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JP6331841B2 - Direction of arrival estimation device - Google Patents

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JP6331841B2
JP6331841B2 JP2014154906A JP2014154906A JP6331841B2 JP 6331841 B2 JP6331841 B2 JP 6331841B2 JP 2014154906 A JP2014154906 A JP 2014154906A JP 2014154906 A JP2014154906 A JP 2014154906A JP 6331841 B2 JP6331841 B2 JP 6331841B2
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浩文 福島
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六蔵 原
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俊夫 若山
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Description

この発明は、電波、光波、音波などの波動の到来方向を推定する到来方向推定装置に関するものである。   The present invention relates to an arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of waves such as radio waves, light waves, and sound waves.

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(Virtual ESPRIT Algorithm)が存在する。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、4次キュムラントを作成し、その4次キュムラントより非特許文献1に示されるESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)と同様のアルゴリズムに従って、到来方向の情報を抽出するアルゴリズムである。VESPAは任意配列のアレーに適用でき、ガイディングセンサと呼ばれる2素子の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。しかし、動作のためには非特許文献2のように到来波が無相関である必要がある。   There is a VESPA (Virtual ESPRIT Algorithm), which is a super-resolution angle measurement algorithm using higher-order statistics, as an algorithm for separating signals with multiple wave interference and estimating the direction of arrival. VESPA receives a signal from a target as a received signal, creates a fourth-order cumulant using a reception vector corresponding to the array antenna, and uses ESPRIT (Estimation of Signal Parameters) shown in Non-Patent Document 1 from the fourth-order cumulant. This is an algorithm for extracting information on the direction of arrival in accordance with an algorithm similar to that of Via Rotational Invariance Techniques). The VESPA can be applied to an array of an arbitrary arrangement, and does not require an element antenna pattern except for a two-element phase pattern called a guiding sensor, and does not cause an arrival direction estimation error due to these measurement errors. Signal Classification) and other advantages not found in conventional ESPRIT. However, for the operation, the arrival wave needs to be uncorrelated as in Non-Patent Document 2.

Roy, R. and Kailath, T.:“Esprit - Estimation of Signal Parameters ia Rotational Invariance Techniques”, IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol.37, no. 7, JULY 1989.Roy, R. and Kailath, T .: “Esprit-Estimation of Signal Parameters ia Rotational Invariance Techniques”, IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 37, no. 7, JULY 1989. Jerry M. Mendel and Mithat C. Dogan : “Application of Cumulants to Array Processing Part IV: Direction Finding in Coherent Signals Case”, IEEE Trans. On Signal Processing,Vol. 45, no.9,SEPTEMBER 1997.Jerry M. Mendel and Mithat C. Dogan: “Application of Cumulants to Array Processing Part IV: Direction Finding in Coherent Signals Case”, IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 45, no. 9, SEPTEMBER 1997.

しかし、従来の到来方向推定装置では、複数波の混信時に到来方向推定を行う際、従来は観測時間を長く取り、信号の相関を十分に低くする必要があった。また、どの程度観測時間を取ればよいかについて、詳細な検討はされておらず、そのため複数波を分離して高精度な到来方向推定を行うためには、長い観測時間が必要とされる問題があった。   However, in the conventional direction-of-arrival estimation device, when estimating the direction of arrival at the time of interference of a plurality of waves, conventionally, it has been necessary to take a long observation time and sufficiently reduce the correlation of signals. In addition, it has not been studied in detail how much observation time should be taken. Therefore, in order to separate multiple waves and perform highly accurate direction-of-arrival estimation, it takes a long observation time. was there.

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、従来技術より短い時間で到来方向推定を可能にし、さらにどの程度の長さに観測時間を設定すれば良いか基準を明確化できる到来方向推定装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and enables arrival direction estimation in a shorter time than the prior art, and further clarifies the standard of how long the observation time should be set. It is an object of the present invention to obtain an arrival direction estimation device that can perform the above.

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、前記アレーアンテナで受信された受信信号の相関行列またはキュムラント行列を作成する行列作成部と、前記行列作成部によって作成された相関行列またはキュムラント行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、を備えたことを特徴とする。   An arrival direction estimation apparatus according to the present invention includes an array antenna that receives a signal with an unknown arrival direction, a matrix creation unit that creates a correlation matrix or cumulant matrix of the received signal received by the array antenna, and the matrix creation unit Using the correlation matrix or the cumulant matrix created by the step of calculating a phase rotation matrix including information representing the phase rotation caused by the difference in the observation position of the signal whose direction of arrival is unknown as a diagonal component, A phase analysis unit that determines a data observation time based on a time change of a diagonal component, and an arrival direction estimation unit that performs an arrival direction estimation using a received signal corresponding to the data observation time determined by the phase analysis unit, It is characterized by having.

この発明によれば、信号に相関がある場合でも到来方向推定が可能となる観測時間を算出でき、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。   According to the present invention, it is possible to calculate an observation time in which arrival direction estimation is possible even when signals are correlated, and it is possible to perform arrival direction estimation in a shorter time than in the prior art.

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。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における位相評価部7の構成図。The block diagram of the phase evaluation part 7 in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1において各観測時間での位相成分から適したデータ 観測時間の候補を求めるグラフを示す図。The figure which shows the graph which calculates | requires the candidate of suitable data observation time from the phase component in each observation time in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1において複素平面上にプロットした実アレーと仮想アレーの間の位相差。The phase difference between the real array and the virtual array plotted on the complex plane in the first embodiment of the present invention. 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。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における信号特異値評価部10の構成図。The block diagram of the signal singular value evaluation part 10 in Embodiment 2 of this invention. 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。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4による到来方向推定装置を示す構成図。The block diagram which shows the arrival direction estimation apparatus by Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4における信号固有値評価部12の構成図。The block diagram of the signal eigenvalue evaluation part 12 in Embodiment 4 of this invention.

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
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。図1では、超分解能測角アルゴリズムであるVESPA(Virtual ESPRIT Algorithm)を適用した到来方向推定装置1Aを示すが、実施の形態1に記載の発明は4次統計量である4次キュムラントを用いて到来方向推定を行うアルゴリズムであれば、VESPA以外のアルゴリズムであっても構わない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an arrival direction estimation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 shows a direction-of-arrival estimation apparatus 1A to which VESPA (Virtual ESPRIT Algorithm), which is a super-resolution angle measurement algorithm, is applied. The invention described in Embodiment 1 uses a fourth-order cumulant that is a fourth-order statistic. Any algorithm other than VESPA may be used as long as it is an algorithm that performs direction-of-arrival estimation.

図1において、放射源2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3−1〜3−Mは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。   In FIG. 1, a radiation source 2 is a signal source that emits a signal whose direction of arrival θ is unknown, or a reflector that reflects a signal emitted from another radiation source. The receiving antennas 3-1 to 3-M are element antennas constituting an array antenna, and receive a signal whose arrival direction θ is unknown.

観測時間設定部4によって、観測時間を自動または手動で設定し、受信部5−1〜5−Mは受信アンテナ3−1〜3−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キュムラント行列作成部6に出力する受信機である。なお、受信部5−1〜5−M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にしてもよい。受信部5−1〜5−Mは観測時間設定部4によって設定された観測時間までに受信した信号全てを、行列作成部であるキュムラント行列作成部6に出力する。   The observation time is set automatically or manually by the observation time setting unit 4, and the reception units 5-1 to 5 -M receive various signals with respect to the RF signals that are reception signals of the reception antennas 3-1 to 3 -M. By performing processing (for example, signal amplification processing, band pass filter processing, frequency conversion processing, A / D conversion processing, etc.), a baseband complex signal that is a digital signal is obtained, and the baseband complex signal is cumulated. It is a receiver that outputs to the matrix creation unit 6. When the digital signal obtained by the receiving units 5-1 to 5-M is an IF (Intermediate Frequency) real signal, the baseband complex signal is obtained by performing Hilbert transform or digital quadrature detection on the IF real signal. You may make it the structure which obtains. The receiving units 5-1 to 5-M output all signals received up to the observation time set by the observation time setting unit 4 to the cumulant matrix creation unit 6 that is a matrix creation unit.

キュムラント行列作成部6は、出力されたベースバンド複素信号からキュムラント行列を作成し、作成したキュムラント行列を位相分析部7に出力する。到来方向推定部8は位相分析部7から受け取った位相成分を用いて到来方向推定を行い、到来方向推定結果を方測結果出力部9に出力する。   The cumulant matrix creation unit 6 creates a cumulant matrix from the output baseband complex signal, and outputs the created cumulant matrix to the phase analysis unit 7. The arrival direction estimation unit 8 performs arrival direction estimation using the phase component received from the phase analysis unit 7 and outputs the arrival direction estimation result to the direction measurement result output unit 9.

図2は位相分析部7の構成要素である。位相分析部7は、位相回転行列導出部71、位相計算部72、位相評価部73、データ観測時間導出部74よりなる。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。   FIG. 2 shows the components of the phase analysis unit 7. The phase analysis unit 7 includes a phase rotation matrix derivation unit 71, a phase calculation unit 72, a phase evaluation unit 73, and a data observation time derivation unit 74. In each figure, the same numerals indicate the same or corresponding parts.

以下では、本実施の形態1における到来方向推定装置1Aの動作について説明する。受信アンテナ3−1〜3−Mは到来方向θが未知のRF信号を受信すると、観測時間設定部4は自動または手動で設定で設定された観測時間に基づく時間範囲の信号を抽出する。観測時間設定部4は受信アンテナ3−1〜3−Mで受信したRF信号に対して抽出した信号をそれぞれ受信部5−1〜5−Mに出力する。   Below, operation | movement of the arrival direction estimation apparatus 1A in this Embodiment 1 is demonstrated. When the receiving antennas 3-1 to 3-M receive an RF signal whose arrival direction θ is unknown, the observation time setting unit 4 extracts a signal in a time range based on the observation time set automatically or manually. The observation time setting unit 4 outputs signals extracted from the RF signals received by the reception antennas 3-1 to 3-M to the reception units 5-1 to 5-M, respectively.

受信部5−1〜5−Mは観測時間設定部4から信号を受け取ると、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キュムラント行列作成部6に出力する。   When receiving units 5-1 to 5-M receive signals from observation time setting unit 4, various types of signal processing (for example, signal amplification processing, bandpass filter processing, frequency conversion processing, A / D conversion processing, etc.) are performed. The baseband complex signal which is a digital signal is output to the cumulant matrix creation unit 6.

キュムラント行列作成部6は、受信部5−1〜5−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キュムラント行列を作成する。 When receiving the baseband complex signal from the receiving units 5-1 to 5-M, the cumulant matrix creating unit 6 creates a cumulant matrix from the baseband complex signal.

ここで、キュムラント行列は4次の高次キュムラントからなる。4次キュムラント行列は例えば式(1)、(2)のように表せ、4次キュムラント行列は式(3)のように表せる。

Figure 0006331841
Figure 0006331841
Figure 0006331841
式(1)、(2)において、m(m=1、2、・・・、M)、n(n=1、2、・・・、M)はガイディングセンサと呼ばれる受信アンテナ3−1〜3−Mに含まれるアンテナの
素子番号(Mは素子数)であり、rm(t)、r(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(4)で定義されるキュムラント演算である。
Figure 0006331841
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。式(4)を用いると、式(1)、式(2)の4次キュムラントは式(5)、式(6)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。
Figure 0006331841
Figure 0006331841
Here, the cumulant matrix is composed of fourth-order higher-order cumulants. For example, the fourth-order cumulant matrix can be expressed as equations (1) and (2), and the fourth-order cumulant matrix can be expressed as equation (3).
Figure 0006331841
Figure 0006331841
Figure 0006331841
In equations (1) and (2), m (m = 1, 2,..., M) and n (n = 1, 2,..., M) are reception antennas 3-1 called guiding sensors. an antenna element number included in the to 3-M (M is the number of elements), r m (t), r n (t) is a time signal received by the guiding sensor. R (t) is a vector having the time signal received by each element as a component, * is a complex conjugate, H is a complex conjugate transpose, and cum (*) is a cumulant defined by equation (4). It is an operation.
Figure 0006331841
Here, E [*] represents an ensemble average or a time average of *. Using Equation (4), the fourth-order cumulants in Equation (1) and Equation (2) should be expanded into the difference between the fourth-order moment and the second-order moment as in Equation (5) and Equation (6). Can do.
Figure 0006331841
Figure 0006331841

キュムラント行列作成部6は、式(3)のキュムラント行列を作成すると、作成したキュムラント行列を位相分析部7に出力する。 When the cumulant matrix creation unit 6 creates the cumulant matrix of Expression (3), the cumulant matrix creation unit 6 outputs the created cumulant matrix to the phase analysis unit 7.

位相分析部7内の位相回転行列導出部71はキュムラント行列作成部6からキュムラント行列を受け取ると、そのキュムラント行列から、特異値分解とTLS法(Total-Least-Square)を行うことで位相回転行列を導出し、位相計算部72に出力する。ここで、特異値分解後の処理として、TLS法では無く、LS法(Least-Square)を用いてもよい。   When the phase rotation matrix derivation unit 71 in the phase analysis unit 7 receives the cumulant matrix from the cumulant matrix creation unit 6, the phase rotation matrix is subjected to singular value decomposition and the TLS method (Total-Least-Square) from the cumulant matrix. Is derived and output to the phase calculator 72. Here, instead of the TLS method, the LS method (Least-Square) may be used as the processing after the singular value decomposition.

以下に位相回転行列の導出までの過程の詳細を示す。まず、二つの4次キュムラント行列より作成した4次キュムラント行列を式(7)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。

Figure 0006331841
ここで、Σは対角行列、Vはユニタリ行列である。
次に式(8)のように、行列U1を縦に分割した行列Ex、Eyを得る。
Figure 0006331841
ここで,Exは図1における,実際に存在する実アレー3−1〜3−Mに対応する信号部分空間行列,Eyは4次キュムラントに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. Details of the process up to the derivation of the phase rotation matrix are shown below. First, a quaternary cumulant matrix created from two quaternary cumulant matrices is subjected to singular value decomposition as shown in Equation (7), and a matrix U 1 in which signal subspace vectors are aggregated and a matrix in which noise subspace vectors are aggregated. Divide into U 2 .
Figure 0006331841
Here, Σ is a diagonal matrix, and V is a unitary matrix.
Next, as shown in Expression (8), matrices Ex and Ey obtained by vertically dividing the matrix U 1 are obtained.
Figure 0006331841
Here, Ex is the signal subspace matrix corresponding to the actual arrays 3-1 to 3-M that actually exist in FIG. 1, and Ey is the signal subspace matrix corresponding to the virtual array created by the fourth-order cumulant. is there.

ここで、仮想的なアレーとは式(6)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(6)は式(9)のように表せる。

Figure 0006331841
Here, the virtual array is determined by the fourth-order cumulant matrix of Equation (6). If the position vector between the guiding sensors is d and the wave number vector of the incoming wave is k, Equation (6) can be expressed as Equation (9).
Figure 0006331841

式(9)は実アレー3−1〜3−M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(6))に相当する。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。   Equation (9) corresponds to a fourth-order cumulant matrix (equation (6)) of a virtual array at a position obtained by moving the real arrays 3-1 to 3-M by the position vector between the guiding sensors. A virtual array at a position moved by the position vector between the guiding sensors is hereinafter referred to as a virtual array. VESPA is essentially an algorithm for determining the direction of arrival by determining the phase difference between a real array and a virtual array.

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(10)、式(11)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(12)のように表せる。

Figure 0006331841
Figure 0006331841
Figure 0006331841
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。 Here, if the steering matrix in the real subarray is A 1 , and the one corresponding to the virtual subarray is A 2 , Ex and Ey are related by the regular matrix T by Equations (10) and (11). Φ is a diagonal matrix that gives a phase rotation to each column of A 1 , which is called a phase rotation matrix, and can be expressed as Equation (12).
Figure 0006331841
Figure 0006331841
Figure 0006331841
Here, k 1 ,..., K P are wave number vectors, d is a position vector between guiding sensors, and P is the wave number of an incoming wave.

位相回転行列(式(12))を求めるために、式(10)、式(11)を用いて次のように式変形を行う。

Figure 0006331841
Figure 0006331841
In order to obtain the phase rotation matrix (formula (12)), formula transformation is performed as follows using formula (10) and formula (11).
Figure 0006331841
Figure 0006331841

式(14)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。 Equation (14) is nothing but an eigenvalue expansion of Ψ. That is, if the matrix Ψ can be obtained, the phase rotation matrix Φ can be obtained. The method for obtaining this matrix Ψ uses the TLS method or LS method described above. Both are methods for obtaining Ψ satisfying Equation (13) using the least square method.

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番目の対角要素をν、kP=|kP|(sinθ,cosθ)、d=(1,0)、P番目の到来波の波長をλとすると到来方向は

Figure 0006331841
から導出される。 The phase rotation matrix Φ can be obtained by the above method. Here, when the P-th diagonal element of Φ is ν P , k P = | k P | (sin θ, cos θ), d = (1,0), and the wavelength of the P-th incoming wave is λ P , the direction of arrival Is
Figure 0006331841
Is derived from

位相計算部72は位相回転行列導出部71から位相回転行列を受け取ると、各観測時間における位相回転行列の対角項の位相成分を求め、位相評価部73に出力する。 When the phase calculation unit 72 receives the phase rotation matrix from the phase rotation matrix deriving unit 71, it obtains the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix at each observation time and outputs it to the phase evaluation unit 73.

位相評価部73において、観測時間に対して周期的に時間変化する位相の直流成分を求め、図3に示すように求めた位相値の直流成分と、時間的に変動する各対角成分の位相値の時間変化のグラフの交点を求め、その交点での時間を、適したデータ観測時間の候補とし、その時間をデータ観測時間導出部74に出力する。直流成分の抽出は、ローパスフィルタを適用する、ヒストグラムを用いてピークを抽出する、平均値を用いる等の方法があるが、直流成分を抽出するいかなる方法であっても構わない。また適したデータ観測時間の候補を求める際、位相回転行列の各対角成分を複素平面上にプロットし、その軌道の収束点を真値とし、図4のように原点から真値へ引いた直線と軌道との交点に至る時間を用いてもよい。次段落で、上記理由について説明する。 The phase evaluation unit 73 obtains a direct current component of a phase that periodically changes with respect to the observation time, and obtains a direct current component of the obtained phase value and a phase of each diagonal component that varies with time as shown in FIG. The intersection of the graph of the time change of the value is obtained, the time at the intersection is set as a suitable data observation time candidate, and the time is output to the data observation time deriving unit 74. The DC component can be extracted by applying a low-pass filter, extracting a peak using a histogram, using an average value, or any other method for extracting a DC component. In addition, when finding suitable data observation time candidates, each diagonal component of the phase rotation matrix is plotted on the complex plane, and the convergence point of the orbit is set as a true value, and the true value is drawn from the origin as shown in FIG. The time to reach the intersection of the straight line and the trajectory may be used. The reason will be explained in the next paragraph.

ここで、図4中のΦ11、Φ22は位相回転行列の(1,1)、(2,2)成分を表している。Tは観測時間であり、Tρ=0は到来波の相関が無相関となる時の時間を表している。Φ11、Φ22は実アレーと、信号処理的に作った仮想アレー間の位相差を表しており、Φ11、Φ22が実軸、もしくは虚軸となす角度、すなわちarg(Φ11)、arg(Φ22)は式(14)のように、到来波の到来角の情報を持っている。ここでarg(*)は*の位相角を計算することを示す。Φ11、Φ22は到来波の相関が無相関のとき、すなわち、観測時間がTρ=0の時に真値に収束する。また、観測時間がT=0から増加するにつれて、Φ11、Φ22は図4のらせん状の曲線上を真値の方へ移動する。T=Tρ=0の時、到来波の到来方向推定が可能となるが、原点と真値を結んだ直線と、Φ11、Φ22が描く軌道の交点では全てarg(Φ11)、arg(Φ22)は等しいので、そのことを考慮すると、図4のように観測時間がTρ=0よりも短い時間で到来方向推定可能な時間が存在することがわかる。図4に示すように、観測時間が増加するにつれて、Φ11、Φ22の値がらせん状の曲線を描きながら真値の方へ移動する特性は本実施の形態によって新たに分かった特性である。この特性を用いて適切な観測時間を設定することにより、本実施の形態1では、従来技術よりも短い観測時間で観測時間がTρ=0の時と同程度の精度の到来角推定を行うことが可能となる。データ観測時間導出部74は位相評価部73から適したデータ観測時間の候補を受け取ると、その適したデータ観測時間の候補の中で、最小の値を適したデータ観測時間として、観測時間設定部4に出力する。 Here, Φ 11 and Φ 22 in FIG. 4 represent the (1, 1) and (2, 2) components of the phase rotation matrix. T is the observation time, and Tρ = 0 represents the time when the correlation of the incoming waves is uncorrelated. Φ 11 , Φ 22 represent the phase difference between the real array and the virtual array made in signal processing, and the angle between Φ 11 , Φ 22 and the real axis or the imaginary axis, that is, arg (Φ 11 ), arg (Φ 22 ) has information on the angle of arrival of the incoming wave as shown in equation (14). Here, arg (*) indicates that the phase angle of * is calculated. Φ 11 and Φ 22 converge to true values when the correlation of the incoming waves is uncorrelated, that is, when the observation time is T ρ = 0 . Further, as the observation time increases from T = 0, Φ 11 and Φ 22 move on the spiral curve in FIG. 4 toward the true value. When T = T ρ = 0 , the arrival direction of the incoming wave can be estimated, but at the intersection of the straight line connecting the origin and the true value and the trajectory drawn by Φ 11 , Φ 22 , arg (Φ 11 ), arg Since (Φ 22 ) is equal, it is understood that there is a time in which the direction of arrival can be estimated in a time shorter than T ρ = 0 as shown in FIG. As shown in FIG. 4, as the observation time increases, the characteristic that the values of Φ 11 and Φ 22 move toward the true value while drawing a spiral curve is a characteristic newly found by the present embodiment. . By setting an appropriate observation time using this characteristic, in the first embodiment, the arrival angle is estimated with the same degree of accuracy as when the observation time is T ρ = 0 with an observation time shorter than that of the prior art. It becomes possible. When the data observation time derivation unit 74 receives a suitable data observation time candidate from the phase evaluation unit 73, the observation time setting unit sets the minimum value among the suitable data observation time candidates as the suitable data observation time. 4 is output.

観測時間設定部4は、信号の観測時間をデータ観測時間導出部74より出力された適したデータ観測時間に更新し、それ以降はその更新した観測時間で到来信号の受信を行う。また、観測時間設定部4の出力に対して、受信部5−1〜5−M、キュムラント行列作成部6、位相回転行列導出部71、位相計算部72はこれまでの説明と同様の処理を行う。また、到来方向推定部8は位相計算部72から位相回転行列の対角項の位相成分を受け取ると、式(15)に従い到来方向推定を行い、到来方向推定結果を方測結果出力部9に出力する。 The observation time setting unit 4 updates the signal observation time to the appropriate data observation time output from the data observation time deriving unit 74, and thereafter receives the incoming signal with the updated observation time. In addition, with respect to the output of the observation time setting unit 4, the receiving units 5-1 to 5-M, the cumulant matrix creating unit 6, the phase rotation matrix deriving unit 71, and the phase calculating unit 72 perform the same processing as described above. Do. When the arrival direction estimation unit 8 receives the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix from the phase calculation unit 72, the arrival direction estimation unit 8 performs arrival direction estimation according to the equation (15), and the arrival direction estimation result is sent to the direction measurement result output unit 9. Output.

以上で明らかなように、実施の形態1によれば、観測時間設定部4と実アレーと仮想アレーで受信される信号の間の位相差の時間変化を評価する位相分析部7とを設けることで、信号相関が初めて無相関となる時間よりも短い時間を計算し、その時間を観測時間として更新することができ、観測時間を決定する上での明確な基準を得ると共に、従来よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。 As is apparent from the above, according to the first embodiment, the observation time setting unit 4 and the phase analysis unit 7 for evaluating the temporal change of the phase difference between the signals received by the real array and the virtual array are provided. Thus, it is possible to calculate a time shorter than the time when the signal correlation becomes uncorrelated for the first time, and to update the time as the observation time, to obtain a clear reference for determining the observation time, and to be shorter than before It is possible to estimate the direction of arrival in time.

このように、実施の形態1の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である受信アンテナ3−1〜3−Mと、このアレーアンテナで受信された受信信号のキュムラント行列を作成する行列作成部であるキュムラント行列作成部6と、キュムラント行列作成部6によって作成されたキュムラント行列を用いて、到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、この位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部7と、位相分析部7で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部8と、を備えたことを特徴とする。この構成により、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。 As described above, the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment includes the reception antennas 3-1 to 3-M that are array antennas that receive signals with unknown arrival directions, and the cumulant of the reception signals received by the array antennas. Using the cumulant matrix creating unit 6 which is a matrix creating unit for creating a matrix and the cumulant matrix created by the cumulant matrix creating unit 6, information representing the phase rotation caused by the difference in the observation position of the signal whose direction of arrival is unknown. The phase rotation matrix included in the diagonal component is calculated, and the data observation time is determined based on the time change of the diagonal component of the phase rotation matrix, and this corresponds to the data observation time determined by the phase analysis unit 7 And an arrival direction estimation unit 8 that performs arrival direction estimation using the received signal. With this configuration, it is possible to estimate the direction of arrival in a shorter time than the prior art.

また、実施の形態1の到来方向推定装置では、キュムラント行列はアレーアンテナである受信アンテナ3−1〜3−Mでの受信信号と、アレーアンテナに含まれガイディングセンサと呼ばれる2つのアンテナの間の位置の差分だけアレーアンテナを移動させた位置にある仮想的なアレーアンテナでの受信信号、に対するキュムラント演算により得られた行列であることを特徴とする。このキュムラント行列を用いることにより、仮想アレーを想定して精度の良い到来方向推定を行うことができる。 In the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment, the cumulant matrix is between the reception signals at the reception antennas 3-1 to 3-M, which are array antennas, and the two antennas that are included in the array antenna and are called guiding sensors. It is a matrix obtained by cumulant calculation with respect to the received signal at the virtual array antenna at the position where the array antenna is moved by the difference between the positions. By using this cumulant matrix, it is possible to estimate the direction of arrival with high accuracy assuming a virtual array.

また、実施の形態1の到来方向推定装置では、位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、求めた直流成分と、位相回転行列の対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、データ観測時間とすることを特徴とする。このようにデータ観測時間を決定することにより、位相成分の時間変動の影響を低減することのできるデータ観測時間を設定でき、精度の良い到来方向推定を行うことができる。 In addition, in the arrival direction estimation apparatus according to Embodiment 1, a DC component is obtained for the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix, and the obtained DC component and the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix that changes with time. The time when the two coincide is defined as the data observation time. By determining the data observation time in this way, it is possible to set the data observation time that can reduce the influence of the temporal fluctuation of the phase component, and to perform the arrival direction estimation with high accuracy.

また、実施の形態1の到来方向推定装置では、位相分析部7は複数の観測時間に対する位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上でその軌道がその収束点と同じ方向となる観測時間をデータ観測時間とすることを特徴とする。このようにデータ観測時間を決定することにより、収束点と同じ位相成分を有する位相を短い観測時間で取得することができ、精度の良い到来方向推定を従来技術よりも短い時間で行うことができる。なお、本実施の形態では、キュムラント行列は4次のキュムラントにより作成したが、キュムラント行列は4次以上の高次キュムラントであっても構わない。 Moreover, in the arrival direction estimation apparatus of Embodiment 1, the phase analysis unit 7 obtains the trajectory and convergence point of the diagonal component of the phase rotation matrix for a plurality of observation times, and the trajectory is the same as the convergence point on the complex plane. The characteristic is that the observation time in the direction is the data observation time. By determining the data observation time in this way, a phase having the same phase component as the convergence point can be acquired in a short observation time, and accurate arrival direction estimation can be performed in a shorter time than in the prior art. . In the present embodiment, the cumulant matrix is created by a fourth-order cumulant, but the cumulant matrix may be a fourth-order or higher-order cumulant.

実施の形態2.
上記実施の形態1では、到来方向推定装置は観測時間設定部4と位相分析部7を有していたのに対して、実施の形態2ではそれに加えて信号特異値評価部を有する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the arrival direction estimation apparatus has the observation time setting unit 4 and the phase analysis unit 7, whereas the second embodiment has a signal singular value evaluation unit in addition thereto.

上記実施の形態1では、SN比(Signal−Noise Ratio:信号対雑音比)が低い場合、雑音の影響でキュムラント行列の特異値分解が正確に行えず、位相評価部73において、図4のΦ11、Φ22の軌道にバラつきが生じ、結果的に交点が正確に求められなくなる場合がある。実施の形態2では、SN比が低い場合においても、正確に適したデータ観測時間を求めることができる到来方向推定装置1Bを開示する。 In the first embodiment, when the SN ratio (Signal-Noise Ratio: signal-to-noise ratio) is low, the singular value decomposition of the cumulant matrix cannot be performed accurately due to the influence of noise. 11 and Φ 22 orbits vary, and as a result, the intersection may not be accurately obtained. In the second embodiment, an arrival direction estimation device 1B that can accurately obtain a suitable data observation time even when the SN ratio is low is disclosed.

図5はこの発明の実施の形態2による到来方向推定装置1B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。実施の形態2では信号特異値評価部10が追加されている。図6は信号特異値評価部10の構成図である。信号特異値評価部10はキュムラント行列の特異値分解部101、差分値判定部102、特異値分解の限界時間算出部103からなる。 5 is a block diagram showing an arrival direction estimating apparatus 1B according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. In the second embodiment, a signal singular value evaluation unit 10 is added. FIG. 6 is a configuration diagram of the signal singular value evaluation unit 10. The signal singular value evaluation unit 10 includes a cumulant matrix singular value decomposition unit 101, a difference value determination unit 102, and a singular value decomposition limit time calculation unit 103.

以下では、実施の形態2における到来方向推定装置1Bの動作について説明する。なお、信号特異値評価部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1Bと同様であり、動作が同じ部分の詳細は省略する。   Below, operation | movement of the arrival direction estimation apparatus 1B in Embodiment 2 is demonstrated. Note that the operation of each unit other than the signal singular value evaluation unit 10 is the same as that of the arrival direction estimation apparatus 1B in the first embodiment, and details of the same operation are omitted.

信号特異値評価部10内のキュムラント行列の特異値分解部101は、キュムラント行列作成部6より出力されたキュムラント行列を特異値分解し、算出された特異値を差分値判定部102に出力する。   The singular value decomposition unit 101 of the cumulant matrix in the signal singular value evaluation unit 10 performs singular value decomposition on the cumulant matrix output from the cumulant matrix creation unit 6 and outputs the calculated singular value to the difference value determination unit 102.

差分値判定部102はキュムラント行列の特異値分解部101より出力された特異値で最大のものと、二番目に大きいものの比を取り、その時間差分値を計算し、結果を特異値分解可能な限界時間の算出部103に出力する。ここでは、特異値において最大のものと二番目に大きいものの比の時間差分値を用いたが、到来波数がLの時、最大特異値からL番目の特異値までの中から考えられる任意の組み合わせによる比、もしくは最大特異値から第L番目までの特異値各々の時間差分値を用いてもよい。   The difference value determination unit 102 can take a ratio of the largest and second largest singular values output from the singular value decomposition unit 101 of the cumulant matrix, calculate a time difference value thereof, and singular value decomposition of the result The result is output to the limit time calculation unit 103. Here, the time difference value of the ratio between the largest and second largest singular value was used, but when the number of incoming waves is L, any combination that can be considered from the largest singular value to the Lth singular value Or a time difference value of each of the singular values from the maximum singular value to the L-th singular value may be used.

特異値分解可能な限界時間の算出部103は、差分値判定部102より出力された特異値の比の差分値をある閾値と比較し、差分値が複数回連続で閾値より小さくなったときその中で最小の時間を、正確に特異値分解を行うために必要な限界時間と定義し、位相分析部7のデータ観測時間導出部74に出力する。この時間より短い時間で観測を行うと、キュムラント行列の特異値分解時に特異値が安定せず、その結果実アレーと仮想アレーの位相差Φ11、Φ22にバラつきが生じ、位相分析部7において、適したデータ観測時間が求められなくなる。閾値のレベルはシミュレーションや実測値を用いて設定したり、SNRに応じて変える等の方法が考えられる。 The singular value decomposable limit time calculation unit 103 compares the difference value of the ratio of the singular values output from the difference value determination unit 102 with a certain threshold value, and when the difference value becomes smaller than the threshold value a plurality of times continuously, The minimum time among them is defined as a limit time necessary for accurately performing singular value decomposition, and is output to the data observation time deriving unit 74 of the phase analyzing unit 7. If the observation is performed in a time shorter than this time, the singular value is not stable at the time of singular value decomposition of the cumulant matrix. As a result, the phase differences Φ 11 and Φ 22 between the real array and the virtual array vary, and the phase analysis unit 7 Therefore, a suitable data observation time cannot be obtained. The threshold level can be set using simulations or measured values, or can be changed according to the SNR.

ここで、最大特異値とその次に大きい特異値の比Q(t)は式(16)、この特異値の比
Q(t)の所定時間での差分は式(17)のように表すことができる。

Figure 0006331841
Figure 0006331841
ここで、σ1(t)は時刻tにおけるキュムラント行列の最大特異値、σ2(t)は時刻tにおけるキュムラント行列の2番目に大きい特異値である。Δtは隣り合う時間間隔である。限界時間算出部93は特異値の比Q(t)及びその所定時間での差分ΔQ(t)を位相分析部7に出力する。 Here, the ratio Q (t) between the largest singular value and the next largest singular value is the ratio of this singular value (16).
The difference of Q (t) at a predetermined time can be expressed as in Expression (17).
Figure 0006331841
Figure 0006331841
Here, σ1 (t) is the maximum singular value of the cumulant matrix at time t, and σ2 (t) is the second largest singular value of the cumulant matrix at time t. Δt is an adjacent time interval. The limit time calculation unit 93 outputs the singular value ratio Q (t) and the difference ΔQ (t) at the predetermined time to the phase analysis unit 7.

位相分析部7内のデータ観測時間導出部74は特異値分解可能な限界時間の算出部103より出力された時間と、位相評価部73より出力された、適したデータ観測時間の候補とをデータ観測時間導出部74において比較し、適したデータ観測時間の候補の中から、特異値分解可能な限界時間の算出部103よりも大きいもので最小の値を選択する。   The data observation time deriving unit 74 in the phase analysis unit 7 outputs the time output from the limit time calculation unit 103 capable of singular value decomposition and the suitable data observation time candidate output from the phase evaluation unit 73. The observation time deriving unit 74 compares and selects the smallest value that is larger than the limit time calculation unit 103 capable of singular value decomposition from the candidates for suitable data observation times.

以上で明らかなように、実施の形態2によれば、実施の形態1の構成にキュムラント行列の特異値の比の時間差分値を算出する信号特異値評価部10を加え、位相分析部7においてその時間差分値を用いて観測時間の下限値を設定することで、SNRが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能になる。 As apparent from the above, according to the second embodiment, the signal singular value evaluation unit 10 that calculates the time difference value of the ratio of the singular values of the cumulant matrix is added to the configuration of the first embodiment, and the phase analysis unit 7 By setting the lower limit value of the observation time using the time difference value, it becomes possible to obtain the minimum data observation time necessary for the arrival direction estimation according to the situation at that time even if the SNR changes. .

このように、実施の形態2の到来方向推定装置は、キュムラント行列作成部6によって作成されたキュムラント行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号特異値評価部10を備え、位相分析部7は位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、このデータ観測時間の候補と信号特異値評価部10によって算出された特異値分解可能な限界時間との比較によりデータ観測時間を決定することを特徴とする。この構成により、SNRが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能となる。 As described above, the arrival direction estimation apparatus according to the second embodiment can perform singular value decomposition by comparing the time variation of the ratio of the singular values of the cumulant matrix created by the cumulant matrix creating unit 6 with a predetermined threshold. A signal singular value evaluation unit 10 for calculating a critical time limit, and the phase analysis unit 7 calculates a data observation time candidate based on a temporal change in the diagonal component of the phase rotation matrix, The data observation time is determined by comparison with the limit time that can be decomposed by the singular value calculated by the signal singular value evaluation unit 10. With this configuration, even if the SNR changes, it is possible to obtain the minimum data observation time required for arrival direction estimation according to the situation at that time.

また、信号特異値評価部10で算出されるキュムラント行列の特異値の比は、キュムラント行列の最大特異値と2番目に大きい特異値の比であることを特徴とする。この構成により、適切に位相分析を行うことが可能となる。 Further, the ratio of the singular values of the cumulant matrix calculated by the signal singular value evaluation unit 10 is a ratio of the maximum singular value of the cumulant matrix to the second largest singular value. With this configuration, it is possible to appropriately perform phase analysis.

実施の形態3.
実施の形態1ではキュムラント行列作成部6を扱ったのに対して、実施の形態3では信号相関行列作成部11を備えた到来方向推定装置を開示する。実施の形態3はESPRIT(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)アルゴリズムにより到来方向推定することを前提とする。
Embodiment 3 FIG.
While the cumulant matrix creation unit 6 is handled in the first embodiment, the arrival direction estimation device including the signal correlation matrix creation unit 11 is disclosed in the third embodiment. The third embodiment is based on the premise that the direction of arrival is estimated by an ESPRIT (Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques) algorithm.

受信アンテナ3−1〜3−Mがリニアアレー、もしくは二つの同系アレーに分割できるとき、キュムラント行列作成部6に代わり、行列作成部である信号相関行列作成部11を配置することができる。図7はこの発明の実施の形態1による到来方向推定装置1Cを示す構成図である。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。 When the receiving antennas 3-1 to 3 -M can be divided into a linear array or two similar arrays, a signal correlation matrix creating unit 11 that is a matrix creating unit can be arranged instead of the cumulant matrix creating unit 6. FIG. 7 is a block diagram showing an arrival direction estimation apparatus 1C according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG.

信号相関行列作成部11は、受信部5−1〜5−Mにより出力された信号より、信号の相関行列を作成し、位相分析部7へ結果を出力する。ここで、この信号の相関行列は2次の統計量であり、この点で信号相関行列作成部11は4次以上の高次キュムラント行列を出力するキュムラント行列作成部6と異なるが、他の処理部は実施の形態1と同一でよい。この理由は、ESPRITアルゴリズムは観測信号ベクトルより信号の相関行列を作成する、という点においてのみVESPAと異なり、他の部分はVESPAと同一だからである。   The signal correlation matrix creation unit 11 creates a signal correlation matrix from the signals output by the reception units 5-1 to 5 -M, and outputs the result to the phase analysis unit 7. Here, the correlation matrix of this signal is a second-order statistic, and in this respect, the signal correlation matrix creation unit 11 is different from the cumulant matrix creation unit 6 that outputs a fourth-order or higher-order cumulant matrix. The part may be the same as in the first embodiment. This is because the ESPRIT algorithm differs from VESPA only in that the correlation matrix of the signal is created from the observed signal vector, and other parts are the same as VESPA.

従って、実施の形態1における位相分析部7での処理は、ESPRITアルゴリズムに対しても適用できる。   Therefore, the processing in the phase analysis unit 7 in the first embodiment can be applied to the ESPRIT algorithm.

このように、実施の形態3の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である受信アンテナ3−1〜3−Mと、このアレーアンテナで受信された受信信号の相関行列を作成する行列作成部である信号相関行列作成部11と、信号相関行列作成部11によって作成された相関行列を用いて、到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、この位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部7と、位相分析部7で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部8と、を備えたことを特徴とする。この構成により、ESPRITアルゴリズムを用いる場合にも、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。   As described above, the arrival direction estimation apparatus according to Embodiment 3 correlates reception antennas 3-1 to 3-M, which are array antennas that receive signals with unknown arrival directions, and reception signals received by the array antennas. A signal correlation matrix creation unit 11 which is a matrix creation unit for creating a matrix and a correlation matrix created by the signal correlation matrix creation unit 11 represent phase rotation caused by a difference in observation position of a signal whose arrival direction is unknown. A phase rotation matrix including information in a diagonal component and calculating a data observation time based on a time change of the diagonal component of the phase rotation matrix; a data observation time determined by the phase analysis unit 7 And a direction-of-arrival estimation unit 8 that performs direction-of-arrival estimation using a received signal corresponding to the above. With this configuration, it is possible to estimate the direction of arrival in a shorter time than in the prior art even when using the ESPRIT algorithm.

実施の形態4.
実施の形態4は実施の形態3と同様に、ESPRITアルゴリズムにより到来方向推定することを前提とする。実施の形態2では到来方向推定装置がキュムラント行列作成部6、信号特異値評価部10を備えたのに対して、実施の形態4では到来方向推定装置が信号相関行列作成部11、信号固有値評価部12を備える構成を扱う。
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment is based on the premise that the arrival direction is estimated by the ESPRIT algorithm as in the third embodiment. In the second embodiment, the arrival direction estimation apparatus includes the cumulant matrix creation unit 6 and the signal singular value evaluation unit 10, whereas in the fourth embodiment, the arrival direction estimation apparatus includes the signal correlation matrix creation unit 11 and the signal eigenvalue evaluation. A configuration including the unit 12 is handled.

実施の形態2において、受信アンテナ3−1〜3−Mがリニアアレー、もしくは二つの
同系アレーに分割できるとき、キュムラント行列作成部6に代わり、信号相関行列作成部11を、信号特異値評価部10の代わりに、信号固有値評価部12を代わりに配置することができる。図8はこの発明の実施の形態4による到来方向推定装置1Dを示す構成図である。図において、図2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。信号固有値評価部12の構成図を図9に示す。信号固有値評価部12は信号相関行列の固有値分解部121、差分値判定部122、固有値分解可能な限界時間の算出部123からなる。
In the second embodiment, when the receiving antennas 3-1 to 3-M can be divided into a linear array or two similar arrays, the signal correlation matrix creating unit 11 is replaced with the signal singular value evaluating unit 10 instead of the cumulant matrix creating unit 6. Instead, the signal eigenvalue evaluation unit 12 can be arranged instead. FIG. 8 is a block diagram showing an arrival direction estimation apparatus 1D according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. A block diagram of the signal eigenvalue evaluation unit 12 is shown in FIG. The signal eigenvalue evaluation unit 12 includes a signal correlation matrix eigenvalue decomposition unit 121, a difference value determination unit 122, and a limit time calculation unit 123 capable of eigenvalue decomposition.

信号相関行列の固有値分解部121は、信号相関行列作成部11より出力された相関行列である信号相関行列を固有値分解し、差分値判定部122に出力する。   The signal correlation matrix eigenvalue decomposition unit 121 performs eigenvalue decomposition on the signal correlation matrix, which is the correlation matrix output from the signal correlation matrix creation unit 11, and outputs the result to the difference value determination unit 122.

差分値判定部122は信号相関行列の固有値分解部121より出力された固有値で最大のものと、二番目に大きいものの比を取り、その時間差分値を計算し、固有値分解可能な限界時間の算出部123に出力する。   The difference value determination unit 122 calculates the time difference value of the eigenvalue output from the eigenvalue decomposition unit 121 of the signal correlation matrix and the second largest one, calculates the time difference value, and calculates the time limit for eigenvalue decomposition. Output to the unit 123.

固有値分解可能な限界時間の算出部123は、差分値判定部122より出力された固有値の比の差分値をある閾値と比較し、差分値が複数回連続で閾値より小さくなったときその中で最小の時間を、正確に固有値分解を行うことが可能な限界時間と定義し、位相分析部7のデータ観測時間導出部74に出力する。   The eigenvalue decomposable limit time calculation unit 123 compares the difference value of the ratio of the eigenvalues output from the difference value determination unit 122 with a certain threshold value, and when the difference value is continuously smaller than the threshold value a plurality of times, The minimum time is defined as a limit time that allows accurate eigenvalue decomposition, and is output to the data observation time deriving unit 74 of the phase analysis unit 7.

このように、実施の形態4の到来方向推定装置は、信号相関行列作成部11によって作成された相関行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号固有値評価部12を備え、位相分析部7は位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、このデータ観測時間の候補と信号固有値評価部12によって算出された固有値分解可能な限界時間との比較によりデータ観測時間を決定することを特徴とする。この構成により、ESPRITアルゴリズムを用いる場合にも、SNRが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能となる。 As described above, the arrival direction estimation apparatus according to the fourth embodiment compares the singular value ratio of the correlation matrix created by the signal correlation matrix creation unit 11 with the predetermined threshold value, thereby comparing the singular value decomposition. A signal eigenvalue evaluation unit 12 for calculating a possible limit time is provided, and the phase analysis unit 7 calculates a data observation time candidate based on the temporal change of the diagonal component of the phase rotation matrix, and the data observation time candidate and The data observation time is determined by comparison with a limit time that can be resolved by the eigenvalue calculated by the signal eigenvalue evaluation unit 12. With this configuration, even when the ESPRIT algorithm is used, even if the SNR changes, the minimum data observation time required for arrival direction estimation can be obtained according to the situation at that time.

また、信号固有値評価部12で算出される相関行列の固有値の比は、相関行列の最大特異値と2番目に大きい固有値の比であることを特徴とする。この構成により、適切に位相分析を行うことが可能となる。 Further, the ratio of the eigenvalues of the correlation matrix calculated by the signal eigenvalue evaluation unit 12 is a ratio of the largest singular value of the correlation matrix to the second largest eigenvalue. With this configuration, it is possible to appropriately perform phase analysis.

実施の形態1から実施の形態4では、それぞれの形態について記載したが、これらを総合的に扱うと、実施の形態1から実施の形態4に記載の発明は、到来方向が未知の信号をアレーアンテナである受信アンテナ3−1〜3−Mで受信し、受信アンテナ3−1〜3−Mで受信された受信信号を用いてこの到来方向が未知の信号の到来方向の情報を含む行列の特異値または固有値を算出し、算出された特異値または固有値を用いて前記到来方向が未知の信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であり、その特異値または固有値の算出に用いる受信信号の観測時間は、その特異値または固有値の位相成分の収束に必要な受信信号の観測時間より短く、その算出された特異値または固有値の位相成分はその特異値または固有値の位相成分の収束値と同程度となることを特徴としている。この構成により、特異値または固有値の位相成分の収束に必要な観測時間よりも短い時間で、収束時と同程度の精度の到来方向推定を行うことが可能となり、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。 In Embodiments 1 to 4, each form has been described. However, when these are handled comprehensively, the inventions described in Embodiments 1 to 4 are arranged such that signals with unknown arrival directions are arrayed. A matrix including information on the arrival direction of an unknown signal using the reception signals received by the reception antennas 3-1 to 3-M and the reception antennas 3-1 to 3-M. An arrival direction estimation device that calculates a singular value or an eigenvalue and estimates the arrival direction of a signal whose arrival direction is unknown using the calculated singular value or eigenvalue, and the received signal used for calculating the singular value or eigenvalue The observation time is shorter than the observation time of the received signal required to converge the singular value or eigenvalue phase component, and the calculated singular value or eigenvalue phase component converges to the singular value or eigenvalue phase component. It is characterized in that the same extent as. With this configuration, it is possible to estimate the direction of arrival with the same degree of accuracy as the convergence time in a shorter time than the observation time required for the convergence of the singular or eigenvalue phase component. Direction estimation can be performed.

1A、1B、1C、1D:到来方向推定装置、2:放射源、3−1〜3−M:受信アンテナ、4:観測時間設定部、5−1〜5−M:受信部、6:キュムラント行列作成部、7:位相分析部、8:到来方向推定部、9:方測結果出力部、10:信号特異値評価部、11:信号相関行列作成部、12:信号固有値評価部、71:位相回転行列導出部、72:位相計算部、73:位相評価部、74:データ観測時間導出部、101:キュムラント行列の特異値分解部、102:差分値判定部、103:特異値分解可能な限界時間の算出部、121:信号相関行列の固有値分解部、122:差分値判定部、123:固有値分解可能な限界時間の算出部 1A, 1B, 1C, 1D: Arrival direction estimation device, 2: Radiation source, 3-1 to 3-M: Reception antenna, 4: Observation time setting unit, 5-1 to 5-M: Reception unit, 6: Cumulant Matrix creation unit, 7: phase analysis unit, 8: arrival direction estimation unit, 9: direction measurement result output unit, 10: signal singular value evaluation unit, 11: signal correlation matrix creation unit, 12: signal eigenvalue evaluation unit, 71: Phase rotation matrix derivation unit, 72: phase calculation unit, 73: phase evaluation unit, 74: data observation time derivation unit, 101: singular value decomposition unit of cumulant matrix, 102: difference value determination unit, 103: singular value decomposition is possible Limit time calculation unit 121: Eigenvalue decomposition unit of signal correlation matrix 122: Difference value determination unit 123: Limit time calculation unit capable of eigenvalue decomposition

Claims (11)

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で受信された受信信号のキュムラント行列を作成する行列作成部と、前記行列作成部によって作成されたキュムラント行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、
前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、
を備えたことを特徴とする到来方向推定装置。
An array antenna that receives a signal with an unknown direction of arrival;
A matrix creation unit that creates a cumulant matrix of received signals received by the array antenna, and a phase rotation caused by a difference in the observation position of the signal whose arrival direction is unknown, using the cumulant matrix created by the matrix creation unit Calculating a phase rotation matrix including information representing the diagonal component, and determining a data observation time based on a time change of the diagonal component of the phase rotation matrix; and
A direction-of-arrival estimation unit that performs direction-of-arrival estimation using a received signal corresponding to the data observation time determined by the phase analysis unit;
An arrival direction estimating apparatus comprising:
前記キュムラント行列は前記アレーアンテナでの受信信号に対するキュムラント演算と、前記アレーアンテナに含まれる2つのアンテナの間の位置の差分だけ前記アレーアンテナを移動させた位置にある仮想的なアレーアンテナでの受信信号に対するキュムラント演算、により得られた行列
であることを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。
The cumulant matrix includes a cumulant calculation for a received signal at the array antenna, and reception at a virtual array antenna at a position where the array antenna is moved by a difference in position between two antennas included in the array antenna. The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the arrival direction estimation apparatus is a matrix obtained by cumulant calculation on a signal.
前記位相分析部は前記位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、前記求めた直流成分と、前記対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の到来方向推定装置。 The phase analysis unit obtains a direct current component with respect to the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix, and the time when the obtained direct current component coincides with the time-varying phase component of the diagonal term corresponds to the data observation. The arrival direction estimation apparatus according to claim 1 or 2, wherein time is used. 前記位相分析部は複数の観測時間に対する前記位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上で前記軌道が前記収束点と同じ方向となる観測時間を前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の到来方向推定装置。 The phase analysis unit obtains a trajectory and a convergence point of a diagonal component of the phase rotation matrix for a plurality of observation times, and an observation time in which the trajectory is in the same direction as the convergence point on a complex plane is set as the data observation time. The direction of arrival estimation apparatus according to claim 1 or 2, wherein 前記行列作成部によって作成されたキュムラント行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号特異値評価部を備え、前記位相分析部は前記位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、前記データ観測時間の候補と前記信号特異値評価部によって算出された特異値分解可能な限界時間との比較により前記データ観測時間を決定する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。
A signal singular value evaluation unit that calculates a limit time that can be decomposed by a singular value by comparing a time variation of a ratio of singular values of the cumulant matrix created by the matrix creation unit with a predetermined threshold, and the phase The analysis unit calculates a data observation time candidate based on the temporal change of the diagonal component of the phase rotation matrix, and the singular value decomposition limit calculated by the data observation time candidate and the signal singular value evaluation unit The arrival direction estimation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the data observation time is determined by comparison with time.
前記信号特異値評価部で算出されたキュムラント行列の特異値の比は、前記キュムラント行列の最大特異値と2番目に大きい特異値の比である
ことを特徴とする請求項5に記載の到来方向推定装置。
6. The direction of arrival according to claim 5, wherein the ratio of the singular values of the cumulant matrix calculated by the signal singular value evaluation unit is a ratio of the largest singular value of the cumulant matrix to the second largest singular value. Estimating device.
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で受信された受信信号の相関行列を作成する行列作成部と、
前記行列作成部によって作成された相関行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、
を備えたことを特徴とする到来方向推定装置。
An array antenna that receives a signal with an unknown direction of arrival;
A matrix creating unit that creates a correlation matrix of received signals received by the array antenna;
Using the correlation matrix created by the matrix creation unit, calculating a phase rotation matrix including information representing phase rotation caused by a difference in observation position of the signal whose arrival direction is unknown in a diagonal component, and the phase rotation matrix A phase analysis unit for determining a data observation time based on a time change of a diagonal component of the direction, an arrival direction estimation unit for performing an arrival direction estimation using a received signal corresponding to the data observation time determined by the phase analysis unit,
An arrival direction estimating apparatus comprising:
前記位相分析部は前記位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、前記求めた直流成分と、前記対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項7に記載の到来方向推定装置。 The phase analysis unit obtains a direct current component with respect to the phase component of the diagonal term of the phase rotation matrix, and the time when the obtained direct current component coincides with the time-varying phase component of the diagonal term corresponds to the data observation. The arrival direction estimation apparatus according to claim 7, wherein time is used. 前記位相分析部は複数の観測時間に対する前記位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上で前記軌道が前記収束点と同じ方向となる観測時間を前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の到来方向推定装置。 The phase analysis unit obtains a trajectory and a convergence point of a diagonal component of the phase rotation matrix for a plurality of observation times, and an observation time in which the trajectory is in the same direction as the convergence point on a complex plane is set as the data observation time. The arrival direction estimation apparatus according to claim 7 or 8, wherein 前記行列作成部によって作成された相関行列の固有値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、固有値分解可能な限界時間を算出する信号固有値評価部を備え、
前記位相分析部は前記位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、前記データ観測時間の候補と前記信号固有値評価部によって算出された固有値分解可能な限界時間との比較により前記データ観測時間を決定する
ことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の到来方向推定装置。
A signal eigenvalue evaluation unit that calculates a time limit of eigenvalue decomposition by comparing the time change of the ratio of eigenvalues of the correlation matrix created by the matrix creation unit with a predetermined threshold,
The phase analysis unit calculates a data observation time candidate based on a temporal change of a diagonal component of the phase rotation matrix, and the eigenvalue decomposition limit calculated by the data observation time candidate and the signal eigenvalue evaluation unit The arrival direction estimation apparatus according to any one of claims 7 to 9, wherein the data observation time is determined by comparison with time.
前記信号固有値評価部で算出された相関行列の固有値の比は、前記相関行列の最大固有値と2番目に大きい固有値の比である
ことを特徴とする請求項10に記載の到来方向推定装置。
The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 10, wherein a ratio of eigenvalues of the correlation matrix calculated by the signal eigenvalue evaluation unit is a ratio of a maximum eigenvalue of the correlation matrix to a second largest eigenvalue.
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