JP6821091B2 - 到来波数推定装置及び到来波数到来方向推定装置 - Google Patents
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Description
なお、以下の実施の形態では、主に衝突防止または自動運転等を目的とした車載搭載型レーダへの適用を想定して到来波数推定装置と到来波数到来方向推定装置の説明を行うが、本発明は車載搭載型レーダだけでなく、航空機監視レーダ、気象レーダへの適用が可能である。また、妨害電波受信装置、衛星通信用装置等の受信装置にも適用が可能である。
図1は、本実施の形態による到来波数推定装置の構成図である。
図1に示す到来波数推定装置は、アレイアンテナ101、サブアレイ空間平均部102、固有値展開部103、波数推定部104を備える。
アレイアンテナ101は、複数の素子アンテナを備えたアレイアンテナであり、電波源からの信号を受信する機能を有している。なお、アレイアンテナ101の受信信号は、実施の形態4で説明するように、信号増幅、周波数変換(または送信信号とのミキシング)、帯域制限、A/D変換を行い、デジタル信号に変換される。車載搭載型レーダでは、受信信号は、送信信号とミキシングを行い、低いビート周波数を持つビート信号に変換された後に、帯域制限及びA/D変換を行う構成が一般的である。送信信号として、ここでは、周波数が時間に比例して増加する線形周波数変調(チャープ変調)波形を想定しているが、その他にも、例えば、パルス状の変調波形、位相が時間と一緒に変化する位相符号変調波形及び連続波であるCW信号の周波数が時間と一緒に変化する周波数変調波形などがある。
アレイアンテナ101は、電波源からの信号を複数の素子アンテナで受信し、デジタル信号として出力する(ステップST101)。次いで、サブアレイ空間平均部102は、アレイアンテナ101の受信信号を複数の異なる形状のサブアレイ毎に分割し、受信信号相関行列の空間平均処理を行う(ステップST102)。図4は、サブアレイ分割手順の説明図である。図4では、アレイアンテナ101が4×4=16素子のアンテナで形成された2次元アレイであることを仮定している。
ここで、上添え字(n)を複数の異なるサブアレイのインデックスを、上添え字(m)を各サブアレイに関して相似形のサブアレイのインデックスを表し、x^(n,m)はn番目サブアレイにおけるm番目の相似形サブアレイの受信信号ベクトルを、k^(n,m)、l^(n,m)はサブアレイを構成する素子アンテナのインデックスを、M^(n)はn番目サブアレイにおける空間平均回数(相似形のサブアレイの数)を示す。x^Hはベクトルxのエルミート転置を表す。
ここで、x^(*)はxの複素共役を表し、Jは以下の式(4)で表される交換行列である。
また、演算量低減のために、以下の式(5)に示すようにユニタリ変換を施し、相関行列を実数化しても良い。
ここで、Re{x}はxの実部を、Qは以下の式(6)で表されるユニタリ変換行列を示す。
上記のようにユニタリ変換を行うことで相関抑圧効果は、F/B平均と同様であり、かつ、複素信号を実信号に変換することができるため、固有値展開の演算量が削減できるという利点を有する。なお、これらのF/B平均及びユニタリ変換を行うためには、サブアレイは点対称である必要がある。
非特許文献1に記載されているように、2目標の場合の空間平均による相関抑圧効果は、空間平均回数M^(n)、サブアレイ内の素子間隔Δdに依存し、2目標の角度差の増加に伴い、Sinc関数的に振動しながら減少する。すなわち、サブアレイnの形状、2目標の角度に依存して相関抑圧効果が異なり、その結果、計算される固有値は大きく変化する。目標角度は処理前には不明であるため、最適なサブアレイ形状は不明である。そこで、複数の異なるサブアレイN個の全ての固有値を求めて、これらを統合することで正確に到来波数を推定することを考える。この固有値の統合に関する説明図を図5に示す。
ここで、w^(n)は重みであり、例えば、以下の式(8)のように設定可能である。
素子アンテナ間で雑音が無相関であれば、雑音の低減効果は、空間平均回数M^(n)の平方根に比例するため、空間平均回数が大きいほど雑音低減効果が大きくなる。従って、空間平均回数M^(n)が大きいほどに大きい重みを付けて固有値を平均することにより、雑音低減効果が小さい固有値には小さい重みが適用され、この固有値の寄与を小さくすることができる。また、単純に空間平均回数の小さい固有値を取り除いて、平均することも可能である。
閾値α_(1,2)、α_th(2,3)については、例えば、目標検出時のSNR(Signal to Noise Ratio)と同程度の値に設定することが考えられる。図5に示したように、到来波数が1の場合、固有値λ1は目標信号電力Ps1+雑音電力σNになり、固有値λ2は雑音電力σNになるため、λ1とλ2の比は理想的にはSNRに相当する。到来波数が2波の場合にも、理想的には第二固有値と第三固有値の比はSNR相当になるため、α_th(2,3)にもSNR相当の閾値を設定することが可能である。サブアレイ素子数が4以上の場合にも、同様に固有値の比の計算と閾値の設定が可能である。また、これらの閾値は数値シミュレーションまたは事前に実験等により設定してもかまわない。
実施の形態1では、複数の異なる形状のサブアレイに関する相関行列の空間平均を行い、空間平均後の相関行列の固有値を全て統合することで、波数を推定する構成としたので、異なる形状のサブアレイが多数存在した場合には、その分の固有値展開が必要なため、演算量が大幅に増加する場合がある。そこで、実施の形態2では、第二のサブアレイ空間平均部と第二の波数推定部を設け、第一の波数推定部で推定された波数が閾値を超えた場合に、第一のサブアレイ空間平均部よりサブアレイ内素子数が多い別のサブアレイを用いて空間平均及び固有値展開を行い、再度波数推定を行うようにしたものである。
アレイアンテナ201は、実施の形態1のアレイアンテナ101の構成と同様である。また、第一のサブアレイ空間平均部202〜第一の波数推定部204における基本的な構成は、実施の形態1のサブアレイ空間平均部102〜波数推定部104と同様であるが、1サブアレイ内の素子数が2または3に設定されている。波数判定部205は、第一の波数推定部204で推定された到来波数が設定された閾値を超えたか否かを判定する機能部である。第二のサブアレイ空間平均部206は、波数判定部205で到来波数が閾値を超えた場合に、第一のサブアレイ空間平均部202で分割したサブアレイより多い素子数のサブアレイに分割して相関行列の空間平均を行う機能部である。第二の固有値展開部207は、第二のサブアレイ空間平均部206で求めた相関行列の固有値展開を行う機能部である。第二の波数推定部208は、第二の固有値展開部207で求めた複数のサブアレイの固有値を統合して到来波数を推定する機能部である。
ステップST201はステップST101と同様に、アレイアンテナ201が電波源からの信号を受信する。次いで、第一のサブアレイ空間平均部202では、実施の形態1のサブアレイ空間平均部102の処理において、1サブアレイ内の素子数を2または3に設定した場合の処理を行う(ステップST202)。これにより、第一の固有値展開部203は、第一のサブアレイ空間平均部202で求めた空間平均後の複数の異なる形状のサブアレイ毎の相関行列の固有値展開を行い(ステップST203)、第一の波数推定部204は、第一の固有値展開部203で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を統合することにより波数推定を行う(ステップST204)。すなわち、第一の波数推定部204は、実施の形態1の波数推定部104において、1サブアレイ内の素子数が2または3の場合の処理を行う。
実施の形態3は、到来波数に加えて到来方向を推定する到来波数到来方向推定装置の例である。
図9は、実施の形態3の到来波数到来方向推定装置を示す構成図である。
図示の到来波数到来方向推定装置は、アレイアンテナ301、第一のサブアレイ空間平均部302、第一の固有値展開部303、第一の波数推定部304、波数判定部305、第一の到来方向推定部306、第二のサブアレイ空間平均部307、第二の固有値展開部308、第二の波数推定部309、第二の到来方向推定部310を備える。
第一の到来方向推定部306は、第一の波数推定部304の波数推定結果を用いて到来方向を推定する機能部である。また、第二の到来方向推定部310は、第二の波数推定部309の波数推定結果を用いて到来方向を推定する機能部である。
第一の波数推定部304で推定された波数が1の場合、第一の到来方向推定部306は、第一の固有値展開部303で得られた固有ベクトルより以下の式(11)及び式(12)に示すように到来方向を推定することができる。n番目のサブアレイの最大固有値に相当する固有ベクトルの要素をe1^(n)、e2^(n)とすると、以下のようにn番目サブアレイに対応する到来方向θ^(n)を推定することができる。
ここで、
であり、λは送信信号の波長、dx^(n)は、n番目サブアレイの素子間隔、arg(x)は、xの位相角を算出することを、x^Tは行列及びベクトルの転置を表す。
上式中のKは、例えば、d^(2)/d^(1)以上の整数として定めることができる。このようにして求めたθ^(2、k)の中で、θ^(1)に最も近い値を求めることで、アンビギュイティを除去して、精度良く求めた到来方向推定値θ^(2)を得ることができる。以上の処理を複数のサブアレイについて繰り返し行うことで、高精度な到来方向の推定が実現できる。
このように構成することで、エレベーション角Φについてもアジマス角θの操作と同様に角度アンビギュイティを除去することができる。
ここで、a^(n)は重みであり、例えば以下の式(16)に示すように定めることができる。
到来方向推定精度は、素子間隔d^(n)に反比例し、相関行列の空間平均回数M^(n)の平方根に反比例することが知られている(例えば非特許文献1参照)ためである。
実施の形態4は、レーダとして動作する場合の到来波数到来方向推定装置の例である。ここでは、車載搭載型レーダを例として説明するが、その他のレーダにも適用可能である。実施の形態4の到来波数到来方向推定装置の構成を図13に示す。
図13に示す到来波数到来方向推定装置は、アレイアンテナ401、周波数変換部402、ビートスペクトル算出部403、第一のサブアレイ空間平均部404、第一の固有値展開部405、第一の波数推定部406、波数判定部407、第一の到来方向推定部408、第二のサブアレイ空間平均部409、第二の固有値展開部410、第二の波数推定部411、第二の到来方向推定部412、送信アンテナ413、基準信号発生部414を備える。ここで、第一のサブアレイ空間平均部404〜第二の到来方向推定部412は、実施の形態3の第一のサブアレイ空間平均部302〜第二の到来方向推定部310の構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。
基準信号発生部414では、チャープ(線形周波数変調)信号またはパルス化したチャープ信号を基準信号として生成し、図示しないフィルタ及び増幅器を通した後に送信アンテナへ413と送られる(ステップST401)。送信アンテナ413は、基準信号発生部414から送られた基準信号を電波として目標方向に放射する(ステップST402)。アレイアンテナ401は、目標に当たって反射した基準信号を受信し、増幅及び帯域制限等の処理を行う(ステップST403)。周波数変換部402では、基準信号発生部414で発生させた基準信号とアレイアンテナ401から送られてきた受信信号とをミキシングすることによりビート信号を得る(ステップST404)。ビートスペクトル算出部403では、ビート信号のフーリエ変換を行い、ビートスペクトルを得る(ステップST405)。
Claims (10)
- 複数の素子アンテナを有し、目標となる電波源から放射された信号を受信するアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの受信信号を複数の異なる形状のサブアレイに分割し、異なる形状のサブアレイ毎に相関行列を算出し、これら相関行列の空間平均を行うサブアレイ空間平均部と、
前記サブアレイ空間平均部で求めた空間平均後の複数の異なる形状のサブアレイ毎の相関行列の固有値展開を行う固有値展開部と、
前記固有値展開部で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を統合することにより到来波数を推定する波数推定部とを備えたことを特徴とする到来波数推定装置。 - 前記波数推定部は、複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を重み付け平均した後の固有値分布から波数を推定することを特徴とする請求項1記載の到来波数推定装置。
- 前記波数推定部は、複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値の素子アンテナ毎の比を求めた後に、それらの比をサブアレイ毎に比較し、最小または最大となる値を閾値と比較することにより波数を推定することを特徴とする請求項1記載の到来波数推定装置。
- 複数の素子アンテナを有し、目標となる電波源から放射された信号を受信するアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの受信信号を複数の異なる形状のサブアレイに分割し、異なる形状のサブアレイ毎に相関行列を算出し、これら相関行列の空間平均を行う第一のサブアレイ空間平均部と、
前記第一のサブアレイ空間平均部で求めた空間平均後の複数の異なる形状のサブアレイ毎の相関行列の固有値展開を行う第一の固有値展開部と、
前記第一の固有値展開部で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を統合することにより到来波数を推定する第一の波数推定部と、
前記第一の波数推定部で推定された到来波数が設定された閾値を超えたか否かを判定する波数判定部と、
前記波数判定部で到来波数が前記閾値を超えた場合に、前記第一のサブアレイ空間平均部で分割したサブアレイより多い素子数のサブアレイに分割して相関行列の空間平均を行う第二のサブアレイ空間平均部と、
前記第二のサブアレイ空間平均部で求めた相関行列の固有値展開を行う第二の固有値展開部と、
前記第二の固有値展開部で求めた複数のサブアレイの固有値を統合して到来波数を推定する第二の波数推定部とを備え、
前記波数判定部における判定で到来波数が前記閾値以下であった場合は、前記第一の波数推定部で推定した到来波数を出力することを特徴とする到来波数推定装置。 - 複数の素子アンテナを有し、目標となる電波源から放射された信号を受信するアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの受信信号を複数の異なる形状のサブアレイに分割し、異なる形状のサブアレイ毎に相関行列を算出し、これら相関行列の空間平均を行う第一のサブアレイ空間平均部と、
前記第一のサブアレイ空間平均部で求めた空間平均後の複数の異なる形状のサブアレイ毎の相関行列の固有値展開を行う第一の固有値展開部と、
前記第一の固有値展開部で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を統合することにより到来波数を推定する第一の波数推定部と、
前記第一の波数推定部で推定された到来波数が設定された閾値を超えたか否かを判定する波数判定部と、
前記波数判定部で到来波数が前記閾値以下であった場合、前記第一の波数推定部で求めた到来波数の推定値を用いて到来方向を推定する第一の到来方向推定部と、
前記波数判定部で到来波数が前記閾値を超えた場合に、前記第一のサブアレイ空間平均部で分割したサブアレイより多い素子数のサブアレイに分割して相関行列の空間平均を行う第二のサブアレイ空間平均部と、
前記第二のサブアレイ空間平均部で求めた相関行列の固有値展開を行う第二の固有値展開部と、
前記第二の固有値展開部で求めた複数のサブアレイの固有値を統合して到来波数を推定する第二の波数推定部と、
前記第二の波数推定部で求めた到来波数の推定値を基に、高分解能到来方向推定法により到来方向を推定する第二の到来方向推定部とを備えたことを特徴とする到来波数到来方向推定装置。 - 前記第一の到来方向推定部は、前記第一の固有値展開部で求めた固有ベクトルに基づき到来方向を推定することを特徴とする請求項5記載の到来波数到来方向推定装置。
- 前記第二の到来方向推定部は、前記第二の固有値展開部で求めた固有ベクトル及び前記第二の波数推定部で求めた固有ベクトルを用い、高分解能到来方向推定法を適用して到来方向を推定することを特徴とする請求項5記載の到来波数到来方向推定装置。
- 前記第一の到来方向推定部は、前記第一の固有値展開部で求めた固有ベクトルに基づき、素子間隔の短いサブアレイから順に到来方向を推定し、推定された到来方向を用いて素子間隔の長いサブアレイの角度アンビギュイティを除去して最終的に到来方向を推定することを特徴とする請求項5記載の到来波数到来方向推定装置。
- 前記第一の到来方向推定部は、前記第一の固有値展開部で求めた固有ベクトルに基づき、複数のサブアレイの固有ベクトルから到来方向を推定し、これらの到来方向推定値を空間平均回数及び素子間隔で重み付けをした後に平均して最終的な到来方向推定値を得ることを特徴とする請求項5に記載の到来波数到来方向推定装置。
- 線形周波数変調信号またはパルス信号を基準信号として生成する基準信号発生部と、
前記基準信号を空中に放射する送信アンテナと、
複数の素子アンテナを有し、前記送信アンテナから放射された基準信号が目標となる電波源に反射した信号を受信するアレイアンテナと、
前記基準信号と前記アレイアンテナで受信した信号をミキシングしてビート信号を得る周波数変換部と、
前記周波数変換部で得られたビート信号をフーリエ変換することによりビートスペクトルを得るビートスペクトル算出部と、
前記ビートスペクトルを用い、前記アレイアンテナを複数の異なる形状のサブアレイに分割し、異なる形状のサブアレイ毎に相関行列を算出し、空間平均を行う第一のサブアレイ空間平均部と、
前記第一のサブアレイ空間平均部で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の相関行列の固有値展開を行う第一の固有値展開部と、
前記第一の固有値展開部で求めた複数の異なる形状のサブアレイ毎の固有値を統合することにより到来波数を推定する第一の波数推定部と、
前記第一の波数推定部で推定された波数が設定された閾値を超えたか否かを判定する波数判定部と、
前記波数判定部で波数が前記閾値を超えていない場合に、到来方向を推定する第一の到来方向推定部と、
前記波数判定部で波数が前記閾値を超えた場合に、前記第一のサブアレイ空間平均部で分割したサブアレイより多い素子数のサブアレイに分割して相関行列の空間平均を行う第二のサブアレイ空間平均部と、
前記第二のサブアレイ空間平均部で求めた相関行列の固有値展開を行う第二の固有値展開部と、
前記第二の固有値展開部で求めた複数のサブアレイの固有値を統合して到来波数を推定する第二の波数推定部と、
前記第二の波数推定部で求めた到来波数を基に高分解能手法により到来方向を推定する第二の到来方向推定部とを備えたことを特徴とする到来波数到来方向推定装置。
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