算部５
に入力される。到来波数推定部７では、ＭＤＬやＡＩＣまたは他の方式を用いて、その時
刻の受信信号あるいは相関行列から到来波数推定を行い、その結果を波数判定率算出部８
に出力する。

波数判定率算出部８では、メモリ９に蓄えられた過去Ｎ回の波数推定結果と、新たに到
来波数推定部７から入力された結果から波数判定率を算出し、その結果を閾値と比較する
。波数判定率は０波判定率、１波判定率、２波判定率・・・の全てを足すと必ず１となる
ため、例えば、第２の閾値については、０波判定率がいくつ以上とすれば良く、第１の閾
値については、これまでと同様に、設けないか、入力波の相関係数と角度の分布に対応し
て０でないｍ波判定率に対して設ければよい。

同様に、入力波間のパワーの差が大きい場合には、最も弱い波についての判定率を算出
して用いると良い。なお、波数推定結果は、同じ受信信号であっても波数推定方式によっ
て若干異なることがあるため、それぞれの閾値は用いる波数推定方式に対応させて設定す
ると良い。

波数判定率算出部８は、到来波数推定部７から入力された今回の波数推定結果をメモリ
９に記憶し、必要に応じてメモリから古い波数推定結果を廃棄する。また、波数判定率に
対して閾値との上下関係を算出し、その結果を仮定波数決定部４に送る。仮定波数決定部
４は受け取った結果から仮定波数を決定して、到来角計算部５に入力する。到来角計算部
５は入力された受信信号（または到来波数推定部７で生成された相関行列や固有値解析結
果など）と、仮定波数決定部４から入力された仮定波数に基づいて到来角計算を行い、そ
の結果の推定角を出力する。

１回１回の波数推定は雑音の影響などでばらつくことがあるため、このように波数推定
結果を過去Ｎ回の確率の形とすることによって、安定した仮定波数決定が可能になる。た
だし、確率を求めるための回数は受信信号が大きく変化しない期間に限定する必要がある
。

なお、図１０の方法の変形として、受信信号が変化することを考慮した方法にすること
もできる。単純にＮ回の内の確率とするのではなく、古い波数推定結果の寄与を小さくし
、新しい波数推定結果の寄与を大きくして、推定波数を重み付け平均化し、平均化結果に
対して閾値を適用するようなフィルタ処理を行っても良い。寄与率はＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎ
ｉｔｅｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ：無限インパルス応答）のフィルタのインパ
ルス応答で良いし、１次のＩＩＲであれば、忘却係数を設定して決定するなどすればよい
。忘却係数を設定してフィルタを掛けるような方法であれば、過去Ｎ回の波数推定結果を
全て保持しておく必要は無く、前回のフィルタ結果のみを記憶しておけばよい。このよう
にするとより新しい波数推定結果を重視した仮定波数決定が行え、受信信号の変化に対応
できる。

波数推定方式の中には、到来角が与えられないと波数推定ができないものもある。例え
ば、コヒーレント波に適用可能なように変形したＭＤＬ（Ｗａｘ他， “Ｄｅｔｅｃｔｉ
ｏｎｏｆｔｈｅＮｕｍｂｅｒｏｆＣｏｈｅｒｅｎｔＳｉｇｎａｌｓｂｙ
ｔｈｅＭＤＬＰｒｉｎｃｉｐｌｅ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｓ，ＳｐｅｅｃｈａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｖｏｌ．ＡＳ
ＳＰ−３７，Ｎｏ．８，ｐ．１１９０（１９８９））や、相関行列から到来角を利
用してパワーを検出し、有意なパワーを持つ波のみが入力波であると判断するような到来
波数推定法である。そのような場合には、図１１のような構成を用いると良い。

（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３について説明する。なお、実施の形態１、実施の形態２
と同一構成については同一の符号を付し重複する説明は省略する。

図１１に示すように到来角検出装置１に入力された受信信号は複数に分岐されて１つは
指針値検出部２に、他は仮定波数決定部４に入力される。仮定波数決定部４及び到来角計
算部５は複数系統あり（仮定波数決定部４は、仮定波数決定部４−１及び仮定波数決定部
４−２、到来角計算部５は、到来角計算部５−１及び到来角計算部５−２）、系統毎に異
なる仮定波数に基づいて到来角推定を行っていく。

例えば、仮定波数決定部４−１では仮定波数をＡ波（例えば１波）とし、到来角計算部
５−１では、Ａ波で推定を行う。仮定波数決定部４−２では仮定波数をＢ波（例えば２波
）とし、到来角計算部５−２ではＢ波で推定を行う。到来角計算部１４は推定到来角を指
針値検出部２に入力する。指針値検出部２では到来角推定の結果の角度を利用して到来波
数推定を行う。指針値検出部２で行われる指針値検出が、到来角がなければ波数推定が行
えない波数推定方式である場合、波数推定を行うのに十分な個数の推定到来角が必要であ
るので、実際に利用する到来角は最も大きい仮定波数による到来角推定結果である。

そのようにして得られた指針値、例えば、到来波数を第１、第２の閾値と比較して、実
施の形態１、実施の形態２と同様の手順で仮定波数を決定する。その結果は、結果選択部
１５に通知され、結果選択部１５は、決定した仮定波数と同じ仮定波数で推定が行われた
到来角計算結果を選択して出力する。このような構成をとることによって、波数判定に到
来角を必要とする場合でも本実施の形態を適用することができる。

図１１に示す構成は、その時刻の受信信号による波数推定結果を用いる方法のみでなく
、到来波数の直近の確率を用いる方法や重み付け平均値を用いる方法にも適用できる。さ
らに、到来波数推定に限らず、到来角を必要とする他の指針値検出にも用いることが可能
である。

図１２は、予想される到来波が事実上１波とみなせるような角度が近く相関が高い２波
であって、どちらも非常に低いＳＮＲで入力される場合に、図１１に示す構成に対応する
処理のフローチャートである。まず、受信信号を入力データとして取得し（Ｓｔ１０１）
、１波仮定での到来角計算、２波仮定での到来角計算を行う（Ｓｔ１０２、Ｓｔ１０３）
、その結果を用いて波数推定を行い（Ｓｔ１０４）、推定波数が２であれば（Ｓｔ１０５
のＹｅｓ）、２波仮定の結果を選択（Ｓｔ１０８）、推定波数が１であれば（Ｓｔ１０５
のＮｏ、Ｓｔ１０６のＹｅｓ）、１波仮定の結果を選択（Ｓｔ１０９）、推定波数が０で
あれば、２波仮定の結果を選択する（Ｓｔ１０７）。推定波数が０の場合は、実質１波分
しか有意な推定結果が得られていないので、２つの推定角の内、１つのみを選択する。図
１２では、１波仮定の推定結果に近い方を選択して出力している。

なお、図１１に示す構成は、到来角を必要としない指針値検出を用いる場合であっても
適用できる。この場合、到来角計算部５から指針値検出部２の矢印は不要となり、指針値
検出部２で独立して指針値検出が行われる他はこれまで説明した通りである。指針値検出
に到来角が不要であるのに、到来角推定を平行して複数行うことのメリットは例えば、以
下のようである。本願が想定する状況は非常にＳＮＲの低い状況であり、到来角推定結果
の誤差が大きい場合が多い。従って、複数の仮定波数による推定結果を統計的に扱えば、
よりもっともらしい推定角を出力することができる。例えば、図１２に示すように指針値
が第２の閾値より低く、第３の仮定波数によって到来角推定を進めた場合では、推定角の
うちの１つは雑音による全く意味のない角度であるので、それを結果から除いて出力しな
ければならない。このような時に、どれを取り除くかという基準として他の仮定波数での
推定結果を利用するようなことができる。例えば、２波仮定で到来角推定した結果の内、
１波仮定で到来角推定した結果に近いものを選択するなどである。

なお、このように、指針値が第２の閾値を下回って、仮定波数を増やした場合には、増
やした分の波数に対応する推定角は雑音に対応する推定角であるため、より正しい推定結
果を出力するために、得られた複数の推定角から、正しいと思われる推定角を選択して出
力する必要がある。これまで述べたような他の仮定波数での推定結果に近いものを選択す
る方法は一つの方法である。

（実施の形態４）
図１３のように外部からおおよそ予想される到来角が結果選択基準として入力されてお
り、それに近い結果を選択する方法がある。外部とは、例えば到来角検出装置１の出力を
利用している装置が行っている結果のトラッキングデータであったり、全く異なる他の測
定方法、例えば電波源の目視確認による見積もりなどである。

また、到来角検出装置１自身が過去の推定結果を保有して、それに近いものを選択して
も良い。その場合は、過去の推定結果を保持するメモリと、過去Ｍ回の推定結果から予想
される値を推定するブロックが必要になる。予想される値は、図１０の場合と同様に過去
Ｍ回の平均値でも良いし、重み付け平均として、古い結果の寄与を小さくしても良い。ま
た、より高度な追従処理を行っても良い。

さらに他の方法としては、到来角推定後に各波のパワーを推定到来角と相関行列から計
算し、パワーの最も小さい方から、余分に付与した仮定波数の数だけの推定角を除去して
もよい。

なお、以上の実施の形態で、度々、予想される波の数と角度について言及した。実際に
本願が想定するような非常にＳＮＲの低い信号の到来角を推定する到来角検出装置が、全
く到来角の予想が立たない状況で利用されることは少ない。例えば、マルチスタティック
レーダの例であるならば、予想される到来波は目標反射波、直接波、クラッタであり、大
抵の場合、直接波の角度とパワー、クラッタのおおよその角度とパワーは予想が付いてい
る。さらに、目標反射波についても、他の機材との協調あるいは、人による入力によって
おおよその方向の見当はついている。新規目標を検出する場合は、大抵の場合、受信状態
がよい機材、すなわち、目標が機材の近くにある機材で目標の検出が行われ、そのデータ
に基づいて、より目標から離れた他の機材での検出が行われる。このように全くどこから
どのような電波が入射しているか不明な状態で本実施の形態のような検出を行う可能性は
低く、従って、予め何某かの形で予想される波の数と角度は与えられることが多い。

さらに、以上の実施の形態は、アレイアンテナによる電波の到来角推定についてであっ
たが、本願の特徴である信号処理には電波で無ければ動作しないといった部分はなく、他
の種類の波動（例えば音波）をその波動に対応したアレイ型センサ（例えばアレイ型マイ
ク）で受信する装置にも適用できる。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその
要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具現化できる。また、上述の実施の形態に開
示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例え
ば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。さらに
異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１到来角検出装置
２指針値検出部
３閾値判定部
４仮定波数決定部
５到来角計算部
６ＳＮＲ検出部
７到来波数推定部
８波数判定率算出部
９メモリ
１５結果選択部

Claims

アレイ型センサ受信信号の相関行列に基づいて複数の到来波の到来角を検出する到来角
検出装置であって、
予め運用状況に応じて予想される波数を予想波数として設定する予想波数設定手段と、
到来波の受信状態を示す指針値を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された指針値に対して、第１の閾値とより劣化した受信状態に
対応する第２の閾値を設ける閾値設定手段と、
前記検出手段によって検出された指針値に基づいて仮定波数を決定する仮定波数決定手段
と、
前記仮定波数決定手段によって決定された仮定波数に基づいて到来角の推定を行う到来角
推定手段と、
前記到来角推定手段によって推定された到来角に基づいて到来角を検出する到来角検出手
段と、
を有し、
前記仮定波数決定手段は、
指針値が第１の閾値以上の場合は、前記予想波数を第１の仮定波数とし、指針値が第１の
閾値未満、かつ第２の閾値超過の場合は、１以上かつ前記予想波数以下を第２の仮定波数
とし、指針値が第２の閾値以下の場合は、前記第２の仮定波数に１以上を加えた数を第３
の仮定波数とすることを特徴とする到来角検出装置。
前記到来角推定手段は、
最尤推定法を用いることを特徴とする請求項１記載の到来角検出装置。
前記指針値は、
到来波の信号対雑音比であることを特徴とする請求項１記載の到来角検出装置
前記到来波の信号対雑音比は、
前記複数の到来波の内、最も信号対雑音比が小さい波の信号対雑音比であることを特徴と
する請求項３記載の到来角検出装置。
前記指針値は、
波数推定アルゴリズムによって算出された波数推定値であることを特徴とする請求項１記
載の到来角検出装置。
前記波数推定値は、
到来角推定手段によって到来角推定を行う際に適用する相関行列生成に用いられたものと
同じ時刻の受信信号から推定された値であることを特徴とする請求項５記載の到来角検出
装置。
前記波数推定値は、
到来角推定手段によって到来角推定を行う際に適用する相関行列以前の直近の複数の相関
行列から得られた複数の波数推定値を統計処理したものであることを特徴とする請求項５
記載の到来角検出装置。
前記指針値は、
相関行列の固有値であることを特徴とする請求項１記載の到来角検出装置。
前記仮定波数決定手段によって仮定波数が前記第３の仮定波数と決定されたとき、前記
到来角推定手段によって得られた複数の角度の内、予想される結果により近い結果を推定
到来角として選択し、推定到来角として出力することを特徴とする請求項１記載の到来角
検出装置。
前記仮定波数決定手段によって決定された複数の仮定波数に基づいて、それぞれ到来角
推定計算を行い、前記複数の仮定波数に対応する到来角推定計算結果の内の１つの結果を
、前記指針値に基づいて選択し、推定到来角として出力することを特徴とする請求項１記
載の到来角検出装置。
前記仮定波数決定手段によって仮定波数が前記第３の仮定波数と決定されたとき、前記
到来角推定手段によって得られた複数の角度の内、前記第２の仮定波数に基づいた到来角
推定計算結果に近い結果を選択し、推定到来角として出力することを特徴とする請求項１
０記載の到来角検出装置。
前記仮定波数決定手段によって仮定波数が前記第３の仮定波数と決定されたとき、前記
到来角推定手段によって推定された結果の角度と前記相関行列からそれぞれの推定角に対
応するパワーを計算し、パワーの大きい波から、所定の数だけ結果を選択し、推定到来角
として出力することを特徴とする請求項１記載の到来角検出装置。
前記複数の到来波が、角度が近くかつ相関を有する場合、前記第２の仮定波数は１であ
り、前記第３の仮定波数は２であることを特徴とする請求項１記載の到来角検出装置。