JP3647621B2 - 電波方位探知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナの受信信号から、複数の入射波の到来方向を測定する電波方位探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電波方位探知装置について図５を参照しながら説明する。図５は、例えばR.O.Schmidt、”Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation”、IEEE Trans.Antennas Propag.、Vol.AP-34、No.3、PP.276-280（March 1986）に示された従来のミュージック（ＭＵＳＩＣ：multiple signal classification）アルゴリズムを用いた電波方位探知装置を示す図である。
【０００３】
図５において、１はアレーアンテナでありその受信信号をＭＵＳＩＣ処理器２に入力する。
【０００４】
また、同図において、３〜７はＭＵＳＩＣ処理器２内の処理フローを示している。３はアレーアンテナ１の出力を入力して、各アレー素子間の相関を求めて「相関行列Ｒ」を計算するステップ、４は相関行列Ｒの「固有値λ」、及び「固有ベクトルｅ」を計算するステップ、５はステップ４で求められた固有値のうちノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを算出するステップ、６は測定する各方位に対する各アレーアンテナ１の受信位相差や、利得の情報を持つ「ステアリングベクトル」とステップ５で得られる固有ベクトルの内積の絶対値の２乗の逆数を「方位評価関数Ｐ（θ）」として算出するステップ、７はステップ６で得られる方位評価関数Ｐ（θ）に現れるピークから入射波の到来方向θを推定するステップである。
【０００５】
つぎに、前述した従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いた電波方位探知装置の動作について説明する。
【０００６】
ＭＵＳＩＣアルゴリズムは、Ｍ個の素子アンテナを有するアレーアンテナ１に、Ｍより少ないＫ波の信号が入射する場合に、アレーアンテナ１の受信信号の相関行列Ｒのノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルと電波の入射方向に対応するステアリングベクトルが直交する性質を利用した方探アルゴリズムである。
【０００７】
アレーアンテナ１を構成する素子アンテナは、無指向性のアンテナとし、ｍ番目のアレー素子アンテナの受信信号を「ｘm」、ノイズを「ｎm」、ｋ番目の到来電波「ｓk」、到来方向を「θk」とする。このとき、アレーアンテナ１の「受信信号列ベクトル」は、次の式（１）のように表される。
【０００８】
【数１】
【０００９】
上記の式（１）のａ（θk）は、次の式（２）で示される到来方向θkに対応したステアリングベクトルである。
【００１０】
【数２】
【００１１】
上記の式（３）において、ｇm（θk）は素子アンテナｍの到来方向θkの「複素ゲイン」、ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）ｐk・ｄm）は受信位相差を表す複素数である。また、ｐkはθk方向の「単位ベクトル」、ｄmは素子アンテナｍの「位置ベクトル」である。
【００１２】
上記の式（１）において、左辺の受信信号ベクトルを「Ｘ」、ステアリングベクトルで構成される行列を「Ａ」、到来信号ベクトルを「Ｓ」、ノイズベクトルを「Ｎ」とすると、次の式（４）のように書き換えられる。
【００１３】
【数３】
【００１４】
相関行列Ｒは、上記の式（４）から、ＸＸTとして求められる。以上の処理が図５のステップ３において行われる処理である。アレーアンテナ数Ｍ＞到来信号数Ｋの時、相関行列Ｒの最小固有値は受信機雑音に対応し、その固有ベクトルＥminと電波到来方向θkに対応したステアリングベクトルａ（θk）とは直交する性質がある。そこで、ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは次の式（５）で示されるようなＰ（θ）を方位評価関数として用いる。
【００１５】
【数４】
【００１６】
なお、相関行列Ｒの固有値及び固有ベクトルは図５のステップ４により求められ、図５のステップ５において、求められたＭ個の固有値のうち最小な固有値λminに対応する固有ベクトルＥminが選定され、式（５）に示す処理は、図５のステップ６において行われる。式（５）に示した方位評価関数より、固有ベクトルＥminと電波到来方向θに対応したステアリングベクトルａ（θ）が直交する時に、方位評価関数Ｐ（θ）は極大となり、この方向θが電波の到来方向として求められる。図５のステップ７では、この方位評価関数に現れるピークから入射波の到来方向を推定する。
【００１７】
ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、全方向θに対し、方位評価関数Ｐ（θ）を求めることが理想であるが、現実には離散的なθ列に対してしか、方位評価関数Ｐ（θ）を計算することができない。このθ列のポイント数をｉとする。このとき、（測定する全方位角）／ｉの分解能で方位評価関数を計算することができ、ポイント数ｉが大きい程、より高分解能な方探が可能となるが、それだけ演算量が増大する欠点がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いた電波方位探知装置では、入射波数が少ない場合でも演算量が多い処理を行う必要があり、精度を上げるためにはさらに測定時間がかかるという問題点があった。
【００１９】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、入射波数が少ない場合には演算量を少なくでき、精度を高めることができる電波方位探知装置を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関値に基づいて電波の入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを計算し、前記相関行列及び相互相関ベクトルから荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする所定の方程式を解いて電波の入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、前記アレーアンテナの受信信号から適応フィルタにより荷重値を計算し、前記荷重値からアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２１】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記第１の信号処理装置が、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求め、前記第２の信号処理装置が、前記アレーアンテナの一部の受信信号の相関処理を行って部分的な相関行列と相互相関ベクトルを計算し、前記部分的な相関行列と相互相関ベクトルから信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求め、前記第３の信号処理装置が、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求めるものである。
【００２２】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記入射波数推定手段が、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定するものである。
【００２３】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記入射波数推定手段が、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定するものである。
【００２４】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２５】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きく、正の整数であって１より大きい値の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２６】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きい場合には、ノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを求め、前記アレーアンテナの各方位に対する位相特性や振幅特性を要素として持つステアリングベクトルと前記固有ベクトルから方位評価関数を算出し、前記方位評価関数のピークを検出して入射方向を求める第２の信号処理装置とを備えたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２８】
図１において、１はアレーアンテナ、１０はアレーアンテナ１の受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段、２０は入射波数推定手段１０で求められた入射波数に応じて電波方向探知アルゴリズムを切り替えるアルゴリズム切替手段（信号処理装置切替手段）、３０は入射波数Ｋがある正の整数Ｋ1以下である場合（Ｋ≦Ｋ1）にアレーアンテナ１の受信信号の相関値より干渉計の原理で入射方位を求める信号処理装置（アルゴリズム１）、４０は入射波数ＫがＫ1より大きく正の整数Ｋ2より小さい場合（Ｋ1＜Ｋ＜Ｋ2）にアレーアンテナ１の受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを算出し相関行列の逆行列と相互相関ベクトルの積から荷重値を計算してこれを係数として持つ方程式の解から入射方位を算出する信号処理装置（アルゴリズム２）、５０は入射波数ＫがＫ2以上である場合（Ｋ2≦Ｋ）に適応フィルタにより荷重値を計算し、この荷重値から算出されるアンテナパターンのヌルから入射方位を算出する信号処理装置（アルゴリズム３）である。
【００２９】
つぎに、この実施の形態１の動作について説明する。まず、アレーアンテナ１の受信信号を入射波数推定手段１０に入力し、受信信号に含まれる入射波の数を推定する。このような手段として、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定することが出来る。
【００３０】
次に、アルゴリズム切替手段２０によって、入射波数推定手段１０で求められた入射波数に応じて電波方位探知に用いるアルゴリズムを切り替える。アルゴリズムを切り替える境界となる入射波数Ｋ1、Ｋ2は、各アルゴリズムの計算量や精度により決定する。ここでは、例として、Ｋ1＝１、Ｋ2＝５とする。また、各素子アンテナは無指向性でありｇm（θk）＝１であるとする。
【００３１】
まず、入射波数が「１」である場合は、アルゴリズム１を選択する。アルゴリズム１では、処理ステップ３０により、２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向θを求める。
【００３２】
例えば、入射波ｓ0が入射するときアレーアンテナ１の０番目および１番目のアンテナの受信信号の相関値は式（１）〜（３）より次の式（６）のようになる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
この相関値（複素数）の偏角から、入射方向ベクトルｐ0を求めることができる。このように入射波が１波である場合には、従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムによる多くの処理ステップを行う必要なく簡単に入射方向を知ることが出来る。また、ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、評価方向ごとにノイズに対応する固有ベクトルとステアリングベクトルの内積から評価関数を求めるため、入射方向と評価方向が一致せず精度が悪くなることが考えられるが、この方法では式（６）から直接、入射方向ベクトルｐ0を求めるので精度の面でも有効である。
【００３５】
次に、入射波数が２以上４以下である場合について説明する。この場合には、アルゴリズム２による信号処理装置４０を選択する。ＭＵＳＩＣアルゴリズムの場合と同様にアレーアンテナ１の一部（例えば、３素子のアレーアンテナであれば２素子、５素子のアレーアンテナであれば４素子）の素子アンテナの相関行列、および相互相関ベクトルを計算する。アレーアンテナ１の素子数をＭとし、各素子アンテナの受信信号をｘ0（ｔ）、ｘ1（ｔ）、・・・、ｘM-1（ｔ）とする。このとき、ｘ1（ｔ）〜ｘM-1（ｔ）の相関行列Ｒ、及びｘ0（ｔ）とｘ1（ｔ）〜ｘM-1（ｔ）の相互相関ベクトルＰをステップ４１において次の式（７）及び式（８）に示すように求める。
【００３６】
【数６】
【００３７】
次に、式（９）により計算される信号ｅ（ｔ）の平均電力を最小化する荷重ｗ1〜ｗM-1をステップ４２において式（１０）のように求める。
【００３８】
【数７】
【００３９】
次に、ステップ４３において、式（１０）で求められた荷重を係数として持つ次の式（１１）に示すようなｕについてのＫ次方程式を解く。
【００４０】
【数８】
【００４１】
上記の式（１１）の解（複素数）の偏角から、入射角が求められる。入射波が１波の場合と同様に入射角を解析的に解くので、精度と演算量の面で有効である。しかし、式（１０）における逆行列の計算、及び式（１１）のＫ次方程式を解く計算は入射波の数が多く、次数が増加すると極度に難しくなる。このため、ある次数以上では、パラメータを振って解を見つけなくてはならない。
【００４２】
上記のような理由から、入射波数が５以上となる場合にはアルゴリズム３による信号処理装置５０を選択する。まず、ステップ５１において、式（９）の平均電力を最小化する荷重ｗ1〜ｗM-1を適応フィルタにより漸化的に求める。
【００４３】
次に、ステップ５２において、式（１２）で計算されるようなアレーアンテナ１の各素子に荷重ｗ1〜ｗM-1を乗じた場合のアンテナパターンを計算する。
【００４４】
【数９】
【００４５】
適応フィルタは、入射波の方向のゲインを最小化するように荷重を制御するので、上記の式（１２）で計算されるパターンには入射方向にヌルが形成される。この結果、入射波の入射方向θを知ることができる。
【００４６】
以上説明したように、この実施の形態１は入射波の数に応じて方向探知アルゴリズム（信号処理装置）を切り替えるので、特に入射波が少ない場合に、高精度で演算量の少ない方向探知を行うことが出来る。
【００４７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置について図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００４８】
この実施の形態２では、上記の実施の形態１の処理のうち、入射波数推定手段１０を以下のようなステップ処理により構成する。
【００４９】
まず、ステップ１１において、アレーアンテナ１の受信信号を入力して次の式（１３）に示すような相関行列Ｒaを算出する。
【００５０】
【数１０】
【００５１】
次に、ステップ１２〜１３において、相関行列の固有値を算出し、固有値の大きさから入射波数を推定する。固有値の大きさは、受信機雑音に対応するものは小さく一般にばらつきが小さい。入射信号に対応する固有値はノイズに対応するものよりも大きいので、入射波数を判別することが出来る。
【００５２】
このような方法で入射波数を判別した場合には、上記の実施の形態１におけるステップ４１の処理は不要となる。なぜならば、相関行列Ｒは相関行列Ｒaの２〜（Ｍ−１）行、２〜（Ｍ−１）列の要素で構成される行列であり、相互相関ベクトルＰは相関行列Ｒaの２〜（Ｍ−１）行、１列の要素で構成される行列であるからである。このような構成にすることにより、上記の実施の形態１と同様な効果を得ることが出来る。
【００５３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００５４】
この実施の形態３では、入射波数推定手段１０の推定結果が１であった場合に、上記の実施の形態１及び２のアルゴリズム１（ステップ３０）の処理に代わってステツプ６０の処理（信号処理装置）により入射波の方向探知を行う。
【００５５】
このステップ６０（アルゴリズム１）は、入射波が１波である場合にステップ１２で求められた固有値のなかで最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを求める。この固有ベクトルは入射波のステアリングベクトルａ（θ0）であるので、これより入射方向θを求めることができる。このような構成にすることにより、上記の実施の形態１及び２と同様な効果を得ることが出来る。
【００５６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００５７】
この実施の形態４では、アルゴリズム切替手段２０において、入射波数ＫがＫ1より大きい場合（Ｋ1＜Ｋ）にアルゴリズム２として、従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムと同様の処理を信号処理装置７０において行う。すなわち、ステップ５〜７において、ノイズに対応する固有ベクトルを算出し、この固有ベクトルと評価する方位のステアリングベクトルとから式（５）に示すように方位評価関数Ｐ（θ）を算出する。この方位評価関数Ｐ（θ）に現れるピークから入射波の入射方向θを求める。このような構成にすることにより、上記実施の形態１ないし３と同様な効果を得ることが出来る。
【００５８】
【発明の効果】
この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関値に基づいて電波の入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを計算し、前記相関行列及び相互相関ベクトルから荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする所定の方程式を解いて電波の入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、前記アレーアンテナの受信信号から適応フィルタにより荷重値を計算し、前記荷重値からアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００５９】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記第１の信号処理装置が、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求め、前記第２の信号処理装置が、前記アレーアンテナの一部の受信信号の相関処理を行って部分的な相関行列と相互相関ベクトルを計算し、前記部分的な相関行列と相互相関ベクトルから信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求め、前記第３の信号処理装置が、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求めるので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６０】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記入射波数推定手段が、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定するので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６１】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記入射波数推定手段が、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定するので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６２】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６３】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きく、正の整数であって１より大きい値の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６４】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きい場合には、ノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを求め、前記アレーアンテナの各方位に対する位相特性や振幅特性を要素として持つステアリングベクトルと前記固有ベクトルから方位評価関数を算出し、前記方位評価関数のピークを検出して入射方向を求める第２の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電波方位探知装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ、１０ 入射波数推定手段、２０ アルゴリズム切替手段、３０ アルゴリズム１による信号処理装置、４０ アルゴリズム２による信号処理装置、５０ アルゴリズム３による信号処理装置、６０ アルゴリズム１による信号処理装置、７０ アルゴリズム２による信号処理装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナの受信信号から、複数の入射波の到来方向を測定する電波方位探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電波方位探知装置について図５を参照しながら説明する。図５は、例えばR.O.Schmidt、”Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation”、IEEE Trans.Antennas Propag.、Vol.AP-34、No.3、PP.276-280（March 1986）に示された従来のミュージック（ＭＵＳＩＣ：multiple signal classification）アルゴリズムを用いた電波方位探知装置を示す図である。
【０００３】
図５において、１はアレーアンテナでありその受信信号をＭＵＳＩＣ処理器２に入力する。
【０００４】
また、同図において、３〜７はＭＵＳＩＣ処理器２内の処理フローを示している。３はアレーアンテナ１の出力を入力して、各アレー素子間の相関を求めて「相関行列Ｒ」を計算するステップ、４は相関行列Ｒの「固有値λ」、及び「固有ベクトルｅ」を計算するステップ、５はステップ４で求められた固有値のうちノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを算出するステップ、６は測定する各方位に対する各アレーアンテナ１の受信位相差や、利得の情報を持つ「ステアリングベクトル」とステップ５で得られる固有ベクトルの内積の絶対値の２乗の逆数を「方位評価関数Ｐ（θ）」として算出するステップ、７はステップ６で得られる方位評価関数Ｐ（θ）に現れるピークから入射波の到来方向θを推定するステップである。
【０００５】
つぎに、前述した従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いた電波方位探知装置の動作について説明する。
【０００６】
ＭＵＳＩＣアルゴリズムは、Ｍ個の素子アンテナを有するアレーアンテナ１に、Ｍより少ないＫ波の信号が入射する場合に、アレーアンテナ１の受信信号の相関行列Ｒのノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルと電波の入射方向に対応するステアリングベクトルが直交する性質を利用した方探アルゴリズムである。
【０００７】
アレーアンテナ１を構成する素子アンテナは、無指向性のアンテナとし、ｍ番目のアレー素子アンテナの受信信号を「ｘm」、ノイズを「ｎm」、ｋ番目の到来電波「ｓk」、到来方向を「θk」とする。このとき、アレーアンテナ１の「受信信号列ベクトル」は、次の式（１）のように表される。
【０００８】
【数１】
上記の式（１）のａ（θk）は、次の式（２）で示される到来方向θkに対応したステアリングベクトルである。
【００１０】
【数２】
上記の式（３）において、ｇm（θk）は素子アンテナｍの到来方向θkの「複素ゲイン」、ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）ｐk・ｄm）は受信位相差を表す複素数である。また、ｐkはθk方向の「単位ベクトル」、ｄmは素子アンテナｍの「位置ベクトル」である。
【００１２】
上記の式（１）において、左辺の受信信号ベクトルを「Ｘ」、ステアリングベクトルで構成される行列を「Ａ」、到来信号ベクトルを「Ｓ」、ノイズベクトルを「Ｎ」とすると、次の式（４）のように書き換えられる。
【００１３】
【数３】
相関行列Ｒは、上記の式（４）から、ＸＸTとして求められる。以上の処理が図５のステップ３において行われる処理である。アレーアンテナ数Ｍ＞到来信号数Ｋの時、相関行列Ｒの最小固有値は受信機雑音に対応し、その固有ベクトルＥminと電波到来方向θkに対応したステアリングベクトルａ（θk）とは直交する性質がある。そこで、ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは次の式（５）で示されるようなＰ（θ）を方位評価関数として用いる。
【００１５】
【数４】
なお、相関行列Ｒの固有値及び固有ベクトルは図５のステップ４により求められ、図５のステップ５において、求められたＭ個の固有値のうち最小な固有値λminに対応する固有ベクトルＥminが選定され、式（５）に示す処理は、図５のステップ６において行われる。式（５）に示した方位評価関数より、固有ベクトルＥminと電波到来方向θに対応したステアリングベクトルａ（θ）が直交する時に、方位評価関数Ｐ（θ）は極大となり、この方向θが電波の到来方向として求められる。図５のステップ７では、この方位評価関数に現れるピークから入射波の到来方向を推定する。
【００１７】
ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、全方向θに対し、方位評価関数Ｐ（θ）を求めることが理想であるが、現実には離散的なθ列に対してしか、方位評価関数Ｐ（θ）を計算することができない。このθ列のポイント数をｉとする。このとき、（測定する全方位角）／ｉの分解能で方位評価関数を計算することができ、ポイント数ｉが大きい程、より高分解能な方探が可能となるが、それだけ演算量が増大する欠点がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いた電波方位探知装置では、入射波数が少ない場合でも演算量が多い処理を行う必要があり、精度を上げるためにはさらに測定時間がかかるという問題点があった。
【００１９】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、入射波数が少ない場合には演算量を少なくでき、精度を高めることができる電波方位探知装置を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関値に基づいて電波の入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを計算し、前記相関行列及び相互相関ベクトルから荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする所定の方程式を解いて電波の入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、前記アレーアンテナの受信信号から適応フィルタにより荷重値を計算し、前記荷重値からアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２１】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記第１の信号処理装置が、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求め、前記第２の信号処理装置が、前記アレーアンテナの一部の受信信号の相関処理を行って部分的な相関行列と相互相関ベクトルを計算し、前記部分的な相関行列と相互相関ベクトルから信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求め、前記第３の信号処理装置が、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求めるものである。
【００２２】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記入射波数推定手段が、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定するものである。
【００２３】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、前記入射波数推定手段が、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定するものである。
【００２４】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２５】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きく、正の整数であって１より大きい値の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたものである。
【００２６】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きい場合には、ノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを求め、前記アレーアンテナの各方位に対する位相特性や振幅特性を要素として持つステアリングベクトルと前記固有ベクトルから方位評価関数を算出し、前記方位評価関数のピークを検出して入射方向を求める第２の信号処理装置とを備えたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２８】
図１において、１はアレーアンテナ、１０はアレーアンテナ１の受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段、２０は入射波数推定手段１０で求められた入射波数に応じて電波方向探知アルゴリズムを切り替えるアルゴリズム切替手段（信号処理装置切替手段）、３０は入射波数Ｋがある正の整数Ｋ1以下である場合（Ｋ≦Ｋ1）にアレーアンテナ１の受信信号の相関値より干渉計の原理で入射方位を求める信号処理装置（アルゴリズム１）、４０は入射波数ＫがＫ1より大きく正の整数Ｋ2より小さい場合（Ｋ1＜Ｋ＜Ｋ2）にアレーアンテナ１の受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを算出し相関行列の逆行列と相互相関ベクトルの積から荷重値を計算してこれを係数として持つ方程式の解から入射方位を算出する信号処理装置（アルゴリズム２）、５０は入射波数ＫがＫ2以上である場合（Ｋ2≦Ｋ）に適応フィルタにより荷重値を計算し、この荷重値から算出されるアンテナパターンのヌルから入射方位を算出する信号処理装置（アルゴリズム３）である。
【００２９】
つぎに、この実施の形態１の動作について説明する。まず、アレーアンテナ１の受信信号を入射波数推定手段１０に入力し、受信信号に含まれる入射波の数を推定する。このような手段として、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定することが出来る。
【００３０】
次に、アルゴリズム切替手段２０によって、入射波数推定手段１０で求められた入射波数に応じて電波方位探知に用いるアルゴリズムを切り替える。アルゴリズムを切り替える境界となる入射波数Ｋ1、Ｋ2は、各アルゴリズムの計算量や精度により決定する。ここでは、例として、Ｋ1＝１、Ｋ2＝５とする。また、各素子アンテナは無指向性でありｇm（θk）＝１であるとする。
【００３１】
まず、入射波数が「１」である場合は、アルゴリズム１を選択する。アルゴリズム１では、処理ステップ３０により、２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向θを求める。
【００３２】
例えば、入射波ｓ0が入射するときアレーアンテナ１の０番目および１番目のアンテナの受信信号の相関値は式（１）〜（３）より次の式（６）のようになる。
【００３３】
【数５】
この相関値（複素数）の偏角から、入射方向ベクトルｐ0を求めることができる。このように入射波が１波である場合には、従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムによる多くの処理ステップを行う必要なく簡単に入射方向を知ることが出来る。また、ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、評価方向ごとにノイズに対応する固有ベクトルとステアリングベクトルの内積から評価関数を求めるため、入射方向と評価方向が一致せず精度が悪くなることが考えられるが、この方法では式（６）から直接、入射方向ベクトルｐ0を求めるので精度の面でも有効である。
【００３５】
次に、入射波数が２以上４以下である場合について説明する。この場合には、アルゴリズム２による信号処理装置４０を選択する。ＭＵＳＩＣアルゴリズムの場合と同様にアレーアンテナ１の一部（例えば、３素子のアレーアンテナであれば２素子、５素子のアレーアンテナであれば４素子）の素子アンテナの相関行列、および相互相関ベクトルを計算する。アレーアンテナ１の素子数をＭとし、各素子アンテナの受信信号をｘ0（ｔ）、ｘ1（ｔ）、・・・、ｘM-1（ｔ）とする。このとき、ｘ1（ｔ）〜ｘM-1（ｔ）の相関行列Ｒ、及びｘ0（ｔ）とｘ1（ｔ）〜ｘM-1（ｔ）の相互相関ベクトルＰをステップ４１において次の式（７）及び式（８）に示すように求める。
【００３６】
【数６】
次に、式（９）により計算される信号ｅ（ｔ）の平均電力を最小化する荷重ｗ1〜ｗM-1をステップ４２において式（１０）のように求める。
【００３８】
【数７】
次に、ステップ４３において、式（１０）で求められた荷重を係数として持つ次の式（１１）に示すようなｕについてのＫ次方程式を解く。
【００４０】
【数８】
上記の式（１１）の解（複素数）の偏角から、入射角が求められる。入射波が１波の場合と同様に入射角を解析的に解くので、精度と演算量の面で有効である。しかし、式（１０）における逆行列の計算、及び式（１１）のＫ次方程式を解く計算は入射波の数が多く、次数が増加すると極度に難しくなる。このため、ある次数以上では、パラメータを振って解を見つけなくてはならない。
【００４２】
上記のような理由から、入射波数が５以上となる場合にはアルゴリズム３による信号処理装置５０を選択する。まず、ステップ５１において、式（９）の平均電力を最小化する荷重ｗ1〜ｗM-1を適応フィルタにより漸化的に求める。
【００４３】
次に、ステップ５２において、式（１２）で計算されるようなアレーアンテナ１の各素子に荷重ｗ1〜ｗM-1を乗じた場合のアンテナパターンを計算する。
【００４４】
【数９】
適応フィルタは、入射波の方向のゲインを最小化するように荷重を制御するので、上記の式（１２）で計算されるパターンには入射方向にヌルが形成される。この結果、入射波の入射方向θを知ることができる。
【００４６】
以上説明したように、この実施の形態１は入射波の数に応じて方向探知アルゴリズム（信号処理装置）を切り替えるので、特に入射波が少ない場合に、高精度で演算量の少ない方向探知を行うことが出来る。
【００４７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置について図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００４８】
この実施の形態２では、上記の実施の形態１の処理のうち、入射波数推定手段１０を以下のようなステップ処理により構成する。
【００４９】
まず、ステップ１１において、アレーアンテナ１の受信信号を入力して次の式（１３）に示すような相関行列Ｒaを算出する。
【００５０】
【数１０】
次に、ステップ１２〜１３において、相関行列の固有値を算出し、固有値の大きさから入射波数を推定する。固有値の大きさは、受信機雑音に対応するものは小さく一般にばらつきが小さい。入射信号に対応する固有値はノイズに対応するものよりも大きいので、入射波数を判別することが出来る。
【００５２】
このような方法で入射波数を判別した場合には、上記の実施の形態１におけるステップ４１の処理は不要となる。なぜならば、相関行列Ｒは相関行列Ｒaの２〜（Ｍ−１）行、２〜（Ｍ−１）列の要素で構成される行列であり、相互相関ベクトルＰは相関行列Ｒaの２〜（Ｍ−１）行、１列の要素で構成される行列であるからである。このような構成にすることにより、上記の実施の形態１と同様な効果を得ることが出来る。
【００５３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００５４】
この実施の形態３では、入射波数推定手段１０の推定結果が１であった場合に、上記の実施の形態１及び２のアルゴリズム１（ステップ３０）の処理に代わってステツプ６０の処理（信号処理装置）により入射波の方向探知を行う。
【００５５】
このステップ６０（アルゴリズム１）は、入射波が１波である場合にステップ１２で求められた固有値のなかで最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを求める。この固有ベクトルは入射波のステアリングベクトルａ（θ0）であるので、これより入射方向θを求めることができる。このような構成にすることにより、上記の実施の形態１及び２と同様な効果を得ることが出来る。
【００５６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【００５７】
この実施の形態４では、アルゴリズム切替手段２０において、入射波数ＫがＫ1より大きい場合（Ｋ1＜Ｋ）にアルゴリズム２として、従来のＭＵＳＩＣアルゴリズムと同様の処理を信号処理装置７０において行う。すなわち、ステップ５〜７において、ノイズに対応する固有ベクトルを算出し、この固有ベクトルと評価する方位のステアリングベクトルとから式（５）に示すように方位評価関数Ｐ（θ）を算出する。この方位評価関数Ｐ（θ）に現れるピークから入射波の入射方向θを求める。このような構成にすることにより、上記実施の形態１ないし３と同様な効果を得ることが出来る。
【００５８】
【発明の効果】
この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関値に基づいて電波の入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを計算し、前記相関行列及び相互相関ベクトルから荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする所定の方程式を解いて電波の入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、前記アレーアンテナの受信信号から適応フィルタにより荷重値を計算し、前記荷重値からアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００５９】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記第１の信号処理装置が、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求め、前記第２の信号処理装置が、前記アレーアンテナの一部の受信信号の相関処理を行って部分的な相関行列と相互相関ベクトルを計算し、前記部分的な相関行列と相互相関ベクトルから信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求め、前記第３の信号処理装置が、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求めるので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６０】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記入射波数推定手段が、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定するので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６１】
また、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、前記入射波数推定手段が、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定するので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６２】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６３】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きく、正の整数であって１より大きい値の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、前記入射波数が前記定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００６４】
さらに、この発明に係る電波方位探知装置は、以上説明したとおり、電波を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、前記入射波数が１より大きい場合には、ノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを求め、前記アレーアンテナの各方位に対する位相特性や振幅特性を要素として持つステアリングベクトルと前記固有ベクトルから方位評価関数を算出し、前記方位評価関数のピークを検出して入射方向を求める第２の信号処理装置とを備えたので、特に入射波数が少ない場合には精度を高くできるとともに演算量を少なくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係る電波方位探知装置の構成を示す図である。
【図５】 従来の電波方位探知装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ、１０ 入射波数推定手段、２０ アルゴリズム切替手段、３０ アルゴリズム１による信号処理装置、４０ アルゴリズム２による信号処理装置、５０ アルゴリズム３による信号処理装置、６０ アルゴリズム１による信号処理装置、７０ アルゴリズム２による信号処理装置。
Claims (7)
- 電波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号から入射波数を推定する入射波数推定手段と、
前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、
前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関値に基づいて電波の入射方向を求める第１の信号処理装置と、
前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記アレーアンテナの受信信号の相関行列及び相互相関ベクトルを計算し、前記相関行列及び相互相関ベクトルから荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする所定の方程式を解いて電波の入射方向を求める第２の信号処理装置と、
前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、前記アレーアンテナの受信信号から適応フィルタにより荷重値を計算し、前記荷重値からアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置と
を備えたことを特徴とする電波方位探知装置。 - 前記第１の信号処理装置は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求め、
前記第２の信号処理装置は、前記アレーアンテナの一部の受信信号の相関処理を行って部分的な相関行列と相互相関ベクトルを計算し、前記部分的な相関行列と相互相関ベクトルから信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求め、
前記第３の信号処理装置は、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める
ことを特徴とする請求項１記載の電波方位探知装置。 - 前記入射波数推定手段は、入射波が周波数の異なる狭帯域な信号である場合には受信信号のスペクトルから入射波数を推定することを特徴とする請求項１又は２記載の電波方位探知装置。
- 前記入射波数推定手段は、前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定することを特徴とする請求項１又は２記載の電波方位探知装置。
- 電波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、
前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、
前記入射波数が正の整数である第１の定数以下である場合は、前記アレーアンテナの２つの素子アンテナの受信信号の相関値を計算してその結果から２つの素子アンテナの受信位相差を計算して入射方向を求める第１の信号処理装置と、
前記入射波数が前記第１の定数より大きく、正の整数であって前記第１の定数より大きい値の第２の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、
前記入射波数が前記第２の定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置と
を備えたことを特徴とする電波方位探知装置。 - 電波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、
前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、
前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、
前記入射波数が１より大きく、正の整数であって１より大きい値の定数より小さい場合は、前記相関行列から信号の平均電力を最小化する荷重値を計算し、前記荷重値を係数とする前記入射波数と同じ次数の方程式を解いて入射方向を求める第２の信号処理装置と、
前記入射波数が前記定数より大きい場合には、信号の平均電力を最小化する荷重値を適応フィルタにより漸化的に計算し、前記アレーアンテナの各素子に荷重値を乗じた場合のアンテナパターンを計算し、前記アンテナパターンのヌル点を検出して電波の入射方向を求める第３の信号処理装置と
を備えたことを特徴とする電波方位探知装置。 - 電波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号の相関処理を行い相関行列を計算し、前記相関行列の固有値を計算し、前記固有値の大きさから入射波数を推定する入射波数推定手段と、
前記入射波数推定手段により推定された入射波数に応じて電波の入射方向を求める信号処理装置を切り替える信号処理装置切替手段と、
前記入射波数が１である場合は、前記固有値のうち最も大きな固有値に対応する固有ベクトルを算出し、前記固有ベクトルをステアリングベクトルとして入射方向を求める第１の信号処理装置と、
前記入射波数が１より大きい場合には、ノイズに対応した固有値に対応する固有ベクトルを求め、前記アレーアンテナの各方位に対する位相特性や振幅特性を要素として持つステアリングベクトルと前記固有ベクトルから方位評価関数を算出し、前記方位評価関数のピークを検出して入射方向を求める第２の信号処理装置と
を備えたことを特徴とする電波方位探知装置。
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