JP6176992B2 - Direction finding device and direction finding method - Google Patents
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Description
この発明は、入射信号の入射方向を探知する方向探知装置及び方向探知方法に関するものである。 The present invention relates to a direction detecting device and a direction detecting method for detecting the incident direction of an incident signal.
以下の非特許文献1には、CoSaMP(Compressive Sampling Matching Pursuit)と呼ばれる方向探知装置が開示されている。
以下、この方向探知装置の処理内容を説明するが、説明の簡単化のため、サンプル数は1スナップショットであるものとする。
複数のスナップショットに拡張する場合には、以下の非特許文献2に開示されている方法を適用すればよい。
The following
In the following, the processing contents of this direction detection device will be described. For simplicity of explanation, the number of samples is assumed to be one snapshot.
When expanding to a plurality of snapshots, the method disclosed in Non-Patent
図8は非特許文献1に開示されている方向探知装置による方向探知の概要を示す説明図であり、図9は非特許文献1に開示されている方向探知装置を示す構成図である。
図8及び図9の例では、入射信号の信号数がJであるとき、複数の入射信号sj(j=1,・・・,J)が入射方向θjから入射される場合を想定している。θjは第j番目の入射信号sjの入射方向である。
また、図8及び図9の例では、センサアレーを構成しているI個(I>J)のセンサの全部又は一部が入射信号を受信する。
I個のセンサの受信信号yi(i=1,・・・,I)が観測値として、方向探知装置に与えられる。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an outline of direction detection by the direction detection device disclosed in
8 and 9, it is assumed that when the number of incident signals is J, a plurality of incident signals s j (j = 1,..., J) are incident from the incident direction θ j. ing. θ j is the incident direction of the j-th incident signal s j .
In the example of FIGS. 8 and 9, all or a part of the I (I> J) sensors constituting the sensor array receive the incident signal.
Reception signals y i (i = 1,..., I) of I sensors are given to the direction finding device as observation values.
方向探知装置では、下記の観測モデルを定義する。
式(1)において、YはI個のセンサの受信信号yi(i=1,・・・,I)が格納されている観測ベクトルであり、下記の式(2)で与えられる。
Aは複数の探知方向のステアリングベクトルa(θj)(j=1,・・・,J)が格納されている行列であり、下記の式(3)で与えられる。
ステアリングベクトルa(θj)は、入射方向θjによって決まるセンサ間の位相差情報が格納されているベクトルであり、入射方向θj毎に固有である。
Sは複数の入射信号sj(j=1,・・・,J)が格納されているベクトルであり、下記の式(4)で与えられる。
In the direction finding device, the following observation model is defined.
In Expression (1), Y is an observation vector in which reception signals y i (i = 1,..., I) of I sensors are stored, and is given by Expression (2) below.
A is a matrix in which a plurality of steering vectors a (θ j ) (j = 1,..., J) in a plurality of detection directions are stored, and is given by the following equation (3).
The steering vector a (θ j ) is a vector in which phase difference information between sensors determined by the incident direction θ j is stored, and is unique for each incident direction θ j .
S is a vector in which a plurality of incident signals s j (j = 1,..., J) are stored, and is given by the following equation (4).
方向探知装置が用いるCoSaMP法では、ビームフォーマによる到来方向範囲の限定と、スパース処理による到来方向範囲の限定とを繰り返し実行して、以下の最適化問題を解くことで、入射方向θjを探知するものである。
In the CoSaMP method used by the direction finding device, the direction of arrival range is limited by the beamformer and the direction of arrival range is limited by the sparse processing, and the following optimization problem is solved to detect the incident direction θ j . To do.
方向探知をしたい方向の範囲を任意の刻み幅δθで区切り、その区切った方位をθ1,・・・,θNで表すと、式(5)中のAsは、下記の式(6)に示すように、任意の分解能で生成されたステアリングベクトルa(θn)(n=1,・・・,N)が格納されている行列となる。
When the range of the direction in which direction detection is desired is divided by an arbitrary step width δθ and the divided directions are expressed by θ 1 ,..., Θ N , As in equation (5) is expressed by the following equation (6). As shown, the steering vector a (θ n ) (n = 1,..., N) generated at an arbitrary resolution is stored in a matrix.
また、Xsは入射信号sjに対応する成分が存在する要素が非零値、それ以外の要素が零値となるスパースベクトルであり、下記の式(7)で与えられる。
例えば、方向θ2から信号sが入射される場合、下記の式(8)に示すように、ステアリングベクトルXsの2列目に方向θ2から入射される信号sに対応する成分が格納される。
この場合、下記の式(9)のようになる。
Xs is a sparse vector in which an element having a component corresponding to the incident signal s j is a non-zero value and the other elements are zero values, and is given by the following equation (7).
For example, when the direction theta 2 from the signal s is incident, as shown in the following equation (8), components corresponding to the signal s which is incident from the direction theta 2 in the second column of the steering vectors Xs is stored .
In this case, the following equation (9) is obtained.
図9の方向探知装置は、残差計算部101、信号復元ベクトル算出部102、スパースベクトル生成部103及びXs収束判定部104から構成されており、残差計算部101、信号復元ベクトル算出部102、スパースベクトル生成部103及びXs収束判定部104が下記に示す収束演算ステップを繰り返し実行する。
以下、図9の方向探知装置の処理内容を具体的に説明する。
The direction detection apparatus in FIG. 9 includes a
Hereinafter, the processing content of the direction detection apparatus of FIG. 9 is demonstrated concretely.
まず、残差計算部101は、ステアリングベクトルa(θn)(n=1,・・・,N)が格納されている式(6)の行列Asと、前回の収束演算ステップで生成された式(7)のスパースベクトルXsとの積AsXsを算出し、下記の式(10)に示すように、その積AsXsと式(2)の観測ベクトルYとの残差rを算出する。
First, the
信号復元ベクトル算出部102は、残差計算部101が残差rを算出すると、下記の式(11)に示すように、その残差rと行列Asに格納されているステアリングベクトルa(θn)との内積ベクトルgを算出する。
内積ベクトルgの要素である内積値は、残差rとステアリングベクトルa(θn)の合致度合を表す評価値となり、その内積値が大きい程、その要素に対応する方向から信号が到来していると言える。
When the
The inner product value that is an element of the inner product vector g is an evaluation value that represents the degree of coincidence between the residual r and the steering vector a (θ n ). The larger the inner product value, the more the signal arrives from the direction corresponding to the element. I can say that.
信号復元ベクトル算出部102は、内積ベクトルgを算出すると、下記の式(12)に示すように、その内積ベクトルgの要素の中から、値が相対的に大きいKg(Kgは予め設定されている固定のパラメータ)個分の要素を選択し、Kg個分の要素の集合をΩで表すものとする。
式(12)において、support(a|b)はベクトルaの要素の中から、値が相対的に大きいb個の要素を選択するオペレータである。
When calculating the inner product vector g, the signal restoration
In equation (12), support (a | b) is an operator that selects b elements having a relatively large value from the elements of the vector a.
次に、信号復元ベクトル算出部102は、下記の式(13)に示すように、Kg個分の要素の集合Ωと、スパースベクトル生成部103から出力された信号復元ベクトルの要素の集合T(前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルXΨの要素の中から選択されているK個の要素)との和集合Ψを求める。
なお、集合Tの初期値は空集合である。
Next, as shown in the following equation (13), the signal restoration
Note that the initial value of the set T is an empty set.
次に、信号復元ベクトル算出部102は、下記の式(14)に示すように、和集合Ψを用いて、最新の信号復元ベクトルXΨを算出し、その信号復元ベクトルXΨをスパースベクトル生成部103に出力する。
#は擬似逆行列である。
Next, as shown in the following formula (14), the signal restoration
# Is a pseudo inverse matrix.
スパースベクトル生成部103は、信号復元ベクトル算出部102から最新の信号復元ベクトルXΨを受けると、下記の式(15)に示すように、その信号復元ベクトルXΨの要素の中から、値が相対的に大きいK(Kは予め設定されている固定のパラメータ)個分の要素を選択し、K個分の要素の集合Tを信号復元ベクトル算出部102に出力する。
また、スパースベクトル生成部103は、最新の信号復元ベクトルXΨの中で、選択したK個分の要素はそのまま残し、その要素以外の要素(選択していない要素)を零値に置き換えることで、下記の式(16)に示すようなスパースベクトルXsを生成し、そのスパースベクトルXsをXs収束判定部104に出力する。
Sparse
In addition, the sparse
Xs収束判定部104は、スパースベクトル生成部103からスパースベクトルXsを受けると、下記の式(17)に示すように、そのスパースベクトルXsが収束しているか否かを判定する。
式(17)において、Xsprevは前回の収束演算ステップで生成されたスパースベクトルXs、εは予め設定された閾値である。
When the Xs
In Expression (17), Xs prev is a sparse vector Xs generated in the previous convergence calculation step, and ε is a preset threshold value.
Xs収束判定部104は、式(17)が成立している場合、スパースベクトル生成部103から出力されたスパースベクトルXsが収束していると判断して、収束演算ステップを終了する。
一方、式(17)が成立していない場合、スパースベクトル生成部103から出力されたスパースベクトルXsが収束していないと判断し、そのスパースベクトルXsを残差計算部101に出力して、次の収束演算ステップを実行させる。
したがって、スパースベクトルXsが収束するまで、残差計算部101、信号復元ベクトル算出部102、スパースベクトル生成部103及びXs収束判定部104による収束演算ステップが繰り返し実行される。
If the expression (17) is established, the Xs
On the other hand, when Expression (17) is not satisfied, it is determined that the sparse vector Xs output from the sparse
Therefore, the convergence calculation step by the
従来の方向探知装置は以上のように構成されているので、例えば、2波の入射方向が近接しているような探索が難しい条件下では、パラメータKg,Kの設定値が大き過ぎると、方向の選択肢が多くなり過ぎて、収束しなくなることがある。一方、パラメータKg,Kの設定値が小さ過ぎると、最初から方向の選択肢が限られてしまう関係上、入射方向を正しく探知することができなくなることがある課題があった。 Since the conventional direction finding device is configured as described above, for example, under conditions where it is difficult to search such that the incident directions of two waves are close to each other, if the set values of the parameters Kg and K are too large, the direction There are cases where there are too many choices and it will not converge. On the other hand, if the set values of the parameters Kg and K are too small, there is a problem that the incident direction cannot be detected correctly because the choice of direction is limited from the beginning.
この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、探索が難しい条件下でも、入射方向を正しく探知することができる方向探知装置及び方向探知方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a direction detection device and a direction detection method that can correctly detect the incident direction even under difficult search conditions.
この発明に係る方向探知装置は、複数の探知方向のステアリングベクトルが格納されている行列と、前回の収束演算ステップで生成されたスパースベクトルとの積を算出し、その算出結果と入射信号を受信する各センサの受信信号が格納されている観測ベクトルとの残差を算出する残差算出手段と、残差算出手段により算出された残差と行列に格納されているステアリングベクトルとの内積ベクトルを算出して、その内積ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択し、その選択した要素と、前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルの要素の中から選択されている要素と用いて、最新の信号復元ベクトルを算出する信号復元ベクトル算出手段と、信号復元ベクトル算出手段により算出された信号復元ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択して、その選択した要素を信号復元ベクトル算出手段に出力するとともに、その選択した要素と零値が配列されているスパースベクトルを生成するスパースベクトル生成手段と、スパースベクトル生成手段により生成されたスパースベクトルが収束しているか否かを判定し、収束していなければ、スパースベクトル生成手段により生成されたスパースベクトルを上記残差算出手段に出力して、次の収束演算ステップを実行させる収束判定手段とを設け、個数設定手段が、信号復元ベクトル算出手段及びスパースベクトル生成手段で選択される要素の個数の設定値を収束演算ステップの進行に伴って減少させるようにしたものである。 The direction detection device according to the present invention calculates a product of a matrix storing steering vectors of a plurality of detection directions and a sparse vector generated in the previous convergence calculation step, and receives the calculation result and an incident signal. A residual calculation means for calculating a residual with the observation vector storing the received signal of each sensor, and an inner product vector of the residual calculated by the residual calculation means and the steering vector stored in the matrix Calculate and select the set number of elements with a relatively large value from the inner product vector elements, and select the selected element and the signal restoration vector element generated in the previous convergence calculation step. The signal restoration vector calculation means for calculating the latest signal restoration vector using the selected element, and the signal restoration vector calculated by the signal restoration vector calculation means. Tol elements are selected from a set number of elements having a relatively large value, and the selected elements are output to the signal restoration vector calculation means, and the selected elements and zero values are arranged. The sparse vector generation means for generating the sparse vector and the sparse vector generated by the sparse vector generation means are determined whether or not converged. If not, the sparse vector generated by the sparse vector generation means is Convergence determination means for outputting to the residual calculation means and executing the next convergence calculation step is provided, and the number setting means sets the set value of the number of elements selected by the signal restoration vector calculation means and the sparse vector generation means. It is made to decrease with progress of a convergence calculation step.
この発明によれば、個数設定手段が、信号復元ベクトル算出手段及びスパースベクトル生成手段で選択される要素の個数の設定値を収束演算ステップの進行に伴って減少させるように構成したので、探索が難しい条件下でも、入射方向を正しく探知することができる効果がある。 According to the present invention, the number setting means is configured to decrease the set value of the number of elements selected by the signal restoration vector calculation means and the sparse vector generation means as the convergence calculation step proceeds, so that the search can be performed. Even under difficult conditions, the incident direction can be detected correctly.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による方向探知装置を示す構成図である。
図1において、残差計算部1はステアリングベクトルa(θn)(n=1,・・・,N)が格納されている式(6)の行列Asと、前回の収束演算ステップで生成された式(7)のスパースベクトルXsとの積AsXsを算出し、その積AsXsと式(2)の観測ベクトルYとの残差rを算出する処理を実施する。なお、残差計算部1は残差算出手段を構成している。
1 is a block diagram showing a direction detecting apparatus according to
In FIG. 1, the
信号復元ベクトル算出部2は残差計算部1により算出された残差rと行列Asに格納されているステアリングベクトルa(θn)との内積ベクトルgを算出して、その内積ベクトルgの要素の中から、値が相対的に大きいKg(Kgはパラメータ設定部5により設定される可変のパラメータ)個分の要素を選択し、その選択したKg個分の要素とスパースベクトル生成部3から出力された信号復元ベクトルの要素(前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルXΨの要素の中から選択されているK個の要素)とを用いて、最新の信号復元ベクトルXΨを算出する処理を実施する。なお、信号復元ベクトル算出部2は信号復元ベクトル算出手段を構成している。
The signal restoration
スパースベクトル生成部3は信号復元ベクトル算出部2により算出された最新の信号復元ベクトルXΨの要素の中から、値が相対的に大きいK(Kはパラメータ設定部5により設定される可変のパラメータ)個分の要素を選択し、その選択したK個分の要素を信号復元ベクトル算出部2に出力するとともに、その選択したK個分の要素と零値が配列されているスパースベクトルXsを生成する処理を実施する。なお、スパースベクトル生成部3はスパースベクトル生成手段を構成している。
The sparse
Xs収束判定部4はスパースベクトル生成部3により生成されたスパースベクトルXsが収束しているか否かを判定し、そのスパースベクトルXsが収束していなければ、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力して、次の収束演算ステップを実行させる処理を実施する。なお、Xs収束判定部4は収束判定手段を構成している。
パラメータ設定部5はパラメータKg,Kを設定する処理部であり、収束演算ステップの進行に伴ってパラメータKg,Kの値を減少させるように更新する。なお、パラメータ設定部5は個数設定手段を構成している。
The Xs
The
図1の例では、方向探知装置の構成要素である残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3、Xs収束判定部4及びパラメータ設定部5のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、方向探知装置がコンピュータで構成されていてもよい。
方向探知装置がコンピュータで構成されている場合、残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3、Xs収束判定部4及びパラメータ設定部5の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図2はこの発明の実施の形態1による方向探知装置の処理内容(方向探知方法)を示すフローチャートである。
In the example of FIG. 1, each of the
When the direction detection device is configured by a computer, a program describing the processing contents of the
FIG. 2 is a flowchart showing the processing contents (direction detection method) of the direction detection apparatus according to
次に動作について説明する。
図1の方向探知装置は、残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3及びXs収束判定部4が下記に示す収束演算ステップを繰り返し実行する。
また、パラメータ設定部5が、次の収束演算ステップに移行する際、信号復元ベクトル算出部2及びスパースベクトル生成部3で使用するパラメータKg,Kを更新する。
以下、図1の方向探知装置の処理内容を具体的に説明する。
Next, the operation will be described.
In the direction detection apparatus of FIG. 1, the
Further, when the
Hereinafter, the processing content of the direction detection apparatus of FIG. 1 will be described in detail.
まず、残差計算部1は、ステアリングベクトルa(θn)(n=1,・・・,N)が格納されている式(6)の行列Asと、前回の収束演算ステップで生成された式(7)のスパースベクトルXsとの積AsXsを算出し、下記の式(18)に示すように、その積AsXsと式(2)の観測ベクトルYとの残差rを算出する(ステップST1)。
First, the
信号復元ベクトル算出部2は、残差計算部1が残差rを算出すると、下記の式(19)に示すように、その残差rと行列Asに格納されているステアリングベクトルa(θn)との内積ベクトルgを算出する(ステップST2)。
内積ベクトルgの要素である内積値は、残差rとステアリングベクトルa(θn)の合致度合を表す評価値となり、その内積値が大きい程、その要素に対応する方向から信号が到来していると言える。
When the
The inner product value that is an element of the inner product vector g is an evaluation value that represents the degree of coincidence between the residual r and the steering vector a (θ n ). The larger the inner product value, the more the signal arrives from the direction corresponding to the element. I can say that.
信号復元ベクトル算出部2は、内積ベクトルgを算出すると、下記の式(20)に示すように、その内積ベクトルgの要素の中から、値が相対的に大きいKg個分の要素を選択し(ステップST3)、Kg個分の要素の集合をΩで表すものとする。
式(12)において、support(a|b)はベクトルaの要素の中から、値が相対的に大きいb個の要素を選択するオペレータである。
ここで、Kgはパラメータ設定部5により設定されるパラメータであり、収束演算ステップが進行するほど、小さくなるように更新される。
図3はパラメータ設定部5により更新されるパラメータKg,Kを示す説明図であり、第1回目の収束演算ステップで使用されるKgの初期値Kginitが最も大きく、Kgの値が徐々に小さくなっていることを表している。
After calculating the inner product vector g, the signal restoration
In equation (12), support (a | b) is an operator that selects b elements having a relatively large value from the elements of the vector a.
Here, Kg is a parameter set by the
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the parameters Kg and K updated by the
次に、信号復元ベクトル算出部2は、下記の式(21)に示すように、Kg個分の要素の集合Ωと、スパースベクトル生成部3から出力された信号復元ベクトルの要素の集合T(前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルXΨの要素の中から選択されているK個の要素)との和集合Ψを求める(ステップST4)。
なお、集合Tの初期値は空集合である。
Next, as shown in the following equation (21), the signal restoration
Note that the initial value of the set T is an empty set.
次に、信号復元ベクトル算出部2は、下記の式(22)に示すように、和集合Ψを用いて、最新の信号復元ベクトルXΨを算出し、その信号復元ベクトルXΨをスパースベクトル生成部3に出力する(ステップST5)。
#は擬似逆行列である。
Next, as shown in the following equation (22), the signal restoration
# Is a pseudo inverse matrix.
スパースベクトル生成部3は、信号復元ベクトル算出部2から最新の信号復元ベクトルXΨを受けると、下記の式(23)に示すように、その信号復元ベクトルXΨの要素の中から、値が相対的に大きいK個分の要素を選択し、K個分の要素の集合Tを信号復元ベクトル算出部2に出力する(ステップST6)。
ここで、Kはパラメータ設定部5により設定されるパラメータであり、パラメータKgと同様に、収束演算ステップが進行するほど、小さくなるように更新される。
Sparse
Here, K is a parameter set by the
また、スパースベクトル生成部3は、最新の信号復元ベクトルXΨの中で、選択したK個分の要素はそのまま残し、その要素以外の要素(選択していない要素)を零値に置き換えることで、下記の式(24)に示すようなスパースベクトルXsを生成し、そのスパースベクトルXsをXs収束判定部4に出力する(ステップST7)。
Further, the sparse
Xs収束判定部4は、スパースベクトル生成部3からスパースベクトルXsを受けると、下記の式(25)に示すように、そのスパースベクトルXsが収束しているか否かを判定する(ステップST8)。
式(25)において、Xsprevは前回の収束演算ステップで生成されたスパースベクトルXs、εは予め設定された閾値である。
When receiving the sparse vector Xs from the sparse
In Expression (25), Xs prev is a sparse vector Xs generated in the previous convergence calculation step, and ε is a preset threshold value.
Xs収束判定部4は、式(25)が成立している場合、スパースベクトル生成部3から出力されたスパースベクトルXsが収束していると判断して、収束演算ステップを終了する。
一方、式(25)が成立していない場合、スパースベクトル生成部3から出力されたスパースベクトルXsが収束していないと判断し、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力して、次の収束演算ステップを実行させる。
したがって、スパースベクトルXsが収束するまで、残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3及びXs収束判定部4による収束演算ステップが繰り返し実行される。
If the expression (25) holds, the Xs
On the other hand, when Expression (25) is not established, it is determined that the sparse vector Xs output from the sparse
Therefore, the convergence calculation step by the
パラメータ設定部5は、Xs収束判定部4によりスパースベクトルXsが収束していないと判定されると、前回よりもパラメータKg,Kが小さくなるように更新する(ステップST9)。
即ち、パラメータ設定部5は、入射方向のピークが確実に解の候補として含むようにするために、収束演算の初期段階では、パラメータであるスパース拘束数を大きい値に設定する。その後、一度に多数の信号空間を削除することによる誤った解への収束を回避するために、一度にパラメータKg,Kの値を小さくするのではなく、収束演算の過程で徐々に小さくするようにする。
以下、パラメータ設定部5によるパラメータKg,Kの更新処理を具体的に説明する。
If the Xs
That is, the
Hereinafter, the update process of the parameters Kg and K by the
パラメータ設定部5は、第1回目の収束演算ステップが開始する前に、パラメータKg,Kの初期値Kginit,Kinitを設定する。初期値Kginit,Kinitの具体的な値については後述するが、全収束演算ステップで使用されるパラメータKg,Kの中で最も大きな値となる。
パラメータ設定部5は、第1回目の収束演算ステップが終了し、次の収束演算ステップに移行する場合(Xs収束判定部4によりスパースベクトルXsが収束していないと判定された場合)、収束演算ステップの実行回数iが増えるほど、小さな設定値を提示する関数を用いて、パラメータKg,Kを設定する。設定値を提示する関数としては、例えば、線形関数などを用いることができる。
The
When the first convergence calculation step ends and the
ただし、パラメータKg,Kの値が、予め設定されている最終値Kgend,Kendより小さくならないようにするため、下記の式(26)(27)に示すように、関数が提示している値が最終値Kgend,Kendより小さい場合、パラメータKg,Kの値として、最終値Kgend,Kendを設定するようにする。
したがって、パラメータKg,Kの値は、例えば、設定値を提示する関数が線形関数である場合、図4に示すように、初期値Kginit,Kinitから単調に減少した後、最終値Kgend,Kendを維持するようになる。
However, in order to prevent the values of the parameters Kg and K from becoming smaller than the preset final values Kg end and K end , functions are presented as shown in the following equations (26) and (27). value final value Kg end the, if K end the smaller, parameters Kg, as the value of K, the final value Kg end the, so as to set the K end the.
Accordingly, the values of the parameters Kg and K are, for example, when the function for presenting the set value is a linear function, as shown in FIG. 4, after the monotonously decreasing from the initial values Kg init and K init , the final value Kg end , K end is maintained.
ここで、この実施の形態1と従来の方向探知装置の方向探知性能を比較するため、入射角差が2deg(θ1=0deg,θ2=2deg)である2波が入射された場合のシミュレーション例を開示する。
図5は従来の方向探知装置によるモンテカルロ試行20回分のスペクトラムを示す説明図であり、図6は実施の形態1の方向探知装置によるモンテカルロ試行20回分のスペクトラムを示す説明図である。
このシミュレーション例では、従来の方向探知装置で用いているパラメータKgは“4”、Kは“2”である。
図5と図6を比較すると明らかなように、従来の方向探知装置では、2波の入射方向を正しく探知できていないが、この実施の形態1の方向探知装置では、2波の入射方向を正しく探知できている。
Here, in order to compare the direction finding performance of the first embodiment and the conventional direction finding device, a simulation in the case where two waves having an incident angle difference of 2 deg (θ 1 = 0 deg, θ 2 = 2 deg) are incident. An example is disclosed.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the spectrum for 20 Monte Carlo trials by the conventional direction finding device, and FIG. 6 is an explanatory diagram showing the spectrum for 20 Monte Carlo trials by the direction finding device of the first embodiment.
In this simulation example, the parameter Kg used in the conventional direction finding device is “4”, and K is “2”.
As is clear from comparison between FIG. 5 and FIG. 6, the conventional direction finding device cannot correctly detect the incident direction of the two waves, but the direction detecting device of the first embodiment can detect the incident direction of the two waves. It has been detected correctly.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、パラメータ設定部5が、信号復元ベクトル算出部2及びスパースベクトル生成部3で選択される要素の個数の設定値を収束演算ステップの進行に伴って減少させるように構成したので、探索が難しい条件下でも、入射方向を正しく探知することができる効果を奏する。
As is clear from the above, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、設定値を提示する関数としては、線形関数を用いる例を示したが、指数関数を用いるようにしてもよく、同様の効果を奏することができる。
指数関数を用いる場合でも、パラメータKg,Kの値が、予め設定されている最終値Kgend,Kendより小さくならないようにするため、下記の式(28)(29)に示すように、関数が提示している値が最終値Kgend,Kendより小さい場合、パラメータKg,Kの値として、最終値Kgend,Kendを設定するようにする。
したがって、パラメータKg,Kの値は、初期値Kginit,Kinitから徐々に減少した後、最終値Kgend,Kendを維持するようになる。
In the first embodiment, an example in which a linear function is used as the function for presenting the set value has been described. However, an exponential function may be used, and the same effect can be obtained.
Even in the case of using an exponential function, in order to prevent the values of the parameters Kg and K from becoming smaller than the preset final values Kg end and K end , as shown in the following equations (28) and (29), There values are presented final value Kg end the, if K end the smaller, parameters Kg, as the value of K, the final value Kg end the, so as to set the K end the.
Accordingly, the values of the parameters Kg and K gradually decrease from the initial values Kg init and K init and then the final values Kg end and K end are maintained.
実施の形態3.
上記実施の形態1では、パラメータKg,Kの初期値をKginit,Kinitに設定するものを示したが、初期値Kginit,Kinitについては、正解の方向を選択し損なうことがないようにするため、ある程度、大きな値に設定することが重要である。
通常、ビーム幅内には正解の方向が存在しているので、この実施の形態3では、初期値Kginit,Kinitとして、ビーム幅をカバーする値に設定することで、確実に、正解の方向を選択することができるようにする。
In the first embodiment, the initial values of the parameters Kg and K are set to Kg init and K init . However, the initial values Kg init and K init do not fail to select the correct direction. Therefore, it is important to set a large value to some extent.
Usually, since the direction of the correct answer exists within the beam width, in the third embodiment, by setting the initial values Kg init and K init to values that cover the beam width, Lets you select a direction.
具体的には、ビーム幅は、I個のセンサからなるアレーセンサの開口径Dと、入射信号sj(j=1,・・・,J)の波長λとの比λ/D[rad]で決まる。これをdegの単位で表すと、λ/D×180/π[deg]となる。
この角度幅λ/D×180/πを任意の刻み幅で設定することで、合計N個の方位が得られたとすると、初期値Kginit,Kinitとして、Nの値を設定する方法が考えられる。
ここでは、KginitとKinitの両方をNの値に設定する例を示したが、両方が同じNの値である必要はなく、例えば、KginitをNの値に設定して、KinitをKginitの半分のN/2に設定するようにしてもよい。
Specifically, the beam width is a ratio λ / D [rad] between the aperture diameter D of the array sensor including I sensors and the wavelength λ of the incident signal s j (j = 1,..., J). Determined by. When this is expressed in units of deg, λ / D × 180 / π [deg].
Assuming that a total of N azimuths are obtained by setting this angular width λ / D × 180 / π in an arbitrary step size, a method of setting the value of N as the initial values Kg init and K init is considered. It is done.
Here, an example in which both Kg init and K init are set to the value of N has been shown, but both need not be the same value of N. For example, Kg init is set to the value of N and K init May be set to N / 2 which is half of Kg init .
実施の形態4.
上記実施の形態3では、初期値Kginit,Kinitとして、ビーム幅をカバーする値に設定する例を示したが、より確実に正解の方向を選択するために、初期値Kginit,Kinitとして、全ての探知方向をカバーする値に設定するようにしてもよい。
具体的には、式(6)に示すように、方向探知をしたい方向の範囲を任意の刻み幅δθ(方向探知をしたい方位は、θ1,・・・,θN)で設定することで、合計N個の方位が得られたとすると、初期値Kginit,Kinitとして、Nの値を設定する方法が考えられる。
ここでは、KginitとKinitの両方をNの値に設定する例を示したが、両方が同じNの値である必要はなく、例えば、KginitをNの値に設定して、KinitをKginitの半分のN/2に設定するようにしてもよい。
In the third embodiment, the example in which the initial values Kg init and K init are set to values that cover the beam width has been shown. However, in order to select the correct direction more reliably, the initial values Kg init and K init are shown. As such, it may be set to a value that covers all detection directions.
Specifically, as shown in Equation (6), the range of the direction in which direction detection is desired is set by an arbitrary step width δθ (the direction in which direction detection is desired is θ 1 ,..., Θ N ). If a total of N azimuths are obtained, a method of setting the value of N as the initial values Kg init and K init can be considered.
Here, an example in which both Kg init and K init are set to the value of N has been shown, but both need not be the same value of N. For example, Kg init is set to the value of N and K init May be set to N / 2 which is half of Kg init .
実施の形態5.
上記実施の形態1では、パラメータKg,Kの値が最終値Kgend,Kendより小さくならないように更新しているが、最終値Kgend,Kendについては、入射信号の信号数より少ないと、全ての入射信号の方位を推定することができなくなるため、入射信号の信号数より大きな値に設定することが重要である。
そのため、この実施の形態5では、最終値Kgend,Kendとして、入射信号の推定信号数を設定するようにする。
In the first embodiment, the values of the parameters Kg and K are updated so as not to be smaller than the final values Kg end and K end . However, if the final values Kg end and K end are smaller than the number of signals of the incident signals, Since it becomes impossible to estimate the direction of all incident signals, it is important to set a value larger than the number of incident signals.
Therefore, in the fifth embodiment, the estimated number of incident signals is set as the final values Kg end and K end .
入射信号の信号数の推定方法としては、受信行列における相関行列の固有値判定を用いることができる。
また、スパースベクトルXsは、収束するにしたがって、パラメータKg,Kの値が実際の入射信号の信号数より大きい場合でも、非零値の要素の数が入射信号の信号数に近づいていくので、非零値の要素の数を最終値Kgend,Kendとして用いるようにしてもよい。
As a method for estimating the number of incident signals, eigenvalue determination of a correlation matrix in a reception matrix can be used.
Further, as the sparse vector Xs converges, even when the values of the parameters Kg and K are larger than the actual number of incident signals, the number of non-zero elements approaches the number of incident signals. The number of non-zero elements may be used as the final values Kg end and K end .
ここでは、最終値Kgend,Kendとして、入射信号の推定信号数を設定する例を示したが、予め、入射信号の最大数が想定される状況下では、最終値Kgend,Kendとして、予め想定される入射信号の最大数を設定するようにしてもよい。 Here, an example in which the estimated number of incident signals is set as the final values Kg end and K end has been shown. However, in a situation where the maximum number of incident signals is assumed in advance, the final values Kg end and K end are set as the final values Kg end and K end. The maximum number of incident signals assumed in advance may be set.
また、最終値Kgend,Kendとして、センサの数を設定するようにしてもよい。
その理由は、CaSaMPでは、原理上、アレーセンサを構成するセンサの数以上の入射方向は一度に推定できないからである。
この性質を用いれば、設計上、入射信号の最大数を想定して、アレーセンサを構成するセンサの数を決めるので、センサ数と同数にしておけば問題ないと言える。
Further, the number of sensors may be set as the final values Kg end and K end .
The reason is that, in CaSaMP, in principle, it is impossible to estimate incident directions more than the number of sensors constituting the array sensor at a time.
If this property is used, the number of sensors constituting the array sensor is determined on the assumption of the maximum number of incident signals in the design, so it can be said that there is no problem if the number is the same as the number of sensors.
実施の形態6.
上記実施の形態1〜5では、次の収束演算ステップに移行する毎に、パラメータ設定部5が、パラメータKg,Kの値を小さな値に更新する例を示したが、一旦設定したパラメータKg,Kで、スパースベクトルXsが収束するまで、パラメータKg,Kの値を更新せずに、次の収束演算ステップに移行するようにしてもよい。
図7はこの発明の実施の形態6による方向探知装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
In the first to fifth embodiments, the example in which the
FIG. 7 is a block diagram showing a direction detecting apparatus according to
パラメータ設定制御部6はXs収束判定部4によりスパースベクトルXsが収束していると判定され、かつ、パラメータKg,Kの値が最終値Kgend,Kendに到達していれば、収束演算ステップを終了する。Xs収束判定部4によりスパースベクトルXsが収束していると判定されているが、パラメータKg,Kの値が最終値Kgend,Kendに到達していなければ、パラメータKg,Kの更新指令をパラメータ設定部5に出力するとともに、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力する。
一方、Xs収束判定部4によりスパースベクトルXsが収束していないと判定されると、パラメータKg,Kの更新指令をパラメータ設定部5に出力せずに、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力する処理を実施する。なお、パラメータ設定制御部6は設定制御手段を構成している。
If the parameter
On the other hand, if the Xs
図7の例では、方向探知装置の構成要素である残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3、Xs収束判定部4、パラメータ設定部5及びパラメータ設定制御部6のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、方向探知装置がコンピュータで構成されていてもよい。
方向探知装置がコンピュータで構成されている場合、残差計算部1、信号復元ベクトル算出部2、スパースベクトル生成部3、Xs収束判定部4、パラメータ設定部5及びパラメータ設定制御部6の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
In the example of FIG. 7, the
When the direction detection device is configured by a computer, the processing contents of the
次に動作について説明する。
パラメータ設定制御部6を追加している点以外は、上記実施の形態1〜5と同様であるため、ここでは、主にパラメータ設定制御部6の処理内容を説明する。
Next, the operation will be described.
Except for the addition of the parameter
パラメータ設定制御部6は、Xs収束判定部4の判定結果を入力し、その判定結果が、スパースベクトルXsが収束している旨を示している場合、パラメータ設定部5により設定されているパラメータKg,Kの値が最終値Kgend,Kendに到達していれば、収束演算ステップを終了する。
また、パラメータ設定制御部6は、Xs収束判定部4の判定結果が、スパースベクトルXsが収束している旨を示している場合、パラメータ設定部5により設定されているパラメータKg,Kの値が最終値Kgend,Kendに到達していなければ、パラメータKg,Kの更新指令をパラメータ設定部5に出力するとともに、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力して、次の収束演算ステップを実行させる。
パラメータ設定部5は、パラメータ設定制御部6からパラメータKg,Kの更新指令を受けると、下記の式(30)(31)に示すように、そのパラメータKg,Kの値が小さくなるように更新する。
The parameter
Further, when the determination result of the Xs
When the
パラメータ設定制御部6は、Xs収束判定部4の判定結果が、スパースベクトルXsが収束していない旨を示している場合、パラメータKg,Kの更新指令をパラメータ設定部5に出力せずに、そのスパースベクトルXsを残差計算部1に出力して、次の収束演算ステップを実行させる。
If the determination result of the Xs
以上で明らかなように、この実施の形態6によれば、次の収束演算ステップに移行する毎に、パラメータKg,Kの値を更新するのではなく、一旦設定したパラメータKg,Kで、スパースベクトルXsが収束するまで、パラメータKg,Kの値を更新せずに、次の収束演算ステップに移行するように構成したので、CoSaMPの動作をより安定化させることができるようになり、高精度な方向探知結果を得ることができる。 As apparent from the above, according to the sixth embodiment, the values of the parameters Kg, K are not updated every time the next convergence calculation step is performed, but the sparse values are set with the parameters Kg, K once set. Since the configuration is made such that the values of the parameters Kg and K are not updated until the vector Xs converges, and the operation proceeds to the next convergence calculation step, the CoSaMP operation can be further stabilized, and the high accuracy It is possible to obtain a direction finding result.
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 残差計算部(残差算出手段)、2 信号復元ベクトル算出部(信号復元ベクトル算出手段)、3 スパースベクトル生成部(スパースベクトル生成手段)、4 Xs収束判定部(収束判定手段)、5 パラメータ設定部(個数設定手段)、6 パラメータ設定制御部(設定制御手段)、101 残差計算部、102 信号復元ベクトル算出部、103 スパースベクトル生成部、104 Xs収束判定部。 1 residual calculation unit (residual calculation unit), 2 signal restoration vector calculation unit (signal restoration vector calculation unit), 3 sparse vector generation unit (sparse vector generation unit), 4 Xs convergence determination unit (convergence determination unit), 5 Parameter setting unit (number setting unit), 6 parameter setting control unit (setting control unit), 101 residual calculation unit, 102 signal restoration vector calculation unit, 103 sparse vector generation unit, 104 Xs convergence determination unit.
Claims (11)
上記残差算出手段により算出された残差と上記行列に格納されているステアリングベクトルとの内積ベクトルを算出して、上記内積ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択し、その選択した要素と、前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルの要素の中から選択されている要素と用いて、最新の信号復元ベクトルを算出する信号復元ベクトル算出手段と、
上記信号復元ベクトル算出手段により算出された信号復元ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択して、その選択した要素を上記信号復元ベクトル算出手段に出力するとともに、その選択した要素と零値が配列されているスパースベクトルを生成するスパースベクトル生成手段と、
上記スパースベクトル生成手段により生成されたスパースベクトルが収束しているか否かを判定し、収束していなければ、上記スパースベクトル生成手段により生成されたスパースベクトルを上記残差算出手段に出力して、次の収束演算ステップを実行させる収束判定手段と、
上記信号復元ベクトル算出手段及び上記スパースベクトル生成手段で選択される要素の個数の設定値を収束演算ステップの進行に伴って減少させる個数設定手段と
を備えた方向探知装置。 Calculates the product of a matrix in which steering vectors for multiple detection directions are stored and the sparse vector generated in the previous convergence calculation step, and stores the calculation result and the received signal of each sensor that receives the incident signal A residual calculating means for calculating a residual with the observed vector,
An inner product vector of the residual calculated by the residual calculation means and the steering vector stored in the matrix is calculated, and among the elements of the inner product vector, a set number of elements having a relatively large value A signal restoration vector calculation means for calculating the latest signal restoration vector using the selected element and an element selected from the elements of the signal restoration vector generated in the previous convergence calculation step;
From among the elements of the signal restoration vector calculated by the signal restoration vector calculation means, select a set number of elements having a relatively large value, and output the selected elements to the signal restoration vector calculation means Sparse vector generation means for generating a sparse vector in which the selected elements and zero values are arranged;
It is determined whether or not the sparse vector generated by the sparse vector generating unit has converged, and if not converged, the sparse vector generated by the sparse vector generating unit is output to the residual calculating unit, Convergence determining means for executing the next convergence calculation step;
A direction finding device comprising: a number setting unit that decreases a set value of the number of elements selected by the signal restoration vector calculating unit and the sparse vector generating unit as the convergence calculation step proceeds.
上記収束判定手段によりスパースベクトルが収束していないと判定されると、上記個数の設定値を更新する指令を上記個数設定手段に出力せずに、上記スパースベクトルを上記残差算出手段に出力して、次の収束演算ステップを実行させる設定制御手段を備えたことを特徴とする請求項1から請求項9のうちのいずれか1項記載の方向探知装置。 If it is determined by the convergence determination means that the sparse vector has converged, the set value of the number is updated if the set value of the number does not reach the minimum value set by the number setting means. a command to and outputs to the number setting means, the sparse vector to output to the residual calculating unit, to perform the following convergence calculation step,
When sparse vector by the convergence judgment unit is determined not to converge, an instruction to update the set value of the number without outputting to the number setting means, the sparse vector to output to the residual calculating means The direction detection device according to claim 1, further comprising setting control means for executing a next convergence calculation step.
信号復元ベクトル算出手段が、上記残差算出処理ステップで算出された残差と上記行列に格納されているステアリングベクトルとの内積ベクトルを算出して、上記内積ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択し、その選択した要素と、前回の収束演算ステップで生成した信号復元ベクトルの要素の中から選択されている要素と用いて、最新の信号復元ベクトルを算出する信号復元ベクトル算出処理ステップと、
スパースベクトル生成手段が、上記信号復元ベクトル算出処理ステップで算出された信号復元ベクトルの要素の中から、値が相対的に大きい設定個数分の要素を選択して、その選択した要素を上記信号復元ベクトル算出手段に出力するとともに、その選択した要素と零値が配列されているスパースベクトルを生成するスパースベクトル生成処理ステップと、
収束判定手段が、上記スパースベクトル生成処理ステップで生成されたスパースベクトルが収束しているか否かを判定し、収束していなければ、上記スパースベクトル生成処理ステップで生成されたスパースベクトルを上記残差算出手段に出力して、次の収束演算ステップを実行させる収束判定処理ステップと、
個数設定手段が、上記信号復元ベクトル算出処理ステップ及び上記スパースベクトル生成処理ステップで選択される要素の個数の設定値を収束演算ステップの進行に伴って減少させる個数設定処理ステップと
を備えた方向探知方法。 Each sensor that calculates a product of a matrix in which steering vectors in a plurality of detection directions are stored and a sparse vector generated in the previous convergence calculation step, and receives the calculation result and an incident signal. A residual calculation processing step for calculating a residual with an observation vector in which the received signal is stored;
The signal restoration vector calculation means calculates an inner product vector of the residual calculated in the residual calculation processing step and the steering vector stored in the matrix, and the value is relative to the inner product vector element. Select the largest number of elements and calculate the latest signal restoration vector using the selected element and the element selected from the signal restoration vector elements generated in the previous convergence calculation step. Signal restoration vector calculation processing step to perform,
The sparse vector generation means selects elements corresponding to a set number having a relatively large value from the elements of the signal restoration vector calculated in the signal restoration vector calculation processing step, and the selected element is used as the signal restoration. A sparse vector generation processing step for generating a sparse vector in which the selected elements and zero values are arranged, and outputting to the vector calculation means;
A convergence determination means determines whether or not the sparse vector generated in the sparse vector generation processing step has converged. If not, the sparse vector generated in the sparse vector generation processing step is used as the residual. A convergence determination processing step that outputs to the calculation means and executes the next convergence calculation step;
A direction setting step comprising: a number setting processing step in which the number setting means decreases the set value of the number of elements selected in the signal restoration vector calculation processing step and the sparse vector generation processing step as the convergence calculation step proceeds. Method.
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