JP2014119343A - 到来方向推定装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本開示の一実施形態に係る到来方向推定装置は、複数のアンテナ素子、行列計算部、固有値分解部、波数推定部、特徴量計算部および方式切替部を含む。複数のアンテナ素子は、到来波を受信して受信信号を得る。行列計算部は、受信信号を用いて相関行列を計算する。固有値分解部は、相関行列を固有値分解し、固有値を得る。波数推定部は、固有値に基づいて、受信信号に含まれる到来波の数を推定する。特徴量計算部は、到来波の固有値に対応する固有ベクトルごとに求まる、ベクトルの各要素のばらつきを表す第1特徴量を前記到来波の数分計算する。方式切替部は、第1特徴量が第1閾値以下である場合、第1方式を用いて到来波の到来方向を推定させるための第1指示を生成し、第1特徴量が第1閾値よりも大きい場合、第2方式を用いて到来波の到来方向を推定させるための第2指示を生成する。
【選択図】図1
Description
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る到来方向推定装置について図1のブロック図を参照して説明する。
第1の実施形態にかかる到来方向推定装置100は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、特徴量計算部105、推定方式切替部106、第1到来方向推定部107および第2到来方向推定部108を含む。
行列計算部102は、アンテナ101から受信信号を受け取り、受信信号を用いて相関行列を計算する。
波数推定部104は、固有値分解部103から固有値および固有ベクトルを受け取り、固有値に基づいて、受信信号に含まれる到来波の数である到来波数を推定する。
特徴量計算部105は、波数推定部104から到来波数および固有ベクトルを受け取り、到来波ごとに、到来波の第1特徴量を計算する。第1特徴量は、ベクトルの各要素のばらつきを示す値であり、本実施形態では、固有ベクトルの各要素のばらつきを示す値を第1特徴量(以下、ベクトル特徴量という)とする。なお、特徴量計算部105は、波数推定部104ではなく固有値分解部103から固有ベクトルを受け取るようにしてもよい。
第1到来方向推定部107は、推定方式切替部106から演算指示を受け取り、第1到来方向推定方式を用いて到来波の到来方向を推定する。
第2到来方向推定部108は、推定方式切替部106から演算指示を受け取り、第1到来方向推定方式よりも演算量は多いが、第1到来方向推定方式以上の到来方向の推定精度を有する第2到来方向推定方式を用いて到来波の到来方向を推定する。
例えば、ビームフォーマ方式やCAPON方式を用いても構わない。一般的に、MUSIC方式はビームフォーマ方式やCAPON方式よりも優れた性能を示すが、電力が高い場合には、ビームフォーマ方式やCAPON方式では到来波に含まれる素波の角度広がりの悪影響がMUSIC方式ほど影響しない場合もある。ビームフォーマ方式やCAPON方式はMUSIC方式よりも演算量の低い方式であるので、これらを用いて性能を向上させられる場合は、これらの方式を用いればよい。
図2は、送信機201からの信号を、受信機の等間隔円形アレーアンテナ202で受信する例を示す。図2(a)は、信号から直接波が受信機に到来している状態であり、図2(b)は、散乱体により信号が散乱して受信機に到来している状態である。
MUSIC方式では、モードベクトルとチャネル応答ベクトルとが一致する角度を推定することにより、到来方向の推定を行なう。
ステップS301では、行列計算部102が、受信信号を用いて受信相関行列を計算する。具体的に、受信信号をy(t)=As(t)とすると、受信相関行列はRxx=E[yyH]で表せる。ここで、Aは各到来波のモードベクトルを列に並べた行列であり、s(t)は時間tの各信号成分を要素に持つベクトルである。i番目のモードベクトルをaiとした場合、N信号到来時にはA=[a1,a2,…,aN]となる。また、E[・]はアンサンブル平均であり、Hは共役転置を表す。
ステップS303では、波数推定部104が、固有値分解部103で計算した固有値を用いて到来波数Nの推定を行なう。到来波数推定はAIC(Akaike Information Criteria)法やMDL(Minimun Description Length)法など一般的な手法を用いればよいため、ここでの説明を省略する。
i番目の信号における固有ベクトル振幅の分散値variは、式(3)により算出することができる。
ここで、第1の到来方向推定部107で用いられるMUSIC方式の評価関数を式(5)に示す。
ステップS308では、推定方式切替部106が、到来方向推定方式としてGAM−MUSIC方式の推定アルゴリズムを用いるため、演算指示を生成し、第2到来方向推定部108に演算指示を送る。
ステップS309では、推定方式切替部106から演算指示を受け取った第1到来方向推定部107または第2到来方向推定部108が、それぞれの推定方式を用いて到来波の到来方向を推定する。以上で第1の実施形態に係る到来方向推定装置100の動作を終了する。
図4に示すグラフは、縦軸が固有ベクトル振幅を示し、横軸がアンテナ素子の素子番号を示す。グラフ401は、MUSIC方式の推定精度が良好な場合のグラフである。この場合、式(4)に示すVとZとの関係がV>>Zとなるため、固有ベクトル振幅は一定値Vとなり分散値が小さくなる。
一方、グラフ402は、MUSIC方式の推定精度が低下する場合のグラフである。この場合、式(4)に示すVとZとの関係がV<<Zとなり、固有ベクトル振幅は素子ごとに正弦関数に従い変化するため固有ベクトル振幅の分散値が大きくなる。
到来方向推定方式としてMUSIC方式を用いる場合、MUSIC方式の性能が劣化していないにもかかわらず、ベクトル特徴量が大きくなる、すなわち固有ベクトル振幅の分散値が大きくなる場合がある。この場合、第1の実施形態では、ベクトル特徴量が閾値よりも大きい場合にGAM−MUSIC方式に切り替えるため、MUSIC方式の性能が劣化していない場合でも演算量の多い到来方向推定方式に切り替わってしまう可能性がある。
そこで第2の実施形態では、周期性を表す第2特徴量を用いることで、MUSIC方式の性能が良好な状況を高性能に識別することができる。
図5は、MUSIC方式の性能の良好な状態で2つの到来波を受信する例を示す。図5(a)は、MUSIC方式における仰角方向および方位角方向の2つのビームである、信号1および信号2の強度を示す。図5(b)は、信号1を受信した際のアンテナ素子ごとの固有ベクトル振幅を示し、図5(c)は、信号2を受信した際のアンテナ素子ごとの固有ベクトル振幅を示す。
本来であれば、図5(a)に示すように、信号1および信号2ともに鋭いピークが立っていて精度良く推定できている、すなわち式(4)においてV>>Zの状態なので、固有ベクトル振幅は一定値となると想定される。
第2の実施形態に係る到来方向推定装置について図6のブロック図を参照して説明する。
第2の実施形態に係る到来方向推定装置600は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、第1到来方向推定部107、第2到来方向推定部108、推定方式第1切替部601、周期性算出部602、推定方式第2切替部603、信号分離部604および特徴量計算部605を含む。なお、推定方式第1切替部601および推定方式第2切替部603を合わせて推定方式切替部とも呼ぶ。
図7(a)および図7(c)はMUSIC方式の性能が低い場合の固有ベクトル振幅と固有ベクトル振幅スペクトルとの関連性を示し、図7(b)および図7(d)はMUSIC方式の性能が高い場合の固有ベクトル振幅と固有ベクトル振幅のスペクトルとの関連性を示す。
一方、図7(b)に示すグラフ702は、式(4)においてV>>ZとなるのでMUSIC方式の性能は良好だが、他の信号の影響を受けて固有ベクトル振幅の変動が大きい例である。
MUSIC方式の性能が低下する場合は、固有ベクトル振幅はアンテナ素子に対し周期的に変動するが、MUSIC方式の性能が低下しない場合は、固有ベクトル振幅は周期的な変動は生じない。
よって、例えば、中心周波数の両側の周波数の固有ベクトル振幅のスペクトル値の和と中心周波数とその両側の周波数の値を除いた固有ベクトル振幅のスペクトル値の和との差分を周期特徴量として用いればよい。この値が大きいほど、その固有ベクトル振幅は周期性を有する可能性が高いので、MUSIC方式の性能が低下する環境に近いことが推測できる。
なお、図8は、図3に示すステップS301からステップS304までは同様の処理であるので、固有ベクトルの計算以降の処理を説明する。
ステップS802では、推定方式第1切替部601が、ベクトル特徴量が閾値以下であるかどうかを判定する。ベクトル特徴量が閾値以下である場合、ステップS803に進み、ベクトル特徴量が閾値よりも大きい場合、ステップS804に進む。
ステップS804では、周期性算出部602が、固有ベクトルの周期特徴量を算出する。
ステップS805では、推定方式第2切替部603が、周期特徴量が閾値よりも大きいかどうかを判定する。周期特徴量が閾値よりも大きい場合は、ステップS806に進み、周期特徴量が閾値以下である場合は、ステップS807に進む。
ステップS807では、信号分離部604が、信号分離処理を行い、各到来波のモードベクトルを推定する。その後ステップS801へ戻り、推定されたモードベクトルを用いて同様の処理を繰り返す。すなわち、ステップS801では、特徴量計算部605が、推定されたモードベクトルに基づいてベクトル特徴量を計算すればよい。
ステップS808では、推定方式切替部106から演算指示を受け取った第1到来方向推定部107または第2到来方向推定部108が、それぞれの推定方式を用いて到来波の到来方向を推定する。以上で第2の実施形態に係る到来方向推定装置600の動作を終了する。
第3の実施形態では、方位角方向および仰角方向の角度広がりを考慮し、MUSIC方式と同程度の演算量で性能が低下しない到来方向推定の推定アルゴリズムを用いることにより、MUSIC方式の性能が低下する場合に、推定精度を維持しつつGAM−MUSIC方式よりも演算量を低減する。
第3の実施形態に係る到来方向推定装置900は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、第1到来方向推定部107、第2到来方向推定部108、推定方式第1切替部601、周期性算出部602、信号分離部604、特徴量計算部605、推定方式第2切替部901および第3到来方向推定部902を含む。
図10は、1つの到来波について、(a)から(c)の伝搬環境に対し、式(6)から式(8)をMUSIC方式に適用した場合のビーム強度を示す。
このように、偏微分モードベクトルMUSIC方式を用いることで、MUSIC性能が低下する環境においてMUSIC方式と同等の演算量で高い性能を実現できる。
なお、図8に示すステップS803までは同様の処理であるので、それ以降の処理を以下に説明する。
ステップS1102では、推定方式第2切替部901が、周期特徴量が閾値aよりも大きいかどうかを判定する。周期特徴量が閾値aよりも大きい場合は、ステップS1103に進み、周期特徴量が閾値a以下である場合は、ステップS1104に進む。
ステップS1103では、推定方式第2切替部901が、到来方向推定方式として偏微分モードベクトルMUSIC方式を用いるため、演算指示を生成し、第3到来方向推定部902に演算指示を送る。
ステップS1105では、推定方式第2切替部901が、到来方向推定方式としてGAM−MUSIC方式を用いるため、演算指示を生成し、第2到来方向推定部108に演算指示を送る。
ステップS1106では、信号分離部604が、信号分離処理を行い、各到来波のモードベクトルを推定し、ステップS1101に戻って同様の処理を繰り返す。
なお、第1の実施形態に適用する場合は、ベクトル特徴量に2つの閾値を設定し、同様の処理を行えばよい。
到来方向推定装置を利用する環境によっては、仰角と方位角の角度広がりがランダムに変化し、仰角と方位角との角度広がりの差が不明なため、第3の実施形態における3つの偏微分モードベクトル(式(6)から式(8))のどのベクトルを用いるべきかを事前に判定できない場合がある。第4の実施形態では、式(6)から式(8)までの全てのベクトルを用いる点が異なる。
第4の実施形態に係る到来方向推定装置1200は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、第1到来方向推定部107、第2到来方向推定部108、推定方式第1切替部601、周期性算出部602、信号分離部604、特徴量計算部605、推定方式第2切替部901、第3到来方向推定部1201を含む。
第3到来方向推定部1201は、第1ビーム計算部1202、第2ビーム計算部1203、第3ビーム計算部1204および到来方向選択部1205を含む。
第3の実施形態および第4の実施形態で示した、偏微分モードベクトルMUSIC方式は、式(2)におけるΔθpとΔφpの項を考慮しない構成であるため、GAM−MUSIC方式と比較すると到来方向推定の推定誤差が大きくなる。第5の実施形態では、走査範囲を限定してGAM−MUSIC方式により到来方向を推定することで、到来方向推定の性能低下を回避しつつ演算量を低減することができる。
第5の実施形態に係る到来方向推定装置1300は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、第1到来方向推定部107、推定方式第1切替部601、周期性算出部602、信号分離部604、特徴量計算部605、推定方式第2切替部901、第3到来方向推定部1301、到来方向限定部1302および第2到来方向推定部1303を含む。
到来方向限定部1302は、第3到来方向推定部1301から推定角度を受け取り、推定角度に基づいてGAM−MUSIC方式の走査範囲を決定する。走査範囲の決定方法としては、例えば、推定される到来方向にビームを向けた際にメインビームが3dB落ちする角度(半値幅)を走査範囲とすればよい。また、到来仰角方向が変化すると半値幅も変化するので、仰角に応じた半値幅をテーブルとして保持しておき、入力された到来仰角に応じてテーブルから半値幅を選択してもよい。
第2到来方向推定部1303は、到来方向限定部1302から走査範囲を受け取り、走査範囲のみに対してGAM−MUSIC方式による到来方向推定を行なう。
第6の実施形態では、ベクトル特徴量および周期特徴量を用いずに、到来方向推定を行なう点が異なる。
第6の実施形態に係る到来方向推定装置1400は、アンテナ101、行列計算部102、固有値分解部103、波数推定部104、到来方向限定部1302、第2到来方向推定部1303および第4到来方向推定部1401を含む。
第4到来方向推定部1401は、第1方式ビーム計算部1402、第2方式ビーム計算部1403および到来方向選択部1404を含む。
第2方式ビーム計算部1403は、波数推定部104から到来波数を受け取り、偏微分モードベクトルMUSIC方式によりビーム値を計算する。
到来方向選択部1404は、第1方式ビーム計算部1402および第2方式ビーム計算部1403からビーム値を受け取り、MUSIC方式と偏微分モードベクトル方式とにより計算されたビームの中で高いビームピークを有するビームを、ピークが高い順に上から到来波数分選択する。到来方向選択部1404は、選択したビームの到来方向を得る。
なお、第6の実施形態において、第2到来方向推定部1303における到来方向推定処理を行わず、到来方向選択部1404からの出力を推定された到来方向として出力してもよい。
Claims (9)
- 到来波を受信して受信信号を得る複数のアンテナ素子と、
前記受信信号を用いて相関行列を計算する行列計算部と、
前記相関行列を固有値分解し、固有値を得る固有値分解部と、
前記固有値に基づいて、前記受信信号に含まれる到来波の数を推定する波数推定部と、
該到来波の固有値に対応する固有ベクトルごとに求まる、ベクトルの各要素のばらつきを表す第1特徴量を前記到来波の数分計算する特徴量計算部と、前記第1特徴量が第1閾値以下である場合、第1方式を用いて前記到来波の到来方向を推定させるための第1指示を生成し、該第1特徴量が該第1閾値よりも大きい場合、第2方式を用いて前記到来波の到来方向を推定させるための第2指示を生成する方式切替部と、を具備することを特徴とする到来方向推定装置。 - 前記第1特徴量が前記第1閾値よりも大きい場合、前記固有ベクトルの要素の周期性を表す第2特徴量を計算する周期性算出部をさらに具備し、
前記方式切替部は、前記第1特徴量が前記第1閾値よりも大きくかつ前記第2特徴量が第2閾値よりも大きい場合、前記第2指示を生成することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。 - 前記第2特徴量が前記第2閾値以下である場合、信号分離処理を行なって前記到来波のモードベクトルを推定する信号分離部をさらに具備し、
前記方式切替部は、前記第1特徴量が第1閾値よりも大きく、前記第2特徴量が前記第2閾値以下である場合、前記モードベクトルの各要素のばらつきを表わす第3特徴量が前記第1閾値以下であれば、前記第1指示を生成することを特徴とする請求項2に記載の到来方向推定装置。 - 前記第2方式は、前記第1方式よりも演算量が多くかつ該第1方式以上の到来方向の推定精度を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。
- 前記第1方式は、MUSIC(Multiple signal classification)方式であり、前記第2方式は、該MUSIC方式以外の到来方向推定方式であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。
- 前記第2方式は、前記第1方式で用いるモードベクトルを、前記到来波のモードベクトルを微分したベクトルに置き替えて前記到来波の到来方向を推定する方式であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。
- 前記モードベクトルを方位角方向で偏微分した第1ベクトルを用いて、前記第2方式で到来方向を推定する第1ビーム計算部と、
前記モードベクトルを仰角方向で偏微分した第2ベクトルを用いて、前記第2方式で到来方向を推定する第2ビーム計算部と、
前記第1ベクトルと前記第2ベクトルとを加算した第3ベクトルを用いて、前記第2方式で到来方向を推定する第3ビーム計算部と、
前記第1ビーム計算部、前記第2ビーム計算部および前記第3ビーム計算部により推定された到来方向のうちの少なくとも1つから、前記到来波の到来方向を選択する到来方向選択部と、をさらに具備することを特徴とする請求項6に記載の到来方向推定装置。 - 前記第1方式または前記第2方式により推定された到来方向の角度範囲に基づいて、GAM−MUSIC(Generalized array manifold-MUSIC)方式の走査範囲を決定する到来方向限定部と、
前記走査範囲に対してGAM−MUSIC方式を用いて前記到来波の到来方向を推定する到来方向推定部と、を具備することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の到来方向推定装置。 - 前記受信信号を用いて相関行列を計算し、
前記相関行列を固有値分解し、固有値を得、
前記固有値に基づいて、前記受信信号に含まれる到来波の数を推定し、
該到来波の固有値に対応する固有ベクトルごとに求まる、該ベクトルの各要素のばらつきを表す第1特徴量を前記到来波の数分計算し、
前記第1特徴量が第1閾値以下である場合、第1方式を用いて前記信号の到来方向を推定させるための第1指示を生成し、該第1特徴量が該第1閾値よりも大きい場合、第2方式を用いて前記信号の到来方向を推定させるための第2指示を生成することを特徴とする到来方向推定方法。
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