JP2021196233A - 到来方向推定装置、到来方向推定方法及び到来方向推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】到来波が複数の場合でも、到来波の到来方向推定を高精度に行う。【解決手段】到来方向推定装置（１）は、到来波を受信する複数の受信アンテナ（２０）と、到来方向推定用プロセッサ（３０）とを備える。到来方向推定用プロセッサ（３０）は、ＤＢＦ法に基づいて、複数の受信アンテナ（２０）の受信信号から到来波の到来方向の範囲を算出し、算出された到来方向の範囲内に対して、ＭＵＳＩＣ法に基づいて到来方向の算出を行う。到来方向推定用プロセッサ（３０）は、複素ＢＰＦにより複数の受信アンテナ（２０）の受信信号を到来方向の範囲内に限定し、限定された複数の受信アンテナ（２０）の受信信号に対してＭＵＳＩＣ法による到来方向の算出を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、到来方向推定装置、到来方向推定方法及び到来方向推定プログラムに関する。

従来、アンテナに到来する電波の方向を推定して物体（物標）の検知等を行う技術として、ＤＢＦ（Digital Beamforming）法やＭＵＳＩＣ（Multiple signal classification）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ＤＢＦ法は、多数の到来波に対しても対応可能であるが、角度精度（到来方向の推定精度）があまり良くない。一方、ＭＵＳＩＣ法は、ＤＢＦ法よりも角度精度は高いものの、アンテナ数以上の物標（すなわち到来波）がある場合に計算できなくなる。

特許第４２７１１５７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、到来波が複数の場合でも、到来波の到来方向を高精度に推定することを目的とする。

本発明は、到来方向推定装置であって、
到来波を受信する複数のアンテナと、
フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出手段と、
前記方向範囲算出手段が算出した前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定手段と、
を備え、
前記方向範囲算出手段は、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
前記到来方向推定手段は、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う。

また、本発明は、複数のアンテナで受信する到来波の到来方向を推定する到来方向推定方法であって、
制御手段が、
フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出工程と、
前記方向範囲算出工程で算出された前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定工程と、
を実行し、
前記方向範囲算出工程では、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
前記到来方向推定工程では、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う。

また、本発明は、複数のアンテナで受信する到来波の到来方向を推定する到来方向推定プログラムであって、
コンピュータを、
フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出手段、
前記方向範囲算出手段が算出した前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定手段、
として機能させ、
前記方向範囲算出手段は、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
前記到来方向推定手段は、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う。

本発明によれば、到来波が複数の場合でも、到来波の到来方向推定を高精度に行うことができる。

本実施形態に係る到来方向推定装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る到来方向推定処理の一例を説明するための図である。 本実施形態に係る到来方向推定処理の一例を説明するための図である。 本実施形態に係る到来方向推定処理の他の例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［到来方向推定装置の構成］
図１は、本実施形態に係る到来方向推定装置１の概略構成を示すブロック図である。
この図に示すように、本実施形態に係る到来方向推定装置１は、ミリ波センサ（ミリ波レーダー）に適用されるものであり、送信アンテナ１０、シンセサイザ１１、受信アンテナ２０、受信機２１、ＡＤ変換器２２、到来方向推定用プロセッサ３０を備える。なお、到来方向推定装置１は、各部を統合的に制御する制御手段を備えていてもよい。

送信アンテナ１０は、シンセサイザ１１で生成された変調波（送信波）を、前方の所定範囲（例えば方位角１８０°の範囲）に一様に送信する。

受信アンテナ２０、受信機２１及びＡＤ変換器２２は、互いに対応して複数組（本実施形態ではＮ組）設けられている。なお、図１では、複数組の受信アンテナ２０、受信機２１及びＡＤ変換器２２を、簡略化して１組だけ図示している。
受信アンテナ２０は、送信アンテナ１０から送信されて前方の物体（物標）で反射された電波を受信する。この受信信号は、当該受信アンテナ２０と対応する受信機２１で復調され、ＡＤ変換器２２でデジタル信号に変換される。なお、受信アンテナ２０のアンテナ形状等は特に限定されない。また、受信信号をデジタル信号に変換する前に、当該信号の増幅、周波数変換、周波数帯域制限等を行ってもよい。

到来方向推定用プロセッサ３０は、ＡＤ変換器２２から出力された受信信号に基づいて、物標までの距離や角度（すなわち到来波の方向、到来方向）を推定する。
到来方向推定用プロセッサ３０は、物標までの距離や到来方向を推定するための機能部として、距離分解計算部３１と、ＤＢＦ角度分解計算部３２と、複素ＢＰＦ係数設定部３３と、複素ＢＰＦ部３４と、ＭＵＳＩＣ角度分解計算部３５とを備える。これら各機能部の動作については後述する。

［到来方向推定装置の動作］
続いて、到来波の到来方向を推定する到来方向推定処理を実行する際の到来方向推定装置１の動作について説明する。

到来方向推定処理は、例えばユーザ操作に基づいて、図示しない記憶部に格納された所定のプログラムが展開されることにより実行される。
到来方向推定処理が実行されると、到来方向推定用プロセッサ３０は、複数（Ｎ個）の受信アンテナ２０及び受信機２１で受信されて各ＡＤ変換器２２でデジタル変換された受信信号から到来波の到来方向を算出する。

具体的に、到来方向推定用プロセッサ３０では、図１に示すように、まず距離分解計算部３１が、複数のＡＤ変換器２２の出力信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により複数（Ｄ個）の距離ステップ数に距離分解する。距離分解計算部３１は、このＦＦＴによって得られた複素数データをＤＢＦ（Digital Beamforming）角度分解計算部３２に出力する。なお、ここでのＦＦＴは実数ＦＦＴ、複素ＦＦＴのいずれでもよい。また、ＡＤ変換器２２の出力までと、到来方向推定用プロセッサ３０の内部とでは、計算周期が異なる。距離分解計算部３１では、１時間ステップＮ個のデータをＭ時間ステップ分だけ蓄積してＮ×Ｍのデータに対してＦＦＴ処理を行う。このとき、ゼロパッディングや補間処理などを行ってデータを増やしてからＦＦＴ処理を行う場合はＤ＞Ｍとなり、データを増やさない場合はＤ＝Ｍとなる。

次に、ＤＢＦ角度分解計算部３２が、距離分解用のＦＦＴで得られた複素数データに対し、さらに複素ＦＦＴによる角度分解を行い、距離ステップ数（Ｄ個）分の角度スペクトラム（角度データ）の組を得る。これにより、二次元の距離データが得られる。

こうして、ＤＢＦ法により、到来波の概略の到来方向が求められる。ＤＢＦ法は、本発明に係る第１のアルゴリズムの一例である。より詳しくは、複数の受信アンテナ２０の出力電圧を結んだ波形は、各受信アンテナ２０と物標との距離が位相差となるため、到来方向が正面のとき周波数がゼロとなり、正面からの角度が大きくなるほど周波数が高くなる。さらに正面から左右のどちらに物標があるかの判断には、この波形の位相情報すなわち角度スペクトラムの複素数データの虚数部が必要である。ＤＢＦ法では、この波形に対して複素ＦＦＴ処理を行うことで、到来方向の角度に対応した周波数を得る。

次に、複素ＢＰＦ係数設定部３３が、Ｄ組の角度スペクトラムの各々のピークサーチを行う。そして、複素ＢＰＦ係数設定部３３は、探索したピーク値が予め設定された所定の閾値を超えていた場合、そのピーク値に対応する周波数を求める。それから、複素ＢＰＦ係数設定部３３は、閾値を超えたピーク値を含む角度スペクトラムの数をＤｓ個として、このＤｓ個の角度スペクトラムの各々について、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）の中心周波数が先に求めた周波数となるような当該ＢＰＦの係数を求め、この係数を複素ＢＰＦ部３４に設定する。

次に、複素ＢＰＦ部３４は、Ｄｓ個の距離データに対して複素ＢＰＦをかける。
そして、ＭＵＳＩＣ角度分解計算部３５が、ＭＵＳＩＣ（Multiple signal classification）法に基づく角度計算を行う。ＭＵＳＩＣ法は、本発明に係る第２のアルゴリズムの一例である。これにより、到来方向が算出される。
ＭＵＳＩＣ法は、アンテナ間相関から固有値を算出する手法であり、ＤＢＦ法よりも到来波の検出精度が高い。本実施形態では、複素ＢＰＦをかけた距離データに対してＭＵＳＩＣ法を適用することにより、物標が受信アンテナ数２０以上（前方１８０°の範囲の到来波の数がＮ個以上）であることによる計算の破綻を抑制しつつＭＵＳＩＣ法によって好適に到来方向を求めている。

本実施形態の到来方向推定処理について、具体例を挙げてさらに説明する。
図２及び図３は、到来方向推定処理の一例を説明するための図であり、図４は、到来方向推定処理の他の例を説明するための図である。

本例では、図２に示すように、原点（(X,Y)=(0,0)）に位置する到来方向推定装置１（受信アンテナ２０）の前方に、複数の物標Ｂが到来方向推定装置１から等距離の位置に存在していた場合を考える。
このとき、広い角度範囲（例えば前方１８０°の方位角範囲）に対して（つまり、複数のＡＤ変換器２２からの出力信号に対して）単純にＭＵＳＩＣ法を適用した場合、物標Ｂの数量が受信アンテナ２０の数以上であると、好適に計算を実行できない。つまり、ＭＵＳＩＣ法は、角度精度（到来方向の推定精度）は良いものの、原理的にアンテナ間相関から固有値を算出する手法のために、受信アンテナ２０の数以上の物標Ｂが存在する場合には解を得られない。
他方、ＤＢＦ法は、同距離の位置に多数の物標Ｂが存在しても処理可能ではあるものの、ＭＵＳＩＣ法よりも角度精度が悪い。

そこで、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、まずＤＢＦ法に基づいて、複数の受信アンテナ２０の出力波形のピーク（図の例では最大の１つのピーク）周辺の所定範囲として、物標Ｂの存在確率が高い角度範囲αを求める。
そして、図３（ｂ）に示すように、複素ＢＰＦにより到来波を角度範囲αに限定したうえで、ＭＵＳＩＣ法を適用することによって、計算の破綻を抑制しつつ到来波の到来方向を精度よく求めている。
すなわち、まずＤＢＦ法を適用し、検知したい（存在確率の高い）物標Ｂの凡その方向範囲を予め設定し、複素ＢＰＦで到来波をその方向範囲内に限定することによって、その後に適用するＭＵＳＩＣ法での計算の破綻を抑制している。
なお、到来波の方向範囲を限定しても、物標Ｂが受信アンテナ２０数以上の場合には、ＭＵＳＩＣ法適用時に計算が破綻し得る。その場合は、ＭＵＳＩＣ法が好適に適用できるまで、上記と同様の手順によりさらに方向範囲を絞ればよい。

また、上記例では、１つの角度範囲αに対してＭＵＳＩＣ法を適用する場合を示したが、図４に示すように、位置の異なる複数の物標Ｂ（Ｂ１〜Ｂ３）に対応する複数の角度範囲α（α１〜α３）に対して順次ＭＵＳＩＣ法を適用してもよい。
また、複素ＢＰＦによる方向範囲の限定を−９０°から＋９０°まで所定角度ずつ（例えば４５°ずつ）順次限定しつつ、この限定された方向範囲についてＭＵＳＩＣ法による到来方向の算出を順次行うことで、前方１８０°の範囲の到来方向推定を行ってもよい。

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、ＤＢＦ法に基づいて、複数の受信アンテナ２０の受信信号から到来波の到来方向の範囲が算出され、算出された到来方向の範囲内に対して、ＭＵＳＩＣ法に基づいて到来方向の算出が行われる。
これにより、受信アンテナ２０数以上の物標Ｂからの到来波による計算の破綻を抑制しつつ、ＭＵＳＩＣ法により到来方向を算出することができる。したがって、到来波が複数の場合でも、到来波の到来方向推定を高精度に行うことができる。

また、従来のＭＵＳＩＣ法の適用においては、計算を破綻させないために送信ビームフォーミングにより電波の送信範囲を絞っていたところ、本実施形態の手法ではその必要がない。したがって、複数の送信アンテナを設けて送信波の位相を変える必要がなく、送信アンテナ１０が１つ（小さいアンテナ面積）で足りる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態やその変形例に限られない。
例えば、上記実施形態では、本発明に係る第１のアルゴリズムの一例としてＤＢＦ法を挙げて説明した。しかし、本発明に係る第１のアルゴリズムは、フーリエ変換と等価な処理を用いて複数の受信アンテナの信号から到来波の到来方向を算出するものであればよく、例えばビームフォーマー（Beamformer）法などであってもよい。

また、上記実施形態では、本発明に係る第２のアルゴリズムの一例としてＭＵＳＩＣ法を挙げて説明した。しかし、本発明に係る第２のアルゴリズムは、複数の受信アンテナのアンテナ間相関から固有値を算出して到来波の到来方向を算出するものであればよく、例えばＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法などであってもよい。

また、上記実施形態では、到来方向推定装置１がミリ波センサ（ミリ波レーダー）に適用されることとしたが、本発明に係る到来方向推定装置は、到来波の到来方向を推定するものに広く適用可能である。例えば、自立移動型のロボットの自己位置（進行方向）を推定する内界センサなどにも適用できる。
その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 到来方向推定装置
１０ 送信アンテナ
２０ 受信アンテナ
３０ 到来方向推定用プロセッサ
３１ 距離分解計算部
３２ ＤＢＦ角度分解計算部
３３ 複素ＢＰＦ係数設定部
３４ 複素ＢＰＦ部
３５ ＭＵＳＩＣ角度分解計算部
Ｂ 物標
α 角度範囲

Claims (6)

1. 到来波を受信する複数のアンテナと、
   フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出手段と、
   前記方向範囲算出手段が算出した前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定手段と、
   を備え、
   前記方向範囲算出手段は、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
   前記到来方向推定手段は、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う、
   到来方向推定装置。
2. 前記第１のアルゴリズムはＤＢＦ法又はビームフォーマー法である、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
3. 前記第２のアルゴリズムはＭＵＳＩＣ法又はＥＳＰＲＩＴ法である、
   請求項１又は請求項２に記載の到来方向推定装置。
4. 前記方向範囲算出手段は、前記到来方向の範囲を前方の−９０°から＋９０°まで所定角度ずつ順次限定し、
   前記到来方向推定手段は、前記方向範囲算出手段により限定された前記到来方向の範囲について、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を順次行う、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の到来方向推定装置。
5. 複数のアンテナで受信する到来波の到来方向を推定する到来方向推定方法であって、
   制御手段が、
   フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出工程と、
   前記方向範囲算出工程で算出された前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定工程と、
   を実行し、
   前記方向範囲算出工程では、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
   前記到来方向推定工程では、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う、
   到来方向推定方法。
6. 複数のアンテナで受信する到来波の到来方向を推定する到来方向推定プログラムであって、
   コンピュータを、
   フーリエ変換と等価な処理を用いた第１のアルゴリズムに基づいて、前記複数のアンテナの受信信号から前記到来波の到来方向の範囲を算出する方向範囲算出手段、
   前記方向範囲算出手段が算出した前記到来方向の範囲内に対して、アンテナ間相関から固有値を算出する第２のアルゴリズムに基づいて前記到来方向の算出を行う到来方向推定手段、
   として機能させ、
   前記方向範囲算出手段は、複素ＢＰＦにより前記複数のアンテナの受信信号を前記到来方向の範囲内に限定し、
   前記到来方向推定手段は、限定された前記複数のアンテナの受信信号に対して、前記第２のアルゴリズムに基づく前記到来方向の算出を行う、
   到来方向推定プログラム。

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