JP2988463B2 - 方向探知装置及びそのための測定結果処理装置 - Google Patents
方向探知装置及びそのための測定結果処理装置Info
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- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は都市空間、屋内など
のマルチパス環境において、アレイアンテナに入射する
複数の信号の到来角を測定するアレイアンテナを用いた
方向探知装置及びそのための測定結果処理装置に関す
る。
のマルチパス環境において、アレイアンテナに入射する
複数の信号の到来角を測定するアレイアンテナを用いた
方向探知装置及びそのための測定結果処理装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】アレイアンテナに到来する複数の相関の
無い無線信号の到来角を測定するアルゴリズムとして、
ＭＵＳＩＣ法、あるいはＥＳＰＲＩＴ法が知られてい
る。これらのアルゴリズムは、従来のフーリエ変換法、
ビーム走査法などに比較し、優れた分解能、精度を提供
するもので、方向探知装置に広く応用されている。しか
し、これらのアルゴリズムでは、マルチパス波など相関
のある信号を扱う場合、アレイアンテナで受信された信
号の共分散行列の階数が縮退し固有値分解を正しく行う
ことができないので、到来角の測定を行うことができな
い。
無い無線信号の到来角を測定するアルゴリズムとして、
ＭＵＳＩＣ法、あるいはＥＳＰＲＩＴ法が知られてい
る。これらのアルゴリズムは、従来のフーリエ変換法、
ビーム走査法などに比較し、優れた分解能、精度を提供
するもので、方向探知装置に広く応用されている。しか
し、これらのアルゴリズムでは、マルチパス波など相関
のある信号を扱う場合、アレイアンテナで受信された信
号の共分散行列の階数が縮退し固有値分解を正しく行う
ことができないので、到来角の測定を行うことができな
い。
【０００３】この欠点を克服する手段として、図３に示
すように共分散行列を次数の等しい複数の行列群に分割
し、これらの行列群の要素を加算して作成した行列を固
有値分解する移動平均法が文献“Ｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ
Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆＣ
ｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｉｇｎａｌｓ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ ｏｎ ＡＳＳＰＶｏｌ．３３（４），１９８５”に
示されている。移動平均法を適用するためには共分散行
列がＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式になっていることが必
須で、方向探知装置のアレイアンテナにおいては、アン
テナ素子が等間隔で配列され、受信位相応答ａが式
（１）のように線形的に表わされなければならない。
すように共分散行列を次数の等しい複数の行列群に分割
し、これらの行列群の要素を加算して作成した行列を固
有値分解する移動平均法が文献“Ｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ
Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆＣ
ｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｉｇｎａｌｓ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ ｏｎ ＡＳＳＰＶｏｌ．３３（４），１９８５”に
示されている。移動平均法を適用するためには共分散行
列がＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式になっていることが必
須で、方向探知装置のアレイアンテナにおいては、アン
テナ素子が等間隔で配列され、受信位相応答ａが式
（１）のように線形的に表わされなければならない。
【０００４】
【数１】
【０００５】ここでｎはアンテナ素子番号、ｋは波数、
ｄは素子間隔、θは到来角である。
ｄは素子間隔、θは到来角である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】実際のアレイアンテナ
では、アンテナ素子を等間隔に配列しても、素子間の相
互結合によって受信位相応答ａは（１）式のように線形
にならず移動平均法は適用できない。これまで移動平均
法を用いて複数の相関のある信号の到来方位を測定した
文献は数多いが、相互結合の影響を避けるため、いずれ
も唯一素子のアンテナ素子を空間的に等間隔に移動させ
て測定している。測定時間の制約が無い屋内などの静的
な環境においてはアンテナ素子の空間的な移動でも支障
はないが、刻々と伝播環境が変化する屋外の移動通信環
境においてはこのような機械的なアンテナ素子の移動で
は測定時間を考慮すると実用的でない。
では、アンテナ素子を等間隔に配列しても、素子間の相
互結合によって受信位相応答ａは（１）式のように線形
にならず移動平均法は適用できない。これまで移動平均
法を用いて複数の相関のある信号の到来方位を測定した
文献は数多いが、相互結合の影響を避けるため、いずれ
も唯一素子のアンテナ素子を空間的に等間隔に移動させ
て測定している。測定時間の制約が無い屋内などの静的
な環境においてはアンテナ素子の空間的な移動でも支障
はないが、刻々と伝播環境が変化する屋外の移動通信環
境においてはこのような機械的なアンテナ素子の移動で
は測定時間を考慮すると実用的でない。
【０００７】したがって、本発明の目的は、空間的なア
ンテナ素子の移動を必要とせず、アレイアンテナを構成
する各アンテナ素子の受信信号を用いて、複数の相関の
ある信号の到来角を測定し、屋外の移動通信環境に適用
できる方向探知装置を提供することである。
ンテナ素子の移動を必要とせず、アレイアンテナを構成
する各アンテナ素子の受信信号を用いて、複数の相関の
ある信号の到来角を測定し、屋外の移動通信環境に適用
できる方向探知装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、等間隔
で直線または平面状に配列された複数のアンテナ素子を
有するアレイアンテナと、前記アレイアンテナの各素子
で受信した信号を復調信号に変換して出力する受信装置
と、時系列的に得られる前記復調信号群を前記アレイア
ンテナの結合係数行列の逆行列を掛けて時系列信号群を
出力する前置処理装置と、前記前置処理手段の出力信号
群を入力として共分散行列を計算し、移動平均処理した
後固有値分解し、ＭＵＳＩＣ法またはＥＳＰＲＩＴ法に
より到来方位を求める信号処理装置とからなって構成さ
れることを特徴とする方向探知装置が得られる。
で直線または平面状に配列された複数のアンテナ素子を
有するアレイアンテナと、前記アレイアンテナの各素子
で受信した信号を復調信号に変換して出力する受信装置
と、時系列的に得られる前記復調信号群を前記アレイア
ンテナの結合係数行列の逆行列を掛けて時系列信号群を
出力する前置処理装置と、前記前置処理手段の出力信号
群を入力として共分散行列を計算し、移動平均処理した
後固有値分解し、ＭＵＳＩＣ法またはＥＳＰＲＩＴ法に
より到来方位を求める信号処理装置とからなって構成さ
れることを特徴とする方向探知装置が得られる。
【０００９】本発明において、先の結合係数行列は、相
互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結
合を含まない唯一素子の素子パターンの測定結果で正規
化し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して求め
られる。
互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結
合を含まない唯一素子の素子パターンの測定結果で正規
化し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して求め
られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳細に説明する。
して詳細に説明する。
【００１１】図１は本発明の方位探知装置の実施の形態
を示す処理ブロック図である。本発明の方向探知装置は
Ｎ個のアンテナ素子１−１〜１−Ｎからなるアレイアン
テナ２、アンテナ素子のおのおのに接続されたＮ台の受
信装置３−１〜３−Ｎ、前置処理装置４および信号処理
装置５から構成される。
を示す処理ブロック図である。本発明の方向探知装置は
Ｎ個のアンテナ素子１−１〜１−Ｎからなるアレイアン
テナ２、アンテナ素子のおのおのに接続されたＮ台の受
信装置３−１〜３−Ｎ、前置処理装置４および信号処理
装置５から構成される。
【００１２】前置処理装置４が含まれていることが特徴
的であり、前置処理装置は、受信信号の時系列群にアレ
イアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによ
り、受信信号群から素子間相互結合による信号成分を除
去し、移動平均処理が可能となる受信信号群を信号処理
装置５に提供するものである。
的であり、前置処理装置は、受信信号の時系列群にアレ
イアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによ
り、受信信号群から素子間相互結合による信号成分を除
去し、移動平均処理が可能となる受信信号群を信号処理
装置５に提供するものである。
【００１３】次に、前置処理装置４の動作について図２
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【００１４】図２において、アンテナ素子１−１〜１−
Ｎを含むアレイアンテナに平面波が入射するとき、ｎ番
目のアンテナ素子で受信されて出力される信号Ｖｎは、
ｎ番目の素子自身で受信される主成分と、自己および隣
接する素子で再放射される成分のベクトル和である。相
互結合の無い素子パターンをＦ（ｕ）、ｍ素子とｎ素子
の結合係数をＣｍｎ、素子ｍ、素子ｎの入射電界をＥ
ｍ，Ｅｎとすると素子ｎで受信される信号Ｖｎ（ｕ）は
次の式（２）で表わされる。
Ｎを含むアレイアンテナに平面波が入射するとき、ｎ番
目のアンテナ素子で受信されて出力される信号Ｖｎは、
ｎ番目の素子自身で受信される主成分と、自己および隣
接する素子で再放射される成分のベクトル和である。相
互結合の無い素子パターンをＦ（ｕ）、ｍ素子とｎ素子
の結合係数をＣｍｎ、素子ｍ、素子ｎの入射電界をＥ
ｍ，Ｅｎとすると素子ｎで受信される信号Ｖｎ（ｕ）は
次の式（２）で表わされる。
【００１５】
【数２】
【００１６】ここでｕは角度θの正弦である。単一素子
で受信された結合の無い信号ｖｎ（ｕ）を式（３）で表
わす。
で受信された結合の無い信号ｖｎ（ｕ）を式（３）で表
わす。
【００１７】 ＥｎＦ（ｕ）＝ｖｎ（ｕ） （３） 等間隔アレイでは方向ｕから入射する平面波の振幅をＥ
とすれば Ｅｅｘｐ（ｊｎｋｄｕ）Ｆ（ｕ）＝ｖｎ（ｕ） （４） と表わされる。式（４）を式（２）に代入する。
とすれば Ｅｅｘｐ（ｊｎｋｄｕ）Ｆ（ｕ）＝ｖｎ（ｕ） （４） と表わされる。式（４）を式（２）に代入する。
【００１８】
【数３】
【００１９】Ｃ＝［Ｃｍｎ］：Ｎ行Ｎ列の結合行列。 Ｔは配置行列を示す。式（５）から、相互結合の無い受
信信号群ｖを得るためには次の式（６）の演算をすれば
よい。
信信号群ｖを得るためには次の式（６）の演算をすれば
よい。
【００２０】
【数４】
【００２１】結合行列Ｃを求めるためには相互結合を含
むアレイ素子パターンＧｎ（ｕ）及び相互結合を含まな
い唯一素子の素子パターンＦ（ｕ）を測定して求める。
むアレイ素子パターンＧｎ（ｕ）及び相互結合を含まな
い唯一素子の素子パターンＦ（ｕ）を測定して求める。
【００２２】アレイ素子パターンＧｎ（ｕ）は次の式
（７）で表わされる。
（７）で表わされる。
【００２３】
【数５】
【００２４】ここで積分範囲は［−π／ｋｄ〜π／ｋ
ｄ］である。アレイ素子パターンは素子パターンとＣｍ
ｎのウエイトを持つアレイアンテナの放射パターンが重
畳したパターンと考えられる。アンテナの開口電流分布
と放射パターンはフーリエ変換の関係にある。式（８）
は、他の素子および自己の再放射によって形成されるパ
ターンをＧｎ（ｕ）／Ｆ（ｕ）によって求め、これをフ
ーリエ変換してウエイトＣｍｎを求めるという物理的な
意味を有する。Ｃｍｎを式（８）から各アンテナ素子に
ついて計算し、結合行列を生成して逆行列Ｃ-1を求め
る。
ｄ］である。アレイ素子パターンは素子パターンとＣｍ
ｎのウエイトを持つアレイアンテナの放射パターンが重
畳したパターンと考えられる。アンテナの開口電流分布
と放射パターンはフーリエ変換の関係にある。式（８）
は、他の素子および自己の再放射によって形成されるパ
ターンをＧｎ（ｕ）／Ｆ（ｕ）によって求め、これをフ
ーリエ変換してウエイトＣｍｎを求めるという物理的な
意味を有する。Ｃｍｎを式（８）から各アンテナ素子に
ついて計算し、結合行列を生成して逆行列Ｃ-1を求め
る。
【００２５】以上、前置処理装置は、アンテナ素子で受
信され復調された時系列信号について式（６）の演算を
行い、相互結合による信号成分を除去して信号処理装置
５に出力する。
信され復調された時系列信号について式（６）の演算を
行い、相互結合による信号成分を除去して信号処理装置
５に出力する。
【００２６】信号処理装置５は、相互結合が除去された
時系列信号群のスナップショットから共分散行列Ｓを作
成する共分散行列作成処理装置６と、共分散行列Ｓから
移動平行を行って移動平均行列を求める移動平均処理装
置７と、移動平均行列から固有値分解を行う固有値分解
処理装置８と、固有値分解して得られた固有値から波数
判定を行う波数推定処理装置９と、ＭＵＳＩＣスペクト
ラム描画処理装置１０とから構成されている。
時系列信号群のスナップショットから共分散行列Ｓを作
成する共分散行列作成処理装置６と、共分散行列Ｓから
移動平行を行って移動平均行列を求める移動平均処理装
置７と、移動平均行列から固有値分解を行う固有値分解
処理装置８と、固有値分解して得られた固有値から波数
判定を行う波数推定処理装置９と、ＭＵＳＩＣスペクト
ラム描画処理装置１０とから構成されている。
【００２７】移動平均処理装置７の処理は図３に示すよ
うに、Ｎ（８）素子のリニアアレイアンテナ２から得ら
れた共分散行列Ｓを、例えば５素子ごとのサブアレイ行
列Ｓ1 ′〜Ｓ4 ′に分割して、各サブアレイ行列Ｓ1 ′
〜Ｓ4 ′を足しあわせる演算を行うもので、空間的な移
動平均を施すことで、各到来信号間の相関を抑圧するこ
とができる。
うに、Ｎ（８）素子のリニアアレイアンテナ２から得ら
れた共分散行列Ｓを、例えば５素子ごとのサブアレイ行
列Ｓ1 ′〜Ｓ4 ′に分割して、各サブアレイ行列Ｓ1 ′
〜Ｓ4 ′を足しあわせる演算を行うもので、空間的な移
動平均を施すことで、各到来信号間の相関を抑圧するこ
とができる。
【００２８】固有値分解処理装置８は、移動平均された
共分散行列を固有値分解して、Ｎ個の固有値λi（ｉ＝
１〜Ｎ）を求める。λi には、式（９）に示されるよう
に、信号に相当する大きな成分（λ1 〜λd ）と、雑音
に相当する小さな成分（λd +1〜λN ）が現われる。
共分散行列を固有値分解して、Ｎ個の固有値λi（ｉ＝
１〜Ｎ）を求める。λi には、式（９）に示されるよう
に、信号に相当する大きな成分（λ1 〜λd ）と、雑音
に相当する小さな成分（λd +1〜λN ）が現われる。
【００２９】
【００３０】波数推定処理装置９は式（９）で示される
固有値の分布から、波数Ｋ（ｄ）を推定する。
固有値の分布から、波数Ｋ（ｄ）を推定する。
【００３１】各到来信号の到来方位を求めるには、信号
成分に相当する固有ベクトルを用いアレイアンテナの回
転不変性（Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃ
ｅ）を利用して到来方位を求めるＥＳＰＲＩＴ法と、雑
音に相当する固有ベクトルを用いＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔ
ｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏ
ｎ）スペクトラムのサーチによって到来方位を求めるＭ
ＵＳＩＣ法とがあるが、本実施の形態においてはＭＵＳ
ＩＣ法を用いている。
成分に相当する固有ベクトルを用いアレイアンテナの回
転不変性（Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃ
ｅ）を利用して到来方位を求めるＥＳＰＲＩＴ法と、雑
音に相当する固有ベクトルを用いＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔ
ｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏ
ｎ）スペクトラムのサーチによって到来方位を求めるＭ
ＵＳＩＣ法とがあるが、本実施の形態においてはＭＵＳ
ＩＣ法を用いている。
【００３２】ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ（ｕ）は、次の
式（１０）で表わされる。
式（１０）で表わされる。
【００３３】
【数６】
【００３４】Ｈは共役転置、Ｅｉ（Ｉ＝ｄ＋１〜Ｎ）は
雑音に相当する固有ベクトルを示す。
雑音に相当する固有ベクトルを示す。
【００３５】ＭＵＳＩＣスペクトラムを−１＜ｕ＜１の
範囲で計算すると到来角に相当する位置で鋭いピークが
観察される。このピークの位置から到来角θｋが求めら
れる。
範囲で計算すると到来角に相当する位置で鋭いピークが
観察される。このピークの位置から到来角θｋが求めら
れる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方向探知
装置は、等間隔で配列された複数のアンテナ素子からな
るアレイアンテナで受信し復調した時系列信号群に、ア
レイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによ
ってアンテナ素子間の相互結合による受信信号成分を除
去しているので、受信信号群の共分散行列がＶａｎｄｅ
ｒｍｏｎｄｅ形式となって移動平均処理が可能となる。
したがって、これまでのようにアンテナ素子を空間的に
移動することなく相関のある複数の到来信号の到来角の
測定が可能となり、屋外における移動体通信環境に対応
できる測定時間の短い方向探知装置が実現できる。
装置は、等間隔で配列された複数のアンテナ素子からな
るアレイアンテナで受信し復調した時系列信号群に、ア
レイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによ
ってアンテナ素子間の相互結合による受信信号成分を除
去しているので、受信信号群の共分散行列がＶａｎｄｅ
ｒｍｏｎｄｅ形式となって移動平均処理が可能となる。
したがって、これまでのようにアンテナ素子を空間的に
移動することなく相関のある複数の到来信号の到来角の
測定が可能となり、屋外における移動体通信環境に対応
できる測定時間の短い方向探知装置が実現できる。
【図１】本発明の実施の形態例を示す構成図。
【図２】本発明における、受信信号群から素子間相互結
合による信号成分を除く動作を説明するための図。
合による信号成分を除く動作を説明するための図。
【図３】本発明の実施の形態例における共分散行列の移
動平均処理を説明するための図。
動平均処理を説明するための図。
１−１〜１−Ｎ アンテナ素子 ２ アレイアンテナ ３−１〜３−Ｎ 受信装置 ４ 前置処理装置 ５ 信号処理装置 ６ 共分散行列作成処理装置 ７ 移動平均処理装置 ８ 固有値分解処理装置 ９ 波数推定処理装置 １０ ＭＵＳＩＣスペクトラム描画処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 3/00 - 3/74 G01S 7/00 - 7/42
Claims (4)
- 【請求項１】 等間隔で直線または平面状に配列された
複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記ア
レイアンテナの各素子で受けた信号を受信し復調信号を
出力する受信装置と、時系列的に得られる前記復調信号
群を前記アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛け
て時系列信号群を出力する前置処理装置と、前記前置処
理手段の出力信号群を入力として共分散行列を求め、移
動平均処理した後固有値分解し、到来方位を求める信号
処理装置とからなって構成されることを特徴とする方向
探知装置。 - 【請求項２】 相互結合を含むアレイ素子パターンの測
定結果を、相互結合を含まない唯一素子の素子パターン
の測定結果で正規化し、正規化したパターンをフーリエ
級数展開して相互結合行列を求める測定結果処理装置。 - 【請求項３】 前記アレイアンテナの結合係数行列が、
相互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互
結合を含まない唯一素子パターンの測定結果で正規化
し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して求める
ことを特徴とする請求項１記載の方向探知装置。 - 【請求項４】 等間隔で配列された複数のアンテナ素子
からなるアレイアンテナで受信し復調した時系列信号群
に、アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けるこ
とにより、アンテナ素子間の相互結合による受信信号成
分を除去し、受信信号群の共分散行列をＶａｎｄｅｒｍ
ｏｎｄｅ形式とし移動平均処理を可能としたことを特徴
とする方向探知装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10076026A JP2988463B2 (ja) | 1998-03-24 | 1998-03-24 | 方向探知装置及びそのための測定結果処理装置 |
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