JP3944141B2 - Array manifold data interpolation method, arrival direction estimation method, and array manifold data interpolation device - Google Patents
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Description
本発明は、入射波の到来方向推定方法、当該推定方法などに用いられるアレーマニフォルドデータを補間により導出する方法、補間装置に関するものである。 The present invention relates to an arrival direction estimation method for incident waves, a method for deriving array manifold data used for the estimation method and the like by interpolation, and an interpolation apparatus.
複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置における入射波の到来推定方法として、MUSIC(MUltiple Signal Classification)アルゴリズムが知られており(非特許文献1参照)、かかるMUSICアルゴリズムを利用することで高精度な方位推定が可能となる。 An MUSIC (MUltiple Signal Classification) algorithm is known as an incident wave arrival estimation method in an antenna apparatus having a plurality of antenna elements (see Non-Patent Document 1), and high-precision azimuth estimation is performed by using the MUSIC algorithm. Is possible.
MUSICアルゴリズムでは、方位スペクトラムを計算し、その最大値から方位を推定している。そして、かかる方位スペクトラムを計算する際に、アレーマニフォルドが用いられる。 In the MUSIC algorithm, the azimuth spectrum is calculated, and the azimuth is estimated from the maximum value. An array manifold is used when calculating such an orientation spectrum.
アレーマニフォルドとは、電波の到来してくる方位に対する各アンテナ素子の相対的な受信振幅と相対的な受信位相を表すデータである。また、アレーマニフォルドは、アンテナ素子の放射パターン、アンテナ素子間結合、アンテナ素子の座標に基づく位相量といった主として3つの要素によって定まるものであり、アンテナ装置固有の値である。このようなアレーマニフォルドは、放射パターン測定を行ったり、モーメント法やFDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いた電磁解析を行うことで得ることができる。 The array manifold is data representing the relative reception amplitude and relative reception phase of each antenna element with respect to the direction from which radio waves arrive. The array manifold is determined mainly by three elements such as the radiation pattern of the antenna elements, the coupling between the antenna elements, and the phase amount based on the coordinates of the antenna elements, and is a value unique to the antenna device. Such an array manifold can be obtained by measuring a radiation pattern or performing electromagnetic analysis using a moment method or a FDTD (Finite Difference Time Domain) method.
ところで、上記のようなMUSICアルゴリズムなどの到来方位推定アルゴリズムでは、アレーマニフォルドは方位スペクトラムを計算するすべての角度について必要となる。そして、方位推定精度を向上させるためには、多くの角度についての方位スペクトラムを計算する必要があり、この場合多くの角度に対応するアレーマニフォルドが必要となる。 By the way, in the arrival direction estimation algorithm such as the MUSIC algorithm as described above, the array manifold is required for all angles for calculating the direction spectrum. In order to improve the azimuth estimation accuracy, it is necessary to calculate the azimuth spectrum for many angles. In this case, an array manifold corresponding to many angles is required.
したがって、精度の高い方位推定を行う装置には多量の情報からなるアレーマニフォルドを記憶する記憶容量が必要となるほか、その準備作業として多数のアレーマニフォルドを上記モーメント法などで求めるといった煩雑な作業が必要となる。例えば、アンテナ素子が8個あるアンテナ装置について、アジマス0〜360°の範囲で角度を0.1°間隔ごとに方位スペクトラムを計算する場合には、8(素子数)×3601(角度数)=28,808個のアレーマニフォルドデータを導出し、保持しておく必要がある。さらに、2次元の場合には、エレベーション0〜90°の範囲で角度0.1°間隔ごとに方位スペクトラムを計算するとした場合、28,808×901(角度数)=25,956,008個のデータが必要となる。 Therefore, a device that performs high-precision azimuth estimation requires a storage capacity for storing an array manifold consisting of a large amount of information, and as a preparatory work, a complicated operation such as obtaining a large number of array manifolds using the above-mentioned moment method or the like. Necessary. For example, when an azimuth spectrum is calculated at intervals of 0.1 ° in an azimuth range of 0 to 360 ° for an antenna apparatus having eight antenna elements, 8 (number of elements) × 3601 (number of angles) = It is necessary to derive and hold 28,808 array manifold data. Furthermore, in the case of the two-dimensional case, 28,808 × 901 (number of angles) = 25,956,008 when the orientation spectrum is calculated at intervals of 0.1 ° in the range of elevation 0-90 °. Data is required.
そこで、方位推定に必要となるアレーマニフォルドの数を抑制する技術が提案されている(特許文献1参照)。この文献に開示された技術では、方向ごとに不等間隔の角度に対応するアレーマニフォルドデータを導出して記憶させておき、これらを利用することでアレーマニフォルドの数を減少させている。そして、この技術では、方位推定精度のよい方向については多数のアレーマニフォルドを用意する一方で、方位推定精度の悪い方向についてはアレーマニフォルドの数を少なくすることでデータ量を削減している。 Therefore, a technique for suppressing the number of array manifolds necessary for azimuth estimation has been proposed (see Patent Document 1). In the technique disclosed in this document, array manifold data corresponding to unequal intervals of angles is derived and stored for each direction, and the number of array manifolds is reduced by using these data. In this technique, while a large number of array manifolds are prepared for directions with good azimuth estimation accuracy, the amount of data is reduced by reducing the number of array manifolds for directions with poor azimuth estimation accuracy.
しかしながら、上記特許文献1に記載された技術では、方位推定精度の悪い方向についてのデータ量を削減することはできるが、精度のよい方向についてのデータ量を削減することはできない。仮に精度のよい方向についてのデータ量を削減した場合には、方位推定精度が悪化してしまうことになる。また、方位推定精度の悪い方向についてはデータ量が削減されるためにさらに精度が悪化してしまう。
However, with the technique described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、到来方位推定などに用いられるアレーマニフォルドを予め大量に用意することなく、より精度の高いアレーマニフォルドを補間により導出することができるアレーマニフォルドデータ補間方法、到来方位推定方法およびアレーマニフォルドデータ補間装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and array manifold data that can derive a more accurate array manifold by interpolation without preparing a large amount of array manifolds used for arrival direction estimation or the like in advance. An object is to obtain an interpolation method, an arrival direction estimation method, and an array manifold data interpolation apparatus.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを補間により導出する方法であって、複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップとを具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, one aspect of the present invention is a method for deriving array manifold data of an antenna apparatus having a plurality of antenna elements by interpolation, and comprising array manifold data of a plurality of frequencies. Obtaining a subtracted phase value obtained by subtracting the phase value determined by the arrangement of the antenna elements from the phase value, and performing an interpolation operation using the subtracted phase value obtained in the obtaining step, and the plurality of frequencies Is an interpolation step for obtaining an interpolation subtraction phase value corresponding to a different frequency, and an interpolation phase is obtained by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different frequency to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step. An array manifold data interpolation method comprising: an adding step for deriving a value.
また、本発明の別の態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを補間により導出する方法であって、複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップとを具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法である。 Another aspect of the present invention is a method for deriving array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements by interpolation, and from the phase values of array manifold data at a plurality of angles, depending on the arrangement of the antenna elements. An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a fixed phase value, and an interpolation calculation using the subtraction phase value acquired in the acquisition step, and an interpolation subtraction phase value corresponding to an angle different from the plurality of angles. An interpolation step to be obtained; and an addition step for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step. Is an array manifold data interpolation method characterized by
また、本発明の別の態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを用いて入射波の到来方向を推定する方法であって、複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと、前記加算ステップで得られた補間位相値を用いて到来方向を推定する推定ステップとを具備することを特徴とする到来方向推定方法である。 Another aspect of the present invention is a method for estimating the direction of arrival of an incident wave using array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements, from the phase value of array manifold data of a plurality of frequencies, Acquiring a subtracted phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna elements, and performing an interpolation operation using the subtracted phase value acquired in the acquiring step, corresponding to a frequency different from the plurality of frequencies An interpolation step for obtaining an interpolation subtraction phase value, and an addition for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different frequencies to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step And an estimation step for estimating the direction of arrival using the interpolation phase value obtained in the addition step. A DOA estimating method comprising and.
また、本発明の別の態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを用いて入射波の到来方向を推定する方法であって、複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと、前記加算ステップで得られた補間位相値を用いて到来方向を推定する推定ステップとを具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法である。 Another aspect of the present invention is a method for estimating the direction of arrival of an incident wave using array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements, from the phase values of array manifold data at a plurality of angles, An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna elements, and an interpolation calculation using the subtraction phase value acquired in the acquisition step, corresponding to an angle different from the plurality of angles An interpolation step for obtaining an interpolation subtraction phase value, and an addition for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step And an estimation step for estimating the direction of arrival using the interpolation phase value obtained in the addition step. It is the array manifold data interpolation method to be.
また、本発明の別の態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを補間により導出する装置であって、複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間手段と、前記補間手段により求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算手段とを具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間装置である。 Another aspect of the present invention is an apparatus for deriving array manifold data of an antenna apparatus having a plurality of antenna elements by interpolation, from a phase value of array manifold data of a plurality of frequencies, depending on the arrangement of the antenna elements. An acquisition means for acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a fixed phase value, and an interpolation calculation using the subtraction phase value acquired by the acquisition means, and an interpolation subtraction phase value corresponding to a frequency different from the plurality of frequencies. Interpolating means to be obtained; and adding means for deriving an interpolating phase value by adding a phase value determined by the arrangement of antenna elements corresponding to the different frequencies to the interpolating subtraction phase value obtained by the interpolating means. An array manifold data interpolating device characterized by the following.
また、本発明の別の態様は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置のアレーマニフォルドデータを補間により導出する装置であって、複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間手段と、前記補間手段により求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算手段とを具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間装置である。 Another aspect of the present invention is an apparatus for deriving array manifold data of an antenna apparatus having a plurality of antenna elements by interpolation, and from the phase values of array manifold data at a plurality of angles, depending on the arrangement of the antenna elements. An acquisition means for acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a fixed phase value, and an interpolation calculation using the subtraction phase value acquired by the acquisition means, and an interpolation subtraction phase value corresponding to an angle different from the plurality of angles. Interpolating means to be obtained, and adding means for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolating subtraction phase value obtained by the interpolating means. An array manifold data interpolating device characterized by the following.
本発明よれば、到来方位推定などに用いられるアレーマニフォルドを予め大量に用意することなく、より精度の高いアレーマニフォルドを補間により導出することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that a more accurate array manifold can be derived by interpolation without preparing a large number of array manifolds used for arrival direction estimation or the like in advance.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法、到来方位推定方法およびアレーマニフォルドデータ補間装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of an array manifold data interpolation method, an arrival direction estimation method, and an array manifold data interpolation apparatus according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法の手順を示すフローチャートである。かかる手順にしたがうことで、予め用意されている角度のアレーマニフォルドデータから、用意されていない角度に対応するアレーマニフォルドデータを補間により導出することができるが、かかる補間処理手順の説明に先立ち、アレーマニフォルドについて説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a flowchart showing the procedure of an array manifold data interpolation method according to the first embodiment of the present invention. By following such a procedure, array manifold data corresponding to an unprepared angle can be derived by interpolation from array manifold data having an angle prepared in advance. Prior to the description of the interpolation processing procedure, the array manifold data can be derived. The manifold will be described.
アレーマニフォルドは、電波の到来してくる方位に対する各アンテナ素子の相対的な受信振幅と相対的な受信位相を表すデータであり、上述したように放射パターン測定などを行うことにより角度ごとに導出することができる。 The array manifold is data representing the relative reception amplitude and relative reception phase of each antenna element with respect to the direction in which radio waves arrive, and is derived for each angle by performing a radiation pattern measurement as described above. be able to.
図2に示すように、アレーマニフォルドは、複数のアンテナ#1、#2、#3、#4‥‥の各々について原点を中心とした角度ごとの振幅値と位相値からなるデータの集合全体として表現される。図示の例では、アンテナ素子#2についてのアジマス角度φ=1°のアレーマニフォルドデータの振幅値は1.2であり、位相値は10°である。すなわち、原点を基準とした各アンテナ素子間の相対的な受信振幅と位相値により表される。なお、本明細書においては、上記のようなアレーマニフォルドの各角度ごとの振幅値と位相値を示すものをアレーマニフォルドデータと称することとし、例えば角度1°についてのアレーマニフォルドデータといった称し方を用いる。
As shown in FIG. 2, the array manifold is an entire data set of amplitude values and phase values for each of the plurality of
本実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法は、このように予め導出され、メモリまたはハードディスクなどの記録媒体に保持されている各アンテナ素子の角度ごとのアレーマニフォルドデータを複数用い、保持されていない角度のアレーマニフォルドデータを補間により導出する方法であり、以下、アンテナ素子#2の角度2.5°(図2には用意されていない角度)のアレーマニフォルドデータを予め用意されているアレーマニフォルドデータから導出する場合について説明する。
The array manifold data interpolation method according to the present embodiment uses a plurality of array manifold data for each angle of each antenna element that is derived in advance and held in a recording medium such as a memory or a hard disk, and is not held. This is a method of deriving angular array manifold data by interpolation. Hereinafter, array manifold data of
なお、2.5°、3.5°、4.5°といったように多数の角度について補間によりアレーマニフォルドデータを導出する場合には、以下の手順を導出対象となる角度ごとに並行して行うようにすればよいが、説明を簡略化するために2.5°のみを対象とする場合を例にあげて説明する。 When array manifold data is derived by interpolation for many angles such as 2.5 °, 3.5 °, and 4.5 °, the following procedure is performed in parallel for each angle to be derived. However, in order to simplify the description, a case where only 2.5 ° is targeted will be described as an example.
図1に示すように、本実施の形態におけるアレーマニフォルドデータ補間方法では、予め用意されている複数の角度(図2に示す例では、360°の範囲で角度1°ごと)の中から、補間対象となる角度(=2.5°)を補間導出するために必要な複数の角度のアレーマニフォルドデータを特定し、それらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値とを分離し、位相値を取得する(ステップSa1)。 As shown in FIG. 1, in the array manifold data interpolation method according to the present embodiment, interpolation is performed from among a plurality of angles prepared in advance (in the example shown in FIG. 2, every angle of 1 ° in the range of 360 °). Identify array manifold data of multiple angles required to interpolate the target angle (= 2.5 °), separate the phase value and amplitude value of those array manifold data, and obtain the phase value (Step Sa1).
本実施形態では、補間対象となるアンテナ素子#2の補間対象となる角度の近傍の2つの角度(2°と3°)に対応するアレーマニフォルドデータを補間に用いるアレーマニフォルドデータとして特定する。そして、これらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離し、位相値(15°と20°)を取得する(図2参照)。
In the present embodiment, array manifold data corresponding to two angles (2 ° and 3 °) in the vicinity of the angle to be interpolated of
なお、予め各アレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離しておき、位相値のみを別途記憶媒体に記録保持しておくようにすれば、かかる分離処理をすることなく位相値を取得することができる。また、アレーマニフォルドデータの位相と振幅が複素数で表現された形で記録保持されている場合には、複素数の絶対値と、複素数の位相を計算することで位相を分離することができる。 In addition, if the phase value and the amplitude value of each array manifold data are separated in advance and only the phase value is recorded and held separately in a storage medium, the phase value can be obtained without performing such separation processing. Can do. When the phase and amplitude of the array manifold data are recorded and held in the form of complex numbers, the phases can be separated by calculating the absolute values of the complex numbers and the phases of the complex numbers.
以上のように2つのアレーマニフォルドデータの位相値を取得すると、取得した角度(2°と3°)についてアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出するとともに、補間対象となる角度(=2.5°)についてアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出する(ステップSa2)。上述したようにアレーマニフォルドは、アンテナ素子の放射パターン、アンテナ素子間結合、アンテナ素子の座標に基づく位相量といった主として3つの要素によって定まる値であり、こられの要素の中のアンテナ素子の座標に基づく位相量を算出するのである。
When the phase values of the two array manifold data are acquired as described above, the phase amount based on the coordinates of the
ここで、アンテナ素子の座標、つまり配置に基づく位相量aは、以下の(1)式により求まる。
a=2π/λ×(xsinθcosφ+ysinθsinφ) (1)
Here, the coordinates of the antenna element, that is, the phase amount a based on the arrangement is obtained by the following equation (1).
a = 2π / λ × (x sin θ cos φ + y sin θ sin φ) (1)
上記(1)式における各変数について図3を参照しながら説明する。同図に示すように、x、yは対象となるアンテナ素子(#2)の原点を基準とした配置位置座標であり、θはエレベーション角度、φはアジマス角であるが、本説明においては説明簡略化のためアジマス角度φのみを考慮することとする。また、λは、補間対象とする周波数に対応する波長である。 Each variable in the above equation (1) will be described with reference to FIG. As shown in the figure, x and y are arrangement position coordinates based on the origin of the target antenna element (# 2), θ is an elevation angle, and φ is an azimuth angle. For simplicity of explanation, only the azimuth angle φ is considered. Further, λ is a wavelength corresponding to the frequency to be interpolated.
以上のように補間に用いる角度についてのアレーマニフォルドデータの位相成分中のアンテナ素子の座標に基づく位相量を導出すると、これらの角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、各々の角度について導出されたアンテナ素子座標に基づく位相量を減算し、減算位相値を導出して取得する(ステップSa3)。 As described above, when the phase amount based on the coordinates of the antenna element in the phase component of the array manifold data for the angle used for interpolation is derived, the antenna derived for each angle from the phase value of the array manifold data for these angles. The phase amount based on the element coordinates is subtracted, and a subtraction phase value is derived and acquired (step Sa3).
すなわち、アンテナ素子の放射パターン、アンテナ素子間結合、アンテナ素子の座標に基づく位相量といった主として3つの要素によって定まるアレーマニフォルドデータの位相から、アンテナ素子の座標に基づく位相量を除いた値、つまりアンテナ素子の放射パターンとアンテナ素子間結合といった主として2つの要素に定まる値である減算位相値を求めるのである。 That is, the value obtained by removing the phase amount based on the coordinates of the antenna element from the phase of the array manifold data determined mainly by three elements such as the radiation pattern of the antenna elements, the coupling between the antenna elements, and the phase amount based on the coordinates of the antenna elements. The subtraction phase value which is a value mainly determined by two elements such as the radiation pattern of the element and the coupling between the antenna elements is obtained.
このように補間に用いる2つの角度についての減算位相値を求めると、これらの減算位相値を用いて補間処理を行い、補間対象である角度(=2.5°)について減算位相値を求める(ステップSa4)。ここでの補間処理方法は、内装法であってもよいし、外装法であってもよく、一次補間、二次補間、スプライン補間など任意の方法を用いることができる。 When the subtraction phase values for the two angles used for interpolation are obtained in this way, interpolation processing is performed using these subtraction phase values, and the subtraction phase value is obtained for the angle (= 2.5 °) that is the interpolation target ( Step Sa4). The interpolation processing method here may be an interior method or an exterior method, and any method such as primary interpolation, secondary interpolation, or spline interpolation can be used.
このように補間処理によって、補間対象となる角度(=2.5°)についての減算位相値を導出すると、その補間減算位相値に、上記ステップSa2で求められた補間対象角度(=2.5°)についてのアンテナ素子座標に基づく位相量を加算し、補間位相値を導出する(ステップSa5)。 In this way, when the subtraction phase value for the angle to be interpolated (= 2.5 °) is derived by the interpolation processing, the interpolation target angle (= 2.5) obtained in step Sa2 is obtained as the interpolated subtraction phase value. The phase amount based on the antenna element coordinates for (°) is added to derive an interpolation phase value (step Sa5).
以上のように補間対象となる角度(=2.5°)についての補間位相値を求めると、補間に用いる角度(2°と3°)についてのアレーマニフォルドデータの振幅値から、補間対象となる角度(=2.5°)について補間振幅値を、一次補間などの任意の補間方法によって求める。なお、かかる振幅値の補間処理はかかる段階で行う必要はなく、他のステップと並行して行うようにしてもよい。 As described above, when the interpolation phase value for the angle to be interpolated (= 2.5 °) is obtained, it becomes the object to be interpolated from the amplitude value of the array manifold data for the angles (2 ° and 3 °) used for the interpolation. The interpolation amplitude value for the angle (= 2.5 °) is obtained by an arbitrary interpolation method such as linear interpolation. The amplitude value interpolation process need not be performed at this stage, and may be performed in parallel with other steps.
以上のような過程を経ることで、予め保持されていない任意の角度についてのアレーマニフォルドデータの位相値および振幅値を補間処理により求めることができる。このように補間導出されたアレーマニフォルドデータを用いることで、MUSIC法などの到来方位推定アルゴリズムによって到来方位を推定することができる。上記のようにアンテナ素子座標に基づく位相量を減算した減算位相値を用いて補間処理をする過程を含む方法により求められた補間値の精度は高いものとなるが、以下その理由について図4〜図10を参照しながら説明する。 Through the above process, the phase value and the amplitude value of the array manifold data for an arbitrary angle not held in advance can be obtained by interpolation processing. By using array manifold data derived by interpolation in this way, the arrival direction can be estimated by an arrival direction estimation algorithm such as the MUSIC method. As described above, the accuracy of the interpolation value obtained by the method including the process of performing the interpolation process using the subtraction phase value obtained by subtracting the phase amount based on the antenna element coordinates is high. This will be described with reference to FIG.
ここで、図4は放射パターン測定等を行うことにより実際に得られるアレーマニフォルドデータの位相値とアジマス角度との関係を示し、図5は離散的な角度ごとに予め保持されているアレーマニフォルドデータの位相値とアジマス角度との関係を示す。図5に示すように、この例では、アジマス角度2°とアジマス角度3°といった2つの角度に対応するアレーマニフォルドデータの位相値α3とα3とが保持されているものとする。なお、図5中破線はアレーマニフォルド位相値の実測値を示す(図4参照)。 4 shows the relationship between the phase value of the array manifold data actually obtained by performing radiation pattern measurement and the like and the azimuth angle, and FIG. 5 shows the array manifold data held in advance for each discrete angle. The relationship between the phase value and the azimuth angle is shown. As shown in FIG. 5, in this example, it is assumed that phase values α3 and α3 of array manifold data corresponding to two angles such as an azimuth angle of 2 ° and an azimuth angle of 3 ° are held. Note that the broken line in FIG. 5 indicates the measured value of the array manifold phase value (see FIG. 4).
本実施形態では、このような離散的に保持されているα2とα3から、アジマス角度x°(例えば、2.5°など)に対応するアレーマニフォルドデータの位相値αxを導出するのであるが、その際に上述したように保持している角度におけるアンテナ素子の座標に基づく位相量を導出し、それを位相値α2およびα3から減算した減算位相値を取得している。 In the present embodiment, the phase value αx of the array manifold data corresponding to the azimuth angle x ° (for example, 2.5 °) is derived from α2 and α3 held discretely. At this time, as described above, a phase amount based on the coordinates of the antenna element at the held angle is derived, and a subtracted phase value obtained by subtracting it from the phase values α2 and α3 is obtained.
すなわち、アンテナ素子の座標に基づく位相量とアジマス角度の関係は、図6に示すように、上記(1)式で表現される関数で表現される。したがって、角度2°、3°に対応するアンテナ素子座標に基づく位相量β2、β3を導出し、図7に示すように、これらを保持している位相値から減算する。つまり、アジマス角度2°に対応する減算位相値γ2(=α2−β2)。3°に対応する減算位相値γ2(=α3−β3)を導出する。 That is, the relationship between the phase amount based on the coordinates of the antenna element and the azimuth angle is expressed by a function expressed by the above equation (1), as shown in FIG. Therefore, phase amounts β2 and β3 based on the antenna element coordinates corresponding to the angles of 2 ° and 3 ° are derived, and are subtracted from the held phase values as shown in FIG. That is, the subtraction phase value γ2 (= α2−β2) corresponding to the azimuth angle of 2 °. A subtraction phase value γ2 (= α3-β3) corresponding to 3 ° is derived.
そして、これらの減算位相値γ2、γ3を用いてアジマス角度xのときの減算位相値γxを補間するのである。ここで、図8に上記2つの減算位相値から一次補間により求めた2〜3°の範囲内のアジマス角度xとアレーマニフォルドデータの減算位相値との関係を示す。 Then, the subtraction phase value γx at the azimuth angle x is interpolated using these subtraction phase values γ2 and γ3. Here, FIG. 8 shows the relationship between the azimuth angle x in the range of 2 to 3 ° determined from the two subtraction phase values by linear interpolation and the subtraction phase value of the array manifold data.
このようにして2〜3°の範囲内の任意の角度xの減算位相値γxを求めると、かかる減算位相値γxにアジマス角度xに対応するアンテナ素子の座標に基づく位相量βxを加算することで、任意のアジマス角度xにおけるアレーマニフォルドデータの位相値αxを導出する。ここで、アンテナ素子の座標に基づく位相量とアジマス角度との関係は図6に示すような関係であるから、図8に示す補間により導出したアジマス角度と減算位相値との関係に図6に示す関係を加算すれば、図9に示すように、任意の角度xとアレーマニフォルドデータの位相値αxとの対応関係を取得することができる。 When the subtraction phase value γx of an arbitrary angle x within the range of 2 to 3 ° is obtained in this way, the phase amount βx based on the coordinates of the antenna element corresponding to the azimuth angle x is added to the subtraction phase value γx. Thus, the phase value αx of the array manifold data at an arbitrary azimuth angle x is derived. Here, since the relationship between the phase amount based on the coordinates of the antenna element and the azimuth angle is as shown in FIG. 6, the relationship between the azimuth angle and the subtraction phase value derived by interpolation shown in FIG. 8 is shown in FIG. If the relationships shown are added, as shown in FIG. 9, the correspondence between an arbitrary angle x and the phase value αx of the array manifold data can be acquired.
このように本実施形態における補間方法により得られたアジマス角度とアレーマニフォルドデータの位相値との関係(図9参照)と、実際に得られるアジマス角度とアレーマニフォルドデータの位相値との関係(図4参照)とを比較すると、両者が近似した関係にあることがわかり、当該補間方法により導出されたアレーマニフォルドデータの位相値の精度が高いことがわかる。 As described above, the relationship between the azimuth angle obtained by the interpolation method according to this embodiment and the phase value of the array manifold data (see FIG. 9), and the relationship between the azimuth angle actually obtained and the phase value of the array manifold data (see FIG. 9). 4), it can be seen that they are in an approximate relationship, and that the accuracy of the phase value of the array manifold data derived by the interpolation method is high.
一方、図10は、図5に示す離散的に保持されているアレーマニフォルドデータの位相値α2、α3をそのまま用いて一次補間することで得られるアジマス角度とアレーマニフォルドデータの位相値との関係を示す。図10に示す関係と図4に示す関係(実測データ)とを比較すると明らかなように、アレーマニフォルドデータの位相値をそのまま用いて補間をした場合には、実測値とは大きく異なる値が導出される場合があり、その精度が低いことがわかる。 On the other hand, FIG. 10 shows the relationship between the azimuth angle obtained by the primary interpolation using the phase values α2 and α3 of the array manifold data held discretely shown in FIG. 5 and the phase value of the array manifold data. Show. As is clear from the comparison between the relationship shown in FIG. 10 and the relationship shown in FIG. 4 (actual measurement data), when interpolation is performed using the phase value of the array manifold data as it is, a value greatly different from the actual measurement value is derived. It can be seen that the accuracy is low.
以上のように本実施形態では、単にアレーマニフォルドデータの位相値を用いて補間をするのではなく、アレーマニフォルドデータの位相値の1つの主成分であるアンテナ素子の座標に基づく位相量という上記(1)式によって導出される値を減算して減算位相値を求め、その減算位相値を用いて補間を行う。そして、当該補間により導出された減算位相値にその角度に応じたアンテナ素子の座標に基づく位相量を加算してアレーマニフォルドデータの位相値を補間導出するようにしているので、上記のようにより正確なアレーマニフォルドデータの位相値を導出することができる。 As described above, in the present embodiment, the phase amount based on the coordinates of the antenna element, which is one main component of the phase value of the array manifold data, is not simply interpolated using the phase value of the array manifold data. 1) The value derived by the equation is subtracted to obtain a subtraction phase value, and interpolation is performed using the subtraction phase value. Then, the phase value of the array manifold data is interpolated and derived by adding the phase amount based on the coordinates of the antenna element corresponding to the angle to the subtraction phase value derived by the interpolation. The phase value of accurate array manifold data can be derived.
したがって、ある程度の量のアレーマニフォルドデータを導出し保持しておくことで、保持していない角度についても実測値に近いアレーマニフォルドデータを取得することができるので、大量のアレーマニフォルドを予め放射パターン測定等を行うことで導出し、記録媒体に保持しておくことなく、大量のアレーマニフォルドを用いてMUSICアルゴリズム等の到来方位推定アルゴリズムにより到来方位を推定することができる。 Therefore, by deriving and holding a certain amount of array manifold data, it is possible to acquire array manifold data that is close to the actual measurement value even for angles that are not held, so a large number of array manifold data can be measured in advance. The arrival direction can be estimated by an arrival direction estimation algorithm such as the MUSIC algorithm using a large number of array manifolds without being derived and stored in a recording medium.
上述したように到来方位推定アルゴリズムでは、多量のアレーマニフォルド、つまりより密な角度間隔の角度ごとのアレーマニフォルドデータを用いることでその推定精度が向上することになるが、本実施形態の補間方法を用いることで、大量のアレーマニフォルドを導出し保持しておくといったことを行うことなく、より精度の高い方位推定が可能となる。 As described above, in the arrival direction estimation algorithm, the estimation accuracy is improved by using a large amount of array manifolds, that is, array manifold data for each angle with a denser angular interval, but the interpolation method of this embodiment is used. By using it, it is possible to estimate the direction with higher accuracy without deriving and holding a large number of array manifolds.
以上説明したのが第1の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法であり、次に当該アレーマニフォルドデータ補間方法を実施するアレーマニフォルドデータ補間装置を有し、上記アレーマニフォルドデータ補間方法を含む到来方位推定方法を実現するアンテナ装置の構成について図11を参照しながら説明する。 What has been described above is the array manifold data interpolation method according to the first embodiment. Next, there is an array manifold data interpolation device for executing the array manifold data interpolation method, and the array manifold data interpolation method is included. The configuration of the antenna device that realizes the azimuth estimation method will be described with reference to FIG.
同図に示すように、アンテナ装置100は、複数のアンテナ素子101と、受信アナログ処理部102と、A/D変換部103と、到来方位推定処理部104と、アレーマニフォルド記憶部105と、アンテナ座標記憶部106と、アレーマニフォルドデータ補間装置107とを備えている。
As shown in the figure, an
アンテナ素子101は、到来してくる電波を受信する素子であり、ダイポールアンテナ、ホーンアンテナ、ループアンテナなど、種々のアンテナを用いることができる。また、各アンテナ素子101が同一のものであっても、異なる種類のアンテナ素子101を複数配置するようにしてもよい。 The antenna element 101 is an element that receives incoming radio waves, and various antennas such as a dipole antenna, a horn antenna, and a loop antenna can be used. Further, even if each antenna element 101 is the same, a plurality of different types of antenna elements 101 may be arranged.
受信アナログ処理部102は、各々のアンテナ素子101に対応して設けられ、対応するアンテナ素子101が受信したアナログ信号に対して以下のような処理を行う。すなわち、受信アナログ処理部102は、増幅器、フィルター、周波数変換器などを有しており、受信信号に対して増幅処理、フィルター処理、周波数変換処理などが行われる。 The reception analog processing unit 102 is provided corresponding to each antenna element 101 and performs the following processing on the analog signal received by the corresponding antenna element 101. That is, the reception analog processing unit 102 includes an amplifier, a filter, a frequency converter, and the like, and performs amplification processing, filter processing, frequency conversion processing, and the like on the received signal.
A/D変換部103は、上記受信アナログ処理部102に対応して設けられており、対応する受信アナログ処理部102から供給されたアナログ信号をデジタル信号に変換して到来方位推定処理部104に出力する。
The A /
アレーマニフォルド記憶部105は、各アンテナ素子101について離散的な角度ごとのアレーマニフォルドデータの集合であるアレーマニフォルドを記憶している(図2参照)。かかるアンテナ装置100では、アレーマニフォルドデータ補間装置107によって上記の補間処理が行われるので、アレーマニフォルド記憶部105に記憶保持しておくアレーマニフォルドデータの数は比較的少なめでもよく、例えば1°間隔ごとの角度に対応するアレーマニフォルドデータを保持するといったものでよい。
The array
アンテナ座標記憶部106は、各アンテナ素子101の配置座標を記憶しており、本実施形態では各アンテナ素子101のx座標、y座標、z座標を記憶する。これらの座標値は上述したアンテナ素子の座標に基づく位相量を導出する際に用いられる。
The antenna coordinate
アレーマニフォルドデータ補間装置107は、アレーマニフォルド記憶部105に保持されているアレーマニフォルドデータおよびアンテナ座標記憶部106に記憶されているアンテナ座標値を用い、上述したアレーマニフォルドデータ補間方法にしたがった補間処理を行うことで(図1参照)、到来方位推定処理部104における処理に必要な角度のアレーマニフォルドを導出する。すなわち、アレーマニフォルドデータ補間装置107は、補間に必要となる角度についての減算位相値を取得する手段、これらを用いて補間演算処理を行って補間減算位相値を導出する手段、この補間減算位相値にアンテナ素子座標に基づく位相量を加算して任意の角度に対応する補間位相値を導出する手段としての機能を有している。
The array manifold
例えば、到来方位推定処理部104における到来方位推定処理で0.1°間隔の角度に対応するアレーマニフォルドが必要となる場合には、上記のようにアレーマニフォルド記憶部105に記憶されている1°間隔の角度ごとのアレーマニフォルドデータを用い、0.1°間隔ごとの角度に対応するアレーマニフォルドデータを補間により導出する。
For example, when an arrival manifold corresponding to an angle of 0.1 ° interval is required in the arrival direction estimation processing in the arrival direction
到来方位推定処理部104は、上記のようにA/D変換部103から供給される各アンテナ素子の受信信号と、アレーマニフォルドデータ補間装置107から供給されるアレーマニフォルドとに基づいて、受信電波の到来方向を推定する処理を行う。本実施形態における到来方位推定処理部104は、MUSICアルゴリズムを用いた方位推定処理を行うが、他の方位推定アルゴリズムを用いた処理であってもよい。
The arrival direction
到来方位推定処理部104では、上記文献(非特許文献1)に開示されたMUSIC方を用いた方位推定処理を行うようになっており、以下MUSIC法を用いた方位推定処理手順について、一次元測角を行う場合を例にあげて簡単に説明する。
The arrival direction
波数Kの入射波がアンテナ素子101に入射した場合、第k番目の波が角度θで入射するものと仮定する。なお、入射波の数Kはアンテナ素子101の数Mよりも小さいものとし、各入射波は互いに無相関であるものとする。このような条件で入射した場合、各アンテナ素子101から出力される受信信号x(t)は以下の式により導出される。
ここで、a(θk)はステアリングベクトル、gm(θk)はm番目のアンテナ素子101の複素指向性パターン、pmはm番目のアンテナ素子101の位相基準点からの位置ベクトル、q(θk)は第k番目の入射波の入射方向単位ベクトルを表している。また、skは各入射波の振幅と周波数を表した信号、n(t)はノイズベクトル、Tは転置を表している。 Here, a (θ k) is the steering vector, g m (θ k) is the complex directivity pattern of the m-th antenna element 101, p m is the position vector from the phase reference point of the m-th antenna element 101, q (Θ k ) represents an incident direction unit vector of the k-th incident wave. Further, s k represents a signal representing the amplitude and frequency of each incident wave, n (t) represents a noise vector, and T represents transposition.
上記受信信号ベクトルx(t)は、ステアリングベクトルを並べたM×k行列A、入射信号ベクトルs(t)、ノイズベクトルn(t)を用いて次式で表すことができる。
当該到来方位推定処理部104では、上記のように表される受信信号ベクトルxについてのM×M次元の共分散行列Rを以下の式により求める。
ここで、 ̄はサンプル平均、Hは複素共役転置、R0は入射信号ベクトルs(t)の共分散行列を表している。また、σ2はノイズの電力、Iは単位行列である。共分散行列Rの固有値はM個存在しているが、これをλmと表記し、これと対応する共分散行列RのM個の固有ベクトルをemとすると、以下の式にように表すことができる。
次に、推定入射波数を求める。より具体的には、入射波がK波であるとしているので、M個存在する固有値λmのうちノイズの電力と等しくないものはK個と考えられる。したがって、Rの固有値λmのうちλm>σ2となる個数から推定入射波数を求めることができる。 Next, the estimated incident wave number is obtained. More specifically, since the incident wave is assumed to be a K wave, it is considered that there are K eigenvalues λ m that are not equal to the noise power. Therefore, the estimated incident wave number can be obtained from the number of λ m > σ 2 among the eigenvalues λ m of R.
次に入射角度を推定する。電波入射角度θkの推定を行うとき、λm=σ2となる(M−K)の固有ベクトルemを要素とするM×(M−K)行列ENを用いた次式の評価関数を用いる。
上記評価関数においてθを変化させると、θが電波入射角度θk(k=1,2,…,K)に一致した場合のみ分母が0になり、実際には高いピークになる。したがってPMU(θ)のピークを探すことで入射角度を推定することが可能になる。 When θ is changed in the above evaluation function, the denominator becomes 0 only when θ coincides with the radio wave incident angle θ k (k = 1, 2,..., K), and a high peak is actually obtained. Therefore, it is possible to estimate the incident angle by searching for the peak of P MU (θ).
このようなピークサーチを行う際に、アレーマニフォルド(ステアリングベクトルの集合)を用いることになるが、本実施形態では、アレーマニフォルドは上記のようにアレーマニフォルドデータ補間装置107から供給されるものを用いることになる。
When performing such a peak search, an array manifold (a set of steering vectors) is used. In this embodiment, the array manifold supplied from the array manifold
なお、以上は一次元測角を例にMUSICアルゴリズムの処理であるが、この測角法を入射波の2次元測角に用いるときは、以下の評価関数を用いるようにすればよい。
上記評価関数において(θ,φ)を変化させると、(θ,φ)が電波入射角度(θk,φk)(k=1,2,…,K)に一致した場合のみ分母が0になり、高いピークを示すことになる。したがってPMU(θ,φ)のピークを探すことで入射角度の推定が可能になる。 When (θ, φ) is changed in the evaluation function, the denominator is set to 0 only when (θ, φ) matches the radio wave incident angle (θ k , φ k ) (k = 1, 2,..., K). And show a high peak. Therefore, the incidence angle can be estimated by searching for the peak of P MU (θ, φ).
以上が到来方位推定処理部104による処理手順であり、上記のようにアレーマニフォルドデータ補間装置107によった補間された多くのアレーマニフォルドデータを用いて到来方位推定処理を行う。
The processing procedure by the arrival direction
以上説明したように上記構成のアンテナ装置100は、アレーマニフォルドデータ補間装置107によって補間されたアレーマニフォルドデータを用いて到来方位推定処理を行うことができる。したがって、多量のアレーマニフォルドを予め導出して保持記録しておくことなく、多量のアレーマニフォルドデータを用いた精度の高い到来方位推定処理を行うことができる。これによりアレーマニフォルド記憶部106として用いる記憶媒体の容量を小さくすることができ、装置の小型化、低コスト化に資することになる。
As described above, the
(第2の実施の形態)
図12は、本発明の第2の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態におけるアレーマニフォルドデータ補間方法は、予め用意されている周波数ごとのアレーマニフォルドデータから、用意されていない周波数に対応するアレーマニフォルドデータを補間により導出する点で、用意されていない角度に対応するアレーマニフォルドデータを補間する第1の実施の形態と相違している。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a flowchart showing the procedure of the array manifold data interpolation method according to the second embodiment of the present invention. The array manifold data interpolation method according to the present embodiment corresponds to an angle that is not prepared, in that array manifold data corresponding to an unprepared frequency is derived by interpolation from array manifold data for each frequency prepared in advance. This is different from the first embodiment in which array manifold data to be interpolated is interpolated.
すなわち、本実施の形態では、図13に示すように、離散的な角度ごとのアレーマニフォルドデータが、周波数f1、f2‥‥といった離散的な周波数ごとに用意されている場合において、これらの用意されているアレーマニフォルドデータを用いて、用意されていない周波数についてのアレーマニフォルドデータを補間導出する。以下、周波数f1.5(図13には用意されていない周波数)についてのアンテナ素子#2の角度2°のアレーマニフォルドデータを予め用意されているアレーマニフォルドデータから導出する場合を例にあげて説明する。
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 13, when array manifold data for each discrete angle is prepared for each discrete frequency such as frequencies f1, f2,... The array manifold data for frequencies not prepared is interpolated using the array manifold data that is provided. Hereinafter, a case where the array manifold data of the
図12に示すように、本実施の形態におけるアレーマニフォルドデータ補間方法では、予め用意されている複数の周波数(f1、f2‥‥)の中から、補間対象となる周波数(f1.5(f1とf2の間の周波数とする))を補間導出するために必要な複数の周波数のアレーマニフォルドデータを特定し、それらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値とを分離する(ステップSb1)。 As shown in FIG. 12, in the array manifold data interpolation method according to the present embodiment, a frequency (f1.5 (f1 and f1) to be interpolated is selected from a plurality of frequencies (f1, f2,...) Prepared in advance. The array manifold data of a plurality of frequencies necessary for the interpolation derivation is specified, and the phase value and the amplitude value of the array manifold data are separated (step Sb1).
本実施形態では、補間対象となるアンテナ素子#2の補間対象となる周波数の近傍の2つの周波数(f1とf2)における角度2°に対応するアレーマニフォルドデータを補間に用いるアレーマニフォルドデータとして特定する。そして、これらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離し、位相値(15°と18°)を取得する。
In the present embodiment, array manifold data corresponding to an angle of 2 ° at two frequencies (f1 and f2) in the vicinity of the frequency to be interpolated by
なお、予め各アレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離しておき、位相値のみを別途記憶媒体に記録保持しておくようにすれば、かかる分離処理をすることなく位相値を取得することができる。 In addition, if the phase value and the amplitude value of each array manifold data are separated in advance and only the phase value is recorded and held separately in a storage medium, the phase value can be obtained without performing such separation processing. Can do.
以上のように2つのアレーマニフォルドデータの位相値を取得すると、取得した周波数f1、f2の各々について、角度2°におけるアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出するとともに、補間対象となる周波数(f1.5)について角度2°におけるアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出する(ステップSb2)。かかるアンテナ座標に基づく位相量は上記(1)式により導出することができる。
When the phase values of the two array manifold data are acquired as described above, for each of the acquired frequencies f1 and f2, a phase amount based on the coordinates of the
以上のように補間に用いる周波数についてのアレーマニフォルドデータの位相成分中のアンテナ素子の座標に基づく位相量を導出すると、これらの周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、各々の角度について導出されたアンテナ素子座標に基づく位相量を減算し、減算位相値を導出して取得する(ステップSb3)。 As described above, when the phase amount based on the coordinates of the antenna element in the phase component of the array manifold data for the frequency used for the interpolation is derived, the antenna derived for each angle from the phase value of the array manifold data of these frequencies. The phase amount based on the element coordinates is subtracted to derive and obtain a subtraction phase value (step Sb3).
このように補間に用いる2つの周波数についての減算位相値を求めると、これらの減算位相値を用いて補間処理を行い、補間対象である周波数(f1.5)における角度2°について減算位相値を求める(ステップSb4)。 When the subtraction phase values for the two frequencies used for interpolation are obtained in this way, interpolation processing is performed using these subtraction phase values, and the subtraction phase value is obtained for an angle of 2 ° at the frequency (f1.5) to be interpolated. Obtained (step Sb4).
このように補間処理によって、補間対象となる周波数(f1.5)についての減算位相値を導出すると、その補間減算位相値に、上記ステップSb2で求められた補間対象周波数(f1.5)についてのアンテナ素子座標に基づく位相量を加算し、補間位相値を導出する(ステップSb5)。 As described above, when the subtraction phase value for the frequency (f1.5) to be interpolated is derived by the interpolation process, the interpolation subtraction phase value for the interpolation target frequency (f1.5) obtained in step Sb2 is obtained. The phase amount based on the antenna element coordinates is added to derive an interpolation phase value (step Sb5).
以上のように補間対象となる周波数(f1.5)についての補間位相値を求めると、補間に用いる周波数(f1とf2)についてのアレーマニフォルドデータの振幅値から、補間対象となる周波数(f1.5)について補間振幅値を、一次補間などの任意の補間方法によって求める。 As described above, when the interpolation phase value for the frequency (f1.5) to be interpolated is obtained, the frequency (f1...) To be interpolated from the amplitude value of the array manifold data for the frequencies (f1 and f2) used for interpolation. For 5), the interpolation amplitude value is obtained by an arbitrary interpolation method such as linear interpolation.
以上が第2の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法であり、単にアレーマニフォルドデータの位相値を用いて補間をするのではなく、アレーマニフォルドデータの位相値の1つの主成分であるアンテナ素子の座標に基づき位相量という上記(1)式によって導出される値を減算して減算位相値を求め、その減算位相値を用いて補間を行う。そして、当該補間により導出された減算位相値にその角度に応じたアンテナ素子の座標に基づく位相量を加算してアレーマニフォルドデータの位相値を補間導出するようにしているので、上記のようにより正確なアレーマニフォルドデータの位相値を導出することができる。 The above is the array manifold data interpolation method according to the second embodiment. The antenna element is not a simple interpolation using the phase value of the array manifold data, but is one main component of the phase value of the array manifold data. Based on these coordinates, a value derived from the above equation (1) called phase amount is subtracted to obtain a subtracted phase value, and interpolation is performed using the subtracted phase value. Then, the phase value of the array manifold data is interpolated and derived by adding the phase amount based on the coordinates of the antenna element corresponding to the angle to the subtraction phase value derived by the interpolation. The phase value of accurate array manifold data can be derived.
したがって、広い周波数帯域にわたる方位推定処理を行う場合であっても、これらの周波数帯域に属する多数の周波数についてのアレーマニフォルドを保持記憶しておくことなく、多数の周波数についてのアレーマニフォルドを用いた方位推定処理を行うことができる。 Therefore, even when performing azimuth estimation processing over a wide frequency band, the orientation using the array manifold for a large number of frequencies is maintained without storing and storing the array manifold for a large number of frequencies belonging to these frequency bands. An estimation process can be performed.
なお、第2の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法を実施するアレーマニフォルド補間装置を有し、到来方位推定機能を具備したアンテナ装置として提供することもできる。この場合の構成は、上記第1の実施の形態におけるアンテナ装置100とほぼ同様である。そして、アレーマニフォルド記憶部105に離散的な周波数ごとのアレーマニフォルドが記憶されている点(図13参照)と、アレーマニフォルドデータ補間装置107が行う処理が上記図12に示す手順にしたがった処理である点で上記第1の実施の形態と相違しているが、他の構成については同様であるためその説明を割愛する。
In addition, it can also provide as an antenna apparatus which has the array manifold interpolation apparatus which implements the array manifold data interpolation method concerning 2nd Embodiment, and was provided with the arrival direction estimation function. The configuration in this case is almost the same as that of the
(第3の実施の形態)
次に、図14は本発明の第3の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態におけるアレーマニフォルドデータ補間方法は、予め用意されている周波数ごとのアレーマニフォルドデータから、用意されていない周波数に対応するアレーマニフォルドデータであり、かつ用意されていない角度に対応するアレーマニフォルドデータを補間するものであり、この点で上記各実施の形態と相違する。
(Third embodiment)
Next, FIG. 14 is a flowchart showing the procedure of the array manifold data interpolation method according to the third embodiment of the present invention. The array manifold data interpolation method in the present embodiment is array manifold data corresponding to an unprepared frequency and array manifold data corresponding to an unprepared angle from array manifold data for each frequency prepared in advance. Is different from the above embodiments in this respect.
すなわち、本実施の形態では、上記第2の実施の形態と同様、離散的な角度ごとのアレーマニフォルドデータが、周波数f1、f2‥‥といった離散的な周波数ごとに用意されている(図13参照)。このような場合において、これらの用意されているアレーマニフォルドデータを用いて、用意されていない周波数についてのアレーマニフォルドデータであり、かつ用意されていない角度(例えば、2.5°、3.5°など)に対応するアレーマニフォルドデータを補間導出する。 That is, in the present embodiment, array manifold data for each discrete angle is prepared for each discrete frequency such as frequencies f1, f2,... As in the second embodiment (see FIG. 13). ). In such a case, by using these prepared array manifold data, it is array manifold data for a frequency that is not prepared and an angle that is not prepared (for example, 2.5 °, 3.5 °). Etc.) is derived by interpolation.
以下、周波数f1.5(図13には用意されていない周波数)についてのアンテナ素子#2の角度2.5°(用意されていない角度)のアレーマニフォルドデータを予め用意されているアレーマニフォルドデータから導出する場合を例にあげて説明する。
Hereinafter, the array manifold data of the angle 2.5 ° (angle not prepared) of the
図14に示すように、本実施の形態におけるアレーマニフォルドデータ補間方法では、予め用意されている複数の周波数(f1、f2‥‥)の中から、補間対象となる周波数(f1.5(f1とf2の間の周波数とする))および角度(2.5°)のアレーマニフォルドデータを補間導出するために必要な複数の周波数のアレーマニフォルドデータを特定し、それらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値とを分離し、位相を取得する(ステップSc1)。 As shown in FIG. 14, in the array manifold data interpolation method according to the present embodiment, a frequency (f1.5 (f1 and f1) to be interpolated is selected from a plurality of frequencies (f1, f2,...) Prepared in advance. f2)) and angle (2.5 °) array manifold data required to interpolate and derive the array manifold data of multiple frequencies, and the phase value and amplitude of those array manifold data The phase is separated from the value (step Sc1).
ここでは、補間対象となるアンテナ素子#2の補間対象となる周波数の近傍の2つの周波数(f1とf2)の各々について角度2°と3°に対応するアレーマニフォルドデータ、つまり4つのアレーマニフォルドデータを補間に用いるアレーマニフォルドデータとして特定する。そして、これらのアレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離し、位相値を取得する。
Here, array manifold data corresponding to
なお、予め各アレーマニフォルドデータの位相値と振幅値を分離しておき、位相値のみを別途記憶媒体に記録保持しておくようにすれば、かかる分離処理をすることなく位相値を取得することができる。 In addition, if the phase value and the amplitude value of each array manifold data are separated in advance and only the phase value is recorded and held separately in a storage medium, the phase value can be obtained without performing such separation processing. Can do.
以上のように2つのアレーマニフォルドデータの位相値を取得すると、取得した周波数f1、f2の各々について、角度2°と3°におけるアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出するとともに、補間対象となる周波数(f1.5)について角度2.5°におけるアンテナ素子#2の座標に基づく位相量を導出する(ステップSc2)。かかるアンテナ座標に基づく位相量は上記(1)式により導出することができる。
When the phase values of the two array manifold data are acquired as described above, the phase amount based on the coordinates of the
以上のように補間に用いる周波数についてのアレーマニフォルドデータの位相成分中のアンテナ素子の座標に基づく位相量を導出すると、これらの周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、各々の角度について導出されたアンテナ素子座標に基づく位相量を減算し、減算位相値を導出して取得する(ステップSc3)。 As described above, when the phase amount based on the coordinates of the antenna element in the phase component of the array manifold data for the frequency used for the interpolation is derived, the antenna derived for each angle from the phase value of the array manifold data of these frequencies. The phase amount based on the element coordinates is subtracted, and the subtraction phase value is derived and obtained (step Sc3).
このように補間に用いる2つの周波数の各々について2つの角度に対応する減算位相値を求めると、つまり4つの減算位相値を求めると、これらの減算位相値を用いて補間処理を行い、補間対象である周波数(f1.5)における角度2°について減算位相値を求める(ステップSc4)。 Thus, when subtraction phase values corresponding to two angles are obtained for each of the two frequencies used for interpolation, that is, when four subtraction phase values are obtained, interpolation processing is performed using these subtraction phase values, and an interpolation target is obtained. A subtraction phase value is obtained for an angle of 2 ° at a frequency (f1.5) (step Sc4).
かかる補間処理では、まず周波数f1の角度2°に対応する減算位相値と周波数f2の角度2°に対応する減算位相値とから、周波数1.5の角度2°に対応する減算位相値(=G1.5・2とする)を補間により導出する。また、周波数f1の角度3°に対応する減算位相値と周波数f2の角度3°に対応する減算位相値とから、周波数f1.5の角度2°に対応する減算位相値(=G1.5・3)を補間により導出する。
In such an interpolation process, first, a subtraction phase value corresponding to an
そして、上記の周波数f1.5の角度2°に対応する減算位相値G1.5・2と、周波数f1.5の角度3°に対応する減算位相値G1.5・3とから、周波数f1.5の角度2.5°に対応する減算位相値を補間により導出する。
From the subtraction phase value G1.5 · 2 corresponding to the
なお、上記のような手順に限らず、以下の手順で補間を行うようにしてもよい。まず周波数f1の角度2°に対応する減算位相値と周波数f1の角度3°に対応する減算位相値とから、周波数f1の角度2.5°に対応する減算位相値(=G1・2.5)を補間により導出する。また、周波数f2の角度2°に対応する減算位相値と周波数f2の角度3°に対応する位相値とから、周波数f2の角度2.5°に対応する減算位相値(=G2・2.5)を補間により導出する。そして、上記の周波数f1の角度2.5°に対応する減算位相値G1・2.5と、周波数f2の角度2.5°に対応する減算位相値G2・2.5とから、周波数f1.5の角度2.5°に対応する減算位相値を補間により導出するようにしてもよい。
The interpolation is not limited to the above procedure, and may be performed by the following procedure. First, from the subtraction phase value corresponding to the
このように補間処理によって、補間対象となる周波数(f1.5)の補間対象となる角度2.5°についての減算位相値を導出すると、その補間減算位相値に、上記ステップSc2で求められた補間対象周波数の補間対象角度についてのアンテナ素子座標に基づく位相量を加算し、補間位相値を導出する(ステップSc5)。 In this way, when the subtraction phase value for the angle 2.5 ° to be interpolated at the frequency (f1.5) to be interpolated is derived by the interpolation processing, the interpolated subtraction phase value is obtained in step Sc2 above. A phase amount based on the antenna element coordinates for the interpolation target angle of the interpolation target frequency is added to derive an interpolation phase value (step Sc5).
以上のように補間対象となる周波数(f1.5)の補間対象角度(2°)についての補間位相値を求めると、補間に用いる周波数(f1とf2)の各々についての角度2°と3°に対応するアレーマニフォルドデータ、つまり4つのアレーマニフォルドデータの振幅値から、補間対象となる周波数(f1.5)の角度2.5°について補間振幅値を、一次補間などの任意の補間方法によって求める。
As described above, when the interpolation phase value for the interpolation target angle (2 °) of the frequency (f1.5) to be interpolated is obtained, the
以上が第3の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法であり、単にアレーマニフォルドデータの位相値を用いて補間をするのではなく、アレーマニフォルドデータの位相値の1つの主成分であるアンテナ素子の座標に基づき位相量という上記(1)式によって導出される値を減算して減算位相値を求め、その減算位相値を用いて補間を行う。そして、当該補間により導出された減算位相値にその角度に応じたアンテナ素子の座標に基づく位相量を加算してアレーマニフォルドデータの位相値を補間導出するようにしているので、上記のようにより正確なアレーマニフォルドデータの位相値を導出することができる。 The above is the array manifold data interpolation method according to the third embodiment. The antenna element is one main component of the phase value of the array manifold data rather than simply using the phase value of the array manifold data. Based on these coordinates, a value derived from the above equation (1) called phase amount is subtracted to obtain a subtracted phase value, and interpolation is performed using the subtracted phase value. Then, the phase value of the array manifold data is interpolated and derived by adding the phase amount based on the coordinates of the antenna element corresponding to the angle to the subtraction phase value derived by the interpolation. The phase value of accurate array manifold data can be derived.
したがって、広い周波数帯域にわたる方位推定処理を行う場合であっても、これらの周波数帯域に属する多数の周波数についてのアレーマニフォルドを保持記憶しておくことなく、多数の周波数についてのアレーマニフォルドを用いた方位推定処理を行うことができる。また、予め多くの角度についてアレーマニフォルドデータを保持することなく、より多量の角度についてのアレーマニフォルドデータを利用することができ、より精度の高い到来方位推定を行うことができる。 Therefore, even when performing azimuth estimation processing over a wide frequency band, the orientation using the array manifold for a large number of frequencies is maintained without storing and storing the array manifold for a large number of frequencies belonging to these frequency bands. An estimation process can be performed. In addition, array manifold data for a larger number of angles can be used without holding array manifold data for many angles in advance, and arrival direction estimation with higher accuracy can be performed.
なお、第3の実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法を実施するアレーマニフォルド補間装置を有し、到来方位推定機能を具備したアンテナ装置として提供することもできる。この場合の構成は、上記第1の実施の形態におけるアンテナ装置100とほぼ同様であり、アレーマニフォルド記憶部105に離散的な周波数ごとのアレーマニフォルドが記憶されている点(図13参照)と、アレーマニフォルドデータ補間装置107が行う処理が上記図14に示す手順にしたがった処理である点で上記第1の実施の形態と相違しているが、他の構成については同様であるためその説明を割愛する。
In addition, it can also provide as an antenna apparatus which has the array manifold interpolation apparatus which performs the array manifold data interpolation method concerning 3rd Embodiment, and was provided with the arrival direction estimation function. The configuration in this case is substantially the same as that of the
(変形例)
なお、本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、以下に例示するような種々の変形が可能である。
(Modification)
In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, The various deformation | transformation which is illustrated below is possible.
(変形例1)
上述した各実施の形態では、予め複数の角度や周波数についてアレーマニフォルドデータの位相値が用意されている場合において、用意されていない角度や周波数のアレーマニフォルドデータの位相値を補間導出する場合について説明したが、上記アレーマニフォルドデータの位相値ではなく、上記減算位相値を予め用意するようにしてもよい(アレーマニフォルド記憶部106に記憶させるなど)。
(Modification 1)
In each of the above-described embodiments, when phase values of array manifold data are prepared for a plurality of angles and frequencies in advance, a case where the phase values of array manifold data of unprepared angles and frequencies are derived by interpolation is described. However, instead of the phase value of the array manifold data, the subtracted phase value may be prepared in advance (for example, stored in the array manifold storage unit 106).
このようにすれば、上記各実施の形態で行われていた位相値と振幅値の分離(ステップSa1、ステップSb1、ステップSc1)、アンテナ座標に基づく位相量導出(ステップSa2、ステップSb2、ステップSc1)および減算位相値の導出(ステップSa3、ステップSb3,ステップSc3)を省略し、これに代えて用意されている所定の減算位相値を取得するステップを実施すればよい。 In this way, the phase value and amplitude value separation performed in each of the above embodiments (step Sa1, step Sb1, step Sc1), and phase amount derivation based on antenna coordinates (step Sa2, step Sb2, step Sc1) are performed. ) And derivation of the subtraction phase value (step Sa3, step Sb3, step Sc3) may be omitted, and a step of obtaining a predetermined subtraction phase value prepared instead may be performed.
なお、到来方位推定処理において用いられるのは、減算位相値ではなく、位相値と振幅値とからなるアレーマニフォルドデータである。このため、上記のように減算位相値のみ記録保持しておく場合において、当該保持している減算位相値に対応するアレーマニフォルドデータを利用するときには、到来方位推定処理に用いるために減算位相値に、上記(1)式で導出したアンテナ座標に基づく位相量を加算して位相値を取得する。そして、かかる位相値と別途保持している振幅値と組み合わせて方位推定処理に用いるようにすればよい。 The arrival direction estimation process uses not the subtracted phase value but array manifold data composed of the phase value and the amplitude value. Therefore, when only the subtraction phase value is recorded and held as described above, when using the array manifold data corresponding to the held subtraction phase value, the subtraction phase value is used for the arrival direction estimation process. The phase value is obtained by adding the phase amount based on the antenna coordinates derived by the above equation (1). Then, the phase value and the amplitude value separately held may be used in combination for the azimuth estimation process.
(変形例2)
また、上述した各実施の形態では、アジマス角度θのみを対象とした一次元測角を前提としたものとなっていたが、2次元測角に用いるアレーマニフォルドについて本発明を適用することができる。例えば、2次元測角に用いるアレーマニフォルドは、図15に示すように、アジマスφとエレベーションθの組ごとに各アンテナ素子#1、#2‥‥の位相値と振幅値からなるアレーマニフォルドデータである。
(Modification 2)
Further, in each of the above-described embodiments, one-dimensional angle measurement for only the azimuth angle θ is assumed. However, the present invention can be applied to an array manifold used for two-dimensional angle measurement. . For example, as shown in FIG. 15, the array manifold used for two-dimensional angle measurement is array manifold data including phase values and amplitude values of the
かかる場合であっても、補間対象となる2次元角度(θ、φ)の補間に必要な2次元角度のアレーマニフォルドデータを用い、上記各実施の形態と同様、アンテナ座標に基づく位相量を減算した減算位相値を補間するといった処理を行うことで、補間対象となる2次元角度に対応する位相値を導出するようにすればよい。 Even in such a case, the phase manifold based on the antenna coordinates is subtracted using the array manifold data of the two-dimensional angle necessary for the interpolation of the two-dimensional angle (θ, φ) to be interpolated, as in the above embodiments. The phase value corresponding to the two-dimensional angle to be interpolated may be derived by performing processing such as interpolating the subtracted phase value.
例えば、図16に示すように、角度(θ1、φ1)、角度(θ1、φ2)および角度(θ2、φ2)といった3つの角度に対応するアレーマニフォルドデータが用意されている場合においては、これらの3つのアレーマニフォルドデータを用いることで、図16中の斜線で示した三角形状のエリア内の任意の角度(θ、φ)に対応するアレーマニフォルドデータを補間導出することができる。 For example, as shown in FIG. 16, when array manifold data corresponding to three angles such as an angle (θ1, φ1), an angle (θ1, φ2), and an angle (θ2, φ2) are prepared, By using the three array manifold data, the array manifold data corresponding to an arbitrary angle (θ, φ) in the triangular area shown by the oblique lines in FIG. 16 can be derived by interpolation.
(変形例3)
また、上述した各実施の形態では、均一な角度ごと(図2、図13の例では1°ごと)にアレーマニフォルドデータが用意されている場合において、これらのアレーマニフォルドデータを用いて用意されていない角度のアレーマニフォルドデータを補間導出するようにしていた。このように予めアレーマニフォルドデータを用意する角度は均一である必要はなく、方向に応じて異ならせるようにしてもよい。例えば、0〜90°の方向では1°ごと、90〜180°の方向は0.5°ごとといった具合である。
(Modification 3)
Further, in each of the above-described embodiments, when array manifold data is prepared for each uniform angle (every 1 ° in the examples of FIGS. 2 and 13), the array manifold data is prepared using these array manifold data. Interpolated the array manifold data with no angle. As described above, the angle at which the array manifold data is prepared in advance need not be uniform, and may be varied depending on the direction. For example, the direction from 0 to 90 ° is every 1 °, and the direction from 90 to 180 ° is every 0.5 °.
(変形例4)
また、上記のように方向によって単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数を異ならせる場合、アンテナ素子101の配置状況に基づいてその数を決定するようにすればよい。すなわち、方向ごとの到来方位推定精度は、アンテナ装置における各アンテナ素子の配置状況に応じて定まる傾向がある。例えば図17に示すリニアアレーアンテナ装置の場合には、θ=90°の方向は推定精度が悪く、θ=0°の方向は推定精度がよいという方向ごとに相対的な精度の良否が見られる。
(Modification 4)
In addition, when the number of array manifold data prepared per unit angle varies depending on the direction as described above, the number may be determined based on the arrangement state of the antenna elements 101. That is, the arrival direction estimation accuracy for each direction tends to be determined according to the arrangement state of each antenna element in the antenna device. For example, in the case of the linear array antenna apparatus shown in FIG. 17, the accuracy of the relative accuracy is seen for each direction in which the direction of θ = 90 ° has poor estimation accuracy and the direction of θ = 0 ° has high estimation accuracy. .
そこで、アンテナ素子の配置状況によって定まる推定精度のよい方向についての単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数を、推定精度の悪い方向についての単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数よりも少なくする。これにより以下の理由から、アンテナ素子の配置状況に起因する方位推定誤差と、アレーマニフォルドデータの補間することに起因する方位推定誤差とのバランスをとることができ、記録保持等するアレーマニフォルドデータ量を多くすることなく、方位によらず安定した推定精度を得ることができる。 Therefore, the number of array manifold data prepared per unit angle for a direction with good estimation accuracy determined by the arrangement of antenna elements is less than the number of array manifold data prepared per unit angle for a direction with poor estimation accuracy. To do. This makes it possible to balance the azimuth estimation error due to the antenna element placement status and the azimuth estimation error due to the interpolation of the array manifold data for the following reasons. Without increasing the number, stable estimation accuracy can be obtained regardless of the direction.
すなわち、上記各実施の形態の補間方法によれば、精度の高い補間値の導出が可能であるが、この場合であっても用意されているデータ量が少ない場合にはその補間精度は低下することになる。したがって、補間値の精度を向上させるためには極力多くのデータを用意しておくべきであるが、この場合記録媒体の大容量化といった問題が生じる。 That is, according to the interpolation method of each of the above embodiments, it is possible to derive an interpolation value with high accuracy, but even in this case, the interpolation accuracy decreases when the amount of data prepared is small. It will be. Therefore, in order to improve the accuracy of the interpolation value, as much data as possible should be prepared. However, in this case, there arises a problem that the capacity of the recording medium is increased.
そして、上記のよう元来推定精度のよい方向については若干補間誤差が大きくなっても全体としては精度のよい方向推定を行うことができるので、かかる方向については保持するデータ量を少なくする。一方、元来推定精度の悪い方向については、補間による誤差が大きくなると、方位推定精度も大きく悪化するおそれがある。したがって、このような方向については、補間誤差を極力小さくするために比較的多い量のアレーマニフォルドデータを用意するのである。 As described above, since it is possible to estimate the direction with high accuracy as a whole even if the interpolation error is slightly increased for the direction with high accuracy of estimation as described above, the amount of data held for the direction is reduced. On the other hand, in the direction where the estimation accuracy is originally poor, if the error due to interpolation becomes large, the direction estimation accuracy may be greatly deteriorated. Therefore, for such a direction, a relatively large amount of array manifold data is prepared in order to minimize the interpolation error.
図17に示すようなアンテナ装置の場合、例えばθ=0°〜30°の方向では、単位角度(例えば1°)あたり0.5個のアレーマニフォルドデータを保持する、つまり2°ごとに1つのアレーマニフォルドデータを保持するようにする一方で、θ=60〜90°の方向では、単位角度あたり2個のアレーマニフォルドデータを保持するようにする。そして、θ=30〜60°の方向では、単位角度あたり1個のアレーマニフォルドデータを保持するようにすれば、用意するデータ量を増加させることなく、全方位について安定した方位推定精度を得ることができるようになる。 In the case of the antenna apparatus as shown in FIG. 17, for example, in the direction of θ = 0 ° to 30 °, 0.5 array manifold data is held per unit angle (for example, 1 °), that is, one for every 2 °. While the array manifold data is held, in the direction of θ = 60 to 90 °, two array manifold data are held per unit angle. In the direction of θ = 30 to 60 °, if one array manifold data is held per unit angle, stable direction estimation accuracy can be obtained for all directions without increasing the amount of data to be prepared. Will be able to.
なお、本変形例では、全方位について安定した方位推定精度を得るために各方向ごとにアンテナ素子の配置状況から定まる方位推定精度の良否に対応した数のデータを用意するようにしているが、部分的(例えば0〜30°)な方向について安定した方位推定精度を実現したい場合には、その部分の各方向(0〜10°、10〜20°、20〜30°など)ごとに、アンテナ素子の配置状況に応じた数のデータを用意するようにすればよい。 In this modification, in order to obtain stable azimuth estimation accuracy for all directions, a number of data corresponding to the quality of azimuth estimation accuracy determined from the antenna element arrangement status for each direction is prepared. When it is desired to realize stable azimuth estimation accuracy in a partial (for example, 0-30 °) direction, an antenna is provided for each direction (0-10 °, 10-20 °, 20-30 °, etc.) of the portion. A number of data corresponding to the arrangement state of the elements may be prepared.
(変形例5)
また、上記のように方向によって単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数を異ならせる場合、アレーマニフォルドの振幅値に基づいてその数を決定するようにすればよい。すなわち、アレーマニフォルドの振幅値が大きい角度(方向)は、推定精度が相対的に良好であり、アレーマニフォルドの振幅値が小さい角度(方向)は推定精度が相対的に悪くなるので、方向ごとに各方向の推定精度の良否に応じた数のデータを用意する。
(Modification 5)
Further, when the number of array manifold data prepared per unit angle is varied depending on the direction as described above, the number may be determined based on the amplitude value of the array manifold. That is, the angle (direction) with a large amplitude value of the array manifold has a relatively good estimation accuracy, and the angle (direction) with a small amplitude value of the array manifold has a relatively poor estimation accuracy. A number of data corresponding to the accuracy of the estimation accuracy in each direction is prepared.
これは次のような理由による。すなわち、アンテナ素子が指向性を有する場合、指向性の利得に応じて電波の受信強度が変化することになる。例えば、利得が5dBとなる方向からの受信信号と、利得が0dBとなる方向からの受信信号とを比較すると、5dBの受信電力差があることになる。そして、MUSIC法などの方向推定方法における推定精度は、受信信号のS/N(信号対ノイズ比)によって変化し、S/Nが大きいと推定精度がよく、S/Nが小さいと推定精度が悪い。すなわち、アンテナの利得、つまりアレーマニフォルドの振幅値が大きいと推定精度がよく、アレーマニフォルドの振幅値が小さいと推定精度が悪い。 This is due to the following reason. That is, when the antenna element has directivity, the reception intensity of the radio wave changes according to the directivity gain. For example, when a received signal from a direction where the gain is 5 dB is compared with a received signal from the direction where the gain is 0 dB, there is a received power difference of 5 dB. The estimation accuracy in the direction estimation method such as the MUSIC method changes depending on the S / N (signal to noise ratio) of the received signal. When the S / N is large, the estimation accuracy is good, and when the S / N is small, the estimation accuracy is high. bad. That is, the estimation accuracy is good when the antenna gain, that is, the amplitude value of the array manifold is large, and the estimation accuracy is poor when the amplitude value of the array manifold is small.
そこで、上記のようにアレーマニフォルドの振幅値に基づいて方向ごとの単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数を決定するようにする。例えば、0〜40°の方向のアレーマニフォルドデータの振幅値の平均値と、40〜60°の方向のアレーマニフォルドデータの振幅値の平均値とを比較し、0〜40°の方向のアレーマニフォルドデータの振幅値の平均値が大きい場合には、0〜40°の方向の単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数よりも40〜60°の方向の単位角度あたりに用意するアレーマニフォルドデータの数を多くする。 Therefore, as described above, the number of array manifold data prepared per unit angle for each direction is determined based on the amplitude value of the array manifold. For example, the average value of the amplitude value of the array manifold data in the direction of 0 to 40 ° is compared with the average value of the amplitude value of the array manifold data in the direction of 40 to 60 °, and the array manifold in the direction of 0 to 40 ° is compared. When the average value of the amplitude values of data is large, the number of array manifold data prepared per unit angle in the direction of 40 to 60 ° is larger than the number of array manifold data prepared per unit angle in the direction of 0 to 40 °. Increase the number.
このようにすることで、上記アンテナ素子の配置状況に応じてデータ数を決定する場合と同様、アンテナ装置の構成(アンテナ素子の構成など)によって定める方位推定誤差と、アレーマニフォルドデータの補間することに起因する方位推定誤差とのバランスをとることができ、記録保持等するアレーマニフォルドデータ量を多くすることなく、方位によらず安定した推定精度を得ることができる。 In this way, as in the case of determining the number of data according to the arrangement state of the antenna element, the direction estimation error determined by the antenna device configuration (antenna element configuration, etc.) and the array manifold data are interpolated. Thus, stable estimation accuracy can be obtained regardless of the direction without increasing the amount of array manifold data to be recorded and held.
なお、本変形例においても、部分的(例えば0〜30°)な方向について安定した方位推定精度を実現したい場合には、その部分の各方向(0〜10°、10〜20°、20〜30°など)ごとに、アレーマニフォルドデータの振幅値に応じた数のデータを用意するようにすればよい。 Also in this modification, when it is desired to realize stable azimuth estimation accuracy in a partial (for example, 0 to 30 °) direction, each direction (0 to 10 °, 10 to 20 °, 20 to 20) of that portion is desired. The number of data corresponding to the amplitude value of the array manifold data may be prepared every 30 °).
(変形例6)
また、上述した各実施の形態では、予めアレーマニフォルドデータが用意される角度はすべてのアンテナ素子#1、#2‥‥について同一であった(図2、図13参照)。例えば図2、図13に示す例では、すべてのアンテナ素子について1°、2°、3°といった1°間隔の角度ごとにアレーマニフォルドデータが用意されており、かかる用意されたアレーマニフォルドデータから用意されていないアレーマニフォルドデータを補間導出するようにしていた。
(Modification 6)
In each of the above-described embodiments, the angle at which array manifold data is prepared in advance is the same for all
このようにすべてのアンテナ素子について同一角度のアレーマニフォルドを用意しておくようにしてもよいが、図18に示すように、各アンテナ素子ごとに異なる角度のアレーマニフォルドを用意するようにしてもよい。同図に示すように、この例では、アンテナ素子#1については、0°、1°、2°、3°‥‥といった角度についてアレーマニフォルドデータが用意されており、アンテナ素子#2については0.25°、1.25°、2.25°‥‥といった角度についてアレーマニフォルドデータが用意されており、アンテナ素子#3については0.5°、1.5°、2.5°‥‥といった角度についてアレーマニフォルドデータが用意されている。
In this way, an array manifold having the same angle may be prepared for all antenna elements. However, as shown in FIG. 18, an array manifold having a different angle may be prepared for each antenna element. . As shown in the figure, in this example, array manifold data is prepared for angles of 0 °, 1 °, 2 °, 3 °,... For
このようにアンテナ素子ごとにアレーマニフォルドデータを用意する角度を異ならせることで、複数のアンテナ素子からなるアンテナ装置全体として評価した場合に全方位について安定した方向推定精度を実現することができる。 Thus, by varying the angle at which the array manifold data is prepared for each antenna element, it is possible to achieve stable direction estimation accuracy in all directions when the antenna apparatus as a whole composed of a plurality of antenna elements is evaluated.
すなわち、上記各実施の形態の補間方法によれば、用意されていない角度のアレーマニフォルドデータをより正確に補間することができるが、それでも多少の補間誤差は生じるのに対し、実測値が用意されているアレーマニフォルドデータの誤差は0である。したがって、補間したデータを用いるよりも、予め用意されているデータを用いた場合の方が方位推定精度がよくなる。 That is, according to the interpolation method of each of the above embodiments, array manifold data at an unprepared angle can be more accurately interpolated, but even though some interpolation errors still occur, actually measured values are prepared. The error in the array manifold data is zero. Therefore, the direction estimation accuracy is better when data prepared in advance is used than when interpolated data is used.
そこで、上記のように各アンテナ素子ごとにアレーマニフォルドを用意する角度を異ならせるようにすれば、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置全体として観察した場合、より多くの角度について予め用意されているアレーマニフォルドデータを用いて方位推定を行うことができるので、全方位について安定した方向推定を行うことができる。 Therefore, if the angle for preparing the array manifold is made different for each antenna element as described above, the array array prepared in advance for a larger number of angles when observed as a whole antenna apparatus having a plurality of antenna elements. Since direction estimation can be performed using the manifold data, stable direction estimation can be performed for all directions.
(変形例7)
また、上述した第2の実施の形態および第3の実施の形態では、予めアレーマニフォルドデータが用意される角度はすべての周波数(f1、f2)について同一であった。例えば図13に示す例では、周波数f1、f2について1°、2°、3°といった1°間隔ごとにアレーマニフォルドデータが用意されており、かかる用意されたアレーマニフォルドデータから用意されていないアレーマニフォルドデータを補間導出するようにしていた。
(Modification 7)
In the second and third embodiments described above, the angle at which array manifold data is prepared in advance is the same for all frequencies (f1, f2). For example, in the example shown in FIG. 13, array manifold data is prepared at intervals of 1 ° such as 1 °, 2 °, and 3 ° for frequencies f1 and f2, and array manifold data that is not prepared from the prepared array manifold data is prepared. The data was derived by interpolation.
このようにすべての周波数ついて同一角度のアレーマニフォルドを用意しておくようにしてもよいが、図19に示すように、周波数ごとに異なる角度のアレーマニフォルドを用意するようにしてもよい。同図に示すように、この例では、周波数f1については、0°、1°、2°、3°‥‥といった角度についてアレーマニフォルドデータが用意されており、周波数f2については0.5°、1.5°、2.5°‥‥といった角度についてアレーマニフォルドデータが用意されている。 In this way, an array manifold having the same angle may be prepared for all frequencies, but an array manifold having a different angle for each frequency may be prepared as shown in FIG. As shown in the figure, in this example, array manifold data is prepared for angles such as 0 °, 1 °, 2 °, 3 °... For frequency f1, and 0.5 ° for frequency f2. Array manifold data is prepared for angles of 1.5 °, 2.5 °, etc.
このように周波数ごとにアレーマニフォルドデータを用意する角度を異ならせることで、広い周波数帯域を対象とした方向推定を行う場合に、全方位について安定した方向推定精度を実現することができる。 Thus, by varying the angle at which the array manifold data is prepared for each frequency, stable direction estimation accuracy can be realized in all directions when performing direction estimation for a wide frequency band.
(変形例8)
また、上述した各実施の形態においては、アレーマニフォルドデータ補間装置107が、到来方位推定処理部104からの要求に応じた角度、周波数のアレーマニフォルドデータを補間するといったように、アレーマニフォルドデータ要求ごとに補間する角度や周波数を異ならせるようにしてもよい。
(Modification 8)
In each of the above-described embodiments, the array manifold
例えば、到来方位推定の対象となる周波数が低い場合には、波長が長いことに起因して方位推定精度は低くなる。このように低周波数領域を対象とする際、多くのアレーマニフォルドデータを利用した場合であっても方位推定精度の向上はあまり望めないケースがある。このような場合に多くのアレーマニフォルドデータを補間により導出する必要がないため、要求する角度の数を少なくする。 For example, when the frequency that is the target of arrival direction estimation is low, the direction estimation accuracy is low due to the long wavelength. Thus, when targeting the low frequency region, there are cases where improvement in the direction estimation accuracy cannot be expected even if a large amount of array manifold data is used. In such a case, since it is not necessary to derive a lot of array manifold data by interpolation, the number of required angles is reduced.
一方、高周波領域を対象とする方位推定を行う場合には、精度がよくなる傾向があり、多くのアレーマニフォルドデータを利用することでさらに精度を向上させることができる。したがって、このようなケースではより多くの角度についてアレーマニフォルドデータを補間により導出するようにする。 On the other hand, when performing azimuth estimation for a high frequency region, the accuracy tends to be improved, and the accuracy can be further improved by using a lot of array manifold data. Therefore, in such a case, array manifold data is derived by interpolation for more angles.
以上のように方位推定の対象となる周波数領域に応じて、アレーマニフォルドデータ補間装置107が補間するデータ数等を変更させるようにしてもよい。また、迅速に方位推定処理を行うことが要求される場合には、補間により導出するアレーマニフォルドの数を少なくし、時間よりも精度が優先されるケースにおいては補間により導出するアレーマニフォルドの数を多くするといったようにしてもよい。
As described above, the number of data to be interpolated by the array manifold
(変形例9)
また、上記各実施の形態にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法、装置によって導出されたアレーマニフォルドデータは、上記のようなMUSIC法を用いて到来方位推定処理のみならず、他の到来方位推定処理に用いることができ、アダプティブアンテナにおいてビームパターンを計算するときに利用することもできる。
(Modification 9)
Also, the array manifold data derived by the array manifold data interpolation method and apparatus according to each of the above embodiments is used not only for the arrival direction estimation process using the MUSIC method as described above but also for other arrival direction estimation processes. It can also be used when calculating the beam pattern in an adaptive antenna.
以上のように、本発明にかかるアレーマニフォルドデータ補間方法、到来方位推定方法およびアレーマニフォルド補間装置は、MUSIC法などを利用した方位推定に有用であり、特に、複数のアンテナ素子を有するレーダ装置などに用いる技術として好適である。 As described above, the array manifold data interpolation method, the arrival direction estimation method, and the array manifold interpolation device according to the present invention are useful for direction estimation using the MUSIC method and the like, in particular, a radar device having a plurality of antenna elements, etc. It is suitable as a technique used for the above.
100 アンテナ装置
101 アンテナ素子
102 受信アナログ処理部
103 A/D変換部
104 到来方位推定処理部
105 アレーマニフォルド記憶部
106 アンテナ座標記憶部
107 アレーマニフォルドデータ補間装置
DESCRIPTION OF
Claims (11)
複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、
前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと
を具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法。 A method of deriving array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements by interpolation,
An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by arrangement of the antenna element from a phase value of array manifold data of a plurality of frequencies;
An interpolation step is performed using the subtraction phase value acquired in the acquisition step to obtain an interpolation subtraction phase value corresponding to a frequency different from the plurality of frequencies;
An addition step of deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different frequencies to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step. Manifold data interpolation method.
複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、
前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと
を具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法。 A method of deriving array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements by interpolation,
An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna elements from a phase value of array manifold data of a plurality of angles;
An interpolation step is performed using the subtraction phase value acquired in the acquisition step to obtain an interpolation subtraction phase value corresponding to an angle different from the plurality of angles;
An addition step of deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step. Manifold data interpolation method.
前記補間ステップでは、前記取得ステップで取得された前記複数の周波数の各々についての複数の角度に対応する減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度および前記複数の周波数とは異なる角度および周波数に対応する補間減算位相値を求め、
前記加算ステップでは、前記補間ステップで求められた補間減算位相値に、前記異なる角度および周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する
ことを特徴とする請求項2に記載のアレーマニフォルドデータ補間方法。 In the obtaining step, further obtaining a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna element from a phase value of array manifold data of a plurality of angles for each of a plurality of frequencies,
In the interpolation step, an interpolation operation is performed using subtraction phase values corresponding to a plurality of angles for each of the plurality of frequencies acquired in the acquisition step, and the angles different from the plurality of angles and the plurality of frequencies. And the interpolation subtraction phase value corresponding to the frequency,
In the addition step, an interpolation phase value is derived by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angle and frequency to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step. Item 3. The array manifold data interpolation method according to Item 2.
ことを特徴とする請求項2または3に記載のアレーマニフォルドデータ補間方法。 4. The array manifold according to claim 2, wherein, in the obtaining step, the number of subtraction phase values to be obtained per unit angle is made different for each direction based on an arrangement state of the plurality of antenna elements. 5. Data interpolation method.
ことを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載のアレーマニフォルドデータ補間方法。 5. The acquisition step according to claim 2, wherein in the direction in which the amplitude value of the array manifold is small, the subtracted phase value per unit angle is acquired more than in the direction in which the amplitude value of the array manifold is large. The array manifold data interpolation method according to any one of the above.
ことを特徴とする請求項2ないし5のいずれかに記載のアレーマニフォルドデータ補間方法。 6. The acquisition step according to claim 2, wherein when the array manifold phase value for each of the plurality of antenna elements is interpolated, the subtraction phase value corresponding to a different angle is acquired for each antenna element. The array manifold data interpolation method according to any one of the above.
ことを特徴とする請求項1または3に記載のアレーマニフォルドデータ補間方法。 4. The array manifold data according to claim 1, wherein in the obtaining step, when interpolating array manifold phase values for a plurality of frequencies, the subtracting phase values corresponding to different angles are obtained for each frequency. 5. Interpolation method.
複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、
前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと、
前記加算ステップで得られた補間位相値を用いて到来方向を推定する推定ステップと
を具備することを特徴とする到来方向推定方法。 A method of estimating the direction of arrival of an incident wave using array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements,
An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by arrangement of the antenna element from a phase value of array manifold data of a plurality of frequencies;
An interpolation step is performed using the subtraction phase value acquired in the acquisition step to obtain an interpolation subtraction phase value corresponding to a frequency different from the plurality of frequencies;
An addition step of deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different frequencies to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step;
An arrival direction estimation method comprising: an estimation step of estimating an arrival direction using the interpolated phase value obtained in the addition step.
複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間ステップと、
前記補間ステップで求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算ステップと、
前記加算ステップで得られた補間位相値を用いて到来方向を推定する推定ステップと
を具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間方法。 A method of estimating the direction of arrival of an incident wave using array manifold data of an antenna device having a plurality of antenna elements,
An acquisition step of acquiring a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna elements from a phase value of array manifold data of a plurality of angles;
An interpolation step is performed using the subtraction phase value acquired in the acquisition step to obtain an interpolation subtraction phase value corresponding to an angle different from the plurality of angles;
An addition step of deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolation subtraction phase value obtained in the interpolation step;
An array manifold data interpolation method comprising: an estimation step of estimating an arrival direction using the interpolation phase value obtained in the addition step.
複数の周波数のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の周波数とは異なる周波数に対応する補間減算位相値を求める補間手段と、
前記補間手段により求められた前記補間減算位相値に、前記異なる周波数に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算手段と
を具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間装置。 An apparatus for deriving array manifold data of an antenna apparatus having a plurality of antenna elements by interpolation,
Obtaining means for obtaining a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by arrangement of the antenna element from a phase value of array manifold data of a plurality of frequencies;
Interpolation using the subtraction phase value acquired by the acquisition means to obtain an interpolation subtraction phase value corresponding to a frequency different from the plurality of frequencies;
Addition means for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different frequencies to the interpolation subtraction phase value obtained by the interpolation means. Manifold data interpolation device.
複数の角度のアレーマニフォルドデータの位相値から、前記アンテナ素子の配置によって定まる位相値を減算した減算位相値を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された減算位相値を用いて補間演算を行い、前記複数の角度とは異なる角度に対応する補間減算位相値を求める補間手段と、
前記補間手段により求められた前記補間減算位相値に、前記異なる角度に対応するアンテナ素子の配置によって定まる位相値を加算して補間位相値を導出する加算手段と
を具備することを特徴とするアレーマニフォルドデータ補間装置。 An apparatus for deriving array manifold data of an antenna apparatus having a plurality of antenna elements by interpolation,
Obtaining means for obtaining a subtraction phase value obtained by subtracting a phase value determined by the arrangement of the antenna elements from a phase value of array manifold data of a plurality of angles;
Interpolation using the subtraction phase value acquired by the acquisition unit to perform an interpolation calculation, and obtaining an interpolation subtraction phase value corresponding to an angle different from the plurality of angles;
And an addition means for deriving an interpolation phase value by adding a phase value determined by an arrangement of antenna elements corresponding to the different angles to the interpolation subtraction phase value obtained by the interpolation means. Manifold data interpolation device.
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