JP4810163B2 - Radio wave direction detector - Google Patents
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Description
従来の電波方向探知装置としては、次のものがある。まず、複数の素子アンテナで受信した受信信号から相関行列を算出する。さらに、相関行列の雑音に対応する固有ベクトルと入射方向に対応するステアリングベクトル（受信位相状態を示すベクトル）とが直交することを利用して、固有ベクトルとの内積が最小となるステアリングベクトルを探索することにより、電波の入射方向を推定する（例えば、非特許文献１参照）。 Examples of conventional radio wave direction detecting devices include the following. First, a correlation matrix is calculated from received signals received by a plurality of element antennas. Further, by using the fact that the eigenvector corresponding to the noise of the correlation matrix and the steering vector corresponding to the incident direction (vector indicating the reception phase state) are orthogonal to each other, a steering vector that minimizes the inner product with the eigenvector is searched. Thus, the incident direction of the radio wave is estimated (for example, see Non-Patent Document 1).
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の電波方向探知装置は、電波の受信位相状態を利用するものであるが、電波の周波数に応じて受信位相状態が異なるので、電波の周波数も計測する必要がある。このため、広い周波数範囲を観測するために、多くのステアリングベクトルを格納する必要があり、また、周波数が異なる複数の到来波の方向探知を行うことができないという課題があった。また、入射波が広帯域である場合には、測定精度が低下する課題があった。 However, the prior art has the following problems. The conventional radio wave direction detecting device uses the reception phase state of radio waves, but the reception phase state differs depending on the frequency of radio waves, so it is also necessary to measure the frequency of radio waves. For this reason, in order to observe a wide frequency range, it is necessary to store many steering vectors, and there is a problem that it is impossible to detect the direction of a plurality of incoming waves having different frequencies. Further, when the incident wave has a wide band, there is a problem that the measurement accuracy is lowered.
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、周波数計測の必要なしに、また周波数に応じた応答ベクトルを格納する必要なしに、周波数が異なる複数の到来波および広帯域な到来波の入射方向推定が可能な電波方向探知装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A plurality of incoming waves having different frequencies and a wide-band arrival can be obtained without the need for frequency measurement and without storing a response vector corresponding to the frequency. An object of the present invention is to obtain a radio wave direction detecting device capable of estimating the incident direction of a wave.
本発明に係る電波方向探知装置は、周波数依存性の低い振幅利得関数を有し、指向方向の異なる８の字指向性を有する複数のアンテナと、一定値である振幅利得関数を有するオムニアンテナと、複数のアンテナおよびオムニアンテナからの信号をそれぞれ受信する受信機と、受信機の出力信号に基づいて相関行列を計算する相関行列計算手段と、相関行列計算手段で得られた相関行列の固有値分解を行う固有値分解手段と、複数のアンテナおよびオムニアンテナのそれぞれの振幅利得関数から得られる入射方向にのみ依存した応答ベクトルがあらかじめ記憶されたメモリと、固有値分解手段から得られる固有値および固有ベクトルと、メモリから読み出される応答ベクトルとを用いて方位評価関数を算出する方位評価関数計算手段と、方位評価関数計算手段で算出された方位評価関数から電波の到来方向を検出する電波方向検出手段とを備えたものである。
A radio wave direction detecting apparatus according to the present invention includes a plurality of antennas having an amplitude gain function having a low frequency dependency and having eight-shaped directivities having different directivity directions, and an omni antenna having an amplitude gain function having a constant value. A receiver for receiving signals from a plurality of antennas and an omni antenna, a correlation matrix calculating means for calculating a correlation matrix based on the output signal of the receiver, and an eigenvalue decomposition of the correlation matrix obtained by the correlation matrix calculating means An eigenvalue decomposing means for performing the above, a memory in which a response vector depending only on the incident direction obtained from the amplitude gain function of each of the plurality of antennas and the omni antenna is stored in advance, an eigenvalue and an eigenvector obtained from the eigenvalue decomposing means, and a memory Orientation evaluation function calculation means for calculating an orientation evaluation function using a response vector read from It is obtained by a radio wave direction detecting means for detecting the arrival direction of the radio wave from the function calculating means orientation evaluation function calculated by.
本発明によれば、振幅利得関数の周波数依存性が低く指向方向が異なる複数のアンテナ（例えば、アドコックアンテナや微小ダイポールアンテナ）およびオムニアンテナの振幅利得関数から得られる応答ベクトルを利用することで、周波数計測の必要なしに、また周波数に応じた応答ベクトルを格納する必要なしに、周波数が異なる複数の到来波および広帯域な到来波の入射方向推定が可能な電波方向探知装置を得ることができる。 According to the present invention, by using a response vector obtained from the amplitude gain function of a plurality of antennas (for example, an Adcock antenna or a minute dipole antenna) having a low frequency dependency of the amplitude gain function and different directivity directions and an omni antenna. It is possible to obtain a radio wave direction detecting device capable of estimating the incident directions of a plurality of incoming waves having different frequencies and a wideband incoming wave without the need for frequency measurement and without storing a response vector corresponding to the frequency. .
以下、本発明の電波方向探知装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a radio wave direction detecting device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電波方向探知装置の構成図である。図１におけるアンテナは、指向方向が９０度だけ異なるアンテナ１、２と、オムニアンテナ３とで構成されている。アンテナ１、２、およびオムニアンテナ３には、それぞれ受信機４が接続されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a radio wave direction detecting device according to
相関行列計算手段５は、それぞれの受信機４からの受信信号に基づいて相関行列を計算する。固有値分解手段６は、相関行列計算手段５で計算された相関行列の固有値分解を行う。メモリ７は、入射方向に応じた応答ベクトルがあらかじめ格納されている記憶部である。 Correlation matrix calculation means 5 calculates a correlation matrix based on the received signal from each receiver 4. The eigenvalue decomposition means 6 performs eigenvalue decomposition of the correlation matrix calculated by the correlation matrix calculation means 5. The memory 7 is a storage unit in which response vectors corresponding to the incident direction are stored in advance.
方位評価関数計算手段８は、固有値分解手段６で得られた固有ベクトルと、メモリ７に格納された応答ベクトルとの内積演算により方位評価関数を計算する。さらに、電波方向検出手段９は、方位評価関数計算手段８で計算された方位評価関数に基づいて、電波の方向を検出する。 The azimuth evaluation function calculation means 8 calculates the azimuth evaluation function by inner product calculation of the eigenvector obtained by the eigenvalue decomposition means 6 and the response vector stored in the memory 7. Further, the radio wave direction detection means 9 detects the direction of the radio wave based on the azimuth evaluation function calculated by the azimuth evaluation function calculation means 8.
図２は、本発明の実施の形態１における電波方向の座標系を示した図である。図２に示すように、ｘｙ座標系において到来方向θを規定する。アンテナ１、２は、８の字指向性を有し、次式（１）（２）に示すように、それぞれの振幅利得関数ｇ１（θ）、ｇ２（θ）が正弦波形を持っているものとする。また、これらのアンテナパターンの周波数依存性は、十分小さいものとする。さらに、オムニアンテナ３の振幅利得関数ｇ３（θ）は、下式（３）とする。
FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system in the radio wave direction according to
図３は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ１、２およびオムニアンテナ３のアンテナパターンを示した図であり、上式（１）〜（３）の関係をグラフ化したものである。
FIG. 3 is a diagram illustrating antenna patterns of the
このように、振幅利得関数ｇ１（θ）、ｇ２（θ）が正弦波形となる８の字指向性を有するアンテナとしては、アドコックアンテナや微小ダイポールアンテナがあり、周波数依存性が低い特徴がある。入射波ｋの到来角度をθｋ、時間波形をｓｋ（ｔ）とする。このとき、各アンテナｍの受信信号ｘｍ（ｔ）は、次式（４）〜（６）のようになる。ここで、ｍは、ｍ＝１、２、３であり、ｍ＝１、２はアンテナ１、２に対応し、ｍ＝３はオムニアンテナ３に対応するものとする。
As described above, there are an Adcock antenna and a minute dipole antenna as the antenna having the 8-shaped directivity in which the amplitude gain functions g 1 (θ) and g 2 (θ) are sinusoidal waveforms, and the frequency dependency is low. There is. The angle of arrival of the incident wave k is θ k , and the time waveform is s k (t). At this time, the received signal x m (t) of each antenna m is expressed by the following equations (4) to (6). Here, m is m = 1, 2, and 3, m = 1 and 2 correspond to the
ここで、ｔは、時間を表す因子であり、ｎｍ（ｔ）は、アンテナｍの受信機雑音であり、電力は全て等しくｐｎとする。 Here, t is a factor representing the time, n m (t) is the receiver noise of the antenna m, and all power is equal p n.
次に、相関行列計算手段５は、受信機４から出力される受信信号で構成される次式（７）に示すベクトルＸを用いて、式(８)のように相関行列Ｒを求める。 Next, the correlation matrix calculation means 5 obtains a correlation matrix R as shown in equation (8) using a vector X shown in the following equation (7) composed of the received signal output from the receiver 4.
ここで、式（８）におけるＥ［］は、時間に関する平均処理を示し、肩字のＨは、複素共役転置を示す。次に、固有値分解手段６は、相関行列計算手段５によって算出された相関行列Ｒの固有値分解を行う。 Here, E [] in Equation (8) indicates an average process with respect to time, and the superscript H indicates a complex conjugate transpose. Next, the eigenvalue decomposition means 6 performs eigenvalue decomposition of the correlation matrix R calculated by the correlation matrix calculation means 5.
相関行列Ｒは、複素共役転置対称行列（エルミート行列）であって、この行列の固有値は実数であり、また、各固有ベクトルは、直交する性質がある。固有値は、入射波に対応するものはそれだけ大きくなる性質があり、雑音成分だけに対応する固有値は、小さくなる。そこで、相関行列Ｒの３つの固有値のうち、最小となるものを雑音に対応する固有値とし、これに対応する固有ベクトルＶ０を抽出する。 The correlation matrix R is a complex conjugate transposed symmetric matrix (Hermitian matrix), the eigenvalues of this matrix are real numbers, and each eigenvector has a property of being orthogonal. The eigenvalue has a property that the value corresponding to the incident wave becomes larger, and the eigenvalue corresponding only to the noise component becomes smaller. Therefore, among the three eigenvalues of the correlation matrix R, the smallest one is set as the eigenvalue corresponding to noise, and the eigenvector V 0 corresponding to this is extracted.
各固有ベクトルが直交する性質から、入射波の入射方向に対応する応答ベクトルと、雑音に対応する固有ベクトルとは直交する。応答ベクトルａ（θ）は、式(１)〜式(３)の各入射波信号の係数を用いて、次式（９）で与えられるものである。 Because of the property that each eigenvector is orthogonal, the response vector corresponding to the incident direction of the incident wave and the eigenvector corresponding to noise are orthogonal. The response vector a (θ) is given by the following equation (9) using the coefficients of the incident wave signals of the equations (1) to (3).
式(９)で与えられる入射方向に応じた応答ベクトルａ（θ）は、メモリ７にあらかじめ保存しておく。上述のようにアドコックアンテナの振幅利得関数を応答ベクトルとする場合には、従来、特徴量として用いていた受信位相差とは異なり、周波数依存性が低いので、周波数毎にメモリを持つ必要がない。さらに、周波数を推定する必要がないので構成が簡易である利点がある。また、広帯域波や、周波数が異なる複数の入射波に対しても、入射方向だけに依存するベクトルなので有効である。 The response vector a (θ) corresponding to the incident direction given by Expression (9) is stored in the memory 7 in advance. As described above, when the amplitude gain function of the Adcock antenna is used as a response vector, unlike the reception phase difference conventionally used as a feature amount, the frequency dependency is low, so it is necessary to have a memory for each frequency. Absent. Furthermore, there is an advantage that the configuration is simple because it is not necessary to estimate the frequency. Further, it is effective for a broadband wave and a plurality of incident waves having different frequencies because the vector depends only on the incident direction.
次に、方位評価関数計算手段８は、先に求めた雑音に対応する固有ベクトルＶ０と、測定する角度方向θに対応する応答ベクトルａ（θ）との内積を計算し、下式（１０）の方位評価関数ｅ（θ）を導出する。前述したように、この方位評価関数ｅ（θ）の分母は、入射方向に対応する応答ベクトルａ（θ）が選ばれた場合に０となるので、急峻なピークが現れることになる。 Next, the azimuth evaluation function calculation means 8 calculates the inner product of the eigenvector V 0 corresponding to the previously obtained noise and the response vector a (θ) corresponding to the angular direction θ to be measured, and the following equation (10) The azimuth evaluation function e (θ) is derived. As described above, the denominator of this azimuth evaluation function e (θ) becomes 0 when the response vector a (θ) corresponding to the incident direction is selected, so that a steep peak appears.
図４は、本発明の実施の形態１における方位評価関数の一例を示したものであり、２波の入射波が６０［°］および１００［°］から入射する場合の、方位評価関数を示したものである。横軸は、角度θ、縦軸は、方位評価関数ｅ（θ）である。この図から、入射角と一致する６０［°］および１００［°］の方向に急峻なピークが得られていることが分かる。電波方向検出手段９は、このようなピークを検出して電波方向を出力する。 FIG. 4 shows an example of the azimuth evaluation function according to the first embodiment of the present invention, and shows the azimuth evaluation function when two incident waves are incident from 60 [°] and 100 [°]. It is a thing. The horizontal axis represents the angle θ, and the vertical axis represents the azimuth evaluation function e (θ). From this figure, it can be seen that steep peaks are obtained in the directions of 60 [°] and 100 [°] which coincide with the incident angle. The radio wave direction detecting means 9 detects such a peak and outputs the radio wave direction.
方位評価関数計算手段８は、固有値のうち最小となるものを雑音に対応する固有ベクトルとして選択したが、入射波数が自由度の数よりも２つ以上小さい場合には、雑音に対応する固有値および固有ベクトルは、複数存在する。上述の例では、例えば、自由度の数（＝アンテナの数）は３であり、入射波数が１の場合には、雑音に対応する固有ベクトルは、２つ存在することになる。 The azimuth evaluation function calculation means 8 selects the smallest eigenvalue as the eigenvector corresponding to the noise. However, when the incident wave number is two or more smaller than the number of degrees of freedom, the eigenvalue and eigenvector corresponding to the noise are selected. There are multiple. In the above example, for example, when the number of degrees of freedom (= the number of antennas) is 3, and the number of incident waves is 1, there are two eigenvectors corresponding to noise.
雑音に対応する固有値は、あらかじめ雑音電力を測定しておくことで知ることができ、これよりも大きな値を持つ固有値の数が入射波数として推定できる。入射波数の数をＫ、自由度の数をＭとするとき、雑音に対応する固有ベクトルをＶｉ（ｉ＝１、．．．、Ｍ−Ｋ）として方位評価関数を次式（１１）のように求めてもよい。 The eigenvalue corresponding to noise can be known by measuring noise power in advance, and the number of eigenvalues having a value larger than this can be estimated as the incident wave number. When the number of incident waves is K and the number of degrees of freedom is M, the eigenvector corresponding to noise is V i (i = 1,..., M−K), and the azimuth evaluation function is expressed as You may ask for.
このような方位評価関数を用いると、最小の固有ベクトルだけを用いるよりも方位評価関数のピークの精度が高まる効果がある。本発明では、方位評価関数を式(１１)のような式に従って求めてもよい。 Using such an orientation evaluation function has the effect of increasing the accuracy of the peak of the orientation evaluation function rather than using only the smallest eigenvector. In the present invention, the azimuth evaluation function may be obtained according to an expression such as Expression (11).
また、本発明では、受信位相差を利用しないため、アンテナ配置に依存しない利点があるが、空間的な広がりを持つと、平面波の到来方向の一意性がなくなるので、各アンテナは、図１に示すように指向面に対して垂直に配置するのがよい。 Further, in the present invention, since the reception phase difference is not used, there is an advantage that it does not depend on the antenna arrangement. However, if there is a spatial spread, the uniqueness of the arrival direction of the plane wave is lost. As shown, it should be arranged perpendicular to the directional surface.
実施の形態１によれば、周波数依存性の低い振幅利得関数を有し、指向方向の異なる８の字指向性を有する２つのアンテナおよびオムニアンテナを備え、これら受信信号の相関行列の固有ベクトルと、振幅利得関数から得られる応答ベクトルとの内積から方位評価関数を算出し、電波の入射方向を推定することにより、複数の入射波が広帯域である場合や、周波数が大きく異なる場合にも有効に電波方向探知を行うことができる。 According to the first embodiment, there are provided two antennas and an omni antenna having an amplitude gain function with low frequency dependence and having eight-shaped directivities having different directivity directions, and eigenvectors of correlation matrices of these received signals, By calculating the azimuth evaluation function from the inner product with the response vector obtained from the amplitude gain function and estimating the incident direction of the radio wave, the radio wave is effectively used even when multiple incident waves are in a wide band or when the frequency is significantly different. Direction detection can be performed.
さらに、周波数計測の必要がなく、格納する応答ベクトルも周波数ごとに持つ必要がないので、構成が簡単となる。 Furthermore, there is no need for frequency measurement, and it is not necessary to have a response vector to be stored for each frequency, which simplifies the configuration.
なお、上述の説明においては、２つのアンテナ１、２を用いた場合について説明したが、３つ以上の複数のアンテナを用いた場合には、自由度を増加させることができ、より多くの入射波の電波方向探知が可能となる。
In the above description, the case where two
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における電波方向探知装置の構成図である。実施の形態１における図１の構成の電波方向探知装置と比較すると、図５の構成の電波方向探知装置は、新たに複素信号生成手段１０を備えている点が異なる。
FIG. 5 is a configuration diagram of the radio wave direction detecting apparatus according to the second embodiment of the present invention. Compared with the radio wave direction detecting apparatus having the configuration shown in FIG. 1 in the first embodiment, the radio wave direction detecting apparatus having the configuration shown in FIG. 5 is different in that a complex signal generating means 10 is newly provided.
図５における複素信号生成手段１０は、虚数ｊを乗じる乗算手段１１と、加算器１２および減算器１３を備えている。図５に示した構成を有することにより、複素信号生成手段１０は、異なる指向性を有するアンテナ１、２のうちの１つのアンテナの受信信号を実部、もう１つのアンテナの受信信号を正負の虚部とする複素信号を生成することとなる。
The complex signal generating means 10 in FIG. 5 includes a multiplying means 11 for multiplying an imaginary number j, an
なお、複素信号生成手段１０は、選択するアンテナを切り替えてもよい。すなわち、実部と虚部が入れ替わるように選択してもよい。 The complex signal generation means 10 may switch the antenna to be selected. That is, you may select so that a real part and an imaginary part may interchange.
アンテナ１、２、およびオムニアンテナ３の振幅利得関数は、式(１)〜(３)で与えられるものとする。このとき、複素信号生成手段１０で得られる２つの信号ｙ１（ｔ）、ｙ２（ｔ）は、下式(１２)、(１３)のように与えられる。また、ｙ３（ｔ）は、式(６)と同様に、オムニアンテナの受信信号に√２を乗じて、下式(１４)のように与えられるものとする。これは、各信号の受信機雑音電力をほぼ等しくするためである。
It is assumed that the amplitude gain functions of the
次に、相関行列計算手段５は、信号ｙｍ（ｔ）（ｍは、ｍ＝１、２、３）で構成される次式（１５）に示すベクトルＹを用いて、下式(１６)のように相関行列Ｒを求める。 Next, the correlation matrix calculation means 5 uses the vector Y shown in the following equation (15) composed of the signal y m (t) (m is m = 1, 2, 3), and the following equation (16) The correlation matrix R is obtained as follows.
式(１６)で得られた相関行列Ｒに対して、実施の形態１と同様に固有値分解手段６により固有値分解を行い、最小固有値に対応する固有ベクトルを雑音に対応する固有ベクトルＶ０として抽出する。応答ベクトルとしては、次式（１７）に示す値があらかじめメモリ７に格納されている。 The eigenvalue decomposition unit 6 performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix R obtained by Expression (16) as in the first embodiment, and extracts the eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue as the eigenvector V 0 corresponding to noise. As the response vector, a value represented by the following equation (17) is stored in the memory 7 in advance.
方位評価関数計算手段８は、先に求めた雑音に対応する固有ベクトルと、測定する角度方向θに対応する応答ベクトルａ（θ）との内積から、下式（１８）により方位評価関数ｅ（θ）を導出する。 The azimuth evaluation function calculation means 8 calculates the azimuth evaluation function e (θ) from the inner product of the eigenvector corresponding to the previously obtained noise and the response vector a (θ) corresponding to the angular direction θ to be measured by the following equation (18). ) Is derived.
この方位評価関数ｅ（θ）の分母は、入射方向に対応する応答ベクトルａ（θ）が選ばれた場合に０となるので、急峻なピークが現れる。このピークの方向を電波方向検出手段９にて検出することで、電波の入射方向を推定することができる。
Since the denominator of this azimuth evaluation function e (θ) is 0 when the response vector a (θ) corresponding to the incident direction is selected, a steep peak appears. By detecting the direction of this peak by the radio wave
本実施の形態２では、合成信号ｙｍ（ｔ）を算出するときに合成係数を変えて、たとえば、次式（１９）、（２０）のように生成することで、自由度を増やすことができる。 In the second embodiment, the degree of freedom can be increased by changing the synthesis coefficient when calculating the synthesized signal y m (t), for example, as shown in the following equations (19) and (20). it can.
また、合成信号と実施の形態１で示した受信信号ｘｍ（ｔ）の両方を用いて相関行列Ｒを求めることでも自由度を増加させることができる。 Also, the degree of freedom can be increased by obtaining the correlation matrix R using both the synthesized signal and the received signal x m (t) shown in the first embodiment.
自由度の増加が可能なため、実施の形態１と同様に、本実施の形態２においても、自由度に余裕がある場合には、複数の雑音に対応する固有ベクトルを用いて方位評価関数を求めてもよい。すなわち、入射波数の数をＫ、自由度の数をＭとして、雑音に対応する固有ベクトルをＶｉ（ｉ＝１、．．．、Ｍ−Ｋ）として方位評価関数を、次式（２１）のように求めてもよい。 Since the degree of freedom can be increased, as in the first embodiment, in the second embodiment, when there is a margin in the degree of freedom, an azimuth evaluation function is obtained using eigenvectors corresponding to a plurality of noises. May be. That is, the number of incident waves is K, the number of degrees of freedom is M, the eigenvector corresponding to noise is V i (i = 1,..., M−K), and the azimuth evaluation function is You may ask for it.
実施の形態２によれば、周波数依存性の低い振幅利得関数を有し、指向方向の異なる８の字指向性を有する２つのアンテナとオムニアンテナを備え、これら受信信号から生成される複素信号を用いて相関行列を計算し、相関行列の固有ベクトルと、振幅利得関数から得られる応答ベクトルとの内積から方位評価関数を算出し、電波の入射方向を推定するので、複数の入射波が広帯域である場合や、周波数が大きく異なる場合にも有効に電波方向探知を行うことができる。 According to the second embodiment, there are provided two antennas having an amplitude gain function with low frequency dependency and having an 8-shaped directivity with different directivity directions and an omni antenna, and a complex signal generated from these received signals is obtained. Use this to calculate the correlation matrix, calculate the azimuth evaluation function from the inner product of the eigenvector of the correlation matrix and the response vector obtained from the amplitude gain function, and estimate the incident direction of the radio wave. In this case, the radio wave direction can be detected effectively even when the frequency is greatly different.
さらに、周波数計測の必要がなく、応答ベクトルも周波数ごとに格納する必要がないので、構成が簡単となる効果がある。 Further, there is no need for frequency measurement, and there is no need to store a response vector for each frequency.
なお、上述の説明においては、２つのアンテナ１、２を用いた場合について説明したが、３つ以上の複数のアンテナを用いた場合には、その中から任意の２つのアンテナを選択して複素信号を生成することにより、同様の効果を得ることができる。
In the above description, the case where two
さらに、３つ以上の複数のアンテナを用いた場合には、相関行列計算手段は、任意に選択した２つのアンテナによる複素信号に基づいた相関行列と、任意に選択した２つのアンテナ以外の受信信号に基づいた相関行列とを算出できる。これにより、実施の形態１と２の両方の方法に基づいて、到来電波の検出が可能となる。 Further, in the case of using three or more antennas, the correlation matrix calculation means includes a correlation matrix based on a complex signal by two arbitrarily selected antennas and a received signal other than the arbitrarily selected two antennas. And a correlation matrix can be calculated. This makes it possible to detect incoming radio waves based on both methods of the first and second embodiments.
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３における電波方向探知装置の構成図である。実施の形態２における図５の構成の電波方向探知装置と比較すると、図６の構成の電波方向探知装置は、アンテナとして単向性を有するカージオイドアンテナ２１、２２を用いるとともに、複素信号生成手段１０の代わりに２つの減算器１３を備えている点が異なる。
FIG. 6 is a configuration diagram of a radio wave direction detecting device according to
本実施の形態３では、実施の形態１で示した８の字指向性を有する例えばアドコックアンテナに代えて、カージオイド特性を有するカージオイドアンテナ２１、２２を２つのアンテナとして用いる。ここで、カージオイドアンテナ２１、２２は、９０度だけ指向方向が異なるカージオイド特性を有する単向性のアンテナである。カージオイドアンテナ２１、２２およびオムニアンテナ３は、次式（２２）〜（２４）に示すような指向性を有し、アドコックアンテナと同様に周波数依存性が低い性質がある。
In the third embodiment,
図７は、本発明の実施の形態３におけるカージオイドアンテナ２１、２２およびオムニアンテナ３のアンテナパターンを示した図であり、上式（２２）〜（２４）の関係をグラフ化したものである。
FIG. 7 is a diagram showing antenna patterns of the
図６に示すように、減算器１３を用いて、アンテナ＃１（カージオイドアンテナ２１に相当）およびアンテナ＃２（カージオイドアンテナ２２に相当）からアンテナ＃３（オムニアンテナ３に相当）の受信信号を減算することで、アドコックアンテナと同様に、正弦波形のパターンを持つアンテナで受信した場合と同様な受信信号を得ることができる。
As shown in FIG. 6, using
この減算後の信号およびアンテナ＃３の受信信号ｘ３（ｔ）より、相関行列Ｒを算出し、実施の形態１と同様な処理をすることで広帯域な方向探知を行うことができる。
By calculating the correlation matrix R from the signal after subtraction and the received signal x 3 (t) of the
実施の形態３によれば、周波数依存性の低い振幅利得関数を有する２つの単向性を有するカージオイドアンテナとオムニアンテナを備え、２つのカージオイドアンテナからオムニアンテナの受信信号を減算した信号と、オムニアンテナの受信信号を用いて相関行列を計算し、相関行列の固有ベクトルと、振幅利得関数から得られる応答ベクトルの内積から方位評価関数を算出し、電波の入射方向を推定するので、複数の入射波が広帯域である場合や、周波数が大きく異なる場合にも有効に電波方向探知を行うことができる。
According to
さらに、周波数計測の必要がなく、応答ベクトルも周波数ごとに格納する必要がないので、構成が簡単となる。 Furthermore, there is no need for frequency measurement, and there is no need to store a response vector for each frequency, which simplifies the configuration.
なお、上述の説明においては、２つのカージオイドアンテナ２１、２２を用いた場合について説明したが、３つ以上の複数のアンテナを用いた場合には、自由度を増加させることができ、より多くの入射波の電波方向探知が可能となる。
In the above description, the case where two
実施の形態４．
実施の形態１では、アンテナの振幅利得関数が正弦波形を持つアドコックアンテナを例に説明した。本実施の形態４では、その他の振幅利得関数を有するアンテナを用いた電波方向探知について説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the first embodiment, an example of an Adcock antenna in which the amplitude gain function of the antenna has a sine waveform has been described. In the fourth embodiment, radio wave direction detection using an antenna having another amplitude gain function will be described.
上述の実施の形態１〜３で説明したように、本発明では、電波方向探知を行うために、周波数依存性が低いアンテナパターンを利用している。そこで、各アンテナｍのアンテナパターンｇｍ（θ）が異なり、次式（２５）に示す条件を満たせば、同様の原理で、電波方向探知を実現することができる。 As described in the first to third embodiments, in the present invention, an antenna pattern having low frequency dependency is used in order to detect a radio wave direction. Therefore, if the antenna pattern g m (θ) of each antenna m is different and the condition shown in the following equation (25) is satisfied, radio wave direction detection can be realized by the same principle.
ここで、Ｒａ（ｉ、ｊ）は、アンテナパターンの相関であり、異なるアンテナパターン同士の相関が０であると、測角精度などの面で最もよい。このようなアンテナパターンを有するものとして、例えば、ｎを偶数として、次式（２６）に示すようなｇ１（θ）のパターンを有するアンテナが可能である。 Here, Ra (i, j) is the correlation between antenna patterns, and when the correlation between different antenna patterns is 0, it is best in terms of angle measurement accuracy. As an antenna having such an antenna pattern, for example, an antenna having a pattern of g 1 (θ) as shown in the following equation (26), where n is an even number, is possible.
図８は、本発明の実施の形態４におけるアンテナパターンを示した図であり、ｎ＝２の場合の２つのアンテナパターンと、オムニアンテナのアンテナパターンを示したものである。このようなクローバー型のアンテナパターンを有するアンテナは、周波数依存性が低いので本発明に利用することができ、同様に広帯域な電波方向探知を行うことができる。 FIG. 8 is a diagram showing antenna patterns according to Embodiment 4 of the present invention, and shows two antenna patterns when n = 2 and an antenna pattern of an omni antenna. An antenna having such a crowbar type antenna pattern has low frequency dependence and can be used in the present invention, and can also detect a wide-band radio wave direction.
さらに、他の周波数依存性の低いパターンを有するアンテナを組み合わせて用いることで、自由度を増加させることができ、より多くの入射波の電波方向探知が可能となる。 Furthermore, by using a combination of other antennas having patterns with low frequency dependence, the degree of freedom can be increased, and the radio wave direction detection of more incident waves can be performed.
実施の形態４によれば、周波数依存性の低い振幅利得関数を有し、各アンテナのアンテナパターンの相関が小さい複数のアンテナを用い、これらアンテナの受信信号を用いて相関行列を計算し、相関行列の固有ベクトルと、振幅利得関数から得られる応答ベクトルの内積から方位評価関数を算出し、電波の入射方向を推定するので、複数の入射波が広帯域である場合や、周波数が大きく異なる場合にも有効に電波方向探知を行うことができる。 According to the fourth embodiment, a plurality of antennas having an amplitude gain function with low frequency dependence and a small correlation between antenna patterns of each antenna are used, and a correlation matrix is calculated using received signals of these antennas. The azimuth evaluation function is calculated from the inner product of the matrix eigenvector and the response vector obtained from the amplitude gain function, and the incident direction of the radio wave is estimated, so even when multiple incident waves are in a wide band or when the frequency is significantly different Effective radio wave direction detection can be performed.
さらに、周波数計測の必要がなく、応答ベクトルも周波数ごとに格納する必要がないので、構成が簡単となる効果がある。 Further, there is no need for frequency measurement, and there is no need to store a response vector for each frequency.
１、２ アンテナ、３ オムニアンテナ、４ 受信機、５ 相関行列計算手段、６ 固有値分解手段、７ メモリ、８ 方位評価関数計算手段、９ 電波方向検出手段。１０ 複素信号生成手段、１１ 乗算手段、１２ 加算器、１３ 減算器、２１、２２ カージオイドアンテナ。 1, 2 antenna, 3 omni antenna, 4 receiver, 5 correlation matrix calculation means, 6 eigenvalue decomposition means, 7 memory, 8 azimuth evaluation function calculation means, 9 radio wave direction detection means. 10 complex signal generation means, 11 multiplication means, 12 adder, 13 subtractor, 21, 22 cardioid antenna.
Claims (11)
一定値である振幅利得関数を有するオムニアンテナと、
前記複数のアンテナおよび前記オムニアンテナからの信号をそれぞれ受信する受信機と、
前記受信機の出力信号に基づいて相関行列を計算する相関行列計算手段と、
前記相関行列計算手段で得られた前記相関行列の固有値分解を行う固有値分解手段と、
前記複数のアンテナおよび前記オムニアンテナのそれぞれの振幅利得関数から得られる、入射方向にのみ依存した応答ベクトルがあらかじめ記憶されたメモリと、
前記固有値分解手段から得られる固有値および固有ベクトルと、前記メモリから読み出される応答ベクトルとを用いて方位評価関数を算出する方位評価関数計算手段と、
前記方位評価関数計算手段で算出された方位評価関数から電波の到来方向を検出する電波方向検出手段と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。 A plurality of antennas having an amplitude gain function having a low frequency dependency and having eight-shaped directivities having different directivity directions;
An omni antenna having a constant amplitude gain function ;
Receivers for receiving signals from the plurality of antennas and the omni antenna, respectively;
Correlation matrix calculating means for calculating a correlation matrix based on the output signal of the receiver;
Eigenvalue decomposition means for performing eigenvalue decomposition of the correlation matrix obtained by the correlation matrix calculation means;
A memory in which a response vector that depends on only the incident direction, obtained from the amplitude gain function of each of the plurality of antennas and the omni antenna, is stored in advance;
An azimuth evaluation function calculation means for calculating an azimuth evaluation function using an eigenvalue and an eigenvector obtained from the eigenvalue decomposition means, and a response vector read from the memory;
A radio wave direction detecting device comprising: a radio wave direction detecting unit that detects a direction of arrival of a radio wave from the azimuth evaluation function calculated by the azimuth evaluation function calculating unit.
前記複数のアンテナの任意の２つのアンテナからの受信信号に基づいて、一方のアンテナからの受信信号を実数部とし、他方のアンテナからの受信信号を正および負の虚数部とし、正の虚数部および負の虚数部を有する２つの複素信号を生成する複素信号生成手段をさらに備え、
前記相関行列計算手段は、上記複素信号生成手段で生成された前記２つの複素信号と、前記オムニアンテナの受信機の出力信号とから相関行列を計算する
ことを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to claim 1,
Based on the received signals from any two of the plurality of antennas, the received signal from one antenna is the real part, the received signal from the other antenna is the positive and negative imaginary part, and the positive imaginary part And complex signal generating means for generating two complex signals having a negative imaginary part,
The radio wave direction detecting device, wherein the correlation matrix calculating unit calculates a correlation matrix from the two complex signals generated by the complex signal generating unit and an output signal of the receiver of the omni antenna.
前記相関行列計算手段は、前記２つの複素信号と、前記オムニアンテナの受信機の出力信号と、さらに前記複数のアンテナの前記任意の２つのアンテナ以外からの受信信号とに基づいて相関行列を計算する
ことを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to claim 2,
The correlation matrix calculation means calculates a correlation matrix based on the two complex signals, the output signal of the omni-antenna receiver, and the received signals from the plurality of antennas other than the two arbitrary antennas. A radio wave direction detecting device.
前記複数のアンテナは、アドコックアンテナであることを特徴とする電波方向探知装置。 In the radio wave direction detecting device according to any one of claims 1 to 3,
The radio wave direction detecting apparatus, wherein the plurality of antennas are Adcock antennas.
前記複数のアンテナは、アンテナパターンが２つの指向方向を有する８の字指向性や、アンテナパターンが４つの指向方向を有するクローバー型またはそれよりも多くの偶数の指向方向を有し、前記アンテナパターンの周波数依存性が低いことを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to any one of claims 1 to 4,
The plurality of antennas have an 8-shaped directivity having an antenna pattern having two directivity directions, a clover type having an antenna pattern having four directivity directions, or an even number of directivity directions greater than that, and the antenna pattern Radio wave direction detecting device characterized by low frequency dependence.
前記複数のアンテナは、周波数依存性が低い異なるアンテナパターンを有するアンテナを組み合わせて構成されることを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to claim 5,
The radio wave direction detecting device, wherein the plurality of antennas are configured by combining antennas having different antenna patterns with low frequency dependency.
一定値である振幅利得関数を有するオムニアンテナと、
前記複数のアンテナおよび前記オムニアンテナからの信号をそれぞれ受信する受信機と、
前記複数のアンテナからの受信信号および前記オムニアンテナからの受信信号に基づいて、前記複数のアンテナからの受信信号のそれぞれから前記オムニアンテナからの受信信号を減算する減算器と、
前記減算器で生成された信号と、前記オムニアンテナの受信機の出力信号とから相関行列を計算する相関行列計算手段と、
前記相関行列計算手段で得られた前記相関行列の固有値分解を行う固有値分解手段と、
前記複数のアンテナおよび前記オムニアンテナのそれぞれの振幅利得関数から得られる、入射方向にのみ依存した応答ベクトルがあらかじめ記憶されたメモリと、
前記固有値分解手段から得られる固有値および固有ベクトルと、前記メモリから読み出される応答ベクトルとを用いて方位評価関数を算出する方位評価関数計算手段と、
前記方位評価関数計算手段で算出された方位評価関数から電波の到来方向を検出する電波方向検出手段と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。 A plurality of antennas having an amplitude gain function with low frequency dependence and unidirectionality with different directivity directions;
An omni antenna having a constant amplitude gain function ;
Receivers for receiving signals from the plurality of antennas and the omni antenna, respectively;
A subtractor for subtracting the received signal from the omni antenna from each of the received signals from the plurality of antennas based on the received signal from the plurality of antennas and the received signal from the omni antenna;
Correlation matrix calculating means for calculating a correlation matrix from the signal generated by the subtractor and the output signal of the omni-antenna receiver;
Eigenvalue decomposition means for performing eigenvalue decomposition of the correlation matrix obtained by the correlation matrix calculation means;
A memory in which a response vector that depends on only the incident direction, obtained from the amplitude gain function of each of the plurality of antennas and the omni antenna, is stored in advance;
An azimuth evaluation function calculation means for calculating an azimuth evaluation function using an eigenvalue and an eigenvector obtained from the eigenvalue decomposition means, and a response vector read from the memory;
A radio wave direction detecting device comprising: a radio wave direction detecting unit that detects a direction of arrival of a radio wave from the azimuth evaluation function calculated by the azimuth evaluation function calculating unit.
前記複数のアンテナは、カージオイド特性を有するカージオイドアンテナであることを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to claim 7,
The radio wave direction detecting device, wherein the plurality of antennas are cardioid antennas having cardioid characteristics.
前記複数のアンテナは、指向面に対して垂直に配列されていることを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to any one of claims 1 to 8,
The radio wave direction detecting device, wherein the plurality of antennas are arranged perpendicular to a directivity plane.
前記方位評価関数計算手段は、前記固有値分解手段の出力から最小となる固有値に対応する固有ベクトルを選択し、選択した前記固有ベクトルと前記メモリから読み出される応答ベクトルとの内積演算を行うことにより方位評価関数を算出することを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to any one of claims 1 to 9,
The azimuth evaluation function calculation means selects an eigenvector corresponding to the smallest eigenvalue from the output of the eigenvalue decomposition means, and performs an inner product operation between the selected eigenvector and a response vector read from the memory, thereby performing an azimuth evaluation function A radio wave direction detecting device characterized by calculating
前記方位評価関数計算手段は、前記固有値分解手段の出力から雑音に対応する固有値を推定し、推定した前記固有値に対応する固有ベクトルを選択し、選択した前記固有ベクトルと前記メモリから呼び出される応答ベクトルとの内積演算を行い、複数の前記固有ベクトルに対する内積値の平均処理または自乗平均処理を行うことにより方位評価関数を算出することを特徴とする電波方向探知装置。 The radio wave direction detecting device according to any one of claims 1 to 9,
The azimuth evaluation function calculation means estimates an eigenvalue corresponding to noise from the output of the eigenvalue decomposition means, selects an eigenvector corresponding to the estimated eigenvalue, and selects the selected eigenvector and a response vector called from the memory. A radio wave direction detecting apparatus that performs an inner product calculation and calculates an azimuth evaluation function by performing an average process or a square average process of inner product values for a plurality of the eigenvectors.
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