JP2013178209A - レーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】検出可能な到来波の数を過剰に減らすことなく、検出性能を向上させたレーダー装置等を提供すること。
【解決手段】信号相関行列のランクが入力信号の数と同一又は1小さい場合に、信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、ランクが入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及びFB空間平均処理を行って処理対象行列を生成する処理対象行列生成手段と、処理対象行列生成手段により生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出する到来方向算出手段と、を備えるレーダー装置。
【選択図】図2
【解決手段】信号相関行列のランクが入力信号の数と同一又は1小さい場合に、信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、ランクが入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及びFB空間平均処理を行って処理対象行列を生成する処理対象行列生成手段と、処理対象行列生成手段により生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出する到来方向算出手段と、を備えるレーダー装置。
【選択図】図2
Description
本発明は、複数のアンテナからの受信信号に基づき、到来波の到来方向を算出するレーダー装置、その到来方向算出方法並びに到来方向算出プログラムに関する。
従来、複数のアンテナからの受信信号に基づき、到来波の到来方向を算出する技術について研究が進められている。係る技術がレーダー装置に関するものである場合、到来波とは、送信アンテナが送信した電磁波が物体で反射されて帰還する反射波であり、複数のアンテナが水平方向に並べられている場合には、到来方向は、物体のレーダー装置に対する方位角を示す。
到来波の到来方向を算出する手法として、合成ビームを走査することにより到来波の到来方向を算出するビームフォーマー法が用いられていた。そして、近年では、ビームフォーマー法よりも分解能を高めたCapon法、線形予測法、最小ノルム法、MUSIC法等の高分解能信号処理手法が知られている。
高分解能信号処理は、到来時間の相関が低くないと正しく計算を行うことができない。このため、高分解能信号処理を行う前には、空間平均法を用いて受信信号の相互相関を下げることが行われる。空間平均法は、アンテナアレーから同じ配置となるサブアレーを複数個取り出し、そのサブアレーから生成される相関行列を平均することによって受信信号の相互相関を下げる方法である。また、受信信号の並びを反転させて複素共役を求め、これをサブアレーとみなして空間平均を求めることが、FB(Forward/Backward)空間平均法と称される。
特許文献1には、MUSICアルゴリズムを使用して到来波の到来方向を推定する方法について記載されている。
しかしながら、上記特許文献1に記載の方法は、FB空間平均法しか行っておらず、相互相関の低下程度が不十分なものとなる。このため、受信信号の相互相関が高い場合には、信号相関行列がフルランクとならず、逆行列算出や固有値展開といった計算が正しく行えないため、到来方向を正確に算出することができないことになる。
一方、サブアレーの数を増加させて空間平均法による処理を行えば、受信信号の相互相関を低下させることができるが、空間平均処理を過剰に行うと、実効的なアンテナ数(チャンネル数)が減少し、検出可能な到来波の数が減少したり、形成できるビーム幅が広くなって分解能を低下させるという問題が生じうる。
本発明は、一側面によれば、検出可能な到来波の数を過剰に減らすことなく、検出性能を向上させたレーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
複数のアンテナを有するアンテナアレーと、
前記複数のアンテナに対応する複数の入力信号に基づき、該入力信号についての信号相関行列を生成する信号相関行列生成手段と、
前記信号相関行列生成手段により生成された信号相関行列のランクを計算するランク計算手段と、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数と同一又は前記入力信号の数に比して1小さい場合に、前記信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及び前記FB空間平均処理を行って前記処理対象行列を生成する処理対象行列生成手段と、
前記処理対象行列生成手段により生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出する到来方向算出手段と、
を備えるレーダー装置である。
複数のアンテナを有するアンテナアレーと、
前記複数のアンテナに対応する複数の入力信号に基づき、該入力信号についての信号相関行列を生成する信号相関行列生成手段と、
前記信号相関行列生成手段により生成された信号相関行列のランクを計算するランク計算手段と、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数と同一又は前記入力信号の数に比して1小さい場合に、前記信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及び前記FB空間平均処理を行って前記処理対象行列を生成する処理対象行列生成手段と、
前記処理対象行列生成手段により生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出する到来方向算出手段と、
を備えるレーダー装置である。
この本発明の一態様によれば、検出可能な到来波の数を過剰に減らすことなく、検出性能を向上させることができる。
本発明は、一側面によれば、検出可能な到来波の数を過剰に減らすことなく、検出性能を向上させたレーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラムを提供することを提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。
以下、図面を参照し、本発明の一実施例に係るレーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラムについて説明する。
図1は、本発明の一実施例に係るレーダー装置1のシステム構成例である。レーダー装置1は、主要な構成として、送信アンテナ10と、受信アンテナ20と、制御装置30と、を備える。
送信アンテナ10は、制御装置30の送信信号生成部32によって生成された送信信号に基づき、所定の方向に電磁波を放射する。送信信号生成部32は、例えばFM−CW方式に従って送信信号を生成する。
受信アンテナ20は、例えばN個のアンテナ20#1〜20#Nを有するアンテナアレーである(N>1)。受信アンテナ20が受信した電磁波(到来波)は、例えば増幅器やA/D変換器によってデジタルデータに変換されて制御装置30に入力される。
制御装置30は、例えばCPU、メモリ、ROM、補助記憶装置等を有するコンピュータである。制御装置30は、補助記憶装置等に格納されたプログラムをCPUが実行することによって機能する機能ブロックとして、信号相関行列生成部34と、ランク計算部36と、処理対象行列生成部38と、高分解能信号処理部40と、を備える。なお、これらの機能ブロックが明確に分離したプログラムによって実現される必要はなく、サブルーチンや関数として他のプログラムによって呼び出されるものであってもよい。また、機能ブロックの一部が、LSI(Large Scale Integrated circuit)、IC(Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウエア手段であっても構わない。
制御装置30のCPUが実行するプログラムのインストールは、例えば可搬型メモリに格納されたものが補助記憶装置にインストールされてもよいし、インターネットやLAN(Local Area Network)等のネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードされてもよい。また、プログラムは、制御装置30の出荷時に、予め補助記憶装置やROM等に格納されていてもよい。
図2は、本実施例の制御装置により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
まず、信号相関行列生成部34が、アンテナ20#1〜20#Nが受信した電磁波に基づく入力信号x1〜xNをベクトル要素とするベクトルx→(以下、「→」はベクトルであることを示すものとする)に基づいて、信号相関行列Rxxを生成する(S100)。
信号相関行列Rxxは、例えば式(1)で表されるN×Nの正方行列である。式中、上付の「H」は複素共役転置であり、E[]は、期待値を表し、例えば一定期間にサンプリングされたデータの平均値である。このサンプル数をYとすれば、信号相関行列Rxxは、式(2)で表される。
ここで、入力信号x1〜xNは、例えば各アンテナと一対一で対応するものである。
次に、ランク計算部36が、信号相関行列Rxxのランク(階数)Rを計算する(S102)。ランクRの計算方法には、行列の基本変形やLU分解を行う方法の他、特異値分解(SVD;Singular Value Decomposition)やQR分解によって行う方法がある。
ランクRがNであれば信号相関行列Rxxはフルランクの行列であり、ランクRがN未満であれば信号相関行列Rxxにランク落ちが生じている。信号相関行列Rxxのランク落ちは、各アンテナの受信信号における相関が高くなっていることを表し、ランク落ちが生じていると、高分解能信号処理部40による信号処理が正しく行えない場合がある。高分解能信号処理部40は、例えば、MUSIC法による処理を行って到来波の到来方向を算出する。また、MUSIC法に代えて、Capon法、線形予測法、又は最小ノルム法等による処理を行って到来波の到来方向を算出してもよい。これらの手法では、逆行列計算や固有値展開を行う関係上、処理の対象とする行列のランクをフルランクにする必要がある。行列のランクは、空間平均を1回行う毎に1増加する。本実施例の制御装置では、以下に説明するように、処理対象行列生成部38が信号相関行列Rxxのランクに応じて異なる処理を行う。
次に、処理対象行列生成部38が、信号相関行列RxxのランクRがNに等しいか否かを判定する(S104)。
信号相関行列RxxのランクRがN未満である場合、処理対象行列生成部38は、信号相関行列RxxのランクRがN−1に等しいか否かを判定する(S106)。
★信号相関行列RxxのランクRがN−1未満である場合、処理対象行列生成部38は、空間平均のための最適な部分相関行列のサイズMを決定する(S108)。最適な部分相関行列のサイズMは、(N×2+R+1)/3以下となる最大の整数である。これについては後述する。
部分相関行列のサイズMを決定すると、入力信号x1〜xNからM個の信号を抽出したサブアレー信号を、N−M+1通り抽出する(S110)。
図3は、サブアレー信号を抽出してサブベクトルを生成する際の規則を示す図である。入力信号x1〜xNに対応するアンテナ20#1〜20#Nに対して、例えばM=N−2であれば、まずアンテナ20#1〜20#N−2からの入力信号x1〜xN-2を抽出してサブベクトルx1→とし、次にアンテナ20#2〜20#N−1からの入力信号x2〜xN-1を抽出してサブベクトルx2→とし、次にアンテナ20#3〜20#Nからの入力信号x3〜xNを抽出してサブベクトルx3→とする。
次に、処理対象行列生成部38は、抽出したサブアレー信号によるサブベクトルx1→、x2→、…x(N-M+1)から生成される部分相関行列に対して、空間平均処理(SSP;Spatial Smoothing Processing)及びFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列Rtargetを生成する(S112)。
空間平均処理とは、対象となる行列の同じ成分同士を加算した行列を求めることをいう。また、FB空間平均処理とは、対象となる行列を生成する元となったベクトルの並びを反転させて複素共役を求めたベクトルから相関行列を生成し、これと対象となる行列との間で同じ成分同士を加算することをいう。
具体的には、処理対象行列生成部38は、抽出したサブアレー信号によるサブベクトルx1→、x2→、…x(N-M+1)→のそれぞれについて、並びを反転させて複素共役を求めた反転複素共役ベクトルx→*(x(N-M+1),x(N-M),…,x2,x1)を生成する。
そして、処理対象行列生成部38は、サブアレー信号によるサブベクトルx1→、x2→、…x(N-M+1)から部分相関行列Rxx1、Rxx2、…Rxx(N-M+1)を生成し、反転複素共役ベクトルx→*(x(N-M+1),x(N-M),…,x2,x1)から部分相関行列R*xx(N-M+1)、Rxx(N-M)xx、…Rxx1を生成し、これらの全ての同じ成分同士を加算することによって、空間平均処理及びFB空間平均処理を行う。
ベクトルから部分相関行列を生成する際には、それぞれに対して式(1)、(2)を適用する。こうして得られた部分相関行列は、信号相関行列の一部を抜き出したものとなり、例えば信号相関行列の左上から右下にかけて抜き出す範囲を変化させたものとなる。図4は、信号相関行列から部分相関行列を抜き出す様子を示す図である。また、図5は、2×2の行列同士で空間平均のための行列加算を行う様子を模式的に示す図である。
図6は、FB空間平均処理を説明するための説明図である。図6に示すように、処理対象行列生成部38は、アンテナ20#1〜20#Nの受信信号に基づく入力信号x1〜xNに対して、並びを反転させて複素共役を求めた反転複素共役ベクトルx→*(xN,xN-1,…,x2,x1)を生成する。
S112の処理は、部分相関行列の数と、各部分相関行列から導出されるFB相関行列の数の合計、すなわち、(部分相関行列の数×2)個の行列を加算する処理であるため、(部分相関行列の数×2−1)回の空間平均を行う処理となる。空間平均の回数は、ランク上昇数Rupに等しくなる。一方、部分相関行列の数は、(N−M+1)で表される。このため、ランク上昇数Rupは、次式(A)で表される。
Rup=2N−2M+1 …(A)
信号相関行列のランクをRとすると、次式(B)を満たせば処理対象行列Rtargetのランクがフルランク(M)となる。
R+Rup≧M …(B)
式(B)に式(A)を代入すると、式(C)となり、これを変形して式(D)、(E)が得られる。式(E)から、S108において、「サブアレーサイズMを(N×2+R+1)/3以下となる最大の整数とする」ことにより、最適なサブアレーサイズを選択できることが分かる。
R+2N−2M+1≧M …(C)
R+2N+1≧3M …(D)
(R+2N+1)/3≧M …(E)
R+2N+1≧3M …(D)
(R+2N+1)/3≧M …(E)
処理対象行列Rtargetが生成されると、高分解能信号処理部40が、高分解能信号処理を行って到来波の到来方向を算出する(S116)。高分解能信号処理部40は、例えばMUSIC法による処理を行って到来波の到来方向を算出する。以下、MUSIC法について簡単に説明する。
高分解能信号処理部40は、まず処理対象行列Rtargetの固有値λ1,…,λK(但し、λ1≧λ2≧…λL≧λL+1=…=λK)、及び、各固有値λ1,…,λKに対応した固有ベクトルe1,…,eKを算出する。Kは、処理対象行列Rtargetの次数であり、本実施例の場合、N又はMと等しくなる。固有値λL+1〜λKは、内部雑音電力σ2とみなされる。高分解能信号処理部40は、内部雑音電力σ2よりも大きい固有値の数Lを、到来波の数と推定する。
そして、高分解能信号処理部40は、式(3)、(4)で表される評価関数(角度スペクトラム)のL個のピークを探索し、抽出したピークに相当する角度を到来波の到来方向θ1〜θLとして算出する。式中、a(θ)はモードベクトルであり、ENは固有値λL+1,λL+2,…,λKに対応した固有ベクトルeL+1,eL+2,…,eKにより決定される雑音部分空間行列である。
★処理対象行列生成部38は、信号相関行列RxxのランクRがN又はN−1に等しい場合、信号相関行列Rxxに対してFB空間平均処理を行って処理対象行列を生成する(S114)。
処理対象行列Rtargetが生成されると、高分解能信号処理部40が、高分解能信号処理を行って到来波の到来方向を算出する(S116)。
係る制御によって、空間平均処理の回数を必要最低限の数に留めることができ、過剰な空間平均処理によって検出性能が低下するのを抑制することができる。
以上説明した本発明の一実施例に係るレーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラムによれば、検出可能な到来波の数を過剰に減らすことなく、検出性能を向上させることができる。
なお、上記実施例の説明は、レーダー装置1が有する機能の一部についてのものであり、レーダー装置1は、例えばFM−CWの原理によって物標との距離や相対速度を算出する機能等を有してもよい。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
1 レーダー装置
10 送信アンテナ
20 受信アンテナ
20#1〜20#N アンテナ
30 制御装置
32 送信信号生成部
34 信号相関行列生成部
36 ランク計算部
38 処理対象行列生成部
40 高分解能信号処理部
10 送信アンテナ
20 受信アンテナ
20#1〜20#N アンテナ
30 制御装置
32 送信信号生成部
34 信号相関行列生成部
36 ランク計算部
38 処理対象行列生成部
40 高分解能信号処理部
Claims (8)
- 複数のアンテナを有するアンテナアレーと、
前記複数のアンテナに対応する複数の入力信号に基づき、該入力信号についての信号相関行列を生成する信号相関行列生成手段と、
前記信号相関行列生成手段により生成された信号相関行列のランクを計算するランク計算手段と、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数と同一又は前記入力信号の数に比して1小さい場合に、前記信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、
前記ランク計算手段により計算されたランクが前記入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及び前記FB空間平均処理を行って前記処理対象行列を生成する処理対象行列生成手段と、
前記処理対象行列生成手段により生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出する到来方向算出手段と、
を備えるレーダー装置。 - 請求項1記載のレーダー装置であって、
前記処理対象行列生成手段は、前記部分相関行列の最適なサイズを決定し、該決定した最適なサイズの部分相関行列が生成されるように、前記複数の入力信号から抽出する入力信号数を決定する手段である、
レーダー装置。 - 請求項2記載のレーダー装置であって、
前記処理対象行列生成手段は、前記複数の入力信号から、[{(入力信号の数)×2+(信号相関行列のランク)+1}/3]以下の最大の整数分の入力信号を抽出して前記部分相関行列を生成する手段である、
レーダー装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項記載のレーダー装置であって、
前記空間平均処理は、前記複数の部分相関行列の各成分を加算する処理によって空間平均行列を生成する処理である、
レーダー装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1項記載のレーダー装置であって、
前記FB空間平均処理は、前記入力信号の並びを反転させて複素共役を求めた信号に基づきFB相関行列を生成し、前記信号相関行列又は前記空間平均行列と、前記FB相関行列とについて各成分を加算する処理である、
レーダー装置。 - 請求項1ないし5のいずれか1項記載のレーダー装置であって、
前記到来方向算出部は、Capon法、線形予測法、最小ノルム法、MUSIC法のいずれかによる信号処理を行って到来波の到来方向を算出する手段である、
レーダー装置。 - 到来方向算出方法であって、
レーダー装置が有するコンピュータが、
前記複数のアンテナに対応する複数の入力信号に基づき、該入力信号についての信号相関行列を生成し、
前記生成された信号相関行列のランクを計算し、
前計算されたランクが前記入力信号の数と同一又は前記入力信号の数に比して1小さい場合に、前記信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成し、
前記計算されたランクが前記入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及び前記FB空間平均処理を行って前記処理対象行列を生成し、
前記生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出することを特徴とする、到来方向算出方法。 - 到来方向算出プログラムであって、
レーダー装置が有するコンピュータに、
前記複数のアンテナに対応する複数の入力信号に基づき、該入力信号についての信号相関行列を生成させ、
前記生成された信号相関行列のランクを計算させ、
前計算されたランクが前記複数の入力信号の数と同一又は前記入力信号の数に比して1小さい場合に、前記信号相関行列に対してFB(Forward/Backward)空間平均処理を行って処理対象行列を生成させ、
前記計算されたランクが前記入力信号の数に比して2以上小さい場合に、前記複数の入力信号から抽出した部分入力信号により生成される複数の部分相関行列に対して、空間平均処理及び前記FB空間平均処理を行って前記処理対象行列を生成させ、
前記生成された処理対象行列に対する信号処理を行って到来波の到来方向を算出させることを特徴とする、到来方向算出プログラム。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012043236A JP2013178209A (ja) | 2012-02-29 | 2012-02-29 | レーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラム |
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JP2012043236A JP2013178209A (ja) | 2012-02-29 | 2012-02-29 | レーダー装置、到来方向算出方法、及び到来方向算出プログラム |
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JP (1) | JP2013178209A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016038267A (ja) * | 2014-08-07 | 2016-03-22 | 三菱電機株式会社 | 遅延時間推定装置及び測高装置 |
JP2018091817A (ja) * | 2016-12-07 | 2018-06-14 | 三菱重工業株式会社 | 測距・測角装置、測距・測角方法及び受信アレイセンサの設計方法 |
-
2012
- 2012-02-29 JP JP2012043236A patent/JP2013178209A/ja active Pending
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