JP2017040573A - Device, method, and program for estimating direction-of-arrival - Google Patents

Device, method, and program for estimating direction-of-arrival Download PDF

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Yasuhiko Tanabe
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable reduction in the amount of computation for direction-of-arrival estimation.SOLUTION: A direction-of-arrival estimation device according to an embodiment of the present invention includes a matrix computation unit, vector generation unit, matrix generation unit, and evaluation function computation unit. The matrix computation unit computes a correlation matrix using received signals when one or more arrival waves are received by a plurality of antennas. The vector generation unit generates, for every search angle represented by a combination of elevation angle and azimuthal angle, a first mode vector associated with the one or more arrival waves, a second mode vector obtained by partially differentiating the first mode vector with respect to the elevation angle, and a third vector obtained by partially differentiating the first mode vector with respect to the azimuthal angle. When the number of arrival waves is no greater than a threshold, the matrix generation unit generates a matrix for each search angle using an eigenvector, of eigenvectors of the correlation matrix, corresponding to a signal sub-space, the first mode vector, the second mode vector, and the third mode vector. The evaluation function computation unit performs evaluation function computation for direction-of-arrival estimation using a maximum eigenvalue of the matrix.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、到来方向推定装置、方法およびプログラムに関する。   Embodiments described herein relate generally to an arrival direction estimation apparatus, method, and program.

無線信号の到来方向を推定する技術として、アレーアンテナを用いて各アンテナ間の位相差を利用した到来方向を推定する方式が多数提案されている。
到来する無線信号の偏波がアレーアンテナを構成する各アンテナの偏波特性に適合しないと、偏波ロスやフェージングの影響を受ける。このような無線信号の偏波特性による劣化を防ぐ手法として、異なる偏波特性の複数のアンテナを同一個所に配置する構成がある。例えば、主偏波方向が3次元空間で1次独立になる3つの異なる偏波特性のアンテナを用いることで、どのような偏波の無線信号が到来しても偏波によるロスを低減して到来波を受信することができる。
As a technique for estimating the arrival direction of a radio signal, many methods for estimating the arrival direction using the phase difference between antennas using an array antenna have been proposed.
If the polarization of the incoming radio signal does not match the polarization characteristics of each antenna constituting the array antenna, it is affected by polarization loss and fading. As a technique for preventing such deterioration due to the polarization characteristics of radio signals, there is a configuration in which a plurality of antennas having different polarization characteristics are arranged at the same location. For example, by using antennas with three different polarization characteristics whose main polarization directions are linearly independent in a three-dimensional space, the loss due to polarization can be reduced no matter what polarization radio signal arrives. Can receive incoming waves.

一方、無線信号が散乱体により反射、散乱または回折して到来する場合、単一の方向から到来するのではなく、相関の高い複数の素波が多数到来することになる。このとき、各素波が異なる方向から到来することがあり、到来方向推定の性能が著しく劣化する場合がある。このような到来方向を推定する方式として、無線信号に関するモードベクトルを方位角または仰角で偏微分したベクトルを用いて到来方向を推定する方式が提案されている。   On the other hand, when a radio signal arrives after being reflected, scattered, or diffracted by a scatterer, a large number of highly correlated elementary waves arrive instead of coming from a single direction. At this time, each elementary wave may arrive from a different direction, and the arrival direction estimation performance may be significantly degraded. As a method for estimating such an arrival direction, a method for estimating the arrival direction using a vector obtained by partial differentiation of a mode vector related to a radio signal with an azimuth angle or an elevation angle has been proposed.

A. M. Swindlehurst and M. Viberg, “Subspace Fitting with Diversely Polarized Antenna Arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 41, no. 12, pp. 1687 - 1694, Dec. 1993.A. M. Swindlehurst and M. Viberg, “Subspace Fitting with Diversely Polarized Antenna Arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 41, no. 12, pp. 1687-1694, Dec. 1993. D. Asztely, B. Ottersten, and A.L. Swindlhurst, “Generalized array manifold model for wireless communication channels with local scattering,” IEE Proc. Radar, Sonar Navig., vol.145, no.1, pp.51-57, Feb. 1998.D. Asztely, B. Ottersten, and AL Swindlhurst, “Generalized array manifold model for wireless communication channels with local scattering,” IEE Proc. Radar, Sonar Navig., Vol.145, no.1, pp.51-57, Feb 1998.

しかし、異なる偏波特性の複数のアンテナを同一個所に配置する方式と、信号のモードベクトルを方位角または仰角で偏微分したベクトルを用いて到来方向を推定する方式とを併用する場合、モードベクトルの数が多いため、探索する角度ごとに高次の固有値演算をしなければならないため、演算量の削減が問題となる。   However, when using both the method of arranging multiple antennas with different polarization characteristics at the same location and the method of estimating the direction of arrival using a vector obtained by partial differentiation of the signal mode vector by azimuth or elevation, Since the number of vectors is large, a high-order eigenvalue calculation must be performed for each angle to be searched, so that the amount of calculation is problematic.

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、到来波が角度広がりを有する場合でも、到来方向推定の演算量を削減することができる到来方向推定装置、方法およびプログラムを提供することを目的とする。   The present disclosure has been made to solve the above-described problem, and provides an arrival direction estimation device, method, and program capable of reducing the amount of calculation of arrival direction estimation even when the arrival wave has an angular spread. The purpose is to do.

本実施形態に係る到来方向推定装置は、行列計算部、固有値計算部、ベクトル生成部、推定部、行列生成部および評価関数計算部を含む。行列計算部は、1以上の到来波を複数のアンテナで受信した場合の受信信号を用いて相関行列を計算する。固有値計算部は、前記相関行列を固有値分解し、固有値および固有ベクトルを計算する。ベクトル生成部は、仰角および方位角の組み合わせで表される探索角度ごとに、前記1以上の到来波に関する少なくとも1つの第1モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ仰角で偏微分した少なくとも1つの第2モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ方位角で偏微分した少なくとも1つの第3モードベクトルとを生成する。推定部は、前記固有値に基づいて、前記到来波の数を推定する。行列生成部は、前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記探索角度ごとに、前記固有ベクトルのうちの信号部分空間に対応する信号固有ベクトルと、前記第1モードベクトルと、前記第2モードベクトルと、前記第3モードベクトルとを用いて行列を生成する。評価関数計算部は、前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記行列の最大固有値を用いて到来方向推定の評価関数を計算する。   The arrival direction estimation apparatus according to the present embodiment includes a matrix calculation unit, an eigenvalue calculation unit, a vector generation unit, an estimation unit, a matrix generation unit, and an evaluation function calculation unit. The matrix calculation unit calculates a correlation matrix using received signals when one or more incoming waves are received by a plurality of antennas. The eigenvalue calculation unit performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix and calculates eigenvalues and eigenvectors. The vector generation unit performs partial differentiation of at least one first mode vector related to the one or more incoming waves and at least one first mode vector with respect to an elevation angle for each search angle represented by a combination of an elevation angle and an azimuth angle. And generating at least one second mode vector and at least one third mode vector obtained by partial differentiation of the at least one first mode vector with respect to an azimuth angle. The estimation unit estimates the number of the incoming waves based on the eigenvalue. When the number of arriving waves is equal to or less than a first threshold, the matrix generation unit, for each search angle, a signal eigenvector corresponding to a signal subspace of the eigenvector, the first mode vector, and the second mode A matrix is generated using the mode vector and the third mode vector. The evaluation function calculation unit calculates an evaluation function for direction-of-arrival estimation using the maximum eigenvalue of the matrix when the number of incoming waves is equal to or less than a first threshold value.

第1の実施形態に係る到来方向推定装置を示すブロック図。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る到来方向推定装置を示すブロック図。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第4の実施形態に係る到来方向推定装置を示すブロック図。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus which concerns on 4th Embodiment.

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る到来方向推定装置、方法およびプログラムについて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。   Hereinafter, the direction of arrival estimation apparatus, method, and program according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Note that, in the following embodiments, the same reference numerals are assigned to the same operations, and duplicate descriptions are omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
本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。
本実施形態に係る到来方向推定装置100は、第1アンテナ101−1〜101−M(単に第1アンテナ101ともいう)、第2アンテナ102−1〜102−M(単に第2アンテナ102ともいう)、第3アンテナ103−1〜103−M(単に第3アンテナ103ともいう)、相関行列計算部104、固有値計算部105、モードベクトル生成部106、波数推定部107、行列生成部108および評価関数計算部109を含む。
(First embodiment)
An arrival direction estimation apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG.
The arrival direction estimation apparatus 100 according to the present embodiment includes first antennas 101-1 to 101-M (also simply referred to as first antenna 101) and second antennas 102-1 to 102-M (also simply referred to as second antenna 102). ), Third antennas 103-1 to 103-M (also simply referred to as third antenna 103), correlation matrix calculation unit 104, eigenvalue calculation unit 105, mode vector generation unit 106, wave number estimation unit 107, matrix generation unit 108, and evaluation A function calculation unit 109 is included.

第1アンテナ101は、それぞれ偏波特性が同一であるM個(Mは2以上の自然数)のアンテナ群である。偏波特性を同一にするには、同一形状のアンテナを同一方向に設置することにより実現できる。アンテナの形状は、線状アンテナ、ループアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナなど、どのようなアンテナを用いても構わない。第2アンテナ102および第3アンテナ103も、それぞれ偏波特性が同一であるアンテナ群である。なお、第1アンテナ101、第2アンテナ102および第3アンテナ103は、互いに偏波特性が異なるアンテナである。異なる偏波特性とするには、異なるアンテナを用いてもよいし、同一のアンテナを使って異なる方向に設置してもよい。本実施形態では、第1アンテナ101、第2アンテナ102および第3アンテナ103が、互いに異なる偏波特性を有していれば、設置場所はどのような設置場所でもよい。   The first antenna 101 is a group of M antennas (M is a natural number of 2 or more) having the same polarization characteristics. The same polarization characteristics can be realized by installing antennas having the same shape in the same direction. As the shape of the antenna, any antenna such as a linear antenna, a loop antenna, a patch antenna, or a slot antenna may be used. The second antenna 102 and the third antenna 103 are also antenna groups having the same polarization characteristics. The first antenna 101, the second antenna 102, and the third antenna 103 are antennas having different polarization characteristics. In order to obtain different polarization characteristics, different antennas may be used, or they may be installed in different directions using the same antenna. In the present embodiment, the installation location may be any installation location as long as the first antenna 101, the second antenna 102, and the third antenna 103 have different polarization characteristics.

第1アンテナ101、第2アンテナ102および第3アンテナ103はそれぞれ、無線信号である1以上の到来波を受信して受信信号を得る。なお、本実施形態では、偏波特性が異なる複数のアンテナを1つのアンテナ群とし、アンテナ群が異なる位置に複数配置されたアレーアンテナで到来波を受信する場合を想定する。   Each of the first antenna 101, the second antenna 102, and the third antenna 103 receives one or more incoming waves that are radio signals and obtains a received signal. In the present embodiment, it is assumed that a plurality of antennas having different polarization characteristics are set as one antenna group, and an incoming wave is received by array antennas arranged in a plurality of positions where the antenna groups are different.

受信信号はその後、デジタル信号に変換される。受信信号のデジタル信号への変換は、低雑音増幅器、周波数変換器、フィルタ、AD変換器などを含む無線器(図示せず)を用いて行なうといった一般的な処理を行えばよいため、ここでの説明を省略する。   The received signal is then converted to a digital signal. Since the conversion of the received signal into a digital signal may be performed by a general process such as using a radio device (not shown) including a low noise amplifier, a frequency converter, a filter, an AD converter, etc. The description of is omitted.

相関行列計算部104は、第1アンテナ101、第2アンテナ102および第3アンテナ103から受信信号を受け取り、受信信号を用いて表現される受信信号ベクトルの相関行列を計算する。   Correlation matrix calculation section 104 receives received signals from first antenna 101, second antenna 102, and third antenna 103, and calculates a correlation matrix of a received signal vector expressed using the received signals.

固有値計算部105は、相関行列計算部104から相関行列を受け取り、相関行列を固有値分解し、固有値と固有ベクトルとを計算する。   The eigenvalue calculation unit 105 receives the correlation matrix from the correlation matrix calculation unit 104, performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix, and calculates eigenvalues and eigenvectors.

モードベクトル生成部106は、仰角および方位角の組み合わせで表される探索角度ごとに、到来波に関する少なくとも1つのモードベクトル(第1モードベクトル)と、少なくとも1つのモードベクトルをそれぞれ仰角で偏微分した少なくとも1つのモードベクトル(第2モードベクトル)と、少なくとも1つのモードベクトルをそれぞれ方位角で偏微分した少なくとも1つのモードベクトル(第3モードベクトル)とを生成する。モードベクトルは、アンテナの配置と信号の到来角とで決まるベクトルである。   For each search angle represented by a combination of an elevation angle and an azimuth angle, the mode vector generation unit 106 partially differentiates at least one mode vector related to an incoming wave (first mode vector) and at least one mode vector with respect to the elevation angle. At least one mode vector (second mode vector) and at least one mode vector (third mode vector) obtained by partially differentiating at least one mode vector with respect to an azimuth angle are generated. The mode vector is a vector determined by the antenna arrangement and the signal arrival angle.

波数推定部107は、固有値計算部105から固有値を受け取り、固有値に基づいて、受信信号に含まれる到来波の数を推定する。到来波数の推定は、固有値の分布や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。   The wave number estimation unit 107 receives the eigenvalue from the eigenvalue calculation unit 105, and estimates the number of incoming waves included in the received signal based on the eigenvalue. The estimation of the number of incoming waves may be performed by using a general method such as the distribution of eigenvalues, the AIC (Akaike Information Criteria) method, the MDL (Minimum Description Length) method, and the description thereof is omitted here.

行列生成部108は、固有値計算部105から固有ベクトルを、モードベクトル生成部106から第1モードベクトル、第2モードベクトルおよび第3モードベクトルを、波数推定部107から到来波の数を、それぞれ受け取る。行列生成部108は、到来波の数が閾値以下である場合、探索角度ごとに、固有ベクトルのうちの信号部分空間に対応する固有ベクトル(信号固有ベクトル)と、第1モードベクトル、第2モードベクトルおよび第3モードベクトルとを用いて行列を生成する。生成される行列としては、エルミート行列または実対称行列を想定するが、本実施形態では、エルミート行列を例に説明をする。   The matrix generation unit 108 receives the eigenvector from the eigenvalue calculation unit 105, the first mode vector, the second mode vector, and the third mode vector from the mode vector generation unit 106, and the number of incoming waves from the wave number estimation unit 107, respectively. When the number of arriving waves is equal to or less than the threshold, the matrix generation unit 108, for each search angle, the eigenvector (signal eigenvector) corresponding to the signal subspace of the eigenvector, the first mode vector, the second mode vector, and the second mode vector. A matrix is generated using the three-mode vector. As a generated matrix, a Hermite matrix or a real symmetric matrix is assumed, but in this embodiment, a Hermite matrix will be described as an example.

評価関数計算部109は、行列生成部108から行列、前記第1モードベクトル、前記第2モードベクトルおよび前記第3モードベクトルを受け取り、行列の最大固有値を用いて到来方向推定の評価関数を計算する。   The evaluation function calculation unit 109 receives the matrix, the first mode vector, the second mode vector, and the third mode vector from the matrix generation unit 108, and calculates an evaluation function for direction of arrival estimation using the maximum eigenvalue of the matrix. .

次に、本実施形態に係る到来方向推定装置100の到来方向推定処理について具体的に説明する。
P個の独立した無線信号が到来波として到来し、各アンテナで受信することにより受信信号を得る場合を考える。到来波が散乱体により反射、散乱および回折して到来する場合、信号は単一の方向から到来するのではなく、相関の高い複数の素波が異なる方向から多数到来することになる。
Next, the arrival direction estimation processing of the arrival direction estimation apparatus 100 according to the present embodiment will be specifically described.
Consider a case where P independent radio signals arrive as incoming waves and are received by each antenna to obtain a received signal. When the incoming wave arrives after being reflected, scattered and diffracted by the scatterer, the signal does not come from a single direction, but a plurality of highly correlated elementary waves come from different directions.

このとき、各素波が、異なる振幅差、位相差、および偏波特性を有して到来するため、第1アンテナ101、第2アンテナ102および第3アンテナ103のそれぞれで受信した信号は、(1)式、(2)式および(3)式のそれぞれで表すことができる。   At this time, since each elementary wave arrives with a different amplitude difference, phase difference, and polarization characteristic, the signals received by the first antenna 101, the second antenna 102, and the third antenna 103 are (1), (2) and (3) can be expressed respectively.

ここで,r(1)(t)は、第1アンテナ101−1〜101−Mの受信信号をそれぞれの要素とするM次元の列ベクトルを表す。r(2)(t)は、第2アンテナ102−1〜102−Mの受信信号をそれぞれの要素とするM次元の列ベクトルを表す。r(3)(t)は、第3アンテナ103−1〜103−Mの受信信号をそれぞれの要素とするM次元の列ベクトルを表す。 Here, r (1) (t) represents an M-dimensional column vector having the reception signals of the first antennas 101-1 to 101-M as elements. r (2) (t) represents an M-dimensional column vector having the reception signals of the second antennas 102-1 to 102-M as elements. r (3) (t) represents an M-dimensional column vector having the reception signals of the third antennas 103-1 to 103-M as elements.

また、p番目の信号の素波の数をDで表す。第1アンテナ101−1〜101−M、第2アンテナ102−1〜102−Mおよび第3アンテナ103−1〜103−Mで受信されるp番目の信号のd番目の素波の複素振幅を(4)式、(5)式および(6)式にそれぞれ表す。 Also, it represents the number of rays of the p-th signal D p. The complex amplitudes of the d-th elementary waves of the p-th signals received by the first antennas 101-1 to 101-M, the second antennas 102-1 to 102-M, and the third antennas 103-1 to 103-M are expressed as follows. It represents to (4) Formula, (5) Formula, and (6) Formula, respectively.

θは、p番目の信号に関する仰角方向の到来方向の中心を表し、φは、p番目の信号に関する方位角方向の到来方向の中心を表す。Δθp,d、Δφp,dは、p番目の信号のd番目の素波の仰角の到来方向の中心方向からの差分、方位角の到来方向の中心方向からの差分をそれぞれ表す。a(1)(θ,φ)、a(2)(θ,φ)およびa(3)(θ,φ)は、仰角θ,方位角φから到来する信号の第1アンテナ101−1〜101−M、第2アンテナ102−1〜102−M、第3アンテナ103−1〜103−MにおけるM×1次のモードベクトルをそれぞれ表す。 θ p represents the center of the arrival direction in the elevation direction for the p-th signal, and φ p represents the center of the arrival direction in the azimuth direction for the p-th signal. Δθ p, d and Δφ p, d represent the difference from the center direction of the arrival direction of the d-th elementary wave of the p-th signal and the difference from the center direction of the arrival direction of the azimuth angle, respectively. a (1) (θ, φ), a (2) (θ, φ) and a (3) (θ, φ) are the first antennas 101-1 to 101-101 of signals coming from the elevation angle θ and the azimuth angle φ. -M, M × 1 order mode vectors in the second antennas 102-1 to 102-M and the third antennas 103-1 to 103-M, respectively.

(1)(t)、n(2)(t)およびn(3)(t)は、第1アンテナ101−1〜101−M、第2アンテナ102−1〜102−Mおよび第3アンテナ103−1〜103−Mにおける、M×1次の熱雑音ベクトルをそれぞれ表す。s(t)は、p番目の到来波の複素信号を表す。 n (1) (t), n (2) (t), and n (3) (t) are the first antenna 101-1 to 101-M, the second antenna 102-1 to 102-M, and the third antenna. M × 1 order thermal noise vectors in 103-1 to 103-M are respectively shown. s p (t) represents a complex signal of the p-th incoming wave.

相関行列計算部104は、複数の時間で受信した受信信号について、上記(1)式〜(3)式を用いて、相関行列を計算する。具体的には、(7)式のように(1)式〜(3)式を結合して、ベクトルの次元を3M×1次に拡大したベクトルに対して(8)式の相関行列を計算する。   Correlation matrix calculation section 104 calculates a correlation matrix using the above equations (1) to (3) for received signals received at a plurality of times. Specifically, as shown in equation (7), equations (1) to (3) are combined, and the correlation matrix of equation (8) is calculated for a vector obtained by expanding the dimension of the vector to 3M × 1. To do.

Δtは、サンプリング間隔、kはサンプリング数を表す。上付きの「H」は複素共役転置を表す。なお、(8)式では、等間隔の時間でサンプリングした信号に対して相関行列を計算することを想定するが、サンプリング間隔は等間隔でなくともよい。   Δt represents a sampling interval, and k represents a sampling number. Superscript “H” represents complex conjugate transpose. In equation (8), it is assumed that the correlation matrix is calculated for signals sampled at equal intervals, but the sampling intervals need not be equal.

続いて、固有値計算部105は、(9)式のように相関行列Rrrを固有値分解し、固有値と固有ベクトルとを計算する。 Subsequently, the eigenvalue calculation unit 105 performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix R rr as shown in Equation (9), and calculates eigenvalues and eigenvectors.

は、信号部分空間の固有ベクトルを列ベクトルとする3M×P次の行列を表す。Λは、(10)式に示すように、信号部分空間の固有値を対角成分とするP×P次の対角行列を表す。 E s represents a 3M × P-order matrix having eigenvectors in the signal subspace as column vectors. Λ s represents a P × P-order diagonal matrix whose diagonal component is the eigenvalue of the signal subspace, as shown in Equation (10).

は、雑音部分空間の固有ベクトルを列ベクトルとする3M×(M−P)次の行列を表す。Λは、(11)式に示すように、雑音部分空間の固有値を対角成分とするM×(M−P)次の行列を表す。 E n represents a 3M × (MP) -order matrix with the eigenvector of the noise subspace as a column vector. Λ n represents an M × (M−P) -th order matrix having eigenvalues of the noise subspace as diagonal components, as shown in Equation (11).

なお、相関行列計算部104で生成される行列はエルミート行列であるので、固有値計算部105算出されるエルミート行列の固有値および固有ベクトルは、(12)式および(13)式を満たす。   Since the matrix generated by correlation matrix calculation section 104 is a Hermitian matrix, the eigenvalues and eigenvectors of the Hermitian matrix calculated by eigenvalue calculation section 105 satisfy Expressions (12) and (13).

なお、I3Mは3M×3M次の単位行列である。 Note that I 3M is a 3M × 3M degree unit matrix.

ここで、Δθp,dとΔφp,dとがそれほど大きくなく、例えば無視できる程度である場合、(7)式に示す受信信号は、モードベクトルを1次のテイラー展開することで、(14)式のように近似できる。 Here, when Δθ p, d and Δφ p, d are not so large and are negligible, for example, the received signal shown in the equation (7) can be expressed as (14 ).

(14)式のように、受信信号は、信号ごとに9個のモードベクトルを9個の未知の複素振幅で加重合成した形式で表される。   As shown in the equation (14), the received signal is represented in a format in which nine mode vectors are weighted and synthesized with nine unknown complex amplitudes for each signal.

モードベクトル生成部106は、第1アンテナ101−1〜101−Mで構成されるアレーアンテナのモードベクトル、第2アンテナ102−1〜102−Mで構成されるアレーアンテナのモードベクトル、および第3アンテナ103−1〜103−Mで構成されるアレーアンテナのモードベクトルのそれぞれを生成する。加えて、上述の3つのモードベクトルのそれぞれを、仰角で偏微分したモードベクトルおよび方位角で偏微分したモードベクトルを、仰角θおよび方位角φの組み合わせごとに出力する。すなわち、1つの仰角θおよび方位角φの組み合わせに対し、9個のモードベクトルが生成される。この時、全てのモードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値(ベクトルの各要素の絶対値の二乗和)は、同一の大きさになるように各ベクトルを規格化しておく。   The mode vector generation unit 106 includes an array antenna mode vector composed of the first antennas 101-1 to 101-M, an array antenna mode vector composed of the second antennas 102-1 to 102-M, and a third Each of the mode vectors of the array antenna constituted by the antennas 103-1 to 103-M is generated. In addition, a mode vector obtained by partial differentiation of each of the three mode vectors described above with respect to an elevation angle and a mode vector obtained by partial differentiation with respect to an azimuth angle are output for each combination of the elevation angle θ and the azimuth angle φ. That is, nine mode vectors are generated for one combination of elevation angle θ and azimuth angle φ. At this time, the vectors are normalized so that the Frobenius norm square values of all the mode vectors (the sum of squares of the absolute values of the elements of the vectors) have the same magnitude.

行列生成部108は、固有値計算部105で計算した固有ベクトルのうち、信号部分空間の固有ベクトルと、モードベクトルとを用いて、仰角θおよび方位角φごとに(15)式を計算する。   The matrix generation unit 108 calculates Equation (15) for each elevation angle θ and azimuth angle φ using the eigenvectors of the signal subspace and the mode vector among the eigenvectors calculated by the eigenvalue calculation unit 105.

ここで、左から(15)式の複素共役転置を(15)式を乗算することで、(16)式のエルミート行列を計算する。   Here, the Hermitian matrix of the equation (16) is calculated by multiplying the complex conjugate transpose of the equation (15) from the left by the equation (15).

評価関数計算部109は、(16)式の最大固有値ξを計算し、最大固有値ξと規格化されたモードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値とを用いて、(17)式に示す評価関数を計算する。   The evaluation function calculation unit 109 calculates the maximum eigenvalue ξ of equation (16), and calculates the evaluation function shown in equation (17) using the maximum eigenvalue ξ and the square value of the Frobenius norm of the normalized mode vector. To do.

ξの最大値は、モードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値であり、信号の到来方向と探索する仰角θおよび方位角φとが一致する場合、ξの値は、モードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値に漸近する。よって、評価関数は、信号が到来する方向で極大値を取り、評価関数が極大となる方向が到来波の到来方向であると推定することができる。   The maximum value of ξ is the square value of the Frobenius norm of the mode vector, and when the signal arrival direction matches the elevation angle θ and the azimuth angle φ to be searched, the value of ξ is the square value of the Frobenius norm of the mode vector. Asymptotically. Therefore, the evaluation function takes a maximum value in the direction in which the signal arrives, and it can be estimated that the direction in which the evaluation function becomes the maximum is the arrival direction of the incoming wave.

ここで、(16)式に示す行列の次元の数は、到来波の数Pの次元の正方行列となる。よって、到来波の数が閾値以下である場合(例えば、到来波が2、3波である場合)は、評価関数を計算するための固有値を求める際に次元の低い行列の固有値を求めればよく、9×9次のエルミート行列の固有値を算出する場合に比べて大幅に演算量を削減することができる。   Here, the number of dimensions of the matrix shown in the equation (16) is a square matrix having the dimension P of the number of incoming waves. Therefore, when the number of arriving waves is less than or equal to the threshold (for example, when the arriving waves are 2 or 3 waves), the eigenvalues of the low-dimensional matrix may be obtained when obtaining the eigenvalues for calculating the evaluation function. Compared with the case of calculating the eigenvalues of the 9 × 9 Hermitian matrix, the amount of calculation can be greatly reduced.

以上に示した第1の実施形態によれば、偏波特性の異なる複数のアンテナを用いて受信を行うことで到来波の偏波特性によらず高精度な到来方向推定を行うことができる。また、到来波が角度広がりを有する場合でも、到来波の数が少ない場合は信号部分空間の固有ベクトルを用いて生成した行列の固有値を計算することで、演算量を大幅に削減することができる。   According to the first embodiment described above, it is possible to perform highly accurate arrival direction estimation regardless of the polarization characteristics of incoming waves by performing reception using a plurality of antennas having different polarization characteristics. it can. Further, even when the incoming waves have an angular spread, when the number of incoming waves is small, the amount of calculation can be greatly reduced by calculating the eigenvalues of the matrix generated using the eigenvectors of the signal subspace.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、偏波特性の異なる複数のアンテナが同一箇所に配置される点が異なる。
(Second Embodiment)
The second embodiment is different in that a plurality of antennas having different polarization characteristics are arranged at the same location.

第2の実施形態に係る到来方向推定装置について図2のブロック図を参照して説明する。   An arrival direction estimation apparatus according to the second embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG.

図2に示す到来方向推定装置200は、第1アンテナ101、第2アンテナ102、第3アンテナ103、相関行列計算部104、固有値計算部105、波数推定部107、行列生成部108、評価関数計算部109およびモードベクトル生成部201を含む。   The arrival direction estimation apparatus 200 shown in FIG. 2 includes a first antenna 101, a second antenna 102, a third antenna 103, a correlation matrix calculation unit 104, an eigenvalue calculation unit 105, a wave number estimation unit 107, a matrix generation unit 108, and an evaluation function calculation. Unit 109 and mode vector generation unit 201.

モードベクトル生成部201以外は、第1の実施形態と同様の処理を行うのでここでの説明を省略する。   Except for the mode vector generation unit 201, the same processing as in the first embodiment is performed, and thus the description thereof is omitted here.

モードベクトル生成部201は、共通のモードベクトルa(1)(θ,φ)、dθ (1)(θ,φ)およびdφ (1)(θ,φ)を生成する。 The mode vector generation unit 201 generates common mode vectors a (1) (θ, φ), d θ (1) (θ, φ), and d φ (1) (θ, φ).

同一の偏波特性のアンテナを用いてアレーアンテナを構成する場合、アレーアンテナの各アンテナにおいて、到来波が同一電力で受信される。よって、電力を未知変数として、アレーアンテナのモードベクトルはアンテナ間の位相差のみで定義することができる。同一の偏波特性のアンテナを用いてアレーアンテナを構成する場合、アンテナ間の位相差は、到来波の到来方向、周波数、およびアンテナの配置で決定されることになる。   When an array antenna is configured using antennas having the same polarization characteristics, incoming waves are received with the same power in each antenna of the array antenna. Therefore, with the power as an unknown variable, the mode vector of the array antenna can be defined only by the phase difference between the antennas. When an array antenna is configured using antennas having the same polarization characteristics, the phase difference between the antennas is determined by the arrival direction of the incoming wave, the frequency, and the antenna arrangement.

よって、異なる偏波特性を有する複数のアンテナを同一箇所に設置し(アンテナ群と呼ぶ)、アンテナ群を複数の異なる箇所に設置することで、各アレーアンテナのモードベクトルは同一のモードベクトルとなる。   Therefore, by installing a plurality of antennas having different polarization characteristics at the same location (referred to as antenna groups) and installing the antenna group at a plurality of different locations, the mode vector of each array antenna is the same as the mode vector. Become.

第2の実施形態では、パッチアンテナを用いてアレーアンテナを構成し、パッチアンテナにおいて給電方法を変えることで、水平偏波の到来波と垂直偏波の到来波とをそれぞれ個別に受信することを想定する。   In the second embodiment, an array antenna is configured by using a patch antenna, and a horizontally polarized wave and a vertically polarized wave are individually received by changing a feeding method in the patch antenna. Suppose.

水平偏波を受信するアレーアンテナと垂直偏波を受信するアレーアンテナとは各アレーの個々のアンテナは同一箇所に配置されているため、それぞれのアレーアンテナに関するモードベクトルは、同一のベクトルとなる。   Since the array antenna that receives horizontal polarization and the array antenna that receives vertical polarization are arranged in the same place, the mode vectors for the respective array antennas are the same vector.

上述のように、異なる偏波特性のアンテナが同一箇所に設置される場合は、偏波特性の異なるアレーアンテナで共通のモードベクトルが生成される。さらに、モードベクトルが同一のベクトルであることから、仰角または方位角で偏微分したモードベクトルも異なる偏波間で同一のベクトルとなる。よって、モードベクトル生成部201は、各偏波特性のアレーアンテナごとにモードベクトルを生成する必要は無く、共通のモードベクトルa(1)(θ,φ)、dθ (1)(θ,φ)およびdφ (1)(θ,φ)を生成すればよい。 As described above, when antennas having different polarization characteristics are installed at the same location, a common mode vector is generated by array antennas having different polarization characteristics. Furthermore, since the mode vector is the same vector, the mode vector obtained by partial differentiation with respect to the elevation angle or the azimuth angle is the same vector between different polarized waves. Therefore, the mode vector generation unit 201 does not need to generate a mode vector for each array antenna having each polarization characteristic, and common mode vectors a (1) (θ, φ), d θ (1) (θ, φ) and d φ (1) (θ, φ) may be generated.

行列生成部108は、共通のモードベクトルを各偏波特性に対応するモードベクトルとして用いればよい。   The matrix generation unit 108 may use a common mode vector as a mode vector corresponding to each polarization characteristic.

なお、第2の実施形態では異なる偏波特性のアンテナとして、パッチアンテナを用いて水平偏波と垂直偏波とを取り扱う場合を例に説明したが、第2の実施形態をパッチアンテナに制限するものではない。同一の個所に設置することができればいかなるアンテナを用いてもよい。また、偏波の種類を2種類に制限するものではなく、3本のダイポールアンテナをx軸、y軸、z軸に沿って配置するなど、3種類以上の異なる偏波特性のアンテナを同一個所に設置してもよい。   In the second embodiment, the case where horizontal and vertical polarizations are handled using a patch antenna as an antenna having different polarization characteristics has been described as an example. However, the second embodiment is limited to a patch antenna. Not what you want. Any antenna may be used as long as it can be installed at the same location. Also, the type of polarization is not limited to two types, but three dipole antennas are arranged along the x-axis, y-axis, and z-axis. You may install in the place.

以上に示した第2の実施形態によれば、偏波特性の異なる複数のアンテナが同一箇所に配置されている場合に共通のモードベクトルを生成すればよく、メモリ量やバス間の伝送速度を低減することができる。   According to the second embodiment described above, it is only necessary to generate a common mode vector when a plurality of antennas having different polarization characteristics are arranged at the same location, and the memory amount and the transmission speed between the buses. Can be reduced.

(第3の実施形態)
上述の実施形態では、固有ベクトルのうち信号部分空間の固有ベクトルを用い、最大固有値を用いて評価関数を計算しているが、第3の実施形態では、雑音部分空間の固有ベクトルを用いる点と、行列の最小固有値を用いて評価関数を計算する点とが上述の実施形態とは異なる。
(Third embodiment)
In the above embodiment, the eigenvector of the signal subspace is used among the eigenvectors, and the evaluation function is calculated using the maximum eigenvalue. However, in the third embodiment, the point of using the eigenvector of the noise subspace and the matrix The point which calculates an evaluation function using a minimum eigenvalue differs from the above-mentioned embodiment.

相関行列計算部104で生成される相関行列は、偏波特性の異なるアンテナの数をL種類(Lは2以上の自然数)とすると、LM×LM次元の行列が生成される。このとき、到来する到来波の数Pが多い場合は、行列生成部108で生成される行列(エルミート行列)の次元が大きくなり、演算量が削減しにくくなる。   The correlation matrix generated by the correlation matrix calculation unit 104 generates an LM × LM dimensional matrix, assuming that the number of antennas having different polarization characteristics is L (L is a natural number of 2 or more). At this time, when the number of incoming waves P is large, the dimension of the matrix (Hermitian matrix) generated by the matrix generation unit 108 becomes large, and the amount of calculation is difficult to reduce.

よって、到来波の数Pが閾値よりも多い場合は、固有値計算部105で計算された固有ベクトルのうちの雑音部分空間の固有ベクトル(雑音固有ベクトル)を用いる。到来波の数は、固有値計算部105で計算された固有値の分布から推定すればよい。これにより、演算量を削減することができる。   Therefore, when the number P of incoming waves is greater than the threshold, the eigenvector (noise eigenvector) of the noise subspace among the eigenvectors calculated by the eigenvalue calculation unit 105 is used. The number of incoming waves may be estimated from the distribution of eigenvalues calculated by the eigenvalue calculation unit 105. Thereby, the amount of calculation can be reduced.

第3の実施形態に係る到来方向推定装置は、行列生成部108および評価関数計算部109の処理以外は、図1または図2と同様であるのでここでの説明を省略する。   Since the arrival direction estimation apparatus according to the third embodiment is the same as that of FIG. 1 or FIG. 2 except for the processing of the matrix generation unit 108 and the evaluation function calculation unit 109, description thereof is omitted here.

行列生成部108は、到来波の数Pが閾値よりも多い場合、雑音部分空間の固有ベクトルを列ベクトルとする行列Eおよびモードベクトル生成部106で生成された各モードベクトルを用いて(18)式を算出する。 Matrix generating unit 108, when the number P of the incoming wave is larger than the threshold value, using each mode vectors generated eigenvectors of the noise subspace matrix E n and the mode vector generating unit 106 and column vector (18) Calculate the formula.

ここで、左から(18)式の複素共役転置を(18)式に乗算することで、(19)式のエルミート行列を計算する。   Here, the Hermitian matrix of the equation (19) is calculated by multiplying the equation (18) by the complex conjugate transpose of the equation (18) from the left.

評価関数計算部109は、(19)式の行列の最小固有値ξminを算出し、最小固有値ξminとモードベクトルのフロベニウスノルムノルムの二乗値とを用いて、(20)式の評価関数Pmusic(θ,φ)を計算する。 The evaluation function calculation unit 109 calculates the minimum eigenvalue ξ min of the matrix of the equation (19), and uses the minimum eigenvalue ξ min and the square value of the Frobenius norm norm of the mode vector to evaluate the evaluation function P musical of the equation (20). Calculate (θ, φ).

ξminの最小値は零であり、信号の到来方向と探索している仰角θおよび方位角φが一致する場合、ξminの値は零に漸近することになる。よって、評価関数Pmusic(θ,φ)は、到来波が到来する方向で極大値となり、評価関数が極大となる方向が到来波の到来方向であると推定することができる。 The minimum value of ξ min is zero, and when the direction of arrival of the signal matches the searched elevation angle θ and azimuth angle φ, the value of ξ min approaches zero. Therefore, it can be estimated that the evaluation function P music (θ, φ) has a maximum value in the direction in which the incoming wave arrives, and the direction in which the evaluation function becomes the maximum is the arrival direction of the incoming wave.

ここで、(19)式の行列の次元は、(3M−P)次元の正方行列である。到来波の数Pが閾値よりも多く、3M−Pの値が2、3程度である場合は、評価関数を計算するために求める固有値は次元の低い行列の固有値となるので、9×9次の行列の固有値を計算することに比べて大幅に計算量を削減することができる。   Here, the dimension of the matrix of the equation (19) is a (3M-P) -dimensional square matrix. When the number P of incoming waves is larger than the threshold value and the value of 3M-P is about 2 or 3, the eigenvalue obtained for calculating the evaluation function is an eigenvalue of a low-dimensional matrix. Compared with the calculation of eigenvalues of the matrix, the amount of calculation can be greatly reduced.

なお、第2の実施形態と同様に偏波特性の異なるアンテナを同一個所に配置する場合は、モードベクトル生成部106が生成するモードベクトルを共通のモードベクトルとすることができる。   Note that when antennas having different polarization characteristics are arranged at the same location as in the second embodiment, the mode vector generated by the mode vector generation unit 106 can be a common mode vector.

以上に示した第3の実施形態によれば、到来波の数が多い場合には雑音部分空間の固有ベクトルを用いることで、到来方向推定の演算量を低減しつつ高精度な推定をすることができる。   According to the third embodiment described above, when the number of incoming waves is large, by using the eigenvectors of the noise subspace, it is possible to perform highly accurate estimation while reducing the amount of calculation of the arrival direction estimation. it can.

(第4の実施形態)
第4の実施形態では、探索する全ての角度で評価関数を計算するのではなく、評価関数の計算が必要と判定される場合のみ評価関数を計算する点が上述の実施形態と異なる。このようにすることで、さらに演算量を削減できる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment is different from the above-described embodiment in that the evaluation function is not calculated at all the angles to be searched but is calculated only when it is determined that the evaluation function needs to be calculated. By doing so, the amount of calculation can be further reduced.

第4の実施形態に係る到来方向推定装置について図3のブロック図を参照して説明する。   An arrival direction estimation apparatus according to a fourth embodiment will be described with reference to the block diagram of FIG.

第4の実施形態に係る到来方向推定装置300は、第1アンテナ101、第2アンテナ102、第3アンテナ103、相関行列計算部104、固有値計算部105、モードベクトル生成部106、波数推定部107、行列生成部108、判定部301および評価関数計算部302を含む。   An arrival direction estimation apparatus 300 according to the fourth embodiment includes a first antenna 101, a second antenna 102, a third antenna 103, a correlation matrix calculation unit 104, an eigenvalue calculation unit 105, a mode vector generation unit 106, and a wave number estimation unit 107. The matrix generation unit 108, the determination unit 301, and the evaluation function calculation unit 302 are included.

判定部301および評価関数計算部302以外は、第1の実施形態と同様の処理を行うので、ここでの説明は省略する。   Except for the determination unit 301 and the evaluation function calculation unit 302, the same processing as in the first embodiment is performed, and thus description thereof is omitted here.

判定部301は、行列生成部108から行列を受け取り、行列の固有方程式の値と閾値とを比較して、評価関数の計算が必要であるかどうかを示す判定結果を生成する。   The determination unit 301 receives a matrix from the matrix generation unit 108, compares the value of the eigen equation of the matrix with a threshold value, and generates a determination result indicating whether the evaluation function needs to be calculated.

評価関数計算部302は、行列生成部108から行列を、判定部301から判定結果をそれぞれ受け取り、評価関数の計算が必要であると判定された行列に関して固有値を計算することにより、評価関数を計算する。評価関数計算部302は、評価関数の計算が不要であると判定された行列の評価関数の値として所定値を設定する。   The evaluation function calculation unit 302 receives the matrix from the matrix generation unit 108 and the determination result from the determination unit 301, and calculates the eigenvalue for the matrix determined to require calculation of the evaluation function, thereby calculating the evaluation function. To do. The evaluation function calculation unit 302 sets a predetermined value as the value of the evaluation function of the matrix that is determined not to require calculation of the evaluation function.

次に、第1の実施形態および第2の実施形態に示すように、信号部分空間の固有ベクトルを用いて行列を生成し、行列の最大固有値を用いて評価関数を計算する場合における、判定部301の判定処理について説明する。   Next, as shown in the first embodiment and the second embodiment, the determination unit 301 in the case where a matrix is generated using the eigenvector of the signal subspace and the evaluation function is calculated using the maximum eigenvalue of the matrix. The determination process will be described.

上述したように、行列生成部108で生成した行列の最大固有値の最大値は、モードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値と一致するので、探索している仰角θと方位角φとが信号の到来方向と一致する場合に、最大固有値はモードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値に漸近する。一方、探索している角度と信号の到来方向とが一致していない場合は、(16)式の最大固有値は最大値よりも小さな値となる。   As described above, since the maximum value of the maximum eigenvalue of the matrix generated by the matrix generation unit 108 matches the square value of the Frobenius norm of the mode vector, the searched elevation angle θ and azimuth angle φ are the signal arrival directions. The maximum eigenvalue is asymptotic to the square of the Frobenius norm of the mode vector. On the other hand, when the searched angle and the arrival direction of the signal do not match, the maximum eigenvalue of the equation (16) is smaller than the maximum value.

よって、判定部301は、(16)式の行列の固有方程式にモードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値を代入し、代入した結果の値が閾値以下である場合、例えば零に近くなるような値である場合は、評価関数の計算が必要であることを示す判定結果を生成する。   Therefore, the determination unit 301 assigns the square value of the Frobenius norm of the mode vector to the eigen equation of the matrix of Equation (16), and when the value obtained as a result of the substitution is less than or equal to the threshold value, for example, a value that is close to zero. In some cases, a determination result indicating that calculation of an evaluation function is necessary is generated.

結果として、到来波の到来方向の近傍角度のみ評価関数の計算をすることができるので、評価関数の計算価数を削減でき、大幅に演算量を低減することができる。
なお、固有方程式の最高次の係数が正の場合は、固有方程式にモードベクトルのフロベニウスノルムの二乗値を代入すると零以上の実数になるため、判定部301は、閾値を正の値に設定すればよい。
As a result, since the evaluation function can be calculated only in the vicinity angle of the arrival direction of the incoming wave, the calculation valence of the evaluation function can be reduced, and the amount of calculation can be greatly reduced.
When the highest order coefficient of the eigen equation is positive, if the square value of the Frobenius norm of the mode vector is substituted into the eigen equation, the determination unit 301 sets the threshold value to a positive value because it becomes a real number greater than or equal to zero. That's fine.

次に、第3の実施形態に示すように、雑音部分空間の固有ベクトルを用いて行列を生成し、行列の最小固有値を用いて評価関数を計算する場合における、判定部301の判定処理について説明する。   Next, as shown in the third embodiment, a determination process of the determination unit 301 when a matrix is generated using an eigenvector of a noise subspace and an evaluation function is calculated using a minimum eigenvalue of the matrix will be described. .

上述したように、(19)式に示す行列の最小固有値の最小値は零であるので、探索している仰角θと方位角φとが信号の到来方向と一致する場合に、最小固有値は零に漸近する。一方、探索している角度と信号の到来方向とが一致していない場合は、(19)式の最小固有値は零より大きな値となる。   As described above, since the minimum value of the minimum eigenvalue of the matrix shown in Equation (19) is zero, the minimum eigenvalue is zero when the searched elevation angle θ and azimuth angle φ match the signal arrival direction. Asymptotically. On the other hand, when the search angle and the arrival direction of the signal do not match, the minimum eigenvalue of equation (19) is a value greater than zero.

よって、判定部301は、(19)式に示す行列に関して、固有方程式の切片の値が閾値以下である場合、例えば零に近い場合に、評価関数の計算が必要であることを示す判定結果を生成する。なお、固有方程式の切片の値に限らず、固有方程式の零次の係数の値、または行列式の値を用いてもよい。具体的には、固有方程式の零次の係数の値が閾値以下である場合、または、行列式の値が閾値以下である場合に、判定部301が、評価関数の計算が必要であることを示す判定結果を生成すればよい。   Therefore, the determination unit 301 determines a determination result indicating that the evaluation function needs to be calculated when the value of the intercept of the eigen equation is equal to or less than a threshold value, for example, close to zero, with respect to the matrix shown in Equation (19). Generate. The value of the zeroth-order coefficient of the eigen equation or the value of the determinant may be used instead of the value of the intercept of the eigen equation. Specifically, when the value of the zeroth-order coefficient of the eigen equation is less than or equal to the threshold value, or when the value of the determinant is less than or equal to the threshold value, the determination unit 301 needs to calculate the evaluation function. The determination result shown may be generated.

以上に示した第4の実施形態によれば、判定部の判定結果に基づいて到来波の到来方向の近傍角度のみ評価関数の計算をすることで、到来波が角度広がりを有する場合でも到来方向推定の演算量を低減しつつ高精度な推定をすることができる。   According to the fourth embodiment described above, by calculating the evaluation function only for the neighboring angle of the arrival direction of the incoming wave based on the determination result of the determination unit, the arrival direction can be obtained even when the incoming wave has an angular spread. It is possible to perform highly accurate estimation while reducing the amount of calculation for estimation.

なお、上述した実施形態では、偏波特性の異なるアンテナを3種類用いて到来方向を推定する場合を例に説明したが、アンテナの数は3種類に限定されない。例えば、4種類のアンテナを用いる場合は、各アンテナの配置に応じたモードベクトルをモードベクトル生成部106で生成し、行列生成部108で生成する行列の次元を4次元に拡張すればよい。すなわち、偏波特性の異なるアンテナの数と、行列の次元の数とが同じ数になるようにすればよい。   In the above-described embodiment, the case where the arrival direction is estimated using three types of antennas having different polarization characteristics has been described as an example, but the number of antennas is not limited to three types. For example, when four types of antennas are used, a mode vector corresponding to the arrangement of each antenna may be generated by the mode vector generation unit 106 and the matrix generated by the matrix generation unit 108 may be expanded to four dimensions. That is, the number of antennas having different polarization characteristics and the number of matrix dimensions may be the same.

上述の実施形態の中で示した処理手順に示された指示は、ソフトウェアであるプログラムに基づいて実行されることが可能である。汎用の計算機システムが、このプログラムを予め記憶しておき、このプログラムを読み込むことにより、上述した到来方向推定装置による効果と同様な効果を得ることも可能である。上述の実施形態で記述された指示は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、磁気ディスク(フレキシブルディスク、ハードディスクなど)、光ディスク(CD−ROM、CD−R、CD−RW、DVD−ROM、DVD±R、DVD±RW、Blu−ray(登録商標)Discなど)、半導体メモリ、又はこれに類する記録媒体に記録される。コンピュータまたは組み込みシステムが読み取り可能な記録媒体であれば、その記憶形式は何れの形態であってもよい。コンピュータは、この記録媒体からプログラムを読み込み、このプログラムに基づいてプログラムに記述されている指示をCPUで実行させれば、上述した実施形態の到来方向推定装置と同様な動作を実現することができる。もちろん、コンピュータがプログラムを取得する場合又は読み込む場合はネットワークを通じて取得又は読み込んでもよい。
また、記録媒体からコンピュータや組み込みシステムにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)や、データベース管理ソフト、ネットワーク等のMW(ミドルウェア)等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。
さらに、本実施形態における記録媒体は、コンピュータあるいは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、LANやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記録媒体も含まれる。
また、記録媒体は1つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も、本実施形態における記録媒体に含まれ、媒体の構成は何れの構成であってもよい。
The instructions shown in the processing procedure shown in the above-described embodiment can be executed based on a program that is software. A general-purpose computer system stores this program in advance and reads this program, so that the same effect as that obtained by the arrival direction estimation device described above can be obtained. The instructions described in the above-described embodiments are, as programs that can be executed by a computer, magnetic disks (flexible disks, hard disks, etc.), optical disks (CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD). ± R, DVD ± RW, Blu-ray (registered trademark) Disc, etc.), semiconductor memory, or a similar recording medium. As long as the recording medium is readable by the computer or the embedded system, the storage format may be any form. If the computer reads the program from the recording medium and causes the CPU to execute instructions described in the program based on the program, the same operation as the arrival direction estimation device of the above-described embodiment can be realized. . Of course, when the computer acquires or reads the program, it may be acquired or read through a network.
In addition, the OS (operating system), database management software, MW (middleware) such as a network, etc. running on the computer based on the instructions of the program installed in the computer or embedded system from the recording medium implement this embodiment. A part of each process for performing may be executed.
Furthermore, the recording medium in the present embodiment is not limited to a medium independent of a computer or an embedded system, but also includes a recording medium in which a program transmitted via a LAN, the Internet, or the like is downloaded and stored or temporarily stored.
Further, the number of recording media is not limited to one, and when the processing in this embodiment is executed from a plurality of media, it is included in the recording medium in this embodiment, and the configuration of the media may be any configuration.

なお、本実施形態におけるコンピュータまたは組み込みシステムは、記録媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施形態における各処理を実行するためのものであって、パソコン、マイコン等の1つからなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステム等の何れの構成であってもよい。
また、本実施形態におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本実施形態における機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
The computer or the embedded system in the present embodiment is for executing each process in the present embodiment based on a program stored in a recording medium. The computer or the embedded system includes a single device such as a personal computer or a microcomputer. The system may be any configuration such as a system connected to the network.
In addition, the computer in this embodiment is not limited to a personal computer, but includes an arithmetic processing device, a microcomputer, and the like included in an information processing device, and is a generic term for devices and devices that can realize the functions in this embodiment by a program. ing.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

100,200,300・・・到来方向推定装置、101,101−1〜101−M・・・第1アンテナ、102,102−1〜102−M・・・第2アンテナ、103,103−1〜103−M・・・第3アンテナ、104・・・相関行列計算部、105・・・固有値計算部、106・・・モードベクトル生成部、107・・・波数推定部、108・・・行列生成部、109,302・・・評価関数計算部、201・・・モードベクトル生成部、301・・・判定部。 100, 200, 300 ... Direction-of-arrival estimation apparatus, 101, 101-1 to 101-M ... first antenna, 102, 102-1 to 102-M ... second antenna, 103, 103-1 , 103-M ... third antenna, 104 ... correlation matrix calculation unit, 105 ... eigenvalue calculation unit, 106 ... mode vector generation unit, 107 ... wave number estimation unit, 108 ... matrix Generation unit, 109, 302... Evaluation function calculation unit, 201... Mode vector generation unit, 301.

Claims (9)

1以上の到来波を複数のアンテナで受信した場合の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、固有値および固有ベクトルを計算する固有値計算部と、
仰角および方位角の組み合わせで表される探索角度ごとに、前記1以上の到来波に関する少なくとも1つの第1モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ仰角で偏微分した少なくとも1つの第2モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ方位角で偏微分した少なくとも1つの第3モードベクトルとを生成するベクトル生成部と、
前記固有値に基づいて、前記到来波の数を推定する推定部と、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記探索角度ごとに、前記固有ベクトルのうちの信号部分空間に対応する信号固有ベクトルと、前記第1モードベクトルと、前記第2モードベクトルと、前記第3モードベクトルとを用いて行列を生成する行列生成部と、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記行列の最大固有値を用いて到来方向推定の評価関数を計算する評価関数計算部と、を具備する到来方向推定装置。
A matrix calculator that calculates a correlation matrix using received signals when one or more incoming waves are received by a plurality of antennas;
An eigenvalue decomposition unit that performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix and calculates eigenvalues and eigenvectors;
For each search angle represented by a combination of an elevation angle and an azimuth angle, at least one first mode vector related to the one or more incoming waves and at least one first mode vector obtained by partial differentiation of the at least one first mode vector with respect to an elevation angle. A vector generation unit that generates a two-mode vector and at least one third mode vector obtained by partially differentiating each of the at least one first mode vector with respect to an azimuth angle;
An estimation unit that estimates the number of incoming waves based on the eigenvalue;
When the number of arriving waves is equal to or less than a first threshold, for each search angle, a signal eigenvector corresponding to a signal subspace of the eigenvector, the first mode vector, the second mode vector, and A matrix generation unit that generates a matrix using the third mode vector;
An arrival direction estimation apparatus comprising: an evaluation function calculation unit that calculates an evaluation function for arrival direction estimation using a maximum eigenvalue of the matrix when the number of arrival waves is equal to or less than a first threshold value.
前記行列生成部は、前記到来波の数が前記第1閾値よりも多い場合、前記固有ベクトルのうちの雑音部分空間に対応する雑音固有ベクトルと、前記第1モードベクトルと、前記第2モードベクトルと、前記第2モードベクトルとを用いて行列を生成し、
前記評価関数計算部は、前記到来波の数が前記第1閾値よりも多い場合、前記行列の最小固有値を用いて前記評価関数を計算する請求項1に記載の到来方向推定装置。
The matrix generator, when the number of incoming waves is greater than the first threshold, a noise eigenvector corresponding to a noise subspace of the eigenvector, the first mode vector, and the second mode vector, Generating a matrix using the second mode vector;
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the evaluation function calculation unit calculates the evaluation function using a minimum eigenvalue of the matrix when the number of incoming waves is greater than the first threshold.
前記行列の固有方程式の値と第2閾値とを比較し、前記評価関数の計算が必要であるかどうかを示す判定結果を生成する判定部をさらに具備し、
前記評価関数計算部は、前記判定結果が前記評価関数の計算が必要であることを示す場合に該評価関数を計算する請求項1または請求項2に記載の到来方向推定装置。
A determination unit that compares the value of the eigen equation of the matrix with a second threshold value and generates a determination result indicating whether the calculation of the evaluation function is necessary;
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the evaluation function calculation unit calculates the evaluation function when the determination result indicates that the calculation of the evaluation function is necessary.
前記判定部は、前記到来波の数が第1閾値以下である場合で、かつ、前記第1モードベクトル、前記第2モードベクトルおよび前記第3モードベクトルのそれぞれのノルムの二乗値を前記行列の固有方程式に代入した値が第3閾値以下である場合、前記評価関数の計算が必要であると判定する請求項3に記載の到来方向推定装置。   The determination unit is configured to calculate a square value of a norm of each of the first mode vector, the second mode vector, and the third mode vector when the number of incoming waves is equal to or less than a first threshold value. The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 3, wherein when the value assigned to the eigen equation is equal to or less than a third threshold value, it is determined that the evaluation function needs to be calculated. 前記固有方程式の値は、該固有方程式の零次の係数であり、
前記判定部は、前記到来波の数が前記第1閾値よりも多い場合で、かつ、前記零次の係数が第4閾値以下である場合、前記評価関数の計算が必要であると判定する請求項3に記載の到来方向推定装置。
The value of the eigen equation is a zeroth order coefficient of the eigen equation,
The determination unit determines that the evaluation function needs to be calculated when the number of incoming waves is greater than the first threshold and the zeroth order coefficient is equal to or less than a fourth threshold. Item 4. The arrival direction estimation apparatus according to item 3.
前記固有方程式の値は、前記行列の行列式の値であり、
前記判定部は、前記到来波の数が前記第1閾値よりも多い場合で、かつ、前記行列式の値が第5閾値以下である場合、前記評価関数の計算が必要であると判定する請求項3に記載の到来方向推定装置。
The value of the eigen equation is the value of the determinant of the matrix;
The determination unit determines that the evaluation function needs to be calculated when the number of incoming waves is greater than the first threshold and the value of the determinant is equal to or less than a fifth threshold. Item 4. The arrival direction estimation apparatus according to item 3.
前記受信信号は、偏波特性が異なる複数のアンテナを1つのアンテナ群として、該アンテナ群が異なる位置に複数配列されたアレーアンテナで受信した信号である請求項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。   6. The received signal is a signal received by an array antenna in which a plurality of antennas having different polarization characteristics are used as one antenna group and the antenna groups are arranged at different positions. The arrival direction estimation device according to item 1. 1以上の到来波を複数のアンテナで受信した場合の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、固有値および固有ベクトルを計算し、
仰角および方位角の組み合わせで表される探索角度ごとに、前記1以上の到来波に関する少なくとも1つの第1モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ仰角で偏微分した少なくとも1つの第2モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ方位角で偏微分した少なくとも1つの第3モードベクトルとを生成し、
前記固有値に基づいて、前記到来波の数を推定し、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記探索角度ごとに、前記固有ベクトルのうちの信号部分空間に対応する信号固有ベクトルと、前記第1モードベクトルと、前記第2モードベクトルと、前記第3モードベクトルとを用いて行列を生成し、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記行列の最大固有値を用いて到来方向推定の評価関数を計算する到来方向推定方法。
Calculate the correlation matrix using the received signal when one or more incoming waves are received by multiple antennas,
Eigenvalue decomposition of the correlation matrix to calculate eigenvalues and eigenvectors;
For each search angle represented by a combination of an elevation angle and an azimuth angle, at least one first mode vector related to the one or more incoming waves and at least one first mode vector obtained by partial differentiation of the at least one first mode vector with respect to an elevation angle. Generating a two-mode vector and at least one third mode vector obtained by partial differentiation of each of the at least one first mode vector with respect to an azimuth angle;
Based on the eigenvalue, estimate the number of incoming waves,
When the number of arriving waves is equal to or less than a first threshold, for each search angle, a signal eigenvector corresponding to a signal subspace of the eigenvector, the first mode vector, the second mode vector, and Generating a matrix using the third mode vector,
A direction-of-arrival estimation method for calculating an evaluation function for direction-of-arrival estimation using a maximum eigenvalue of the matrix when the number of arrival waves is equal to or less than a first threshold value.
コンピュータを、
1以上の到来波を複数のアンテナで受信した場合の受信信号を用いて相関行列を計算する行列計算手段と、
前記相関行列を固有値分解し、固有値および固有ベクトルを計算する固有値計算手段と、
仰角および方位角の組み合わせで表される探索角度ごとに、前記1以上の到来波に関する少なくとも1つの第1モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ仰角で偏微分した少なくとも1つの第2モードベクトルと、前記少なくとも1つの第1モードベクトルをそれぞれ方位角で偏微分した少なくとも1つの第3モードベクトルとを生成するベクトル生成手段と、
前記固有値に基づいて、前記到来波の数を推定する推定手段と、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記探索角度ごとに、前記固有ベクトルのうちの信号部分空間に対応する信号固有ベクトルと、前記第1モードベクトルと、前記第2モードベクトルと、前記第3モードベクトルとを用いて行列を生成する行列生成手段と、
前記到来波の数が第1閾値以下である場合、前記行列の最大固有値を用いて到来方向推定の評価関数を計算する評価関数計算手段と、して機能させるための到来方向推定プログラム。
Computer
Matrix calculation means for calculating a correlation matrix using received signals when one or more incoming waves are received by a plurality of antennas;
Eigenvalue calculating means for eigenvalue-decomposing the correlation matrix and calculating eigenvalues and eigenvectors;
For each search angle represented by a combination of an elevation angle and an azimuth angle, at least one first mode vector related to the one or more incoming waves and at least one first mode vector obtained by partial differentiation of the at least one first mode vector with respect to an elevation angle. Vector generating means for generating a two-mode vector and at least one third mode vector obtained by partial differentiation of the at least one first mode vector with respect to an azimuth angle;
Estimating means for estimating the number of incoming waves based on the eigenvalue;
When the number of arriving waves is equal to or less than a first threshold, for each search angle, a signal eigenvector corresponding to a signal subspace of the eigenvector, the first mode vector, the second mode vector, and Matrix generating means for generating a matrix using the third mode vector;
An arrival direction estimation program for functioning as an evaluation function calculation means for calculating an evaluation function of direction of arrival estimation using the maximum eigenvalue of the matrix when the number of arrival waves is equal to or less than a first threshold.
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