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技術 到来方向推定装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 福島浩文大島正資網嶋武若山俊夫
出願日 2015年8月10日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2015-158210
公開日 2017年2月16日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2017-036990
状態 特許登録済
技術分野 方向探知 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定
主要キーワード 帯域通過フィルタ処理 超分解能 ランダム誤差 デジタル直交検波 対角項 第二波 次統計量 固有値展開
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年2月16日)のものです。
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図面 (4)

課題

電力差のある信号に対しても測角精度の劣化を低減することのできる到来方向推定装置を得る。

解決手段

4次キュムラント行列作成部4は仮想アレーの4次キュムラント行列を作成する。相関行列作成部5は信号の相関行列を作成する。特異値分解処理部6は、4次キュムラント行列作成部4から得た仮想アレーの4次キュムラント行列と、相関行列作成部5から得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う。位相差評価部7は、特異値分解処理部6より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う。

概要

背景

複数波の混信している信号を分離し、到来方向推定を行うアルゴリズムとして、高次統計量を用いた超分解能測角アルゴリズムであるVESPA(VirtualESPRIT Algorithm)が存在する(例えば、非特許文献1参照)。VESPAは、目標からの信号を受信信号として受信し、アレーアンテナに対応する受信ベクトルを用いて、二つの4次統計量行列を作成し、その二つを結合し、結合した行列をESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)と同様のアルゴリズムを用いて特異値分解を繰り返すことで、到来方向の情報を抽出するアルゴリズムである。VESPAは任意配列アレーに適用でき、ガイディングセンサと呼ばれる2素子位相パターンを除き素子アンテナパターンが不要で、これらの測定誤差に起因する到来方向推定誤差が生じないなどの他のMUSIC(Multiple Signal Classification)や従来のESPRITにはない利点を有する。前記の4次統計量は2次統計量の積と和で表すことができる。このような性質を持つ4次統計量のことを以下では特にキュムラントと呼ぶ。

概要

電力差のある信号に対しても測角精度の劣化を低減することのできる到来方向推定装置を得る。4次キュムラント行列作成部4は仮想アレーの4次キュムラント行列を作成する。相関行列作成部5は信号の相関行列を作成する。特異値分解処理部6は、4次キュムラント行列作成部4から得た仮想アレーの4次キュムラント行列と、相関行列作成部5から得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う。位相差評価部7は、特異値分解処理部6より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う。

目的

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、電力差のある信号に対しても測角精度の劣化を低減することのできる到来方向推定装置を得ることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

到来方向未知の信号を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナより得た信号から仮想アレーの4次統計量行列を作成する4次統計量行列作成部と、前記アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成する相関行列作成部と、前記4次統計量行列作成部より得た仮想アレーの4次統計量行列と、前記相関行列作成部より得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う特異値分解処理部と、前記特異値分解処理部より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う位相差評価部と、前記位相差評価部で求めた到来方向推定結果を方測結果として出力する方測結果出力部を備えたことを特徴とする到来方向推定装置

請求項2

到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナより得た信号から仮想アレーの4次統計量行列を作成する4次統計量行列作成部と、前記アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成する相関行列作成部と、前記相関行列作成部で作成した相関行列に固有値展開を施し到来方向推定を行う固有値展開処理部と、前記4次統計量行列作成部より得た仮想アレーの4次統計量行列と、前記相関行列作成部より得た信号の相関行列を結合して特異値分解処理を行う特異値分解処理部と、前記特異値分解処理部より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う位相差評価部と、前記位相差評価部で求めた到来方向推定結果と前記固有値展開処理部で求めた到来方向推定結果との比較を行って第2の到来方向推定結果を求める方測結果比較部と、前記方測結果比較部で求めた前記第2の到来方向推定結果を方測結果として出力する方測結果出力部を備えたことを特徴とする到来方向推定装置。

請求項3

前記方測結果比較部は、前記位相差評価部の到来方向推定結果と前記固有値展開処理部の到来方向推定結果との平均値を前記第2の到来方向推定結果とすることを特徴とする請求項2記載の到来方向推定装置。

請求項4

前記方測結果比較部は、前記位相差評価部の到来方向推定結果と前記固有値展開処理部の到来方向推定結果の複数回の施行における結果のばらつきが閾値未満である到来方向推定結果を前記第2の到来方向推定結果とすることを特徴とする請求項2記載の到来方向推定装置。

技術分野

0001

この発明は、電波、光波及音波などの波動到来方向推定する到来方向推定装置に関するものである。

背景技術

0002

複数波の混信している信号を分離し、到来方向推定を行うアルゴリズムとして、高次統計量を用いた超分解能測角アルゴリズムであるVESPA(VirtualESPRIT Algorithm)が存在する(例えば、非特許文献1参照)。VESPAは、目標からの信号を受信信号として受信し、アレーアンテナに対応する受信ベクトルを用いて、二つの4次統計量行列を作成し、その二つを結合し、結合した行列をESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)と同様のアルゴリズムを用いて特異値分解を繰り返すことで、到来方向の情報を抽出するアルゴリズムである。VESPAは任意配列アレーに適用でき、ガイディングセンサと呼ばれる2素子位相パターンを除き素子アンテナパターンが不要で、これらの測定誤差に起因する到来方向推定誤差が生じないなどの他のMUSIC(Multiple Signal Classification)や従来のESPRITにはない利点を有する。前記の4次統計量は2次統計量の積と和で表すことができる。このような性質を持つ4次統計量のことを以下では特にキュムラントと呼ぶ。

先行技術

0003

Jerry M. Mendel and Mithat C. Dogan:“Application of Cumulants to Array Processing Part IV: Direction Finding in Coherent Signals Case 、”IEEE TRANSACTIONON SIGNALPROCESSING. VOL45、 NO.9,SEPTEMBER1997

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、従来より、相関がある条件において信号に電力差がある場合は測角性能が劣化するという問題が指摘されている。この原因としては、相関がある場合、4次キュムラント行列展開した際に想定する項に加えて到来波電力に依存する余剰項が生じ、その影響が行列の非対角項として現れ、VESPA処理後の位相差が正しく求まらないことが挙げられる。

0005

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、電力差のある信号に対しても測角精度の劣化を低減することのできる到来方向推定装置を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

この発明に係る到来方向推定装置は、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、アレーアンテナより得た信号から仮想アレーの4次統計量行列を作成する4次統計量行列作成部と、アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成する相関行列作成部と、4次統計量行列作成部より得た仮想アレーの4次統計量行列と、相関行列作成部より得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う特異値分解処理部と、特異値分解処理部より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う位相差評価部と、位相差評価部で求めた到来方向推定結果を方測結果として出力する方測結果出力部を備えたものである。

発明の効果

0007

この発明の到来方向推定装置は、アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成し、この相関行列と仮想アレーの4次統計量行列とを結合して特異値分解処理を行うようにしたので、電力の異なる信号が到来した場合でも測角精度の劣化を低減することができる。

図面の簡単な説明

0008

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。
この発明の実施の形態1による到来方向推定装置を用いた場合と用いない場合の到来方向推定結果を示す説明図である。
この発明の実施の形態2による到来方向推定装置を示す構成図である。

実施例

0009

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100を示す構成図である。実施の形態1では、超分解能測角アルゴリズムであるVESPAを適用した到来方向推定装置を示す。
図1に示す到来方向推定装置は、受信アンテナ2−1〜2−M、受信部3−1〜3−M、4次キュムラント行列作成部4、相関行列作成部5、特異値分解処理部6、位相差評価部7、方測結果出力部8を備える。

0010

図1において、放射源1は、到来方向θが未知の信号を放射している信号源、あるいは、他の放射源から放射された信号を反射している反射体である。受信アンテナ2−1〜2−Mは、それぞれアレーアンテナを構成している素子アンテナであり、到来方向θが未知の信号を受信する。受信部3−1〜3−Mは、それぞれの受信アンテナ2−1〜2−Mに対応して設けられ、受信アンテナ2−1〜2−Mの受信信号であるRF信号に対して、各種の信号処理(例えば、信号の増幅処理帯域通過フィルタ処理周波数変換処理、A/D変換処理など)を実施することで、デジタル信号であるベースバンド複素信号を得て、そのベースバンド複素信号を4次キュムラント行列作成部4と相関行列作成部5に出力する処理部である。なお、受信部3−1〜3−MのA/D変換処理により得られたデジタル信号がIF(Intermediate Frequency)実信号である場合、そのIF実信号に対するヒルベルト変換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にしてもよい。また、受信部3−1〜3−Mは設定された観測時間までの受信した信号全てを、4次キュムラント行列作成部4と相関行列作成部5に出力する。

0011

4次キュムラント行列作成部4は、受信部3−1〜3−Mから出力されたベースバンド複素信号より4次キュムラント行列を作成し、作成した4次キュムラント行列を特異値分解処理部6に出力する4次統計量行列作成部である。また、相関行列作成部5は、受信部3−1〜3−Mから出力されたベースバンド複素信号より相関行列を作成し、作成した相関行列を特異値分解処理部6に出力する処理部である。

0012

特異値分解処理部6は、4次キュムラント行列作成部4より得た仮想アレーの4次統計量行列と、相関行列作成部5より得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う処理部である。位相差評価部7は、特異値分解処理部6より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う処理部である。方測結果出力部8は、位相差評価部7で求めた到来方向推定結果を到来方向推定装置100の方測結果として出力する処理部である。

0013

次に、実施の形態1における到来方向推定装置の動作について説明する。
受信アンテナ2−1〜2−Mは到来方向θが未知のRF信号を受信すると、信号をそれぞれ受信部3−1〜3−Mに出力する。

0014

受信部3−1〜3−Mは受信アンテナ2−1〜2−Mより信号を受け取ると、各種の信号処理(例えば、信号の増幅処理、帯域通過フィルタ処理、周波数変換処理、A/D変換処理など)を実施し、デジタル信号であるベースバンド複素信号を4次キュムラント行列作成部4と相関行列作成部5に出力する。

0015

4次キュムラント行列作成部4は、受信部3−1〜3−Mからベースバンド複素信号を受け取ると、そのベースバンド複素信号から4次キュムラント行列を作成する。ここで、4次キュムラントは例えば式(1),(2)のように表せる。

式(1)において、m(m=1、2、…、L)、n(n=1、2、…、L)はガイディングセンサと呼ばれる素子番号(Lは素子数)であり、rm(t)、rn(t)はガイディングセンサの受信する時間信号である。また、r(t)は各素子の受信する時間信号を成分に持つベクトル、*は複素共役を、Hは複素共役転置を表し、ここでcum(*)は式(2)で定義されるキュムラント演算である。

ここで、E[*]は*のアンサンブル平均もしくは時間平均を表す。すなわち、式(1)の4次キュムラントは式(3)のように4次モーメントと2次モーメントとの差の形に展開することができる。

0016

同様に、相関行列作成部5は、受信部3−1〜3−Mからベースバンド複素信号を受け取ると、そのベースバンド複素信号から信号の相関行列を式(4)に示すように作成する。

0017

特異値分解処理部6は、4次キュムラント行列作成部4と相関行列作成部5より得た4次キュムラント行列C2と相関行列Rを以下のように結合して行列CRを式(5)に示すように作成する。

さらに、上記行列を式(6)のように特異値分解を行い、信号部分空間のベクトルが集合した行列U1と雑音部分空間のベクトルが集合した行列U2に分ける。

0018

位相差評価部7では、特異値分解処理部6より得た信号部分空間のベクトルが集合した行列U1と雑音部分空間のベクトルが集合した行列U2よりTLS法(Total−Least−Square)を行うことで位相回転行列を導出し、位相回転行列の固有値より到来方向を推定する。ここで位相回転行列を求める際にはTLS法では無く、LS法(Least−Square)を用いてもよい。

0019

以下、位相差評価部7における処理の詳細について説明する。まず、式(7)のように、行列U1を縦に分割した行列Ex、Eyを得る。

ここで、Exは図1における、実際に存在する実アレー、すなわち受信アンテナ2−1〜2−Mから得た信号に対応する信号部分空間行列、Eyは4次キュムラント行列より作成した仮想的なアレーに対応する信号部分空間行列である。ここで、仮想的なアレーとは式(3)の4次キュムラント行列によって定まるものである。ガイディングセンサ間の位置ベクトルをd、到来波の波数ベクトルをkとすると式(3)は式(8)のように表せる。

式(8)は実アレーをガイディングセンサ間の位置ベクトルの分だけ移動させた位置にある仮想的なアレーの4次キュムラント行列(式(5))に相当する。また、式(8)中の

0020

このガイディングセンサ間の位置ベクトルの分だけ移動させた位置にある仮想的なアレーを以後仮想アレーと呼ぶ。VESPAは本質的には実アレーと仮想アレーの位相差を求めることで到来方向を求めるアルゴリズムである。

0021

ここで,実サブアレーにおけるステアリング行列をA1、仮想サブアレーに対応するものをA2とすると、Ex,Eyは正則な行列Tにより式(9)、式(10)で関連づけられる。ΦはA1の各列に位相回転を与える対角行列であり位相回転行列と呼ばれ、式(11)のように表せる。



ここで、k1,…,kPは波数ベクトル、dはガイディングセンサ間の位置ベクトルであり、Pは到来波の波数である。

0022

位相回転行列(式(11))を求めるために式(9)、式(10)を用いて次のように式変形を行う。


式(13)はΨの固有値展開に他ならない。すなわち行列Ψを求めることができれば、位相回転行列Φを求めることが可能である。この行列Ψを求める手法は先に述べたTLS法もしくはLS法を用いる。共に式(13)を満たすΨを最小二乗法を用いて求める手法である。

0023

以上の方法で、位相回転行列Φを求めることができる。ここで、ΦのP番目対角要素をνP、kp=|kp|(sinθ,cosθ)、d=(1,0)、P番目の到来波の波長をλPとすると到来方向は


から導出される。

0024

方測結果出力部8では式(14)より求めた到来方向推定結果を出力する。

0025

0026

説明の煩雑さを避けるため、到来波数は2、信号間の相関が無相関であり、振幅が一定であるとする。その場合実アレーの4次キュムラント行列C1は以下のように変形できる。

一方、信号の相関行列Rは以下のように表せる。

ここで、am1及びam2はそれぞれステアリング行列A(素子数×波数)の(m,1)・(m,2)成分である。同様にs1及びs2はそれぞれ各到来波複素振幅であり、P1及びP2はそれぞれ各到来波の信号電力である。行列Sは、各到来波の電力を対角項に持つ波源相関行列である。

0027

ここで式(16)と式(17)を比較すると実アレーの4次キュムラント行列C1は相関行列Rの固有値をある行列G(式(18))を用いて実数倍したものであることが解る。

実数倍であれば、固有値の位相不変であり位相情報は保持される。また、式(18)において各対角項に電力が入っているため、実アレーの4次キュムラント行列C1を用いる従来のVESPAの方が、相関行列Rを用いる本実施の形態のVESPAと比較して到来信号の電力差に対してより敏感であると考えられる。

0028

図2に、例として電力差が10dBある2波がそれぞれ0度と40度の方向から到来したとき、本実施の形態の到来方向推定装置を用いた場合と用いなかった場合の数値シミュレーションによる到来方向推定結果を示す。図2において、(a)が本実施の形態の到来方向推定装置を用いた場合、(b)が用いなかった場合である。また、40度方向到来方向推定値を第一波到来方向推定値とし、0度方向の到来方向推定値を第二波到来方向推定値として示す。電力は0度方向からの到来信号が40度方向の到来信号よりも10dB高いとしている。
数値シミュレーションは100回のモンテカルロシミュレーションを行い、横軸がその試行回数を示す。また、縦軸は到来方向推定結果を表し、図2(b)に示すように、従来VESPAを用いた場合は、電力の低い方の信号(到来方向40度)の到来方向推定結果が40度から大きく外れているのに対して、本実施の形態を用いた場合は図2(a)に示すようにほぼ真値の値を推定できていることが解る。

0029

このように、実施の形態1では、VESPAにおいて相関行列作成部5を設け、特異値分解処理部6において、実アレーの4次キュムラント行列C1を用いる代わりに相関行列Rを用いることで、従来よりも電力差の信号に対してよりロバストな性質を獲得し、正確に到来方向推定を行うことが可能となる。

0030

以上説明したように、実施の形態1の到来方向推定装置によれば、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、アレーアンテナより得た信号から仮想アレーの4次統計量行列を作成する4次統計量行列作成部と、アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成する相関行列作成部と、4次統計量行列作成部より得た仮想アレーの4次統計量行列と、相関行列作成部より得た信号の相関行列とを結合して特異値分解処理を行う特異値分解処理部と、特異値分解処理部より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う位相差評価部と、位相差評価部で求めた到来方向推定結果を方測結果として出力する方測結果出力部を備えたので、電力の異なる信号が到来した場合でも測角精度の劣化を低減することができる。

0031

実施の形態2.
実施の形態2は、実施の形態1の構成に加えて、相関行列作成部5で求めた信号の相関行列も用いて到来方向推定処理を行い、結果を実施の形態1による到来方向推定結果と比較することで、より推定結果の精度を向上させるようにした到来方向推定装置である。

0032

図3は、実施の形態2による到来方向推定装置101を示す構成図である。図3に示す到来方向推定装置は、受信アンテナ2−1〜2−M、受信部3−1〜3−M、4次キュムラント行列作成部4、相関行列作成部5、特異値分解処理部6、位相差評価部7、方測結果出力部8、固有値展開処理部9、方測結果比較部10を備える。ここで、固有値展開処理部9及び方測結果比較部10以外の構成は、図1に示した実施の形態1と同様であるため、ここでの説明は省略する。固有値展開処理部9は、相関行列作成部5で作成した相関行列に固有値展開を施し到来方向推定処理を行う処理部である。また、方測結果比較部10は、位相差評価部7で推定した到来方向推定結果と固有値展開処理部9で推定した結果との比較を行って新たな到来方向推定結果を求める処理部である。

0033

次に、実施の形態2の到来方向推定装置の動作について説明する。なお、固有値展開処理部9と方測結果比較部10以外の各部の動作は実施の形態1における到来方向推定装置と同様であるためその説明は省略し、実施の形態1とは異なる動作について重点的に説明する。

0034

固有値展開処理部9は、相関行列作成部5より得た相関行列Rに固有値展開を施し、MUSICやESPRIT、最少ノルム法といった高分解能到来方向推定法を用いて到来方向推定を行う。

0035

方測結果比較部10では、固有値展開処理部9より得た到来方向推定結果と、位相差評価部7より得た結果を得た後、平均処理を行い、その結果を第2の到来方向推定結果として方測結果出力部8に出力する。すなわち、方測結果比較部10では、固有値展開処理部9からの出力値と位相差評価部7からの出力値を何秒分蓄積する機能を有し、これらの蓄積データに基づいて平均処理を行う。方測結果出力部8では、この値を到来方向推定装置101の方測結果として出力する。また、ここでは単純に平均処理としたが、それ以外にも複数回の施行における結果のばらつき具合を評価し、位相差評価部7の到来方向推定結果と固有値展開処理部9の到来方向推定結果のうち、ばらつきがある閾値未満である一方の到来方向推定結果を真の推定結果として残し、これを第2の到来方向推定結果とする、といった処理でも良い。なお、ここで位相差評価部7の到来方向推定結果と固有値展開処理部9の到来方向推定結果の両方の値が共に閾値未満または閾値以上といったように一方の到来方向推定結果を選択できない場合は、これらの値の平均をとる、といった処理であってもよい。さらに、閾値との比較ではなく、例えば、複数回の到来方向推定結果から分散を計算してこれらの値を比較し、小さい方の到来方向推定結果を出力する、といった処理であってもよい。

0036

以上説明したように、実施の形態2の到来方向推定装置によれば、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、アレーアンテナより得た信号から仮想アレーの4次統計量行列を作成する4次統計量行列作成部と、アレーアンテナより得た信号から信号の相関行列を作成する相関行列作成部と、相関行列作成部で作成した相関行列に固有値展開を施し到来方向推定を行う固有値展開処理部と、4次統計量行列作成部より得た仮想アレーの4次統計量行列と、相関行列作成部より得た信号の相関行列を結合して特異値分解処理を行う特異値分解処理部と、特異値分解処理部より求めた固有ベクトルを用いて、実アレーと仮想アレーとの位相回転量を求め到来方向推定を行う位相差評価部と、位相差評価部で求めた到来方向推定結果と固有値展開処理部で求めた到来方向推定結果との比較を行って第2の到来方向推定結果を求める方測結果比較部と、方測結果比較部で求めた第2の到来方向推定結果を方測結果として出力する方測結果出力部を備えたので、電力の異なる信号が到来した場合でも測角精度の劣化を低減することができ、また、より推定結果の精度を向上させることができる。

0037

また、実施の形態2の到来方向推定装置によれば、方測結果比較部は、位相差評価部の到来方向推定結果と固有値展開処理部の到来方向推定結果との平均値を第2の到来方向推定結果とするようにしたので、結果のランダム誤差を低減でき、より精度良く到来方向推定を行うことが可能となる。

0038

また、実施の形態2の到来方向推定装置によれば、方測結果比較部は、位相差評価部の到来方向推定結果と固有値展開処理部の到来方向推定結果の複数回の施行における結果のばらつきが閾値未満である到来方向推定結果を第2の到来方向推定結果とするようにしたので、結果のランダム誤差を低減でき、より精度良く到来方向推定を行うことが可能となる。

0039

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。

0040

1放射源、2−1〜2−M受信アンテナ、3−1〜3−M 受信部、4 4次キュムラント行列作成部、5相関行列作成部、6特異値分解処理部、7位相差評価部、8 方測結果出力部、9固有値展開処理部、10 方測結果比較部、100,101到来方向推定装置。

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