JP3477132B2 - 到来波の入射方位角測定装置 - Google Patents

到来波の入射方位角測定装置

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JP3477132B2 JP36976499A JP36976499A JP3477132B2 JP 3477132 B2 JP3477132 B2 JP 3477132B2 JP 36976499 A JP36976499 A JP 36976499A JP 36976499 A JP36976499 A JP 36976499A JP 3477132 B2 JP3477132 B2 JP 3477132B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、任意の方位角か
ら入射する電波や音波などの到来波の入射方位角を測定
する装置に係り、特に等間隔アレイではない実アレイア
ンテナに複数の互いにコヒーレントな電波や音波が任意
の方位角から入射する場合でも正確な測定結果が得られ
る入射方位角測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】任意の方位角の方向から入射する電波や
音波などの入射方位角を測定する、いわゆる測角技術と
して、例えば、Friedlander,Weiss,“Direction Findin
g Using Spatial Smoothing with Interpolated Arra
y”,IEEE Trans. ACE-28,2,pp. 574-587(1992)や、特開
平11−166965に開示されているように、アレイ
アンテナを構成する素子アンテナからの受信信号をA/
D変換器でディジタル信号に変換し、このディジタル信
号に対して入射方位角の測定のための処理(測角処理と
いう)を施す装置が知られている。
【0003】従来の測角処理は、MUSIC(MUltiple
SIgnal Clasification)アルゴリズムであり、受信信号
相関行列Rを固有値分解して得られる固有ベクトルを用
いて、複数の到来波の入射方位角をそれぞれ独立に推定
する手法(混信分離測角)である。ここで、相関行列R
はMを素子アンテナの個数とすると、M×Mのエルミー
ト行列であり、その第(n,m)要素がn番目の素子の
受信信号とm番目の素子の受信信号の相関値で与えられ
るものである。
【0004】複数の到来波が互いに完全相関(コヒーレ
ント)である場合には、単純にMUSICアルゴリズム
を実行しても原理上、混信測角分離ができない。コヒー
レント波が到来波として入射する場合には、空間スムー
ジングと呼ばれる前処理を実施することで、混信分離測
角を実現できる。
【0005】この空間スムージング処理は、アレイアン
テナを互いに相似な複数のサブアレイに分割し、それぞ
れのサブアレイで得られた受信信号相関行列Rsを平均
処理することである。すなわち、以下に示す式(1)で
得られる平均処理後の相関行列RについてMUSICア
ルゴリズムによる測角処理を行う。 R=ΣiRsi (1) Rsiは第i番目のサブアレイの受信信号相関行列であ
り、ΣiはRsiの総和をとることを表す(以下、同
様)。
【0006】このような空間スムージング処理が有効で
あるためには、サブアレイの素子アンテナ配列と指向性
パターンが互いに相似であることが必要とされている。
この条件を満足するアレイアンテナとしては、図11に
示す等間隔リニアアレイアンテナなどがある。
【0007】しかしながら、実際のアレイアンテナ(仮
想アレイアンテナと区別するため、実アレイアンテナと
いう)の配列は、例えば図12に示すような円形アレイ
の場合がある。このような場合には、実アレイアンテナ
の受信信号を空間スムージングが適用できる仮想アレイ
アンテナの受信信号に変換し、この変換後の受信信号に
対して空間スムージングを適用した後、MUSICアル
ゴリズムによって以下のような測角処理を行う。
【0008】xをM×1の受信信号ベクトル、BをM×
Mの変換行列、x ̄(以下、この記号 ̄は仮想アレイア
ンテナに関するものとする)をM×1の変換後の受信信
号ベクトルとすると、 x ̄=Bx (2) によって定義される。この変換後の受信信号ベクトルの
相関行列は、 BRBH (3) となる。ここで、Hは行列の共役転置を意味する。この
変換後の相関行列に対して、次式により空間スムージン
グを施す。 R′=Σi[BRBH]si (4) ここで、[BRBH]siはBRBHの部分行列であり、
第iサブアレイの受信信号相関行列である。
【0009】次に、図13を用いて実アレイアンテナか
ら仮想アレイアンテナへの変換の概念を説明すると、実
アレイアンテナから仮想アレイアンテナへの変換行列B
は基本的には次式で定義される。 a ̄(θ)=Ba(θ) (5) a(θ):実アレイアンテナのステアリングベクトル a ̄(θ):仮想アレイアンテナのステアリングベクト
ル θ:入射方位角 実アレイアンテナのステアリングベクトルは、M×1の
ベクトルであり、その第m要素は第m素子アンテナに入
射方位角θで到来する到来波のある基準値に対する振幅
/位相変化である。Bは理想的には到来波が入射し得る
角度範囲全てに対して式(5)を満足する変換行列であ
るが、実際には次のように求める。
【0010】到来波が入射し得る角度範囲の中の互いに
異なったP個の角度範囲θ(1),θ(2),…,θ(P)(以降、
これを角度セクタと呼ぶ)に対応する実アレイのステア
リングベクトルaで定義される行列Aと、仮想アレイア
ンテナのステアリングベクトルa ̄で定義される行列A
 ̄を考える。行列A,A ̄は、それぞれ次式で定義され
る(M×P)行列である。 A≡[a(θ(1)),…,a(θ(P))] (6) A ̄≡[a ̄(θ(1)),…,a ̄(θ(P))] (7) ≡:定義することを意味する。
【0011】なお、式(6)(7)における角度セクタ
θ(1),θ(2),…,θ(P)は、到来波が入射し得る角度範囲
全体を網羅するように与えられる。例えば、この角度範
囲が0°〜180°ならば、θ(1)=0°,θ(2)=1
°,…,θ(P)=180°と与えられる。このとき、ア
レイ変換行列Bは理想的には次式を満足すべきものであ
るが、このような解は一般に存在しない。 A ̄=BA (8) そこで、式(8)を最小二乗問題と捉えてアレイ変換行
列Bを決定する。つまり、式(8)の左辺と右辺の差が
最小になるように、以下の評価関数が最小になるアレイ
変換行列Bを算出する。 評価関数Φ=||BA−A ̄||F 2 (9) ここで、|| ||F 2はFrobenius normを表し、具体的に
は行列の各要素の絶対値を2乗した後、全てを足し合わ
せる計算である。
【0012】従来の測角処理の手順について説明する
と、まず等間隔リニアアレイアンテナからなる仮想アレ
イアンテナのステアリングベクトルa ̄(仮想アレイア
ンテナ配列)を設定し(ステップ1)、式(6)(7)
(8)によりアレイ変換行列Bを算出する(ステップ
2)。次に、実アレイアンテナを構成する各素子アンテ
ナからの受信信号x1,x2,…,xM相関行列Rを算出
する(ステップ3)。次に、アレイ変換行列Bと相関行
列Rを用いて相関行列BRBHを算出し、この相関行列
BRBHを式(4)により空間スムージング処理して相
関行列R′を算出する(ステップ4)。そして、空間ス
ムージング処理された相関行列R′をMUSICアルゴ
リズムにより測角処理して到来波の入射方位角を推定
し、表示する(ステップ5)。
【0013】上述の手順に基いてシミュレーションを行
った結果を以下に示す。実アレイアンテナは図14に示
す8素子円形アレイアンテナであり、X−Y面上に配列
されている。また、図14に示されるように二つの到来
波S1,S2が実アレイアンテナの配列面(X−Y面)
に対して直交する同一平面(X−Z面)上のθ=5°,
θ=25°の方向からそれぞれ入射している。θはZ軸
からの角度であり、θ=0°が+Z軸方向である。
【0014】仮想リニアアレイアンテナとして図15に
示すようなX軸上に配列された等間隔リニアアレイを仮
定して、そのステアリングベクトルを設定し、アレイ変
換行列を算出した。このとき図15に示すように入射方
位角を測定する平面、つまり入射方位角を測定可能な到
来波の入射方向はX−Z面上にあり、また入射方位角を
測定するX−Z面上の角度範囲である角度セクタは0°
≦θ≦30°である。次に相関行列を算出し、さらに空
間スムージングを行って相関行列R′を求めた後、MU
SICアルゴリズムによる測角処理を行って、到来波S
1,S2の入射方位角を求めた。
【0015】図16に、最終的に求められた到来波の入
射方位角の測定結果を示す。横軸は入射方位角θ、縦軸
はMUSICアルゴリズムによって得られた出力であ
り、θが5°と25°の位置に鋭いピークが現れてい
て、正確に入射方位角を測角できていることが分かる。
【0016】ところで、一般的に複数の到来波は図14
に示したように同一平面上の方向から入射する可能性も
あるが、実際には複数の到来波の入射方向が同一平面上
になく、各到来波が互いに平行でない別々の平面に沿っ
て、言い換えれば相対的に2次元的な広がりをもって入
射してくることもある。この場合、従来の方法では以下
に説明するように、測角が不可能または非常に困難とな
る。
【0017】以下の議論では、到来波の入射方位角を極
座標表示のθとφで表す。つまり、入射方位角はθ方向
とφ方向の2次元的な値を持つ。ここでθは先と同様に
Z軸からの角度であり、θ=0°が+Z軸方向である。
φはX軸からの角度であり、φ=0°が+X軸方向であ
る。到来波はS1,S2の二つであり、その入射方位角
は図17に示すように第1の到来波S1についてはθ=
5°,φ=0°、第2の到来波S2についてはθ=25
°,φ=3°とした。これは第2の到来波S2の入射方
位角を図14中に示した入射方位角より、僅か3°だけ
φ方向に変えただけである。
【0018】入射方位角以外の条件を同じにして、図1
5についての場合と同じ手順、同じ実アレイアンテナ、
同じ仮想アレイアンテナ、同じ角度セクタ、同じアレイ
変換行列Bに基いて入射方位角を測定した結果を図18
に示す。図18では図16と比較して明らかなように、
5°方向と25°方向のピークが全く見えなくなり、測
角が失敗していることがわかる。この例は二つの到来波
S1,S2のうちの一方S2の入射方向が測角を行う平
面(この場合はX−Z面)から3°だけ変位した場合で
あるが、この結果として二つの到来波S1,S2のいず
れについても測角ができなくなっている。
【0019】このように従来の入射方位角測定装置で
は、到来波が測角を行う平面(単一のカット面)以外に
存在している場合に、まったく測角できなくなるという
問題があった。この問題は、到来波が二つであるならば
解決できる可能性があり、具体的には例えば、仮想アレ
イアンテナの配列面を二つの到来波の入射方向と同一面
内になるように選べば良い。しかしながら、どの方位角
から入射しているか分からないので、全ての可能性を考
える必要があり、実用的ではない。
【0020】また、到来波が三つ以上ある場合には、上
述の方法を用いて解決することさえも困難であり、従来
の技術では前述の通り複数の到来波の入射方向が2次元
的に分布している場合、測角を行うことが原理的に不可
能であった。一方、特開平11-166965には、到来波の概
略の入射方位角に基いて測角処理を行う方法が開示され
ているが、この方法においても仮想アレイアンテナが等
間隔リニアアレイであるので、依然として問題は解決さ
れない。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
入射方位角測定装置では、到来波が当初に定めた測角を
行う平面から僅かに変化した場合でも測角ができなくな
ってしまう。すなわち、2次元的に入射方向が分布する
到来波の入射方位角を測定することができないという問
題があった。
【0022】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたもので、アレイアンテナにコヒーレント波
からなる複数の到来波が2次元的な入射方向の分布をも
って入射する場合においても正確な入射方位角推定結果
が得られる入射方位角測定装置を提供することを目的と
する。
【0023】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る入射方位角測定装置は、到来波を受信
して受信信号を出力する実アレイアンテナと、この実ア
ンテナからの受信信号を用いて第1の相関行列を算出す
る第1の相関行列算出手段と、実アレイアンテナの予め
設定された直交する二方向の角度範囲内でのステアリン
グベクトルを予め仮想的に設定された仮想2次元アレイ
アンテナの前記角度範囲内でのステアリングベクトルに
変換するためのアレイ変換行列を算出するアレイ変換行
列算出手段と、第1の相関行列及びアレイ変換行列を用
いて仮想2次元アレイアンテナについての第2の相関行
列を算出する第2の相関行列算出手段と、第2の相関行
列に空間スムージング処理を施して第3の相関行列を算
出する第3の相関行列算出手段と、第3の相関行列を用
いて到来波の入射方位角を推定する入射方位角推定手段
とを備えたことを基本的な特徴とする。
【0024】このように本発明では、仮想アレイアンテ
ナとして2次元アレイアンテナを設定し、かつ到来波が
入射すると想定される角度範囲を二方向の角度範囲とし
て、つまり2次元的な広がりを持たせる構成として、従
来と同様の手順でアレイ変換行列の算出、仮想2次元ア
レイアンテナについての相関行列の算出、空間スムージ
ング及び測角処理(入射方位角の推定)を順次行う。
【0025】このような構成によって、従来技術では入
射方位角の測定が困難な複数の到来波が2次元的な入射
方向の分布をもって入射する場合においても、正確な入
射方位角推定結果を得ることが可能となる。
【0026】また、本発明は上記入射方位角測定装置に
おいて、仮想2次元アレイアンテナの配列及び配置位置
を予め推定された到来波の概略の入射方位角に基いて設
定する手段を有することを特徴とする。これにより、例
えば高精度に推定を行いたい方向には素子アンテナを多
数配列し、推定精度にそれほど精度を要求しない方向に
は、素子アンテナを2次元アレイに最低限必要な2素子
しか配列しないといったようなアレイアンテナの配列及
び配置位置を設定して、最良の推定精度を得ることが可
能となる。
【0027】また、この場合に概略の入射方位角として
前回の入射方位角推定手段の推定結果を用いて、上記入
射方位角測定装置による測定動作を繰り返すようにして
もよい。このようにすると、概略の入射方位角を推定す
るために他の測角処理アルゴリズムを用いる必要がな
く、アルゴリズムが簡単となる。
【0028】また、本発明は上記方位角測定装置におい
て、仮想2次元アレイアンテナとして、少なくとも3個
の同一の2次元サブアレイに分割ができ、かつ該少なく
とも3個のサブアレイは中心位置が同一直線上に存在し
ないように配置された仮想アレイアンテナを用いること
を特徴とする。このように仮想2次元アレイアンテナを
形成することにより、入射方位角がどのような角度であ
っても、空間スムージング処理によって到来波を推定す
ることが可能となる。
【0029】さらに、本発明は上記方位角測定装置にお
いて、仮想2次元アレイアンテナとしてそれぞれが2素
子×M素子構成(Mは3以上の整数)からなる複数個の
仮想2次元アレイアンテナを有し、入射方位角推定手段
においては、これら複数個の仮想2次元アレイアンテナ
にそれぞれ対応した入射方位角推定結果を平均して最終
的な入射方位角を推定することを特徴とする。このよう
に異なる向きに配置した複数の2素子×M素子構成の仮
想2次元アレイアンテナを用いることで、全ての方向に
対して高分解能な推定を実現でき、これらの推定結果を
平均することにより、全ての方位角に対して測定精度を
改善することが可能となる。
【0030】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では
到来波が電波の場合について説明するが、音波の場合に
ついても同様に本発明を適用できる。到来波が電波の場
合はアレイアンテナの素子アンテナとして電気通信用の
アンテナを用いるが、到来波が音波(超音波)の場合は
素子アンテナにピエゾ素子のような音響−電気変換素子
を用いればよい。
【0031】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係る入射方位角測定装置の構成を示すブロ
ック図である。到来波は、任意の形状に配列された複数
の素子アンテナ10−1〜10−Nで構成されるアレイ
アンテナ(以下、後述する仮想アレイアンテナと区別す
るために実アレイアンテナという)10に入射し、各素
子アンテナ10−1〜10−Nから受信信号として取り
出される。各素子アンテナ10−1〜10−Nからの受
信信号は、A/D変換器11−1〜11−Nによりディ
ジタル信号に変換された後、第1の相関行列算出手段で
ある相関行列算出部12に入力される。以降、ディジタ
ル信号に変換された後の受信信号をx1,x2,…,xM
で表すものとする。相関行列算出部12では、受信信号
x1,x2,…,xMの相関行列(第1の相関行列)が算
出される。
【0032】一方、本発明に基づき仮想2次元アレイア
ンテナの配列及び配置位置を設定する仮想2次元アレイ
設定部13と、方位角測定を行う2次元の角度範囲であ
る角度セクタを設定するための角度セクタ設定部14が
設けられている。これらの仮想2次元アレイ設定部13
及び角度セクタ設定部14は、装置のユーザが入力装置
を用いて仮想2次元アレイアンテナの配列及び配置位置
と角度セクタを設定するようにし構成することができ
る。
【0033】こうして設定された仮想2次元アレイアン
テナの配列及び配置位置とセクタの情報はステアリング
ベクトル設定部15に与えられ、ここで角度セクタ内に
おける仮想2次元アレイアンテナ配列のステアリングベ
クトルが設定される。このステアリングベクトルがアレ
イ変換行列算出部16に与えられ、実アレイアンテナ1
0の設定された角度セクタ内のステアリングベクトル
を、仮想2次元アレイアンテナ配列の設定された角度セ
クタ内のステアリングベクトルに変換するためのアレイ
変換行列が式(6)(7)(8)に基いて算出される。
【0034】第2の相関行列算出手段である仮想2次元
アレイ相関行列算出部17では、相関行列算出部12で
算出された第1の相関行列Rとアレイ変換行列算出部1
6で算出されたアレイ変換行列Bとから、第2の相関行
列BRBHが算出される。
【0035】第3の空間行列算出部である空間スムージ
ング行列算出部18では、この相関行列BRBHを式
(4)により空間スムージング処理し、空間スムージン
グ行列である第3の相関行列R′が算出される。この相
関行列R′がMUSIC測角処理部19に入力され、M
USICアルゴリズムにより測角処理されることによ
り、到来波の入射方位角が推定される。MUSIC測角
処理部19で推定された到来波の入射方位角は、測角結
果出力部20で表示出力される。
【0036】次に、図2に示すフローチャートを用いて
本実施形態における入射方位角測定の処理手順を説明す
る。まず、仮想2次元アレイ設定部13によって、仮想
2次元アレイアンテナの配列及び配置位置を決定する
(ステップST21)。一方、角度セクタ設定部14に
よって、測角を行う2次元の広がりを持つ角度セクタ
(直交する二方向の角度範囲)を設定する(ステップS
T22)。ステップST21とST22の処理順序は逆
でも良いし、同時並行的に行っても良い。次に、ステア
リングベクトル設定部15によって、角度セクタ内の仮
想アレイアンテナのステアリングベクトルa ̄を算出す
る(ステップST23)。次に、アレイ変換行列算出部
16によって、アレイ変換行列Bを算出する(ステップ
ST24)。一方、相関行列算出部12によって、相関
行列Rを算出する(ステップST25)。このステップ
ST25の処理は、ステップST21〜ST24の処理
の前に行っても良い。次に、仮想2次元アレイ相関行列
算出部17によって、相関行列BRBHを算出する(ス
テップST26)。次に、空間スムージング行列算出部
18によって、相関行列BRBHを空間スムージングす
る(ステップST27)。次に、MUSIC測角処理部
19によって、測角処理を行う(ステップST28)。
最後に、測角結果出力部20によって、推定された到来
波の入射方位角を例えば表示出力する(ステップST2
9)。
【0037】以下に、具体例を用いながら、図2の各ス
テップの処理についてさらに詳しく説明する。以下の具
体例では、従来技術での説明と同様の条件の場合ついて
述べる。すなわち、図14に示したように実アレイアン
テナ10として8素子円形アレイアンテナを用い、X−
Y面上に配置する。また、到来波をコヒーレントな2個
の電波とし、それぞれの到来波の入射方位角を直交する
二方向(θ方向、φ方向)についてθ=5°,φ=0°
と、θ=25°,φ=3°とする。つまり、従来の技術
では測角が困難である場合を想定している。
【0038】ステップST11では、図3に示すように
仮想2次元アレイアンテナ31を2×4の長方形配列と
して図のように配置する。ステップST12では、図3
中に示されるように測角を行う角度セクタとしてθ方向
及びφ方向の角度範囲をそれぞれ0°≦θ≦30°,−
5°≦φ≦5°に設定する。ステップST13では、仮
想2次元アレイアンテナ31のステアリングベクトルa
 ̄(θ、φ)を計算する。ここでは、θ,φ共に2°間
隔で計算したので、96(=16×6)方向のステアリ
ングベクトルを計算している。ステップST14では、
式(9)に基いてアレイ変換行列Bを算出する。変換行
列は直接求められないので、最小2乗法を用いて求め
た。ステップST15では、受信信号x1,x2,…,x
8(M=8)を用いて相関行列Rを算出する。ステップ
ST16では、ステップST14で得られた変換行列B
と、ステップST15で得られた相関行列RよりBRB
Hを算出する。ステップST17では、式(4)に基い
てBRBHを空間スムージングし、相関行列R′を算出
する。ステップST18では、相関行列R′をMUSI
Cアルゴリズムにより測角処理する。この結果、ステッ
プST19において図4に示すような入射方位角推定結
果が出力された。
【0039】図4を見ると、θ=5°,φ=0°方向と
θ=25°,φ=3°方向にピークが存在しており、従
来技術では分離測角が不可能であった2個の到来波の入
射方位角が正しく推定できていることが分かる。
【0040】上述の説明から明らかなように、本発明が
従来技術と大きく異なる点は、仮想アレイアンテナを2
次元配列とすること(ステップST11)、角度セクタ
に2次元の広がりを持たせていること(ステップST1
2)の二点である。このような簡単な工夫により、従来
技術では不可能であった複数の到来波の分離測角が従来
と同じハードウェア構成で実現可能になっている。
【0041】(第2の実施形態)次に、本発明の第2の
実施形態について説明する。図5は、本実施形態に係る
入射方位角測定装置の構成を示している。本実施形態が
第1の実施形態と異なる点は、到来波の概略の入射方位
角21に基いて仮想2次元アレイアンテナの配列及び配
置位置が設定されるようにしたことである。
【0042】この概略の入射方位角21に基づいた仮想
2次元アレイアンテナの配列及び配置位置については、
従来は考慮の対象になっていない。つまり、従来では仮
想2次元アレイアンテナに等間隔リニアアレイを用いて
いたために、その配列及び配置位置に関しては議論がさ
れてこなかった。
【0043】概略の入射方位角と適切な仮想2次元アレ
イアンテナの関係は、システムにも依存する。例えば、
θ方向の精度を要求している場合や、φ方向の精度を要
求している場合など様々である。具体的に、例えば第1
の実施形態で説明した例の図3に示した仮想2次元アレ
イアンテナ31は、θ方向の精度を重要視した場合の例
である。すなわち、高精度に推定を行いたいθ方向に関
しては、素子アンテナを4素子のように多素子配列し、
推定精度にそれほど精度を要求しないφ方向には、素子
アンテナを2次元アレイに最低限必要な2素子しか配列
していない。
【0044】これに対し、本実施形態では到来波の概略
入射方位角21に基いて仮想2次元アレイアンテナの配
列及び配置位置を上記のように設定することが容易に可
能となり、常に最良の推定精度を得ることができる。な
お、概略の入射方位角21についてはどのような方法で
求めても良い。
【0045】例えば、図1に示した入射方位角測定装置
による推定結果を用いて概略の入射方位角21を求め、
入射方位角測定装置による測定動作を繰り返すようにし
てもよい。この場合には、他の測角アルゴリズムを用い
る必要がないので、アルゴリズムが簡単になるという利
点がある。
【0046】その他の方法としては、最大利得方向の異
なるビームパターン(指向性パターン)を形成して到来
波を受信し、受信電力の大きなビームパターンに対応す
る方位角を概略の入射方位角としても良い。ビームパタ
ーンの形成は、実アレイアンテナ10からの受信信号を
公知のバトラーマトリクス回路や空間FFT回路等で構
成されるビーム形成回路に入力して処理することで実現
できる。さらに、適用可能な全ての入射方位角推定アル
ゴリズムを用いて概略の入射方位角を求めることが可能
である。
【0047】(第3の実施形態)次に、本発明の第3の
実施形態について説明する。図6は、本実施形態におけ
る仮想2次元アレイアンテナを示している。この仮想2
次元アレイアンテナは、少なくとも3個の同一の2次元
サブアレイ、この例では第1のサブアレイ33A,33
B,33Cに分割ができ、かつ3個のサブアレイ33
A,33B,33Cの中心は同一直線上に存在しないよ
うに配列されていることが特徴である。
【0048】このように仮想2次元アレイアンテナを形
成することで、入射方位角がどのような角度であって
も、空間スムージング処理によって到来波を測角できる
ようになる。以下に、詳しく説明する。
【0049】本実施形態の仮想2次元アレイアンテナと
は異なる比較例として、図7に示すようにX軸方向に5
素子、Y軸方向に2素子の5×2アレイアンテナを考
え、3×2の大きさの3つのサブアレイ33A,33
B,33Cに分割したとする。すなわち、図7の3個の
サブアレイ33A,33B,33Cは、互いにX軸方向
のみに平行移動した関係にあるサブアレイであり、図6
とは異なって各々の中心はX軸方向の同一直線上に存在
している。
【0050】一般的に、空間スムージングはサブアレイ
の平行移動方向に対して垂直な方向からの到来波に対し
ては、効果のないものとなる。図7の場合には、到来波
の入射方向がY軸方向、つまり、φ=±90の場合に、
空間スムージング効果がなくなり、測角ができなくな
る。従って、本実施形態のように3個のサブアレイ33
A,33B,33Cを同一方向に平行移動の関係にない
配置、各々の中心が同一直線上に存在しないようにする
ことで、全ての入射方向の到来波に対して空間スムージ
ングの効果が発揮でき、正確な測角ができるようにな
る。
【0051】このように入射方位角が未知である環境の
場合、本実施形態のように全ての方位角に対して空間ス
ムージングの効果を有するように仮想2次元アレイアン
テナを配置することは非常に効果があり、これによって
正確な測角が可能となる。
【0052】(第4の実施形態)本発明の第4に実施形
態について説明する。本実施形態では、図5の構成にお
いて、概略の入射方向がφ方向に関しておおむね同じ角
度である場合に、非常に精度よく到来波を分離すること
ができる仮想2次元アレイアンテナの配置位置に関す
る。
【0053】図8は、本実施形態に関する概略の入射方
位角と、仮想2次元アレイアンテナ31の配置位置を示
している。この例では仮想2次元アレイアンテナ31の
配列自体は、第1の実施形態で示したものと同じであ
る。複数の到来波は、概略の入射方位角がφ方向(Y軸
方向)に関してほぼ同じ角度で入射している。ここで
は、ほぼ同じφ=45°方向としている。そして、仮想
2次元アレイアンテナ31を2素子×M素子の長方形配
列として、その配置を角度φと同じだけφ方向に回転さ
せて設定していることが特徴である。
【0054】このように仮想アレイアンテナ31の配置
位置を設定することで、到来波の入射方位角測定精度を
向上させることができる。以下に、詳しく説明する。図
8に示したように、概略の入射方位角がφ方向に関して
ほぼ同じ角度に存在する場合には、入射方位角の分解能
はθ方向が重要視される。入射方位角の測定精度を向上
する方法として、アレイアンテナの素子数を増加させる
ことが一般的に考えられる。
【0055】そこで、本実施形態では2次元アレイアン
テナであるが、θ方向の推定精度を最大に持つように設
定された2素子×M素子の長方形アレイを仮想2次元ア
レイ31として用いる。つまり、2次元アレイにおい
て、ある方向に対する素子数を最大にするために、もう
一方向に対する素子数を最少の2素子としている。
【0056】さらに、2素子×M素子の長方形アレイか
らなる仮想2次元アレイアンテナ31の配置を概略入射
方位角(角度)φと同じ向きに設定している。すなわ
ち、θ方向の推定精度を最大とするように配置してい
る。なお、サブアレイとしては2素子×M′素子の長方
形サブアレイを用いれば良い。
【0057】このように本実施形態によれば、特に複数
の到来波の概略の入射方位角がφ方向に関してほぼ同じ
角度である場合に、θ方向の推定精度を向上させ、その
結果として、到来波の入射方位角をより精度よく推定す
ることができる。
【0058】(第5の実施形態)次に、本発明の第5の
実施形態について説明する。本実施形態においては、図
5と同様の構成において、図9(a)(b)(c)に示
すように到来波の概略入射方位角に基いて複数の仮想2
次元アレイアンテナ31の配置を設定し、各々の配置に
対応した複数の入射方位測定結果を平均して、最終的な
入射方位角を求めることを特徴とする。
【0059】本実施形態に用いる仮想2次元アレイアン
テナ31は、2素子×M素子の長方形アレイである。そ
して、これらを図9(a)(b)(c)に示すように複
数の異なった向きに配置する。ここで、到来波の概略の
入射方向が長方形アレイの長辺方向に対して垂直な方位
角(φ)から入射しないように選ぶ。そして、これら複
数の仮想2次元アレイ31を用いた場合の到来波の入射
方位角推定結果を平均化することで、精度よく入射方位
角を測定することができる。
【0060】アレイアンテナを用いて精度よく到来方向
を推定するためには、アンテナ素子数を増やす必要があ
る。そこで、一定の総素子数に下で一方向に最も素子数
の多い2素子×M素子の仮想2次元アレイアンテナを用
いると、M素子の配列方向に関する推定精度は最も大き
くなるが、2素子の配列方向の推定精度は劣化する。
【0061】これに対し、本実施形態のように異なった
向きに配置した複数の2素子×M素子の仮想2次元アレ
イアンテナ31を用いることで、全ての方向に対して高
分解能な推定を実現できる。そして、それらの推定結果
を平均することで、全ての方位角に対して測定精度を改
善することが可能となる。
【0062】このように本実施形態によれば、複数の2
素子×M素子の仮想2次元アレイを用いた複数の推定結
果を平均化することで、入射方位角の測定精度を向上さ
せることができる。
【0063】(第6の実施形態)次に、本発明の第6の
実施形態について説明する。本実施形態は角度セクタの
設定方法に関するものであり、図10にその設定方法を
示す。本実施形態においては、概略の入射方位角に基い
て角度セクタを設定するが、角度セクタを概略の入射方
位角の近傍の微小領域のみとすることが特徴である。
【0064】図10に示すように、概略の入射方位角の
近傍のθi±Δθ,φi±Δφ(θi,φiはそれぞれθ方
向、φ方向におけるi番目の概略の入射方位角を表す)
の領域のみを角度セクタ32とする。従って、本実施形
態では角度セクタ31が複数存在する場合がある。この
ように角度セクタを設定することで、アレイ変換行列を
求めるときの変換誤差を小さくすることが可能であり、
その結果、精度よく到来波の入射方位角を測定すること
ができるようになる。
【0065】以上、本発明の実施形態をいくつか説明し
たが、本発明は以下のように種々の変形実施が可能であ
る。 (1)実施形態においては、入射方位角を極座標表示の
θとφを用いたが、これの代りにアジマス、エレベーシ
ョンで表示することも可能である。 (2)「到来波の概略の入射方位角に基いて測角を行
う」処理を前回の入射方位角推定結果を受けて複数回繰
り返し、徐々に推定精度を向上させる用にしても良い。 (3)実施形態においては、測角処理アルゴリズムとし
てMUSICアルゴリズムを用いたが、空間スムージン
グ処理された相関行列を用いて到来波の入射方位角を推
定することができるアルゴリズムならば、どのようなア
ルゴリズムを用いても構わない。
【0066】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、実アレイ
アンテナに複数の到来波としてコヒーレント波が任意の
2次元的に分布した方位角から入射した場合にも、容易
に入射方位角を推定して測定することができる。すなわ
ち、到来波の入射方位角が完全に同一平面内に存在する
場合には、仮想2次元アレイアンテナではなく、従来と
同じ仮想リニアアレイを用いることで測角精度を向上す
ることができるが、複数の到来波が同一平面内から入射
してくることは分からない状況では、本発明のように仮
想2次元アレイアンテナを用いることは有効である。
【0067】また、本発明によると概略の入射方位角に
基いて2次元アレイアンテナの配列及び配置位置を設定
することで、より正確に入射方位角を推定して測定する
ことができる。
【0068】しかも、本発明では従来と同等のハードウ
エア構成で装置を実現できるので、入射方位角測定装置
の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る入射方位角測定
装置の構成を示すブロック図
【図2】同実施形態における測角信号処理の手順を示す
フローチャート
【図3】同実施形態における仮想2次元アレイアンテナ
と角度セクタの説明図
【図4】同実施形態における入射方位角測定結果の例を
示す図
【図5】本発明の第2の実施形態に係る入射方位角測定
装置の構成を示すブロック図
【図6】本発明の第3の実施形態における仮想2次元ア
レイアンテナの説明図
【図7】同実施形態に対応する比較例に係る仮想2次元
アレイアンテナの説明図
【図8】本発明の第4の実施形態における概略的な入射
方位角と仮想2次元アレイアンテナの配置位置について
の説明図
【図9】本発明の第5の実施形態における概略的な入射
方位角に基づいて配置が設定される複数の仮想2次元ア
レイアンテナについての説明図
【図10】本発明の第6の実施形態における概略的な入
射方位角と角度セクタについての説明図
【図11】等間隔リニアアレイアンテナについて示す図
【図12】円形アレイアンテナについて示す図
【図13】実アレイアンテナから仮想アレイアンテナへ
の変換の概念図
【図14】実アレイアンテナへ2個の到来波が入射して
いる様子を示す図
【図15】仮想リニアアレイアンテナとそのときの角度
セクタを示す図
【図16】従来技術に係る入射方位角測定結果を示す図
【図17】2個の到来波が入射していることを説明する
【図18】従来技術に係る2個の到来波に対する入射方
位測定結果を示す図
【符号の説明】
10…実アレイアンテナ 10−1〜10−N…素子アンテナ 11−1〜11N…A/D変換器 12…相関行列算出部(第1の相関行列算出手段) 13…仮想2次元アレイアンテナ設定部 14…角度セクタ設定部 15…ステアリングベクトル設定部 16…アレイ変換行列算出部 17…仮想2次元アレイの相関行列算出部(第2の相関
行列算出手段) 18…空間スムージング行列算出部(第3の相関行列算
出手段) 19…MUSIC測角処理部(入射方位角推定手段) 20…測角結果出力部 21…到来波の概略の入射方位角 31…仮想2次元アレイアンテナ 32…角度セクタ(2次元角度範囲) 33A,33B,33C…サブアレイ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−253730(JP,A) 特開 平11−148956(JP,A) 特開 平11−38058(JP,A) 特開 平9−33628(JP,A) 特開 平8−201498(JP,A) 特許3428884(JP,B2) 特許2948459(JP,B2) 特許3285503(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 3/00 - 3/74

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】到来波を受信して受信信号を出力する実ア
    レイアンテナと、 前記受信信号を用いて第1の相関行列を算出する第1の
    相関行列算出手段と、 前記実アレイアンテナの予め設定された直交する二方向
    の角度範囲内でのステアリングベクトルを予め仮想的に
    設定された仮想2次元アレイアンテナの前記角度範囲内
    でのステアリングベクトルに変換するためのアレイ変換
    行列を算出するアレイ変換行列算出手段と、 前記第1の相関行列及び前記アレイ変換行列を用いて前
    記仮想2次元アレイアンテナについての第2の相関行列
    を算出する第2の相関行列算出手段と、 前記第2の相関行列に空間スムージング処理を施して第
    3の相関行列を算出する第3の相関行列算出手段と、 前記第3の相関行列を用いて前記到来波の入射方位角を
    推定する入射方位角推定手段とを備えたことを特徴とす
    る入射方位角測定装置。
  2. 【請求項2】前記仮想2次元アレイアンテナの配列及び
    配置位置を予め推定された前記到来波の概略の入射方位
    角に基いて設定する手段を有することを特徴とする請求
    項1記載の入射方位角測定装置。
  3. 【請求項3】前記概略の入射方位角として前回の前記入
    射方位角推定手段の推定結果を用いて、前記入射方位角
    測定装置による測定動作を繰り返すことを特徴とする請
    求項2記載の入射方位角測定装置。
  4. 【請求項4】前記仮想2次元アレイアンテナは、少なく
    とも3個の同一の2次元サブアレイに分割ができ、かつ
    該少なくとも3個のサブアレイは中心位置が同一直線上
    に存在しないように配置されていることを特徴とする請
    求項1または2記載の入射方位角測定装置。
  5. 【請求項5】仮想2次元アレイアンテナとして、それぞ
    れが2素子×M素子構成(Mは3以上の整数)からなる
    複数個の仮想2次元アレイアンテナを有し、 前記入射方位角推定手段は、前記複数個の仮想2次元ア
    レイアンテナにそれぞれ対応した入射方位角推定結果を
    平均して最終的な入射方位角を推定することを特徴とす
    る請求項1乃至4のいずれか1項記載の入射方位角測定
    装置。
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