JP6293073B2 - Arrival direction estimation apparatus and arrival direction estimation method - Google Patents
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Description
この発明は、複数の放射源から放射された到来波の到来方向を高精度に推定する到来方向推定装置及び到来方向推定方法に関するものである。 The present invention relates to an arrival direction estimation device and an arrival direction estimation method for accurately estimating the arrival directions of incoming waves radiated from a plurality of radiation sources.
例えば、電波、光波、音波などを放射する放射源が複数存在しているとき、複数の放射源から放射された電波等の到来波をアレーアンテナで受信し、アレーアンテナの受信信号に対する信号処理を実施することで、複数の放射源から放射された到来波の到来方向を推定する到来方向推定装置がある。
到来波の到来方向を推定するための信号処理として、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)処理(非特許文献1を参照)や、VESPA(Virtual ESPRIT Algorithm)処理などが知られている(非特許文献2を参照)。
For example, when there are multiple radiation sources that radiate radio waves, light waves, sound waves, etc., incoming signals such as radio waves radiated from multiple radiation sources are received by the array antenna, and signal processing is performed on the received signals of the array antenna. There is an arrival direction estimating apparatus that estimates the arrival directions of incoming waves radiated from a plurality of radiation sources.
As signal processing for estimating the direction of arrival of an incoming wave, ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) processing (see Non-Patent Document 1) and VESPA (Virtual ESPRIT Algorithm) are known. (Refer nonpatent literature 2).
ESPRIT処理は、2つの同型のサブアレー間の回転不変性を利用することで、複数の放射源から放射された到来波を高分解能で推定することが可能な方式であるが、2つの同型のサブアレーを用意する必要があり、また、アレー配列に制約がある。
一方、VESPA処理は、アレーアンテナを構成している複数の素子アンテナの実際の配置である実アレーの4次キュムラント行列と、複数の素子アンテナが並行移動された仮想的な配置である仮想アレーの4次キュムラント行列との間で回転不変性が成り立つことを利用するものであり、実アレーの4次キュムラント行列と仮想アレーの4次キュムラント行列に対して、EPSRIT処理を適用することで、複数の放射源から放射された到来波を高分解能で推定することができる。
VESPA処理では、ESPRIT処理のようなアレー配列の制約を受けない利点がある。
The ESPRIT process is a method that can estimate arrival waves radiated from a plurality of radiation sources with high resolution by utilizing rotation invariance between two identical subarrays. Must be prepared, and the array arrangement is limited.
On the other hand, the VESPA process includes a fourth-order cumulant matrix of a real array that is an actual arrangement of a plurality of element antennas constituting the array antenna, and a virtual array that is a virtual arrangement in which the plurality of element antennas are moved in parallel. By utilizing the fact that rotation invariance holds between the fourth-order cumulant matrix and applying the EPSRIT process to the fourth-order cumulant matrix of the real array and the fourth-order cumulant matrix of the virtual array, The incoming wave radiated from the radiation source can be estimated with high resolution.
The VESPA process has an advantage that it is not subject to the restrictions on the array arrangement like the ESPRIT process.
しかし、VESPA処理では、4次キュムラントを用いるために、複数の放射源から放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合、即ち、電力が高い信号と低い信号がアレーアンテナに同時に入射される場合、電力が高い信号及び低い信号の信号雑音比(SNR:Signal to Noise Ratio)が高くても、電力が低い信号の到来方向の推定精度が劣化することが報告されている。また、複数の到来波の間に相関がある場合にも、到来方向の推定精度が劣化することが報告されている(非特許文献3を参照)。 However, in the VESPA process, in order to use a fourth-order cumulant, when incoming waves radiated from a plurality of radiation sources have a high dynamic range, that is, when a signal with high power and a signal with low power are simultaneously incident on the array antenna It has been reported that the estimation accuracy of the direction of arrival of a signal with low power deteriorates even if the signal to noise ratio (SNR) of the signal with high power and low signal is high. Further, it has been reported that the estimation accuracy of the arrival direction is deteriorated even when there is a correlation between a plurality of incoming waves (see Non-Patent Document 3).
従来の到来方向推定装置は以上のように構成されているので、VESPA処理を実施する場合、アレー配列の制約を受けずに、複数の放射源から放射された到来波の到来方向を推定することができるが、複数の放射源から放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、複数の到来波の間に相関がある場合には、複数の到来波を高精度に分離することができず、複数の到来波の到来方向を正確に推定することができないという課題があった。 Since the conventional arrival direction estimation apparatus is configured as described above, when the VESPA process is performed, the arrival directions of the arrival waves radiated from a plurality of radiation sources are estimated without being restricted by the array arrangement. However, when incoming waves radiated from multiple radiation sources have a high dynamic range, or when there is a correlation between multiple incoming waves, multiple incoming waves can be separated with high accuracy. Therefore, there has been a problem that the arrival directions of a plurality of incoming waves cannot be accurately estimated.
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、複数の放射源から放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、複数の到来波の間に相関がある場合でも、複数の到来波の到来方向の推定精度を高めることができる到来方向推定装置及び到来方向推定方法を得ることを目的とする。 This invention was made in order to solve the above problems, and even when the incoming waves radiated from a plurality of radiation sources have a high dynamic range or when there is a correlation between the plurality of incoming waves, An object of the present invention is to provide an arrival direction estimation device and an arrival direction estimation method that can improve the estimation accuracy of arrival directions of a plurality of arrival waves.
この発明に係る到来方向推定装置は、複数の放射源から放射された到来波を入射する複数のアンテナと、アンテナにより入射された到来波の受信処理を実施して、到来波の受信信号を出力する複数の受信部と、複数の受信部より出力された受信信号から、複数の放射源から放射された到来波の到来方向を示すステアリングベクトルを推定するステアリングベクトル推定部と、ステアリングベクトル推定部により推定されたステアリングベクトルを用いて、到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出する射影行列算出部とを設け、到来方向探索部が、アンテナの位置及び到来方向から決まるステアリングベクトルを設定し、その設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、その設定したステアリングベクトルと射影行列算出部により算出された射影行列との積を算出して、その積が零になる到来方向を探索するようにしたものである。 An arrival direction estimation apparatus according to the present invention performs a reception process of an incoming wave incident by an antenna and a plurality of antennas that receive incoming waves emitted from a plurality of radiation sources, and outputs an incoming wave reception signal A steering vector estimating unit for estimating a steering vector indicating directions of arrival of arriving waves radiated from a plurality of radiation sources, and a steering vector estimating unit from a reception signal output from the plurality of receiving units A projection matrix calculation unit that calculates a projection matrix for projecting into a space orthogonal to the true steering vector indicating the true arrival direction of the incoming wave using the estimated steering vector, and the arrival direction search unit, Set the steering vector determined from the antenna position and direction of arrival, and change the direction of arrival indicated by the set steering vector. Reluctant, calculates the product of the calculated projection matrix by a projection matrix calculation unit that sets the steering vector is obtained by so as to search for the direction of arrival and the product becomes zero.
この発明によれば、ステアリングベクトル推定部により推定されたステアリングベクトルを用いて、到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出する射影行列算出部を設け、到来方向探索部が、アンテナの位置及び到来方向から決まるステアリングベクトルを設定し、その設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、その設定したステアリングベクトルと射影行列算出部により算出された射影行列との積を算出して、その積が零になる到来方向を探索するように構成したので、複数の放射源から放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、複数の到来波の間に相関がある場合でも、複数の到来波の到来方向の推定精度を高めることができる効果がある。 According to the present invention, a projection matrix calculation for calculating a projection matrix for projecting into a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of an incoming wave using the steering vector estimated by the steering vector estimation unit. Is calculated by the set steering vector and projection matrix calculation unit while changing the arrival direction indicated by the set steering vector. The product is calculated by calculating the product with the projection matrix and the arrival direction where the product is zero is searched, so that the arrival waves radiated from multiple radiation sources have a high dynamic range or multiple arrivals. Even if there is a correlation between the waves, it is possible to improve the estimation accuracy of the direction of arrival of multiple incoming waves. That.
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。 Hereinafter, in order to describe the present invention in more detail, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による到来方向推定装置を示す構成図である。
この実施の形態1では、放射源1−k(k=1,2,・・・,K)が電波を放射し、到来方向推定装置が、放射源1−kから放射された電波の到来方向を推定する例を説明するが、放射源1−kが光波や音波などを放射し、到来方向推定装置が、放射源1−kから放射された光波や音波などの到来波の到来方向を推定するものであってもよい。
図1において、受信アンテナ2−m(m=1,2,・・・,M)は放射源1−1〜1−Kから放射された到来波を入射して、その到来波の無線周波数信号であるRF信号を出力するアンテナであり、受信アンテナ2−1〜2−MはM素子のアレーアンテナを構成している。
FIG. 1 is a block diagram showing an arrival direction estimation apparatus according to
In the first embodiment, the radiation source 1-k (k = 1, 2,..., K) radiates radio waves, and the arrival direction estimation device uses the arrival direction of the radio waves radiated from the radiation source 1-k. The radiation source 1-k radiates light waves, sound waves, and the like, and the arrival direction estimation device estimates the arrival direction of the arrival waves such as light waves and sound waves emitted from the radiation source 1-k. You may do.
In FIG. 1, a receiving antenna 2-m (m = 1, 2,..., M) receives an incoming wave radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K, and a radio frequency signal of the incoming wave. The receiving antennas 2-1 to 2-M constitute an M-element array antenna.
受信部3−m(m=1,2,・・・,M)は受信アンテナ2−mから出力されたRF信号に対して、例えば、RF信号を増幅する増幅処理、RF信号の高周波成分等を除去する帯域通過フィルタ処理、RF信号の周波数を変換する周波数変換処理、RF信号をデジタル信号に変換するA/D変換処理などの受信処理を実施することで、到来波の受信信号として、デジタルのベースバンド複素信号を出力する。なお、得られたデジタル信号が中間周波数信号であるIF信号の実信号である場合には、例えば、ヒルベルト変換やデジタル直交検波を実施することで、ベースバンド複素信号を得る構成としてもよい。 The reception unit 3-m (m = 1, 2,..., M) performs, for example, amplification processing for amplifying the RF signal, high-frequency component of the RF signal, and the like on the RF signal output from the reception antenna 2-m. By performing reception processing such as band-pass filter processing for removing noise, frequency conversion processing for converting the frequency of the RF signal, and A / D conversion processing for converting the RF signal into a digital signal, the received signal of the incoming wave is digitally Output baseband complex signal. When the obtained digital signal is a real signal of an IF signal that is an intermediate frequency signal, a baseband complex signal may be obtained by performing, for example, Hilbert transform or digital quadrature detection.
VESPA処理部4は受信部3−1〜3−Mより出力されたベースバンド複素信号に対して、VESPA処理を実施することで、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定し、そのステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを並べたステアリング行列Aチルダを射影行列算出部5に出力する処理を実施する。
明細書の文章中では、電子出願の関係上、“θk” 、“a(θk)”や“A”の文字の上に“〜”の記号を付することができないので、「θkチルダ」「a(θk)チルダ」「Aチルダ」のように表記している。なお、VESPA処理部4はステアリングベクトル推定部を構成している。
The VESPA processing unit 4 performs VESPA processing on the baseband complex signals output from the receiving units 3-1 to 3-M, thereby allowing the incoming waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K to be transmitted. incoming steering vector a (θ 1) to indicate the direction theta 1 tilde through? K tilde estimates the tilde ~a (θ K) tilde, by arranging the steering vector a (θ 1) tilde ~a (θ K) tilde steering A process of outputting the matrix A tilde to the projection
In the text of the specification, on the relationship of electronic filing, "θ k", because "a (θ k)" Ya on top of the letter "A""~" can not be denoted by the symbol of, "θ k It is expressed as “tilde” “a (θ k ) tilde” “A tilde”. The VESPA processing unit 4 constitutes a steering vector estimation unit.
射影行列算出部5はVESPA処理部4から出力されたステアリング行列Aチルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列Pを算出する処理を実施する。
到来方向探索部6は受信アンテナ2−1〜2−Mの位置及び到来方向θから決まる理想的なステアリングベクトルa(θ)を設定し、そのステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列Pとの積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索し、その探索した到来方向θを到来波の到来方向θkの推定結果として出力する処理を実施する。
The projection
The arrival
図1の例では、到来方向推定装置の構成要素の一部であるVESPA処理部4、射影行列算出部5及び到来方向探索部6のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、到来方向推定装置の構成要素の一部であるVESPA処理部4、射影行列算出部5及び到来方向探索部6がコンピュータで構成されていてもよい。専用のハードウェアとしては、例えば、CPUを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどが考えられる。
図2は到来方向推定装置の構成要素の一部がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
例えば、到来方向推定装置の構成要素の一部であるVESPA処理部4、射影行列算出部5及び到来方向探索部6がコンピュータで構成される場合、VESPA処理部4、射影行列算出部5及び到来方向探索部6の処理内容を記述しているプログラムを図2に示すメモリ11に格納し、図2に示すプロセッサ12がメモリ11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3はこの発明の実施の形態1による到来方向推定装置の処理内容である到来方向推定方法を示すフローチャートである。
In the example of FIG. 1, it is assumed that each of the VESPA processing unit 4, the projection
FIG. 2 is a hardware configuration diagram in a case where some of the components of the arrival direction estimation apparatus are configured by a computer.
For example, when the VESPA processing unit 4, the projection
FIG. 3 is a flowchart showing an arrival direction estimation method which is a processing content of the arrival direction estimation apparatus according to
次に動作について説明する。
M素子のアレーアンテナを構成している受信アンテナ2−1〜2−Mは、放射源1−1〜1−Kから放射された電波の到来波を入射すると、その到来波のRF信号を受信部3−1〜3−Mに出力する(図3のステップST1)。
Next, the operation will be described.
Receiving antennas 2-1 to 2-M constituting an M-element array antenna receive an incoming wave of radio waves radiated from radiation sources 1-1 to 1-K and receive an RF signal of the arriving wave. Output to the units 3-1 to 3-M (step ST1 in FIG. 3).
受信部3−m(m=1,2,・・・,M)は、受信アンテナ2−mからRF信号を受けると、そのRF信号に対して、例えば、RF信号を増幅する増幅処理、RF信号の高周波成分等を除去する帯域通過フィルタ処理、RF信号の周波数を変換する周波数変換処理、RF信号をデジタル信号に変換するA/D変換処理などの受信処理を実施することで、到来波の受信信号として、デジタルのベースバンド複素信号をVESPA処理部4に出力する(ステップST2)。 When the receiving unit 3-m (m = 1, 2,..., M) receives an RF signal from the receiving antenna 2-m, for example, an amplification process for amplifying the RF signal with respect to the RF signal, RF By performing reception processing such as band-pass filter processing that removes high-frequency components of the signal, frequency conversion processing that converts the frequency of the RF signal, A / D conversion processing that converts the RF signal into a digital signal, As a reception signal, a digital baseband complex signal is output to the VESPA processing unit 4 (step ST2).
VESPA処理部4は、受信部3−1〜3−Mからベースバンド複素信号を受けると、そのベースバンド複素信号に対して、VESPA処理を実施することで、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定し、そのステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを並べたステアリング行列Aチルダを射影行列算出部5に出力する(ステップST3)。
以下、VESPA処理部4によるステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダの推定処理を具体的に説明する。
When receiving the baseband complex signal from the receiving units 3-1 to 3 -M, the VESPA processing unit 4 performs VESPA processing on the baseband complex signal, thereby causing the radiation sources 1-1 to 1 -K. The steering vector a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde indicating the arrival directions θ 1 tilde to θ K tilde of the incoming wave radiated from is estimated, and the steering vector a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) The steering matrix A tilde in which tildes are arranged is output to the projection matrix calculation unit 5 (step ST3).
Hereinafter, a process for estimating the steering vector a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde by the VESPA processing unit 4 will be specifically described.
まず、受信部3−1〜3−Mから出力されるM個のベースバンド複素信号を受信データx(t)とすると、受信データx(t)は、下記の式(1)のように表される。tは時間サンプルである。
式(1)において、Aは放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルa(θk)が波数分並べられているM×Kのステアリング行列である。s(t)は到来波の信号、n(t)はノイズ信号である。
First, assuming that M baseband complex signals output from the reception units 3-1 to 3-M are reception data x (t), the reception data x (t) is expressed as the following equation (1). Is done. t is a time sample.
In Expression (1), A is an M × K in which true steering vectors a (θ k ) indicating the true arrival directions of the incoming waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K are arranged for the wave number. Steering matrix. s (t) is an incoming wave signal and n (t) is a noise signal.
ここで、キュムラント行列Cを下記の式(2)のように定義する。
Here, the cumulant matrix C is defined as the following formula (2).
式(3)〜(5)において、C1は受信アンテナ2−1〜2−Mの実際の配置である実アレーについてのキュムラントの成分であり、C2は受信アンテナ2−1〜2−Mが並行移動された仮想的な配置である仮想アレーについてのキュムラントの成分である。
u,vは受信特性が既知である2つのセンサを示すガイディングセンサ番号、cumはキュムラントを示す記号、Eは期待値である。
複数の到来波が互いに無相関であるとすると、Γは4次キュムラントγkが対角項に並んでいる対角行列となり、下記の式(6)のように表される。
Φはガイディングセンサ及び各到来波の到来方向に依存する位相差φkが対角項に並んでいる対角行列となり、下記の式(7)のように表される。
In Expressions (3) to (5), C 1 is a component of a cumulant for an actual array that is an actual arrangement of the receiving antennas 2-1 to 2 -M, and C 2 is a receiving antenna 2-1 to 2 -M. Is a cumulant component for a virtual array that is a virtual arrangement that has been translated.
u and v are guiding sensor numbers indicating two sensors whose reception characteristics are known, cum is a symbol indicating cumulant, and E is an expected value.
Assuming that a plurality of incoming waves are uncorrelated with each other, Γ is a diagonal matrix in which fourth-order cumulants γ k are arranged in diagonal terms, and is expressed as the following equation (6).
Φ is a diagonal matrix in which phase differences φ k depending on the arrival direction of the guiding sensor and each incoming wave are arranged in a diagonal term, and is expressed as the following Expression (7).
Δはガイディングセンサ間隔、λは到来波の波長、θkは#k波目の到来方向である。
Δ is the guiding sensor interval, λ is the wavelength of the incoming wave, and θ k is the arrival direction of the #k wave.
キュムラント行列Cを特異値分解すると、下記の式(8)のように表される。
式(9)のUは2M×2M行の列、式(11)のVはM×Mの行列である。式(10)のdiagは対角行列の対角項を表している。
When the singular value decomposition is performed on the cumulant matrix C, the following expression (8) is obtained.
U in Equation (9) is a 2M × 2M row column, and V in Equation (11) is an M × M matrix. “Diag” in Expression (10) represents a diagonal term of the diagonal matrix.
ここで、異なる特異ベクトルは直交することを利用すると、下記の式(12)が成立する。
式(2)を式(12)に代入すると、式(12)は下記の式(13)のように変形することができる。
Here, if different singular vectors are orthogonal, the following formula (12) is established.
By substituting equation (2) into equation (12), equation (12) can be transformed into equation (13) below.
式(13)のAΓがフルランクであることを用いると、式(12)は下記の式(14)を意味する。
さらに、行列UのU1とU2が直交することを考慮すると、式(14)より、行列Bの列ベクトルで張られる空間と、U1の列ベクトルで張られる空間は、同一になることが分かる。
したがって、下記の式(15)を満足するK×K次元の正則行列Tが存在する。
Using the fact that AΓ in Expression (13) is full rank, Expression (12) means the following Expression (14).
Further, considering that U 1 and U 2 of the matrix U are orthogonal, the space spanned by the column vector of the matrix B and the space spanned by the column vector of U 1 are the same from the equation (14). I understand.
Therefore, there exists a K × K-dimensional regular matrix T that satisfies the following equation (15).
U1の上半分と、U1の下半分をサブアレーに対応する固有ベクトルとみなせば、式(15)は、ESPRIT処理における信号部分空間が満たす性質と同一であることが分かる。
したがって、ESPRIT処理におけるLS(Least Square:最小二乗)−ESPRITや、TLS(Total Least Square:前最小二乗)−ESPRITを用いることで、Φを推定することができる。
And the upper half of U 1, is regarded as the eigenvector corresponding to the sub-arrays of the lower half of U 1, equation (15) is found to be identical to the property satisfied by the signal subspace ESPRIT process.
Therefore, Φ can be estimated by using LS (Least Square) -ESPRIT or TLS (Total Last Square) -ESPRIT in ESPRIT processing.
ここで、TLS−ESPRITを用いるΦの推定を簡単に説明する。この推定の詳細は下記の非特許文献4に開示されている。
[非特許文献4]
M.Dogan、J、Mendel、“Application of cumulants to array processing−Part III:Blind Beamforming for Coherent Signals、”、IEEE Trans.Signal Processing、vol.45、no.9、pp.2252−2264、May 1997
Here, the estimation of Φ using TLS-ESPRIT will be briefly described. Details of this estimation are disclosed in Non-Patent Document 4 below.
[Non-Patent Document 4]
M.M. Dogan, J, Mendel, “Application of cumulants to array processing—Part III: Blind Beamforming for Coherent Signals,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, no. 9, pp. 2252-2264, May 1997
式(17)のEHの固有値展開を行って、ゼロに等しいK個の固有値に属する固有ベクトルから行列VXYを構成する。
そして、行列VXYの上半分をGX、行列VXYの下半分をGYとおくと、TLS解Ψは、下記の式(19)のように求まる。
Performing eigenvalue decomposition of E H of formula (17), constituting the matrix V XY eigenvectors belonging to K eigenvalues equal to zero.
Then, half G X on the matrix V XY, when put the G Y the lower half of the matrix V XY, the TLS solution [psi, calculated as the following equation (19).
TLS解Ψを固有値展開した固有値より、Φは下記の式(20)のように推定することができる。
したがって、式(15)より、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定することができる。
下記の式(21)は、実アレーについてのステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダが並べられたステアリング行列A1チルダであり、式(22)は、仮想アレーについてのステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダが並べられたステアリング行列A2チルダである。
式(23)は、実アレーに係るステアリングベクトルと仮想アレーに係るステアリングベクトルとの平均のステアリングベクトルが並べられたステアリング行列Aチルダである。
From the eigenvalue obtained by eigenvalue expansion of the TLS solution Ψ, Φ can be estimated as in the following equation (20).
Therefore, from equation (15), steering vectors a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde indicating arrival directions θ 1 tilde to θ K tilde of the incoming waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K. Can be estimated.
Equation (21) below is a steering matrix A 1 tilde in which steering vectors a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde for the real array are arranged, and Equation (22) is the steering for the virtual array. This is a steering matrix A 2 tilde in which vectors a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde are arranged.
Expression (23) is a steering matrix A tilde in which average steering vectors of the steering vector related to the real array and the steering vector related to the virtual array are arranged.
ステアリング行列Aチルダの各列ベクトルである推定のステアリングベクトルa(θk)チルダは、複数の到来波の間で相関が無く、ダイナミックレンジが小さい場合には、真の到来方向θkに対応するステアリングベクトルa(θk)と一致する。
ここでは、VESPA処理部4が、TLS−ESPRITに基づいてステアリングベクトルa(θk)チルダを推定するものを示したが、LS−ESPRITに基づいても、ステアリングベクトルa(θk)チルダを推定することができる。
なお、VESPA処理部4により推定されたステアリングベクトルa(θk)チルダは、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、到来波1−1〜1−Kの間に相関がある場合には、複数の到来波を高精度に分離することができないため、この実施の形態1では、以下の処理を実施する。
The estimated steering vector a (θ k ) tilde, which is each column vector of the steering matrix A tilde, corresponds to the true arrival direction θ k when there is no correlation among the plurality of incoming waves and the dynamic range is small. It coincides with the steering vector a (θ k ).
Here, VESPA processing unit 4, showed that estimates a steering vector a (θ k) tilde based on TLS-ESPRIT, be based on the LS-ESPRIT, steering vector a (θ k) estimated tilde can do.
Note that the steering vector a (θ k ) tilde estimated by the VESPA processing unit 4 is used when the incoming waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K have a high dynamic range, or the incoming waves 1-1 to 1-1. When there is a correlation between 1-K, a plurality of incoming waves cannot be separated with high accuracy. Therefore, in the first embodiment, the following processing is performed.
射影行列算出部5は、VESPA処理部4がステアリングベクトルa(θk)チルダを推定すると、そのステアリングベクトルa(θk)チルダが並べられているステアリング行列Aチルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列Pを算出する(ステップST4)。
即ち、射影行列算出部5は、ステアリング行列Aチルダを用いて、下記の式(25)に示すような射影行列Pを算出する。
When the VESPA processing unit 4 estimates the steering vector a (θ k ) tilde, the projection
That is, the projection
複数の到来波の間で相関がある場合や、ダイナミックレンジが大きい場合には、ステアリング行列Aチルダの各列ベクトルである推定のステアリングベクトルa(θk)チルダは、真のステアリングベクトルa(θk)と一致しない。
このとき、真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θk)が並べられているステアリング行列Aと、射影行列算出部5により推定されたステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダが並べられているステアリング行列Aチルダとは、下記の式(24)の関係を有する。
When there is a correlation between a plurality of incoming waves or when the dynamic range is large, the estimated steering vector a (θ k ) tilde, which is each column vector of the steering matrix A tilde, is the true steering vector a (θ k ) does not match.
At this time, the steering matrix A in which the true steering vectors a (θ 1 ) to a (θ k ) are arranged, and the steering vector a (θ 1 ) tilde to a (θ K estimated by the projection
式(24)のZはK×Kの行列であり、式(24)はステアリング行列Aの列ベクトルで張られる空間に真のステアリングベクトルa(θk)が存在することを意味する。
ここで、射影行列Pを下記の式(25)のように定義すると、行列Zが正則行列である場合には、式(25)の射影行列Pは、真のステアリングベクトルa(θk)に直交する空間、即ち、雑音部分空間に射影する行列であることが分かる。
式(25)において、Iは単位行列である。
Z in Expression (24) is a K × K matrix, and Expression (24) means that a true steering vector a (θ k ) exists in a space spanned by the column vector of the steering matrix A.
Here, if the projection matrix P is defined as the following equation (25), when the matrix Z is a regular matrix, the projection matrix P of the equation (25) is expressed as a true steering vector a (θ k ). It can be seen that the matrix is projected onto an orthogonal space, that is, a noise subspace.
In Expression (25), I is a unit matrix.
到来方向探索部6は、射影行列算出部5が射影行列Pを算出すると、下記の式(26)に示すように、受信アンテナ2−1〜2−Mの位置及び到来方向θから決まる理想的なステアリングベクトルa(θ)を設定する(ステップST5)。即ち、到来波の真の到来方向θkを示す真のステアリングベクトルa(θk)と近いステアリングベクトルa(θ)を設定する。
ここで、XTは、行列あるいはベクトルXの転置を表し、Pmはm素子番目の受信アンテナ2−mの位置座標を示している2次元ベクトルである。
When the projection
Here, X T represents a transpose of a matrix or vector X, P m is the two-dimensional vector represents the m elements th position coordinates of the receiver antenna 2-m.
到来方向探索部6は、ステアリングベクトルa(θ)を設定すると、その設定したステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列Pとの積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索し、その探索した到来方向θを到来波の到来方向θkの推定結果として出力する(ステップST6)。
以下、到来方向探索部6による到来方向θkの推定処理を具体的に説明する。
When the arrival
Hereinafter, the process of estimating the arrival direction θ k by the arrival
射影行列算出部5により算出された射影行列Pは、真のステアリングベクトルa(θk)に直交する空間に射影するための行列であるため、その設定したステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θが、到来波の真の到来方向θkと一致していれば、その設定したステアリングベクトルa(θ)と射影行列Pとの積は零ベクトルになり、零ベクトルの内積は零になる。
したがって、公知の多重信号分類処理であるMUSICアルゴリズムと同様の考え方を用いて、下記の式(29)に示すような方位スペクトルS(θ)を計算する場合、ステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θが、到来波の真の到来方向θkと一致して、ステアリングベクトルa(θ)と射影行列Pとの積が零ベクトルになれば、式(29)の分母が0になり、方位スペクトルS(θ)がピークを有することになる。
Since the projection matrix P calculated by the projection
Therefore, when the azimuth spectrum S (θ) as shown in the following equation (29) is calculated using the same concept as the MUSIC algorithm which is a known multiple signal classification process, the arrival indicated by the steering vector a (θ) If the direction θ coincides with the true arrival direction θ k of the incoming wave and the product of the steering vector a (θ) and the projection matrix P becomes a zero vector, the denominator of the equation (29) becomes 0, and the direction The spectrum S (θ) has a peak.
そこで、到来方向探索部6は、方位スペクトルS(θ)が極大値となる到来方向θを探索し、その探索した到来方向θを到来波の真の到来方向θkの推定結果として出力する。
このように、方位スペクトルS(θ)が極大値となる到来方向θを探索することで、複数の到来波の真の到来方向θ1〜θKを分離推定することができる。
なお、式(29)の分子におけるaH(θ)a(θ)は、MUSICスペクトルと同様に、正規化のための係数であり、受信アンテナ2−1〜2−Mによるアンテナパターンが無指向性の場合には、受信アンテナ2−mの素子数に等しい。
Therefore, the arrival
In this way, by searching for the arrival direction θ where the azimuth spectrum S (θ) has a maximum value, the true arrival directions θ 1 to θ K of a plurality of arrival waves can be separated and estimated.
Note that a H (θ) a (θ) in the numerator of the formula (29) is a coefficient for normalization similar to the MUSIC spectrum, and the antenna pattern by the receiving antennas 2-1 to 2-M is omnidirectional. In the case of the characteristic, it is equal to the number of elements of the receiving antenna 2-m.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、VESPA処理部4から出力されたステアリング行列Aチルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列Pを算出する射影行列算出部5を設け、到来方向探索部6が、受信アンテナ2−1〜2−Mの位置及び到来方向θから決まる理想的なステアリングベクトルa(θ)を設定し、そのステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列Pとの積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索するように構成したので、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の間に相関がある場合でも、複数の到来波を高精度に分離して、複数の到来波の到来方向θ1〜θKを正確に推定することができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the first embodiment, the true steering vector indicating the true arrival directions θ 1 to θ K of the incoming wave using the steering matrix A tilde output from the VESPA processing unit 4. A projection
この実施の形態1では、到来方向探索部6が、ステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列Pとの積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索することにより、1次元の到来方向θkを推定するものを示したが、到来波のアジマス角θk及びエレベーション角φkを推定するようにしてもよい。
この場合、到来方向探索部6は、式(26)の代わりに、ステアリングベクトルa(θ,φ)を設定する。
このとき、式(27)のPmはm素子番目の受信アンテナ2−mの3次元の位置座標を示す3次元ベクトルとする。
また、式(27)のL(θ)の代わりに、下記の式(30)に示すようなL(θ,φ)を用いる。
In this first embodiment, the arrival
In this case, the arrival
At this time, P m in Expression (27) is a three-dimensional vector indicating the three-dimensional position coordinates of the m-th element receiving antenna 2-m.
Further, L (θ, φ) as shown in the following equation (30) is used instead of L (θ) in equation (27).
そして、到来方向探索部6は、その設定したステアリングベクトルa(θ,φ)が示すアジマス角θ及びエレベーション角φを変えながら、下記の式(31)に示すような方位スペクトルS(θ,φ)が極大値となるアジマス角θ及びエレベーション角φを探索し、その探索したアジマス角θ及びエレベーション角φを到来波のアジマス角θk及びエレベーション角φkの推定結果として出力する。
Then, the arrival
また、この実施の形態1では、到来方向探索部6が、受信アンテナ2−1〜2−Mの位置及び到来方向θから決まる理想的なステアリングベクトルa(θ)を設定するものを示したが、受信アンテナ2−1〜2−Mによるアンテナパターンb(θ)を事前に計測することが可能な場合には、下記の式(32)に示すように、受信アンテナ2−1〜2−Mの位置、到来方向θ及びアンテナパターンb(θ)から決まる理想的なステアリングベクトルa(θ)チルダを設定するようにしてもよい。
式(32)において、“〇”の記号はベクトルの要素毎の積を表している。
In the first embodiment, the arrival
In equation (32), the symbol “◯” represents the product of each vector element.
この場合、到来方向探索部6は、下記の式(33)に示すような方位スペクトルS(θ)が極大値となる到来方向θを探索するようにする。
受信アンテナ2−1〜2−Mによるアンテナパターンb(θ)を用いて、ステアリングベクトルa(θ)を設定することで、ステアリングベクトルa(θ)の設定精度が向上するため、積が零になる到来方向θを短時間で探索することができる。
In this case, the arrival
Setting the steering vector a (θ) using the antenna pattern b (θ) by the receiving antennas 2-1 to 2-M improves the setting accuracy of the steering vector a (θ), so the product becomes zero. Can be searched in a short time.
実施の形態2.
上記実施の形態1では、VESPA処理部4が、実アレーに係るステアリングベクトルと仮想アレーに係るステアリングベクトルとの平均のステアリングベクトルa(θk)チルダを出力し、射影行列算出部5が、VESPA処理部4から出力された平均のステアリングベクトルa(θk)チルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列Pを算出するものを示したが、射影行列算出部5が、VESPA処理部4により算出された実アレーに係るステアリングベクトルa(θk)チルダから実アレーに係る射影行列P1を算出するとともに、VESPA処理部4により算出された仮想アレーに係るステアリングベクトルa(θk)チルダから仮想アレーに係る射影行列P2を算出するようにしてもよい。
具体的には、以下の通りである。
In the first embodiment, the VESPA processing unit 4 outputs the average steering vector a (θ k ) tilde of the steering vector related to the real array and the steering vector related to the virtual array, and the projection
Specifically, it is as follows.
射影行列算出部5は、VESPA処理部4から実アレーに係るステアリングベクトルa(θk)チルダが並べられているステアリング行列A1チルダを受けると、下記の式(34)に示すように、そのステアリング行列A1チルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列P1を算出する。
When the projection
また、射影行列算出部5は、VESPA処理部4から仮想アレーに係るステアリングベクトルa(θk)チルダが並べられているステアリング行列A2チルダを受けると、下記の式(35)に示すように、そのステアリング行列A2チルダを用いて、到来波の真の到来方向θ1〜θKを示す真のステアリングベクトルa(θ1)〜a(θK)に直交する空間に射影するための射影行列P2を算出する。
When the projection
到来方向探索部6は、上記実施の形態1と同様に、式(26)のステアリングベクトルa(θ)を設定する。
ここでは、式(26)のステアリングベクトルa(θ)を設定するものとしているが、式(32)のステアリングベクトルa(θ)チルダを設定するようにしてもよい。
到来方向探索部6は、ステアリングベクトルa(θ)を設定すると、その設定したステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列P1との積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索する。実際には、射影行列P1とステアリングベクトルとの積により求めたベクトルの内積を計算する。
即ち、到来方向探索部6は、下記の式(36)に示すような方位スペクトルS1(θ)が極大値となる到来方向θを探索する。
The arrival
Here, the steering vector a (θ) in Expression (26) is set, but the steering vector a (θ) tilde in Expression (32) may be set.
When the arrival
That is, the arrival
また、到来方向探索部6は、その設定したステアリングベクトルa(θ)が示す到来方向θを変えながら、そのステアリングベクトルa(θ)と射影行列算出部5により算出された射影行列P2との積を算出して、その積が零になる到来方向θを探索する。
即ち、到来方向探索部6は、下記の式(37)に示すような方位スペクトルS2(θ)が極大値となる到来方向θを探索する。
Further, the arrival
That is, the arrival
到来方向探索部6は、方位スペクトルS1(θ)が極大値となる到来方向θと、方位スペクトルS2(θ)が極大値となる到来方向θとを探索すると、2つの到来方向θの平均値を到来波の到来方向θkの推定結果として出力する。
この実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様に、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波が高いダイナミックレンジを有する場合や、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の間に相関がある場合でも、複数の到来波を高精度に分離して、複数の到来波の到来方向θ1〜θKを正確に推定することができる効果を奏する。
When the arrival
According to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the arrival waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1-K have a high dynamic range, or the radiation sources 1-1 to 1- Even when there is a correlation between incoming waves radiated from K, it is possible to separate a plurality of incoming waves with high accuracy and accurately estimate the arrival directions θ 1 to θ K of the plurality of incoming waves. Play.
ここでは、到来方向探索部6が、方位スペクトルS1(θ)が極大値となる到来方向θを探索するとともに、方位スペクトルS2(θ)が極大値となる到来方向θを探索して、2つの到来方向θの平均値を出力するものを示したが、下記の式(38)に示すような方位スペクトルS(θ)が極大値となる到来方向θを探索するようにしてもよい。
Here, the arrival
上記実施の形態1では、到来方向探索部6が射影行列Pを用いるものを示しているが、到来方向探索部6が用いる射影行列として、実アレーに係るステアリングベクトルを用いて算出された射影行列P1と、仮想アレーに係るステアリングベクトルを用いて算出された射影行列P2との平均である平均化射影行列を用いるようにしてもよい。
即ち、式(33)における射影行列Pを1/2*(P1+P2)として置き換えた方位スペクトルを用いることもできる。
In the first embodiment, the direction-of-
That is, an azimuth spectrum obtained by replacing the projection matrix P in Equation (33) with 1/2 * (P 1 + P 2 ) can also be used.
実施の形態3.
上記実施の形態1,2では、 VESPA処理部4が、受信部3−1〜3−Mより出力されたベースバンド複素信号に対して、VESPA処理を実施することで、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定するものを示したが、受信部3−1〜3−Mより出力されたベースバンド複素信号に対して、ESPRI処理を実施することで、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定するようにしてもよい。
In the first and second embodiments, the VESPA processing unit 4 performs the VESPA processing on the baseband complex signals output from the reception units 3-1 to 3-M, thereby causing the radiation sources 1-1 to 1-1. Although the estimation of the steering vector a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde indicating the arrival directions θ 1 tilde to θ K tilde of the incoming wave radiated from 1-K is shown, the receiving unit 3-1 By performing ESPRI processing on the baseband complex signal output from ˜3-M, arrival directions θ 1 tilde to θ K tilde of incoming waves radiated from radiation sources 1-1 to 1- K are obtained. Steering vectors a (θ 1 ) tilde to a (θ K ) tilde may be estimated.
図4はこの発明の実施の形態3による到来方向推定装置を示す構成図であり、図4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。
ESPRI処理部7は受信部3−1〜3−Mより出力されたベースバンド複素信号に対して、ESPRI処理を実施することで、放射源1−1〜1−Kから放射された到来波の到来方向θ1チルダ〜θKチルダを示すステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定し、そのステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを並べたステアリング行列Aチルダを射影行列算出部5に出力する処理を実施する。なお、ESPRI処理部7はステアリングベクトル推定部を構成している。
4 is a block diagram showing a direction-of-arrival estimation apparatus according to
The ESPRI processing unit 7 performs ESPRI processing on the baseband complex signals output from the receiving units 3-1 to 3 -M, so that the incoming waves radiated from the radiation sources 1-1 to 1 -K are transmitted. incoming steering vector a (θ 1) to indicate the direction theta 1 tilde through? K tilde estimates the tilde ~a (θ K) tilde, by arranging the steering vector a (θ 1) tilde ~a (θ K) tilde steering A process of outputting the matrix A tilde to the projection
図4の例では、到来方向推定装置の構成要素の一部であるESPRI処理部7、射影行列算出部5及び到来方向探索部6のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、到来方向推定装置の構成要素の一部であるESPRI処理部7、射影行列算出部5及び到来方向探索部6がコンピュータで構成されていてもよい。専用のハードウェアとしては、例えば、CPUを実装している半導体集積回路や、ワンチップマイコンなどが考えられる。
例えば、到来方向推定装置の構成要素の一部であるESPRI処理部7、射影行列算出部5及び到来方向探索部6がコンピュータで構成される場合、ESPRI処理部7、射影行列算出部5及び到来方向探索部6の処理内容を記述しているプログラムを図2に示すメモリ11に格納し、図2に示すプロセッサ12がメモリ11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. 4, it is assumed that each of the ESPRI processing unit 7, the projection
For example, when the ESPRI processing unit 7, the projection
次に動作について説明する。
ESPRI処理部7以外は、上記実施の形態1,2と同様であるため、ここでは、ESPRI処理部7の処理内容だけを説明する。
ESPRI処理部7は、受信部3−1〜3−Mより出力されたベースバンド複素信号に対して、ESPRI処理を実施するものであるため、受信アンテナ2−1〜2−MからなるM素子アレーアンテナが、同型の2つのサブアレー#1,#2に分割可能な場合に限り、適用することができる。
Next, the operation will be described.
Since the configuration other than the ESPRI processing unit 7 is the same as in the first and second embodiments, only the processing contents of the ESPRI processing unit 7 will be described here.
Since the ESPRI processing unit 7 performs ESPRI processing on the baseband complex signals output from the receiving units 3-1 to 3-M, the M element including the receiving antennas 2-1 to 2-M This is applicable only when the array antenna can be divided into two
ESPRI処理部7は、受信部3−1〜3−Mから式(1)で表される受信データx(t)を受けると、下記の式(39)に示すように、その受信データx(t)の相関行列Rxxを算出する。
When the ESPRI processing unit 7 receives the reception data x (t) represented by the equation (1) from the reception units 3-1 to 3-M, as shown in the following equation (39), the reception data x ( The correlation matrix Rxx of t) is calculated.
ESPRI処理部7は、受信データx(t)の相関行列Rxxを算出すると、その相関行列Rxxを固有値展開することで信号固有ベクトルEsを求めて、その信号固有ベクトルEsから同型の2つのサブアレー#1,#2に対応する固有ベクトルEX,EYを抽出し、下記の式(40)に示すように、その固有ベクトルEX,EYから行列Dを算出する。
式(40)において、A1はサブアレー#1に対応するステアリングベクトルであり、Φは到来波の到来方向とサブアレー間隔に対応する位相差が対角項に並んでいる対角行列である。また、Tは正則な行列である。
式(40)は式(15)と同様であるため、以下、上記実施の形態1と同様に、式(16)〜式(23)の処理を実施することで、ステアリングベクトルa(θ1)チルダ〜a(θK)チルダを推定することができる。
ESPRI processing unit 7, when calculating the correlation matrix Rxx received data x (t), the correlation matrix Rxx seek signal eigenvectors E s by eigenvalue decomposition, the two of the same type from the signal eigenvectors E s subarrays # 1, eigenvector E X corresponding to # 2, extracts the E Y, as shown in the following equation (40), the eigenvector E X, calculating the matrix D from E Y.
In the formula (40), A 1 is a steering vector corresponding to the
Since the expression (40) is the same as the expression (15), the steering vector a (θ 1 ) is executed by performing the processes of the expressions (16) to (23) as in the first embodiment. A tilde to a (θ K ) tilde can be estimated.
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−k 放射源、2−m 受信アンテナ(アンテナ)、3−m 受信部、4 VESPA処理部(ステアリングベクトル推定部)、5 射影行列算出部、6 到来方向探索部、7 ESPRI処理部(ステアリングベクトル推定部)、11 メモリ、12 プロセッサ。 1-k radiation source, 2-m reception antenna (antenna), 3-m reception unit, 4 VESPA processing unit (steering vector estimation unit), 5 projection matrix calculation unit, 6 arrival direction search unit, 7 ESPRI processing unit (steering) Vector estimation unit), 11 memories, 12 processors.
Claims (9)
前記アンテナにより入射された到来波の受信処理を実施して、前記到来波の受信信号を出力する複数の受信部と、
前記複数の受信部より出力された受信信号から、前記複数の放射源から放射された到来波の到来方向を示すステアリングベクトルを推定するステアリングベクトル推定部と、
前記ステアリングベクトル推定部により推定されたステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出する射影行列算出部と、
前記アンテナの位置及び到来方向から決まるステアリングベクトルを設定し、前記設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された射影行列との積を算出して、前記積が零になる到来方向を探索する到来方向探索部と
を備えた到来方向推定装置。 A plurality of antennas that receive incoming waves radiated from a plurality of radiation sources; and
A plurality of receiving units that perform reception processing of an incoming wave incident by the antenna and output a reception signal of the incoming wave;
A steering vector estimation unit that estimates a steering vector indicating an arrival direction of incoming waves radiated from the plurality of radiation sources from reception signals output from the plurality of reception units;
Using a steering vector estimated by the steering vector estimation unit, a projection matrix calculation unit for calculating a projection matrix for projecting to a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of the incoming wave;
A steering vector determined from the antenna position and the arrival direction is set, and the product of the set steering vector and the projection matrix calculated by the projection matrix calculation unit is calculated while changing the arrival direction indicated by the set steering vector. An arrival direction estimation apparatus comprising: an arrival direction search unit that searches for an arrival direction in which the product is zero.
前記射影行列算出部は、前記ステアリングベクトル推定部から出力された平均のステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の到来方向推定装置。 The steering vector estimation unit estimates a steering vector indicating an arrival direction of an incoming wave radiated from the plurality of radiation sources for an actual array that is an actual arrangement of the plurality of antennas, and the plurality of antennas are parallel to each other. For a virtual array that is a moved virtual arrangement, a steering vector indicating an arrival direction of an incoming wave radiated from the plurality of radiation sources is estimated, and a steering vector related to the real array and a steering vector related to the virtual array are estimated And output the average steering vector with
The projection matrix calculation unit uses the average steering vector output from the steering vector estimation unit to generate a projection matrix for projecting into a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of the incoming wave. The arrival direction estimation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the arrival direction estimation apparatus calculates the arrival direction.
前記射影行列算出部は、前記ステアリングベクトル推定部により推定された実アレーに係るステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出するとともに、前記ステアリングベクトル推定部により推定された仮想アレーに係るステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出し、
前記到来方向探索部は、前記設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された実アレー及び仮想アレーに係る射影行列との積の逆数を算出して、前記実アレー及び仮想アレーに係る射影行列との積の逆数を平均した評価値を計算し、前記評価値が極大となる到来方向を探索することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の到来方向推定装置。 The steering vector estimation unit estimates a steering vector indicating an arrival direction of an incoming wave radiated from the plurality of radiation sources for an actual array that is an actual arrangement of the plurality of antennas, and the plurality of antennas are parallel to each other. For a virtual array that is a moved virtual arrangement, a steering vector indicating an arrival direction of incoming waves emitted from the plurality of radiation sources is estimated,
The projection matrix calculation unit uses the steering vector related to the real array estimated by the steering vector estimation unit to project to a space orthogonal to the true steering vector indicating the true arrival direction of the incoming wave A projection matrix for calculating a matrix and projecting into a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of the incoming wave using a steering vector related to the virtual array estimated by the steering vector estimation unit To calculate
The arrival direction search unit changes an arrival direction indicated by the set steering vector, and calculates a reciprocal of a product of the set steering vector and the projection matrix related to the real array and the virtual array calculated by the projection matrix calculation unit. The calculation method calculates an evaluation value obtained by averaging the reciprocal of the product of the real array and the projection matrix related to the virtual array, and searches for an arrival direction in which the evaluation value becomes a maximum. The arrival direction estimation apparatus according to any one of items 4 to 5.
前記射影行列算出部は、前記ステアリングベクトル推定部により推定された実アレーに係るステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出するとともに、前記ステアリングベクトル推定部により推定された仮想アレーに係るステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出し、
前記到来方向探索部は、前記設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された実アレーに係る射影行列との積を算出して、当該積が零になる到来方向を探索するとともに、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された仮想アレーに係る射影行列との積を算出して、当該積が零になる到来方向を探索し、その探索した実アレーに係る到来方向と、その探索した仮想アレーに係る到来方向との平均の到来方向を求めることを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の到来方向推定装置。 The steering vector estimation unit estimates a steering vector indicating an arrival direction of an incoming wave radiated from the plurality of radiation sources for an actual array that is an actual arrangement of the plurality of antennas, and the plurality of antennas are parallel to each other. For a virtual array that is a moved virtual arrangement, a steering vector indicating an arrival direction of incoming waves emitted from the plurality of radiation sources is estimated,
The projection matrix calculation unit uses the steering vector related to the real array estimated by the steering vector estimation unit to project to a space orthogonal to the true steering vector indicating the true arrival direction of the incoming wave A projection matrix for calculating a matrix and projecting into a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of the incoming wave using a steering vector related to the virtual array estimated by the steering vector estimation unit To calculate
The arrival direction search unit calculates a product of the set steering vector and a projection matrix related to the real array calculated by the projection matrix calculation unit while changing the arrival direction indicated by the set steering vector, and The direction of arrival where the product becomes zero is searched, and the product of the set steering vector and the projection matrix related to the virtual array calculated by the projection matrix calculation unit is calculated, and the direction of arrival where the product becomes zero is calculated. 5. The average direction of arrival of the direction of arrival related to the searched real array and the direction of arrival related to the searched virtual array is calculated. The direction of arrival estimation apparatus described.
前記射影行列算出部は、前記ステアリングベクトル推定部により推定された実アレー及び仮想アレーに係るステアリングベクトルを用いて、各々、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出し、前記実アレー及び仮想アレーに係るステアリングベクトルを用いて算出された射影行列を平均して平均化射影行列を計算し、
前記到来方向探索部は、前記設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された平均化射影行列との積を算出して、前記積が零になる到来方向を探索することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の到来方向推定装置。 The steering vector estimation unit estimates a steering vector indicating an arrival direction of an incoming wave radiated from the plurality of radiation sources for an actual array that is an actual arrangement of the plurality of antennas, and the plurality of antennas are parallel to each other. For a virtual array that is a moved virtual arrangement, a steering vector indicating an arrival direction of incoming waves emitted from the plurality of radiation sources is estimated,
The projection matrix calculation unit uses a steering vector related to the real array and the virtual array estimated by the steering vector estimation unit, respectively, in a space orthogonal to a true steering vector indicating a true arrival direction of the incoming wave. Calculating a projection matrix for projecting, calculating an averaged projection matrix by averaging the projection matrices calculated using the steering vectors related to the real array and the virtual array,
The arrival direction search unit calculates a product of the set steering vector and the averaged projection matrix calculated by the projection matrix calculation unit while changing the arrival direction indicated by the set steering vector, and the product is The arrival direction estimation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein an arrival direction that becomes zero is searched.
ステアリングベクトル推定部が、前記複数の受信部より出力された受信信号から、前記複数の放射源から放射された到来波の到来方向を示すステアリングベクトルを推定し、
射影行列算出部が、前記ステアリングベクトル推定部により推定されたステアリングベクトルを用いて、前記到来波の真の到来方向を示す真のステアリングベクトルに直交する空間に射影するための射影行列を算出し、
到来方向探索部が、前記アンテナの位置及び到来方向から決まるステアリングベクトルを設定し、前記設定したステアリングベクトルが示す到来方向を変えながら、前記設定したステアリングベクトルと前記射影行列算出部により算出された射影行列との積を算出して、前記積が零になる到来方向を探索する
到来方向推定方法。 When incoming waves radiated from a plurality of radiation sources are incident on a plurality of antennas, a plurality of receivers perform reception processing of the incoming waves incident by the antennas and output the received signals of the incoming waves And
A steering vector estimation unit estimates a steering vector indicating an arrival direction of incoming waves radiated from the plurality of radiation sources, from reception signals output from the plurality of reception units,
A projection matrix calculation unit uses the steering vector estimated by the steering vector estimation unit to calculate a projection matrix for projecting onto a space orthogonal to the true steering vector indicating the true arrival direction of the incoming wave,
An arrival direction search unit sets a steering vector determined from the position and direction of the antenna, and changes the arrival direction indicated by the set steering vector, and the projection calculated by the set steering vector and the projection matrix calculation unit An arrival direction estimation method that calculates a product with a matrix and searches for an arrival direction in which the product becomes zero.
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