JPH1062506A - 測角装置 - Google Patents

測角装置

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JPH1062506A
JPH1062506A JP21876996A JP21876996A JPH1062506A JP H1062506 A JPH1062506 A JP H1062506A JP 21876996 A JP21876996 A JP 21876996A JP 21876996 A JP21876996 A JP 21876996A JP H1062506 A JPH1062506 A JP H1062506A
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JP
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reception
signal
channel
delay
receiving
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JP21876996A
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English (en)
Inventor
Atsushi Okamura
敦 岡村
Shingo Tsujimichi
信吾 辻道
Seiji Mano
清司 真野
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 受信チャネル数の増加を抑えて等価的にその
受信チャネルが増したと同等の高い測角精度、高い角度
分解能をもつ測角装置を得る。 【解決手段】 受信アンテナと、受信アンテナによる受
信信号を増幅する増幅器と、増幅後の受信信号を位相検
波する位相検波器とで構成される受信チャネルを複数チ
ャネル備えた構成において、いずれかの受信チャネルに
おいては、受信信号を所定の遅延サンプル時間遅らせた
タイミングで位相検波する遅延受信チャネルを付加した
構成とし、これら複数の受信チャネルの出力と上記遅延
受信チャネルの出力を合わせて測角信号処理するように
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電波や音波等の
到来波の入射方向を測定する測角装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】電波や音波等の到来方向を測定する方法
としては、受波素子の指向性パターンを利用する方法
や、複数の受波素子を用意して各チャネルの受信信号の
強度ないしは位相を比較するモノパルス方式などがあ
る。近年、例えば電波の周波数利用密度の増大に伴い、
同一周波数帯に混信する複数波を同時に高精度測角する
必要がでてきた。この場合には、上記測角方式では、複
数波が互いに干渉するため、測角不能であったり、測角
できても精度が劣化してしまう。そこで、同一周波数帯
の複数波を同時に高精度測角する場合には、MUSIC
アルゴリズムに代表されるサブスペース信号処理方式を
用いる必要がある。ここでは、代表であるMUSICア
ルゴリズム(以下、単にMUSICと略す)を用いる測
角装置について考える。MUSICでは、複数の素子ア
ンテナ、受信機で得られるディジタル受信信号を用いて
測角処理をおこなう。
【0003】図6は従来のMUSIC測角装置の構成図
である。図において、1はアレーアンテナを構成する素
子アンテナ、2はRFアンプ/フィルタ、3は局部発振
器、4はミキサ、5はIFアンプ/フィルタ、6はバン
ドパスフィルタ、7はA/D変換器、8はディジタルコ
ヒーレント発振器(COHO)、9は位相検波手段、1
0はMUSIC測角信号処理手段である。以下、動作を
説明する。周波数fRFで代表される周波数帯で、K波の
入射電波がアレーアンテナ1に入射する場合を考える。
第k入射波をsk と示す。受信信号はRFアンプ2で増
幅された後、ミキサ4で、中心周波数fIFのIF信号に
ダウンコンバートされる。さらに、各IF受信信号は、
IFアンプ5で増幅、A/D変換器7でディジタル信号
に変換され、位相検波手段9でベースバンドのI、Q信
号に変えられる。ここで、第m素子のベースバンド受信
信号をI、Q信号まとめて、複素ディジタルベースバン
ド受信信号xm と表す。第mチャネルのA/D変換器7
の入力であるIF受信信号をym (t)と表すと、ベー
スバンド受信信号xm は次の式(1)、式(2)のよう
に与えられる。
【0004】
【数1】
【0005】ここで、ρkm、ξkmは第mチャネルの受信
信号に含まれる第k入射波の振幅、相対位相であり、素
子アンテナの位置、指向特性、受信機の透過特性等によ
って決まるパラメータである。sk (t)はベースバン
ドにダウンコンバートした第k入射信号(複素数)であ
る。n’m (t)は受信機ノイズ(複素数)である。ま
た、iはベースバンドディジタル信号のサンプル時刻を
示す指数、Δtはベースバンド信号のサンプリング周
期、mは受信チャネルの番号、Mは受信チャネルの総数
すなわち素子数、kは入射波の番号を示す指数、Kは入
射波の総数である。なお、ΔtはA/D変換器7のサン
プリング周期(1/fAD)ではなくて、A/D変換器サ
ンプリング周期の数10〜数100倍に取られる入力信
号のサンプリング間隔の値である。
【0006】測角信号処理手段10は、各受信信号の観
測データm m(m=1、…、M)を入力すれば、公知文
献R.O.Schmidt,”Multiple em
itter Location and Signal
Parameter Estimation”,IE
EE Trans.,AP−34,3,pp.276−
280(1986)に開示されているMUSICアルゴ
リズムに従って、全ての入射波sk の入射角θk (k=
1、…、K)を同時に推定することができる。式(1)
を要素に持つ受信信号ベクトルxは次の式(3)ないし
式(7)のように与えられる。
【0007】
【数2】
【0008】ここでTは行列、ベクトルの転置を表す。
上式で現れるaはステアリングベクトル(モードベクト
ル)、nはノイズベクトル、sは入射信号ベクトルと呼
ばれる。ここで、受信信号の共分散行列Rを考える。R
の第i、j成分は第iチャネルの受信信号と第jチャネ
ルの受信信号の相互相関として算出される値である。R
は次の式(8)、式(9)のように表現できる。
【0009】
【数3】
【0010】ここで、Hは行列、ベクトルの共役転置、
*は複素共役を意味する。式(9)に示した行列Rsは
入射信号共分散行列と呼ばれる。<>b は相関演算にお
ける次式に定義されるベースバンド信号サンプルについ
ての平均操作である。σ2 はノイズ電力である。
【0011】
【数4】
【0012】以下、MUSICの原理を簡単に説明す
る。ただしMUSICの前提条件は、受信チャネル数
(=素子数)Mが入射波数Kより多いこと、ならびに入
射信号共分散行列RsがフルランクすなわちRsを構成
するすべての列ベクトル(ないし行ベクトル)が線形独
立であるということと、式(4)に示した行列Aのラン
クがKであることである。Rの固有分解すると、Rの固
有値は全て非負の実数となる。このM個の固有値λm
順に並べると、式(8)より、 λ1 ≧λ2 ≧‥‥≧λK ≧λK+1 =‥‥=λM =σn 2 (11) となる。λK+1 〜λM はノイズ空間固有値と呼ばれ、こ
れらの固有値に対応する(M−K)個の固有ベクトルe
K+1 〜eM はノイズ空間固有ベクトルと呼ばれる。式
(11)が示すようにλK+1 〜λM がσn 2に等しいこと
と、式(8)から、eK+1〜eM のいずれのベクトル
も、全ての入射信号に対応するステアリングベクトルa
(θk )(k=1、…、K)と直交する。従って、次式
の方位スペクトルPMU(θ)を考えると、θが入射角真
値θk (k=1、…、K)のいづれかに一致したとき、
MU(θ)は理論上無限大になる。
【0013】
【数5】
【0014】なお、上式中、en はeK+1 〜eM のいづ
れか一つのベクトルである。一方、式(11)から、固
有値の大きさを比べることにより入射信号の個数Kも推
定できる。以上示した原理に則って、測角信号処理手段
10は、基本的に次のような処理を行うことによって、
入射角を推定する。 1)Rを算出して、M個の固有値λm を求める。 2)固有値の大きさから、入射信号個数Kを推定する。 3)ノイズ空間固有ベクトルeK+1 〜eM を求める。 4)全ての入射角候補θについて、次式(13)の方位
スペクトルPMU(θ)を求める。
【0015】
【数6】
【0016】5)PMU(θ)の最大K個のピークを選
び、これらのピークに対応するθを入射角推定値として
出力する。 ここで注意するのは、実際の方位スペクトルPMU(θ)
には、式(12)に換え式(13)を用いることであ
る。これは、(M−K)個の固有ベクトルeK+1〜eM
を全て用いることによって、統計的に推定精度を向上さ
せるためである。 もし、Rの真値が分かれば式(1
2)のように、一個のノイズ空間固有ベクトルを用いる
ことで十分である。しかし実際には、式(8)における
サンプル平均回数Nは有限であるからRは推定値しか得
られなず、その結果固有ベクトルeにも誤差が生じる。
従って、一般に、より多数のノイズ空間固有ベクトルを
用いることが、測角精度の向上につながる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】従来のMUSICアル
ゴリズムを用いる測角装置では、図6に示すような多数
の受信チャネルを有し、受信チャネル数が多数であるほ
ど、測角精度、複数波の分解能の性能は一般に向上す
る。しかしながら、性能向上を目的に受信チャネル数を
増すためには、素子アンテナ、受信機を多数用意する必
要があり、回路規模が増大するという課題があった。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、素子アンテナの個数と回路規模の増大を抑えて
等価的に受信チャネル数を増加させて、高い角度分解能
をもつ測角装置を得ることを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】この発明に係る測角装置
は、受波素子と、この受波素子による受信信号を増幅す
る増幅器と、この増幅後の受信信号を位相検波する位相
検波器とで構成される受信チャネルを複数チャネル備え
た構成において、いずれかの受信チャネルにおいては、
受信信号を所定の遅延時間遅らせたタイミングで位相検
波する遅延受信チャネルを付加した構成とし、これら複
数の受信チャネルの出力と上記遅延受信チャネルの出力
を合わせて測角信号処理するようにした。
【0019】また更に、遅延受信チャネルは、個別の受
波素子以降で構成される任意の受信チャネルにおいて、
受信信号を中間周波数に変換して、この中間周波数帯の
受信信号を分岐して所定の遅延時間遅らせて位相検波す
る構成とした。
【0020】また更に、遅延受信チャネルのサンプルタ
イミングは他の受信チャネルのサンプルタイミングと同
じとし、この遅延受信チャネルの入力として受信チャネ
ルから受信信号を遅延素子を経由して与える構成とし
た。
【0021】また更に、遅延受信チャネルは、個別の受
波素子以降で構成される任意の受信チャネルにおいて、
受信信号を中間周波数に変換してサンプリング間隔を狭
めてA/D変換し、このA/D変換後の受信チャネルの
受信信号を分岐して所定の遅延サンプル時間遅らせて位
相検波する構成とした。
【0022】また更に、遅延受信チャネルは、個別の受
波素子以降で構成される任意の受信チャネルにおいて、
受信信号を必要に応じて増幅後、分岐し、この分岐後に
受信チャネルとは独立の高周波帯(RF)受信信号とし
て所定の遅延時間遅らせて位相検波する構成とした。
【0023】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.受信チャネル数を増やさずに、しかし等
価的には受信チャネル数を増加した構成の測角装置を説
明する。図1は本実施の形態1における測角装置の構成
図である。図において、11は遅延素子、12はローパ
スフィルタである。また、δは遅延素子11の遅延時間
とする。図1の装置と従来の測角装置との相違点は、図
1の装置がそれぞれ中間周波のIF帯受信信号ymを分
配して、遅延素子で遅らせた信号を含むxQ(m-1) +1〜x
Q(m-1)+QのQ個のベースバンド受信信号を得るところに
ある。本構成によれば1素子当たりQ個の受信信号xを
得るから、MUSIC測角信号処理手段10は計QM本
の受信信号を入力する。また、S/N比向上のために受
信信号の周波数帯域を絞る場合には、従来のバンドパス
フィルタ6の代わりに、チャネル分配後にローパスフィ
ルタ12を用いる。この遅延素子で遅らせた受信チャネ
ルを遅延受信チャネルと呼ぶことにする。また、本実施
の形態では、IF周波数fIFと信号帯域幅Bw 、遅延時
間δとA/D変換器7のサンプリング周波数fADが、次
の式(14)、式(15)を満足するよう定められる。
即ち図2、図3の関係にある。 fIF>>Bw (14) δ<<1/fAD (15)
【0024】次に、図1の構成の装置の動作を説明す
る。第mチャネルのIF帯受信信号ym から分配された
ベースバンド受信信号xQ( m-1)+1〜xQ(m-1)+Qは、式
(1)に準じて次式のように与えられる。 xQ(m-1)+1(i)=ym (iΔt) exp[−j2πfIfiΔt] xQ(m-1)+2(i)=ym (iΔt+δ) exp[−j2πfIfiΔt] : : xQ(m-1)+Q(i)=ym (iΔt+[Q−1]δ) exp[−j2πfIfiΔt] (16)
【0025】式(16)に示した、同一の受信信号から
分配されたベースバンド受信信号xQ(m-1)+1〜x
Q(m-1)+3のタイミングは、図3のように例示される。本
実施例の測角装置では、IF帯受信信号ym (t)の周
波数スペクトルが、図2に示すように、その信号成分の
中心周波数であるIF周波数fIFに比べて信号帯域幅B
w が十分小さいようにパラメータを設定する。この条件
が式(14)になるが、これが満足されれば、ym
(t)は周波数fIFの正弦波信号と見なすことができ
る。この条件式は、局部発振器3がfIFが高くなるよう
に発信するか、IFフィルタ5がBw が十分小さくなる
ように帯域幅を絞れば満足される。このとき、式(1
6)は次の式(17)、式(18)のように変形され
る。従って、受信信号ベクトルは式(19)ないし式
(22)で表される。また式(21)中のam kは式
(5)に示したベクトルaの要素であり、式(23)で
表される。
【0026】
【数7】
【0027】式(22)中のノイズベクトルの要素n
Q(m-1)+1〜nQmは、全て第m受信チャネルで発生するノ
イズであるが、互いにδの時間差がある。一般に、時間
差δが帯域幅の逆数より大きいとき、ランダム信号n
(t)とn(t+δ)の相関は0と見なすことができ
る。従って、δが式(15)を満足する場合、ノイズベ
クトルの各要素nQ(m-1)+1〜nQmは互いに無相関と考え
ることができる。従って式(22)のノイズベクトルの
要素の共分散行列は単位行列Iのノイズ電力倍となる。
【0028】ここで、この測角信号処理手段10の入力
する受信信号共分散行列は、式(9)、(19)、(2
0)、(22)より、次式のように表される。
【0029】
【数8】
【0030】式(24)において、「右辺第一項の行
列」のランクがKでIが(QM×QM)の単位行列にな
ることに注意すると、共分散行列Rバーの固有値は、次
式のようになる。 λ1 ≧λ2 ≧‥‥≧λK ≧λK+1 =‥‥=λQM=σn 2 (25) 上式の従来例の式(11)との相違は、ノイズ空間固有
値の数がQ倍に増加することである。従って、ノイズ空
間固有ベクトルの数もQ倍に増加し、(QM−K)個の
ノイズ空間固有ベクトルを用いて測角することが可能と
なる。従って、本実施の形態の測角信号処理手段10
は、次式の方位スペクトルPMU(θ)を用いて測角処理
をおこなう。
【0031】
【数9】
【0032】すなわち、この測角信号処理手段10は、
互いに統計的に独立なノイズ空間固有ベクトルを(QM
−K)個の用いて測角する。従って本実施の形態の測角
信号処理手段10は、ノイズ空間固有ベクトルを式(1
3)で示される(M−K)個を用いる従来例の測角信号
処理手段に比べて、より多数のノイズ空間固有ベクトル
を用いて測角処理を行う。従って、本実施の形態の測角
装置では、平均回数が増すので、従来例に比べ統計的に
入射角の推定精度が向上する。
【0033】なお、遅延素子11の遅延時間δは、既知
の値である必要がある。δの値はキャリブレション操作
もしくは遅延線の線路長からの算出から知ることができ
る。
【0034】上記実施の形態では、遅延素子11を分配
した受信チャネルに挿入することによって、結果的に測
角信号処理の入力信号xのタイミングをずらした入力と
したが、遅延素子11の代わりに遅延受信チャネルのA
/D変換器7b、7cのトリガー信号のタイミングをず
らすことによって、入力信号xのタイミングをずらして
もよい。上記実施の形態では、遅延素子11の遅延時間
δはすべて同じ値δに定めたが、式(15)を満足する
限り、互いに異なる値に定めても構わない。さらに、M
本の素子アンテナの受信信号をそれぞれQ本の受信チャ
ネルに分配したが、分配数は素子毎に異なってもよく、
一部の素子の受信信号は分配しなくても等価的な受信チ
ャネル数は増加するので同様な効果は得られる。
【0035】また上記実施の形態では、ローパスフィル
タ12を挿入したが、省略しても構わないし、位相検波
手段9に含まれる高調波除去用のローパスフィルタと兼
用しても構わない。上記実施の形態では、IF段で受信
信号をディジタル信号に変換したが、A/D変換機6を
位相検波器11の後段に接続してベースバンドの受信信
号をディジタル変換しても同様な効果を得ることができ
る。さらに、RF段で受信信号をディジタル信号に変換
する場合でも同様な効果を得ることができる。IF段を
省略する場合やIF段を2段用いる場合でも同様な効果
を得ることができる。上記実施の形態では、素子アンテ
ナの位置、指向性には制限はない。ただし、既知である
もしくは推定できる必要はある。さらに、上記実施の形
態では、電波の入射角を測定する場合を説明したが、ア
ンテナに換えて対応する受波素子を用いて、音波、光波
などの入射角を推定する場合にも適用できる。
【0036】実施の形態2.本発明の実施の形態2の測
角装置を図4に基づいて説明する。図4は本実施の形態
4の測角装置の構成図である。図において、13は高速
A/D変換器、14はサンプル遅延手段、15はデシメ
ータである。また、nd はサンプル遅延手段14の遅延
サンプル数(整数)とする。図4の装置と実施の形態1
の測角装置との相違点は、図4の装置がA/D変換後に
受信信号を分配することである。
【0037】図4の構成におけるベースバンド受信信号
Q(m-1)+1〜xQ(m-1)+Qも、図3に示すようなサンプル
タイミングになるようになされる。そのために、高速A
/D変換器13のサンプリング周期をTとするとき、サ
ンプル遅延手段14はδ=nd Tを満たすようnd を定
められ、デシメータ15は(Δt/T)サンプルおきに
受信信号サンプルを間引く。したがって、本実施の形態
における測角装置も、実施の形態1の装置と同様に、よ
り多数のノイズ空間固有ベクトルを用いて測角処理を行
うので、従来例に比べ統計的に入射角の推定精度が向上
する。
【0038】実施の形態3.本発明の実施の形態3の測
角装置を図5に基づいて説明する。図5は本実施の形態
3の測角装置の構成図である。図において、16はRF
段遅延素子である。図5の装置と実施の形態1の測角装
置との相違点は、図5の装置がRF段で受信信号を分配
することである。
【0039】本実施の形態では、IF周波数fIFに関す
る条件式(14)を満足する必要はない。そのかわり
に、RF周波数fRFが次式を満たせばよい。 fRF>>Bw (27) 一般に、fRF>>fIFであるから、式(27)の条件は
式(14)に比べてゆるやかで、実際には式(27)は
ほとんど自動的に満足される。したがって、本実施の形
態における測角装置も、実施の形態1の装置と同様に、
より多数のノイズ空間固有ベクトルを用いて測角処理を
行うので、従来例に比べ統計的に入射角の推定精度が向
上する。
【0040】
【発明の効果】上記のように本発明によれば、任意の受
信チャネルに対して遅延サンプル時間遅らせたタイミン
グで位相検波する遅延受信チャネルを付加し、その出力
も合わせて測角処理したので、測角信号処理手段がより
多数のノイズ空間固有ベクトルを用いて測角処理を行う
ことができ、その結果より高い精度で測角できる。もし
くは、測角精度をそこなうことなく回路規模の増大を抑
える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1における測角装置の
構成図である。
【図2】 実施の形態1、実施の形態2におけるIF帯
受信信号の周波数スペクトルを説明する図である。
【図3】 この発明の測角装置のベースバンド受信信号
のタイミングを説明する図である。
【図4】 この発明の実施の形態2における測角装置の
構成図である。
【図5】 この発明の実施の形態3における測角装置の
構成図である。
【図6】 従来の測角装置の構成図である。
【符号の説明】
1 素子アンテナ、2 RFアンプ/フィルタ、3 局
部発振器、4 ミキサ、5 IFアンプ/フィルタ、6
バンドパスフィルタ、7,7b,7c A/D変換
器、8 コヒーレント発振器(COHO)、9 位相検
波手段、10 MUSIC測角信号処理手段、11 遅
延素子、12 ローパスフィルタ、13高速A/D変換
器、14 サンプル遅延手段、15 デシメータ、16
RF段遅延素子。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受波素子と、上記受波素子による受信信
    号を増幅する増幅器と、上記増幅後の受信信号を位相検
    波する位相検波器とで構成される受信チャネルを複数チ
    ャネル備えた構成において、 いずれかの受信チャネルにおいては、受信信号を所定の
    遅延時間遅らせたタイミングで位相検波する遅延受信チ
    ャネルを付加した構成とし、 上記複数の受信チャネルの出力と上記遅延受信チャネル
    の出力を合わせて測角信号処理するようにした測角装
    置。
  2. 【請求項2】 遅延受信チャネルは、個別の受波素子以
    降で構成される任意の受信チャネルにおいて、 受信信号を中間周波数に変換して、該中間周波数帯の受
    信信号を分岐して所定の遅延時間遅らせて位相検波する
    構成としたことを特徴とする請求項1記載の測角装置。
  3. 【請求項3】 遅延受信チャネルのサンプルタイミング
    は他の受信チャネルのサンプルタイミングと同じとし、
    上記遅延受信チャネルの入力として受信チャネルから受
    信信号を遅延素子を経由して与える構成としたことを特
    徴とする請求項2記載の測角装置。
  4. 【請求項4】 遅延受信チャネルは、個別の受波素子以
    降で構成される任意の受信チャネルにおいて、 受信信号を中間周波数に変換してサンプリング間隔を狭
    めてA/D変換し、該A/D変換後の該受信チャネルの
    受信信号を分岐して所定の遅延サンプル時間遅らせて位
    相検波する構成としたことを特徴とする請求項1記載の
    測角装置。
  5. 【請求項5】 遅延受信チャネルは、個別の受波素子以
    降で構成される任意の受信チャネルにおいて、 受信信号を必要に応じて増幅後、分岐し、該分岐後に上
    記受信チャネルとは独立の高周波帯受信信号として所定
    の遅延時間遅らせて位相検波する構成としたことを特徴
    とする請求項1記載の測角装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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